Ανάπτυξη μοντέλου βροχής-απορροής σε ΣΓΠ

Abstract

Τα φυσικά φαινόμενα είναι ιδιαίτερα δύσκολο να μοντελοποιηθούν και να αναπαρασταθούν με ακρίβεια καθώς δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι υπάρχει πλήρης γνώση των φυσικών νόμων που διέπουν τα φαινόμενα αυτά και τα διαθέσιμα δεδομένα για την υπάρχουσα κατάσταση είναι ελάχιστα ως ανεπαρκή. Συνεπώς τα μοντέλα που δημιουργούνται για τις διεργασίες αυτές είναι εννοιολογικά και η ακρίβεια τους εξαρτάται από τις τιμές των παραμέτρων που ορίζονται. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκαν δύο κατανεμημένα εννοιολογικά μοντέλα αποκλειστικά σε περιβάλλον G.I.S. μέσω του λογισμικού ArcGIS. Το πρώτο εννοιολογικό μοντέλο βροχής – απορροής προσομοιώνει τα υδρολογικά γεγονότα που λαμβάνουν χώρα κατά την απορροή και υπολογίζει τους χρόνους που απαιτούνται από το κάθε σημείο της λεκάνης για να γίνει πλήρης απορροή αυτής. Επομένως το μοντέλο αυτό, με δεδομένο μόνο το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους της περιοχής, μπορεί να υπολογίσει τις ισόχρονες καμπύλες για τη συγκεκριμένη λεκάνη και να παράγει το αντίστοιχο υδρογράφημα της απορροής το οποίο προκύπτει από το συνθετικό μοναδιαίο υδρογράφημα της λεκάνης. Κύριος στόχος του μοντέλου είναι η εκτίμηση της πλημμυρικής αιχμής και κατά δεύτερο λόγο η εκτίμηση του χρόνου ανόδου (ή χρόνου αιχμής). Το μοντέλο προέκυψε με τροποποίηση υπαρχόντων μοντέλων βροχής – απορροής, εισάγοντας νέες τεχνικές (νέους εμπειρικούς τύπους) και εξελίσσοντας την όλη διαδικασία έτσι ώστε να επιφέρει καλύτερα και πιο ακριβή αποτελέσματα στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. Το δεύτερο μοντέλο που αναπτύχθηκε υπολογίζει την παροχή στην έξοδο της λεκάνης με δεδομένα τις μετρημένες τιμές του ύψους βροχόπτωσης σε συγκεκριμένους βροχομετρικούς σταθμούς ή την επιφανειακή κατανομή μιας βροχόπτωσης. Σκοπός του μοντέλου αυτού είναι η δημιουργία πλημμυρογραφημάτων για τη δεδομένη λεκάνη απορροής με διαφορετικές συνθήκες βροχόπτωσης (ένταση, διάρκεια και χωρική κατανομή). Τα δύο μοντέλα εφαρμόσθηκαν στη λεκάνη απορροής του Σπερχειού ποταμού, ανάντη της συμβολής του με το Γοργοπόταμο, όπου υπήρχαν διαθέσιμα δεδομένα, και κατά την εφαρμογή αυτών ελέγχθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων. Τα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επίδρασης της χωρικής κατανομής της βροχόπτωσης στα παραγόμενα πλημμυρογραφήματα της λεκάνης απορροής μέσω της εφαρμογής διαφορετικών συνθηκών βροχόπτωσης καθώς και για την εκτίμηση του πλημμυρογραφήματος σχεδιασμού για περίοδο επαναφοράς 50 ετών. Το πρώτο κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο των διαδικασιών που μελετώνται σε όλη την εργασία καθώς και γενικά στοιχεία και ορισμούς για τα υδρολογικά φαινόμενα και τις λεκάνες απορροής. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Σ.Γ.Π.), στη σχέση τους με την υδρολογία και στα εργαλεία που αυτά περιλαμβάνουν για την αναπαράσταση των υδρολογικών φαινομένων. Επίσης στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναλυτική περιγραφή, βήμα προς βήμα, των μοντέλων που δημιουργήθηκαν στην εργασία αυτή με αναλυτική περιγραφή των εργαλείων και των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για να παραχθούν τα απαιτούμενα αποτελέσματα. Το τρίτο κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει τη γεωμορφολογική περιγραφή της λεκάνης απορροής του Σπερχειού αλλά και συγκεκριμένα του τμήματος αυτής που επιλέχθηκε ως περιοχή μελέτης. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στην εφαρμογή των μοντέλων στη συγκεκριμένη περιοχή μελέτης. Στο κεφάλαιο αυτό, αναλύονται οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Επίσης, γίνεται διερεύνηση των παραμέτρων των μοντέλων και περιγραφή της επίδρασης αυτών στα παραγόμενα αποτελέσματα. Επιπλέον στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μελέτη της επίδρασης της χωρικής κατανομής της βροχόπτωσης στα αποτελέσματα μέσω της εφαρμογής τεσσάρων πιθανών σεναρίων διαφορετικής βροχόπτωσης και τέλος εκτιμάται το πλημμυρογράφημα σχεδιασμού της λεκάνης απορροής για περίοδο επαναφοράς 50 ετών. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αναφέρεται στα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη, στο σχολιασμό των αποτελεσμάτων και σε πιθανές προτάσεις για περαιτέρω μελλοντική εργασία πάνω στο θέμα. Στα παραρτήματα της εργασίας περιλαμβάνονται οι χάρτες που δημιουργήθηκαν κατά τα στάδια της εργασίας και παρουσιάζονται τα διαγράμματα των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν και οι πίνακες με τις εντολές βήμα προς βήμα για την καλύτερη κατανόηση και επαναδημιουργία των μοντέλων.

Natural phenomena are very difficult to be accurately simulated, as our knowledge of the physical laws that govern these phenomena is not complete and the available data on the current situation are inadequate. Therefore, the models that are created for these processes are conceptual and their accuracy depends on the values of the parameters. This thesis develops two distributed conceptual models in G.I.S. environment using the ArcGIS software. The first model simulates the hydrological phenomena that take place during rainfall - runoff and calculates the required time for each section of the basin to be fully drained. The model can calculate the curves representing equal timing conditions for the runoff of each region, given the Digital Terrain Model, and produces the corresponding runoff hydrograph resulting from the synthetic unit hydrograph of the basin. The main objective of the model is to estimate the peak of the flood discharge and the corresponding time. This model was derived by modifying existing models of rainfall – runoff, introducing new techniques (new empirical formulas) and updating the whole process to make the results more accurate in the minimum possible time. The second model provides estimates of the discharge at the outlet of the basin, taking as input the measured values of rainfall in specified measuring stations or a surface distribution of a given rainfall. The purpose of this model is the creation of the flood hydrographs for a basin with different conditions of rainfall (intensity, duration and spatial distribution). These models were applied in the Sperhios river basin, upstream of the junction with Gorgopotamos river by varying numerous parameters. The models were used to investigate the spatial distribution of rainfall in the produced flood hydrograph of the basin by applying different rainfall conditions in the region and to estimate the design flood hydrograph with 50-year return period. The first chapter of the thesis includes the theoretical background of the processes considered in the entire thesis and general information and definitions of the hydrological phenomena and basins. The second chapter refers to the Geographical Information Systems (G.I.S.) with a brief reference to their relation with hydrology and the tools which they contain for the simulation of the hydrological phenomena. This section also includes a detailed step by step description of the methods used. The third chapter includes the geomorphological description of the Sperhios river basin in general and the particular section chosen for this study. It includes the geometry and altitude characteristics, hydrological network, land cover and geology of the basin. The fourth chapter addresses the application of these models in the specified study area, the description of the parameters used and the presentation of the obtained results. It includes an investigation of the parameters and a description of their effects on the output of the models. Furthermore, this chapter includes the study of the effect of spatial distribution of rainfall in the results through the implementation of four possible scenarios of different rainfall conditions and the design flood hydrograph with 50-year return period. The fifth and final chapter of this thesis gives the conclusions of this study, discussion of the results and proposal for further research on this topic. The appendices of this thesis include the maps created throughout the whole procedure, diagrams of the models used and tables with step by step instructions for rebuilding the models