Επίδραση των κοιλοτήτων του εδάφους στην εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου σε οδικά δίκτυα: Η περίπτωση της Παλαιάς Εθνικής Οδού Λάρισας-Βόλου

Abstract

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται ο πλημμυρικός κίνδυνος σε εθνικά οδικά δίκτυα, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση των κοιλοτήτων του εδάφους. Το οδικό τμήμα που μελετάται είναι ένα τμήμα της Παλαιάς Εθνικής Οδού (Π.Ε.Ο), που συνδέει την πόλη της Λάρισας με αυτή του Βόλου. Η μελέτη περιλαμβάνει την επίδραση που έχουν οι κοιλότητες του εδάφους, στην πλημμυρική παροχή και στον όγκο απορροής, σε συγκεκριμένα σημεία του υπό μελέτη οδικού τμήματος. Χρησιμοποιήθηκε λοιπόν, μία μεθοδολογία εκτίμησης της πλημμυρικής παροχής και του όγκου απορροής στα συγκεκριμένα σημεία, λαμβάνοντας υπόψη τις κοιλότητες του εδάφους, αλλά και παραλείποντας αυτές. Οι κοιλότητες του εδάφους μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στον περιορισμό του κινδύνου της δημιουργίας πλημμυρών. Οι κοιλότητες που υπάρχουν στο έδαφος, μπορούν να λειτουργήσουν σαν ταμιευτήρες και να αποθηκεύσουν κάποια ποσότητα νερού. Η ποσότητα του νερού που θα αποθηκευθεί εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως, π.χ., ο όγκος της κοιλότητας. Η αποθήκευση αυτή έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της παροχής αιχμής και του όγκου απορροής, με το ποσοστό αυτό της μείωσης να διαφέρει ανάλογα με την περίπτωση. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της παροχής αιχμής και του όγκου απορροής περιλαμβάνει δύο προσεγγίσεις: Η πρώτη προσέγγιση περιλαμβάνει την εκτίμηση των δύο παραπάνω μεγεθών λαμβάνοντας υπόψη τις κοιλότητες του εδάφους, ενώ η δεύτερη προσέγγιση υπολογίζει την παροχή αιχμής και τον όγκο απορροής, παραλείποντας τις κοιλότητες του εδάφους. Και για τις δύο προσεγγίσεις οι υπολογισμοί έγιναν στο λογισμικό HEC-HMS. Και στις δύο προσεγγίσεις το πρώτο βήμα περιλαμβάνει την εξαγωγή των υετογραμμάτων σχεδιασμού, με γνωστή όμβρια καμπύλη (στην περιοχή της Λάρισας), για διάφορες περιόδους επαναφοράς και χρονικές διάρκειες βροχόπτωσης. Στη συνέχεια, με τη μέθοδο SCS, μετατρέπονται τα ύψη βροχόπτωσης σε περισσεύματα βροχόπτωσης και με βάση τα μορφομετρικά στοιχεία κάθε λεκάνης, τα οποία προέκυψαν μετά από επεξεργασία σε ΓΣΠ, κατασκευάζεται το αδιάστατο συνθετικό μοναδιαίο υδρογράφημα κατά SCS. Σύμφωνα με αυτό, μετατρέπεται η βροχόπτωση σε απορροή. Κατόπιν, προσδιορίζονται οι παράμετροι που αφορούν την διόδευση της πλημμύρας μέσω των υδατορευμάτων, αλλά και μέσω των κοιλοτήτων του εδάφους στην προσέγγιση που λαμβάνονται υπόψη οι κοιλότητες. Οι κοιλότητες που χρησιμοποιήθηκαν προέκυψαν από ανάλυση σε ΓΣΠ, με τον ορισμό μία τιμής σαν κατώφλι, ώστε να απορριφθούν οι πολύ μικρές κοιλότητες. Τέλος, έγινε η εισαγωγή όλων των απαραίτητων στοιχείων στο υδρολογικό πρόγραμμα HEC-HMS και, στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν οι προσομοιώσεις, ώστε να προκύψουν τα αποτελέσματα για την παροχή αιχμής και τον όγκο απορροής και για τις δύο προσεγγίσεις. Από τα αποτελέσματα αυτά έγινε μία σύγκριση, ώστε να φανεί η επίδραση των κοιλοτήτων στην παροχή αιχμής και στον όγκο απορροής, για περιόδους επαναφοράς από 25 μέχρι 10000 έτη και χρονικές διάρκειες 6 h, 12 h, 24 h και 48 h. Η σύγκριση αυτή έγινε σε συγκεκριμένα σημεία του οδικού τμήματος, τα σημεία εκείνα του δρόμου, τα οποία τέμνονται με υδατορεύματα. Τα σημεία στα οποία κάποιο υδατόρευμα έτεμνε το δρόμο ήταν επτά. Η σύγκριση των δύο αυτών προσεγγίσεων έδειξε ότι η παροχή αιχμής και ο όγκος απορροής μειώνονται στην περίπτωση που λαμβάνονται υπόψη οι κοιλότητες του εδάφους. Τα ποσοστά αυτής της μείωσης διαφέρουν για κάθε σημείο ανάλογα με τον όγκο των εκάστοτε ανάντη κοιλοτήτων, αλλά και τα μορφομετρικά στοιχεία της λεκάνης απορροής. Υπήρχαν περιπτώσεις που το ποσοστό αυτής της μείωσης άγγιζε και το 100%, δηλαδή η επίδραση της κοιλότητας ήταν τέτοια ώστε να μην υπάρχει καθόλου απορροή. Το ποσοστό της μείωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η περίοδος επαναφοράς και η διάρκεια της βροχόπτωσης, δηλαδή είναι μικρότερη η επίδραση των κοιλοτήτων για μεγάλες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχόπτωσης. Αυτό είναι λογικό, αφού σε μεγάλες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχόπτωσης, η ποσότητα της βροχής που φτάνει στο έδαφος είναι μεγαλύτερη με αποτέλεσμα να γεμίζουν γρήγορα οι κοιλότητες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μία ανάλυση που αφορά τη ευαισθησία των αποτελεσμάτων στην χρονική κατανομή των τμηματικών υψών βροχόπτωσης. Η ανάλυση αυτή απαιτούσε την κατασκευή νέων υετογραμμάτων σχεδιασμού με την τοποθέτηση της αιχμής του κάθε υετογράμματος στο 75% της διάρκειας της βροχόπτωσης και όχι στο 50%, όπως έγινε προηγουμένως. Αφού δημιουργήθηκαν τα νέα υετογράμματα σχεδιασμού για τις ίδιες περιόδους επαναφοράς και διάρκειες βροχόπτωσης, έγιναν ξανά οι προσομοιώσεις στο λογισμικό HEC-HMS και για τις δύο προσεγγίσεις. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρατηρήθηκε ότι η παροχή αιχμής εμφανίζεται χρονικά αργότερα για κάθε υδρολογικό στοιχείο, στην περίπτωση που η αιχμή του υετογράμματος τοποθετηθεί στο 75% της διάρκειας της βροχόπτωσης και για τις δύο προσεγγίσεις. Η μεταγενέστερη αυτή χρονική στιγμή έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της παροχής αιχμής, τόσο στην προσέγγιση που λαμβάνονται υπόψη οι κοιλότητες, όσο και σε αυτή που παραλείπονται αυτές. Η ποσοστιαία αυτή αύξηση διαφέρει για κάθε σημείο ενδιαφέροντος. Ο όγκος απορροής δεν υφίσταται κάποια μεταβολή και παραμένει ο ίδιος και για τις δύο προσεγγίσεις, ανεξάρτητα από την θέση της αιχμής του υετογράμματος σχεδιασμού. Τέλος, έγινε μία σύγκριση στην οποία εκτιμήθηκε σε ποια περίπτωση είναι μεγαλύτερη η επίδραση των κοιλοτήτων του εδάφους, όσον αφορά στη θέση της αιχμής του υετογράμματος σχεδιασμού. Η σύγκριση αυτή έδειξε ότι στις μικρές διάρκειες βροχής (6 h και 12 h) η επίδραση των κοιλοτήτων είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση που η αιχμή του υετογράμματος σχεδιασμού τοποθετηθεί στο 75% της διάρκειας της βροχόπτωσης, ενώ για τις μεγάλες διάρκειες (24 h και 48 h) η επίδραση των κοιλοτήτων είναι μικρότερη στην περίπτωση που η αιχμή του υετογράμματος σχεδιασμού τοποθετηθεί στο 75% της διάρκειας. Η ανάλυση που έγινε στην παρούσα εργασία δείχνει ότι η επίδραση των κοιλοτήτων του εδάφους μπορεί να είναι πολύ σημαντική, καθώς μειώνει την παροχή αιχμής και τον όγκο απορροής. Βέβαια, για να είναι ασφαλή τα συμπεράσματα χρειάζονται καλύτερης ανάλυσης δεδομένα, από αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Τέλος, να σημειωθεί ότι κατά την μελέτη και κατασκευή ενός αντιπλημμυρικού έργου θα πρέπει οι κοιλότητες του εδάφους να λαμβάνονται υπόψη, διότι θα αποφευχθούν φαινόμενα υπερκοστολόγησης και υπερδιαστασιολόγησης των έργων αυτών.

In the present study the flood risk on national roads is examined by taking into consideration the effect of ground depressions. The road section under study is a part of the Old National Road, which connects the city of Larissa to that of Volos. The study includes the effect of ground depressions on the flood peak discharge and on the runoff volume at particular points of the road section under study. An assessment methodology is being used for the flood peak discharge and runoff volume at those specific points both by taking into consideration the ground depressions, as well as ignoring them. The ground depressions can play an important role in reducing the risk of flood. The ground depressions can act as reservoirs and store a certain amount of water. The amount of water that can be stored depends on various factors, as for example the volume of the depression. This water-storing results to reduction of the peak discharge and runoff volume. The percentage of this reduction varies with the case. The methodology that was used to determine the peak discharge and runoff volume includes two approaches: the first approach calculates the peak discharge and runoff volume by taking into consideration the ground depressions, while the second approach calculates the peak discharge and runoff volume ignoring the ground depressions. For both approaches the calculations were performed by the HEC-HMC software. For both approaches the first step is to construct the design hyetographs with a known IDF curve (in Larissa) for various return periods and durations of rainfall. Then, the rainfall depths are transformed into excess rainfall depths via the SCS method and the unit hydrograph is constructed based on the dimensionless unit hydrograph proposed by SCS. The necessary morphometric information of the basin comes after processing geographical information within GIS. With the aid of this Unit Hydrograph rainfall is transformed into runoff. Afterwards, the parameters for the flood routing through waterways and ground depressions are specified for the approach that takes into consideration the ground depressions. These depressions resulted after analysis in GIS by defining a threshold that enbled us to reject very small depressions. Finally, after importing all the necessary data to the HEC-HMC hydrological software, simulations were run in order to obtain results for the peak discharge and runoff volume for both approaches. These results were compared to show the effect of the ground depressions on the peak discharge and runoff volume for return periods of 25 to 10000 years and time durations of 6 h, 12 h, 24 h and 48 h. This comparison was made at specific points of the road network, i.e., those points where the road intersected with a waterway. There were seven such points. The comparison of the two approaches showed that the peak discharge and the runoff volume were reduced when taking into consideration the ground depressions. The percentage of the reduction differs for each point depending on the volume of upstream depressions and the morphometric information of the basin. In fact, there are cases where there is almost 100% reduction, which means that the effect of the ground depression is such that there is no runoff. The reduction of the percentage is inversely proportional to the return period and the rainfall duration. In other words, the effect of the ground depressions is less for large return periods and large rainfall durations. This is natural since for large return periods and large rainfall durations, the amount of rainfall reaching the ground is large, thus resulting to quick filling of the ground depressions. Last, an analysis regarding the sensitivity of the results to the temporal distribution of rainfall within each event was conducted. New design hyetographs were required for this analysis. The peak of each hyetograph was placed at 75% of the rainfall duration and not at 50%, as it was previously done. After creating the new design hyetographs for the same return periods and rainfall durations, simulations were run with the aid of the HEC-HMS software for both approaches. The simulation results show that for both approaches the peak discharge appears at a later time in each output hydrograph for the case when the peak of the hyetograph was placed at 75% of the rainfall duration. This later time results also to an increase of the peak discharge, both when the ground depressions are considered as well as when they are ignored. The percentage increment is different for each point of interest. The runoff volume stays the same for both approaches, regardless of the position of the peak of the design hyetograph. Furthermore, a comparison regarding the position of the peak of the design hyetograph was made, in order to evaluate the effect of the ground depressions. This comparison showed that for low rainfall durations (6 h and 12 h) the impact of ground depressions is greater when the peak of the design hyetograph is placed at 75% of the rainfall duration, while for high rainfall durations (24 h and 48 h) the impact of ground depressions is limited in the case where the peak of the design hyetograph is placed at 75% of the rainfall duration. The analysis in the present study shows that the effect of ground depressions can be very important since it can reduce the peak discharge and runoff volume. For more concrete results, though, there is need for data of better quality than the data used in this study. Finally, it is noted that during the design and implementation of an anti-flooding project, the ground depressions should be taken into consideration in order to avoid overcosting and oversizing of the project.