Επίδραση των κοιλοτήτων του αναγλύφου στην εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου σε υπεραστικά οδικά δίκτυα

Abstract

Η διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχευε στην εκτίμηση της επίδρασης των κοιλοτήτων του ανάγλυφου, στον υπολογισμό της παροχής αιχμής που καταλήγει σε σημεία ενός υφιστάμενου οδικού δικτύου. Ουσιαστικά, πρόκειται για την συμβολή της επιφανειακής αποθήκευσης σην ανάσχεση της πλημμυρικής απορροής. Να σημειωθεί ότι η τιμή της επιφανειακής αποθήκευσης είναι μοναδική για κάθε περιοχή μελέτης αφού εξαρτάται σε απόλυτο βαθμό από την μορφολογία του εδάφους. Οι κλιματικές αλλαγές που παρατηρούνται αναμένεται να προκαλούν στο μέλλον ακόμα πιο ακραία καιρικά φαινόμενα. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται πλημμυρικά φαινόμενα που δημιουργούνται από βροχές μεγάλης έντασης και αναμένεται να επηρεάσουν το οδικό δίκτυο. Το υπό μελέτη οδικό δίκτυο αποτελεί τμήμα του υπεραστικού οδικού δικτύου της περιοχής ανάντη της πόλης της Λάρισας, στην Θεσσαλία. Η περιοχή μελέτης αποτελεί μέρος της λεκάνης απορροής του Πηνειού ποταμού. Για την εκτίμηση της συμβολής των κοιλοτήτων του εδάφους, πραγματοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις. Στην πρώτη, συμμετείχαν οι κοιλότητες στην υδρολογική ανάλυση. Μάλιστα, τέθηκε και ένα κατώφλι έκτασης, έτσι ώστε όσες κοιλότητες είχαν έκταση μικρότερη της τιμής αυτής δεν λαμβάνονταν υπόψη. Η τιμή αυτή επιλέχθηκε να είναι 10 000 m2. Η σκοπιμότητα του κατωφλιού είναι για να συμμετέχει στην ανάλυση ένας λογικός αριθμός κοιλοτήτων και να αποκλειστούν κοιλότητες με πολύ μικρή έκταση που αποτελούν βυθίσματα και δεν διορθώθηκαν κατά την επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων. Κατά την δεύτερη προσέγγιση, οι κοιλότητες αγνοήθηκαν, ώστε με την σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο προσεγγίσεων, να προκύψει η επίδραση των κοιλοτήτων στην ανάσχεση της πλημμυρικής απορροής. Αρχικά, από την επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων, δηλαδή το ψηφιακό μοντέλο της περιοχής μελέτης, μέσω του λογισμικού ArcGIS, εξήχθησαν τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά της περιοχής. Έπειτα, με διαθέσιμη την όμβρια καμπύλη της περιοχής της Λάρισας, δημιουργηθήκαν τα υετογράμματα σχεδιασμού για περιόδους επαναφοράς T = 25, 50, 100, 500, 1 000 και 10 000 έτη και για διάρκειες βροχόπτωσης d = 6, 12, 24, 48 h. Ακολούθησε ο υπολογισμός της παροχής. Από το σύνολο της κατακρήμνισης, αφαιρέθηκαν οι απώλειες βροχόπτωσης, μέσω της μεθόδου SCS. Έπειτα, υπολογίστηκαν οι παράμετροι της διόδευσης πλημμύρας για κάθε υδατόρευμα, μέσω της μεθόδου Muskingum. Στην συνέχεια, υπολογίστηκε η σχέση αποθήκευσης-εκροής για κάθε ισοδύναμη κοιλότητα. Η ισοδύναμη κοιλότητα, περικλείει τα χαρακτηριστικά του συνόλου των κοιλοτήτων κάθε λεκάνης. Ο όγκος της είναι ίσος με το άθροισμα των όγκων των επιμέρους κοιλοτήτων. Το ίδιο ισχύει και για την έκταση. Το βάθος της υπολογίζεται ως ο όγκος δια της επιφάνειας. Τα δεδομένα που προέκυψαν εισήχθησαν στο υδρολογικό λογισμικό, HEC-HMS. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν για οκτώ σημεία ενδιαφέροντος (δηλαδή σημεία του υπό μελέτη οδικού δικτύου που τέμνονται από υδατορεύματα) και για τις δύο προσεγγίσεις, , συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Από την σύγκριση αυτή, προέκυψε μια σημαντική μείωση της παροχής αιχμής. Η μείωση αυτή οφείλεται στην αποθηκευτική ικανότητα των κοιλοτήτων. Το ποσοστό μείωσης εξαρτάται από την αποθηκευτική ικανότητα των ανάντη κοιλοτήτων του κάθε σημείου ενδιαφέροντος καθώς και από το πλήθος τους. Ακόμα, το ποσοστό μείωσης της παροχής αιχμής μειώνεται όσο αυξάνονται η περίοδος επαναφοράς και η διάρκεια βροχής στην πλειονότητα των περιπτώσεων. Ωστόσο, σε ένα από τα οκτώ σημεία που εξετάστηκαν παρατηρείται αύξηση της ποσοστιαίας μείωσης της παροχής αιχμής όσο αυξάνεται η περίοδος επαναφοράς και η διάρκεια βροχόπτωσης. Ανάντη του σημείου αυτού υπάρχει ο μεγαλύτερος αριθμός ισοδύναμων κοιλοτήτων (8), με την μεγαλύτερη αποθηκευτική ικανότητα από κάθε άλλο σημείο. Το αποτέλεσμα πιθανόν να οφείλεται στην χρονική κατανομή της παροχής η οποία μεταβάλλεται μετά την συμμετοχή των κοιλοτήτων στην ανάλυση και στις μεγαλύτερες ποσότητες βροχόπτωσης, ο συνδυασμός των επιμέρους παροχών να δημιουργεί μικρότερη παροχή αιχμής. Στα πλαίσια της διπλωματικής πραγματοποιήθηκε και μια ανάλυση ευαισθησίας των αποτελεσμάτων στην επιλογή της τιμής κατωφλιού έκτασης για τις κοιλότητες. Πραγματοποιήθηκε λοιπόν μια ακόμα προσέγγιση στην οποία συμμετείχαν οι μισές μεγαλύτερες κοιλότητες από εκείνες της πρώτης προσέγγισης. Το κατώφλι έκτασης λοιπόν που προέκυψε είναι 16 925 m2. Ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία για τον εξαγωγή των αποτελεσμάτων, τα οποία συγκρίθηκαν με την πρώτη προσέγγιση, αλλά και με την προσέγγιση κατά την οποία η ύπαρξη των κοιλοτήτων αγνοείται. Από την σύγκριση προέκυψε η επίδραση της τιμής του κατωφλιού στα αποτελέσματα, καθώς παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στις παροχές αιχμής μεταξύ των προσεγγίσεων. Αξίζει να αναφερθεί ότι η αύξηση της τιμής του ορίου επιλογής κοιλοτήτων βάσει της έκτασής τους, «αφαίρεσε» παντελώς τις κοιλότητες από κάποιες λεκάνες οι οποίες, στην πρώτη προσέγγιση, διέθεταν κοιλότητες. Συνοψίζοντας, οι κοιλότητες του ανάγλυφου όταν συμμετέχουν στην υδρολογική ανάλυση, μειώνουν τις τιμές της παροχής αιχμής. Αυτό συνεπάγεται ελάττωση του κόστους των αντιπλημμυρικών έργων που χρειάζονται να κατασκευαστούν σε ένα υπό μελέτη υπεραστικό οδικό δίκτυο. Είναι δηλαδή σημαντικό να προσδιορίζεται με ακρίβεια η επιφανειακή αποθήκευση της κατά περίπτωσης περιοχής μελέτης.

The investigation carried out in this thesis aimed to assess the impact of the relief depressions to the peak discharge at crossings of watercourses with existing interurban road network. This is due to the contribution of provisionsurface storage of the flood volume. The available volume for surface storage is unique for each study area, because it absolutely depends on the morphology of the area. In the future, climate change is expected to cause more extreme weather events. In the present work flooding caused by high intensity rainfall network is investigated which is expected to affect the road network. The studied road network is part of the interurban road network of the region upstream of the city of Larissa in Thessaly. The study area is part of the watershed of Peneios river. To estimate the contribution of ground depressions we followed two approaches. In the first approach, the depressions participated in the hydrological analysis. Also, a threshold for the area of each depression was considered, so that these with an area smaller than this value are ignored. This value was chosen to be 10 000 m2. The choice of the threshold is based on keeping a reasonable number of depressions and removing those with smaller area which are most probably due to the processing of raw data. In the second approach the depressions were ignored, so that comparing the results of the two approaches allows to assess the importance of depressions in flood peak discharge. Initially, raw data, namely the digital elevation model of the study area, were processed through ArcGIS to extract geomorphological characteristics such as basins, routing waterways, and depresssions of the area. At the beginning the mophometric characteristics for eavh sub-basin were recognised such as the sub-basin area. Then, the parameters for each flood routing watercourse were assessed . Afterwards, the relationship storage - discharge for each equivalent depression was calculated. The equivalent depression includes all the features of the depressions of each basin. The volume is equal to the sum of the volumes of the individual depressions. The same applies to the area . The depth is calculated as the volume divided by tha area. Then, using the idf curve for the region of Larissa we developed the design hyetographs the for the return periods T = 25, 50, 100, 500, 1 000, 10 000 years, and for rainfall durations d = 6, 12, 24, 48 h. The second step was the transportation of the quantity of precipitation into excess rainfall via the SCS method. The third step was the construction of the Unit Hyetograph based on the dimensionless Unit Hhyetograph proposed by the SCS method. Data for each hydrological element of the study area were inserted on hydrological software, HEC-HMS. The results for the eight points of interest for both approaches, i.e points at the intersections of the roads and rivers, were compared. From this comparison, a significant reduction in the peak discharge was found. This decrease is due to the storage capacity of the depressions. The rate of reduction depends on the storage capacity of the upstream depressions and their number. Still, the rate of decline of peak deischarge decreases with increasing return period and rainfall duration in most cases. However, in one of the eight points examined, an increase of the percentage reduction of the peak discharge was found when return period and rainfall duration increase. This point corresponds to the maximum number of upstream equivalent depressions (8) with more storage capacity than in any other point. The result may be due to the timing of arrival of hydrograph peaks from upstream.. We conducted a sensitivity analysis regarding the threshold area for depressions. In another approach half of deressions of the first approach participated (the largest ones). The threshold for the area that emerged was 16 925 m2. Results were compared with those of the first approach and also with the approach in which the existance of depressions is ingnored. The comparison showed the effect of threshold value on the results: significant differences between the peak discharges of the three approaches. It is worth noting that the increase of the threshold removed completely the depressions of some basins which altered the results radically. To summarize, the depressions of the ground when taken into consideration in a hydrological analysis, results in lower values of peak discharge. This implies a reduction of the cost of flood defense constructions needed to be built in an interurban road network.