Προσομοίωση πλημμύρας σε φυσικό ανάγλυφο για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου

Μπέλλος, Βασίλης; Bellos, Vasilis

dc.contributor.author	Μπέλλος, Βασίλης	el
dc.contributor.author	Bellos, Vasilis	en
dc.date.accessioned	2015-12-23T08:48:03Z
dc.date.available	2015-12-23T08:48:03Z
dc.date.issued	2015-12-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41802
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1977
dc.rights	Default License
dc.subject	προσομοίωση πλημμύρας	el
dc.subject	δισδιάστατο μοντέλο	el
dc.subject	FLOW-R2D	el
dc.subject	πλημμυρικός κίνδυνος	el
dc.subject	flood modelling	en
dc.subject	2D model	en
dc.subject	FLOW-R2D	en
dc.subject	flood hazard	en
dc.subject	φυσικό ανάγλυφο	el
dc.subject	natural terrains	en
dc.title	Προσομοίωση πλημμύρας σε φυσικό ανάγλυφο για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου	el
dc.title	Flood modelling in natural terrains for the flood hazard estimation	en
dc.contributor.department	Τομέας Έργων Υποδομής και Αγροτικής Ανάπτυξης, Εργαστήριο Εγγειοβελτιωτικών Έργων και Διαχείρισης Υδατικών Πόρων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Water resources	el
heal.classification	Flood	el
heal.classification	Mathematical models	el
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C04302
heal.classificationURI	http://zbw.eu/stw/descriptor/19624-2
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C02435
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-12-02
heal.abstract	Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε το αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης πλημμυρικής ροής FLOW-R2D, το οποίο επιλύει τις δισδιάστατες Εξισώσεις Αβαθών Υδάτων με την αριθμητική μέθοδο των Πεπερασμένων Διαφορών και τροποποίηση του αριθμητικού σχήματος McCormack. Κύριος στόχος της διατριβής ήταν η παρουσίαση μίας ολοκληρωμένης και πρωτότυπης μεθοδολογίας για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου, καθώς και μία ενδελεχής επισκόπηση όλων των θεμάτων που αφορούν στη δισδιάστατη προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκαν εννιά πρότυποι έλεγχοι με στόχο τη διερεύνηση της επιστημονικής αρτιότητας του μοντέλου. Έγινε προσπάθεια να καλυφθεί ένα ευρύ φάσμα ελέγχων που να περιλαμβάνει τη σύγκριση των δεδομένων που προέκυψαν με την αριθμητική επίλυση, με αντίστοιχα δεδομένα από αναλυτικές λύσεις, από πειράματα, καθώς και από πραγματικές μετρήσεις. Το πρόγραμμα των ελέγχων ολοκληρώθηκε με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Διερευνήθηκε επίσης σειρά θεμάτων που αφορούν στην προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες. Η πλημμύρα σε αστικό περιβάλλον είναι ένα από τα πιο κρίσιμα θέματα και κυρίως αφορά στον τρόπο αναπαράστασης της επίδρασης των κτιρίων στην πλημμυρική ροή. Οι διάφοροι υφιστάμενοι τρόποι που υπάρχουν στη σχετική βιβλιογραφία ιεραρχήθηκαν με βάση την απόδοσή τους, συγκρίνοντας αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα, καθώς και με βάση τον υπολογιστικό χρόνο που απαιτήθηκε. Η βαθμονόμηση των διάφορων παραμέτρων που υπεισέρχονται στο αριθμητικό μοντέλο αποτελεί επίσης ένα κρίσιμο θέμα, καθώς δεν είναι δυνατόν να εφαρμοστούν κλασικές ή υβριδικές μέθοδοι βελτιστοποίησης, λόγω των μεγάλων υπολογιστικών απαιτήσεων κάθε προσομοίωσης. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής παρουσιάστηκαν τρόποι αντιμετώπισης τέτοιων δυσχερειών. Επίσης σημαντικό θέμα είναι η εισαγωγή αβεβαιότητας στην αριθμητική επίλυση από τις διάφορες παραμέτρους που απαιτούνται για την αριθμητική επίλυση, καθώς και η εξέλιξη αυτής ως προς το χρόνο. Έγινε προσπάθεια καταγραφής όλων αυτών των παραμέτρων, καθώς και διερεύνηση των πιο σημαντικών από αυτές, στην εισαγωγή αβεβαιότητας. Αναπτύχθηκε επίσης, πρωτότυπη σχέση προσδιορισμού του συντελεστή τραχύτητας για ροή με ελεύθερη επιφάνεια, η οποία ισχύει σε όλες τις περιοχές ροής (στρωτή ροή, τυρβώδης ροή και μεταβατικές περιοχές) και η οποία έχει φυσική βάση. Η σχέση αυτή είναι, κατάλληλη για τις περιπτώσεις, όπου είναι γνωστό το ύψος τραχύτητας. Παράλληλα, προτείνεται μοντέλο προσομοίωσης των τριβών πυθμένα με τρεις παραμέτρους, οι οποίες εκτιμώνται για μία σειρά υλικών. Τέλος, πραγματοποιείται εφαρμογή του μοντέλου σε πραγματικές συνθήκες για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου. Η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής αφορά στη δισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες και στην αντιμετώπιση των διάφορων ειδικών θεμάτων που προκύπτουν από την πολυπλοκότητα του φυσικού κόσμου. Η έλλειψη πραγματικών μετρήσεων είναι ένας αποθαρρυντικός παράγοντας για την ορθολογική βαθμονόμηση ή εκτίμηση των απαιτούμενων παραμέτρων στο αριθμητικό μοντέλο. Η μία προσέγγιση για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος είναι η πίεση σε διάφορους θεσμούς ή ακόμα και η πρωτοβουλία για τη δημιουργία βιβλιοθήκης δεδομένων πραγματικών μετρήσεων. Η άλλη προσέγγιση είναι η ανάπτυξη ορθολογικότερων μοντέλων που έχουν στοιχειώδη φυσική βάση για την προσομοίωση μίας σειράς φυσικών φαινομένων και οι παράμετροι των οποίων υπόκεινται σε φυσικούς περιορισμούς. Οι δύο αυτοί δρόμοι προσέγγισης δεν πρέπει να θεωρηθούν σε καμία περίπτωση αντιπαραθετικοί μεταξύ τους, αλλά αντιθέτως, θα πρέπει να τροφοδοτεί ο ένας τον άλλον.	el
heal.abstract	In this thesis, a new two-dimensional (2D) hydrodynamic model is presented, named FLOW-R2D, which solves the 2D-SWE through the Finite Difference Method and a modification of the McCormack numerical scheme. The objective of the thesis is the development of a new paradigm for the estimation of the flood hazard and taking into account several special issues appearing during the 2D flood simulation in real world conditions. The model is extensively tested by nine benchmarking tests and the numerical results derived from each test are compared with analytical solutions, experimental data and field measurements. The benchmarking test phase is performed satisfactorily. The first special issue is the flood simulation in an urban environment. The most important parameter in this case is how the resistance caused by buildings or other structures is represented in the model. The most common methods for simulating the water flow among the various structures are evaluated based on the comparison of the numerical results of the model with the corresponding experimental data and by the computational time required for each method. Another special issue is the calibration of the various parameters required from the model in order to simulate a flood event. The computational cost of 2D hydrodynamic models does not allow the implementation of conventional or evolutionary optimisation techniques and therefore only the trial and error method was adopted. In various case-studies where the computational effort is excessive, even the trial and error method could not be applied at reasonable computational times, and therefore a special treatment was followed. Apart from the calibration process, a sensitivity analysis of the various parameters was also performed in order to investigate the uncertainty introduced to the numerical results. The evolution of this uncertainty with respect to time is also investigated but no clear trend was observed. Besides, a new, physically-based, explicit relationship, valid for all the regimes of the flow (laminar, turbulent and transition regimes), appropriate for open channel flow, for the f coefficient of Darcy-Weisbach equation is produced. Apart from this approach, a new three-parameter friction model was proposed, while the values of these three parameters are estimated for various materials. In the last sections of the thesis, the model is used in order to estimate the flood hazard in real world conditions. The originality of the present thesis is the 2D flood simulation in real world conditions and the address of the various aspects which appear when simulating the real world case studies. The lack of field measurements is a disadvantage for the calibration of the parameters required to the model. In order to overcome this lack of data, two alternative approaches may be used. The first one is the creation of databases of field measurements. The second one is the development of physically-based models in order to simulate various phenomena encountered during floods, in a more comprehensive way. Naturally, these two alternatives do not confront with each other.	en
heal.sponsor	Υποτροφία ΕΛΚΕ	el
heal.advisorName	Τσακίρης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Χρυσάνθου, Βλάσιος	el
heal.committeeMemberName	Τσιχριντζής, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Κουτσογιάννης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μπαλτάς, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Αγγελίδης, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Τσακίρης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ναλμπάντης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	231
heal.fullTextAvailability	true