Επίδραση χωρικής διακριτοποίησης υδρολογικών μοντέλων στα χαρακτηριστικά της πλημμύρας: Εφαρμογή στη λεκάνη του Νέδοντα

Κουτσοκέρας, Επαμεινώνδας; Koutsokeras, Epameinondas

dc.contributor.author	Κουτσοκέρας, Επαμεινώνδας	el
dc.contributor.author	Koutsokeras, Epameinondas	en
dc.date.accessioned	2024-06-10T11:14:57Z
dc.date.available	2024-06-10T11:14:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59693
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27389
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Χωρική διακριτοποίηση	el
dc.subject	Υδρολογικά μοντέλα	el
dc.subject	Υπολεκάνες	el
dc.subject	Αριθμός καμπύλης απορροής	el
dc.subject	Διόδευση πλημμύρας	el
dc.subject	Πλημμυρογράφημα	el
dc.subject	Ανάλυση τυχαίου πεδίου	el
dc.subject	Ανάλυση ευαισθησίας	el
dc.subject	Spatial discretisation	en
dc.subject	Hydrological models	en
dc.subject	Subbasins	en
dc.subject	Curve number	en
dc.subject	Runoff routing	en
dc.subject	Flood hydrograph	en
dc.subject	Random field analysis	en
dc.subject	Sensitivity analysis	en
dc.title	Επίδραση χωρικής διακριτοποίησης υδρολογικών μοντέλων στα χαρακτηριστικά της πλημμύρας: Εφαρμογή στη λεκάνη του Νέδοντα	el
dc.title	Impact of spatial discretisation of hydrological models on flood characteristics: Application to Nedon river basin	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υδραυλική και υδραυλικά έργα	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-03-13
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έξαρση ακραίων καιρικών φαινομένων, με την εκδήλωση βροχοπτώσεων ασυνήθιστα υψηλής έντασης να συγκαταλέγεται μεταξύ αυτών. Ακόμα και σήμερα, που είναι πιο εμπεδωμένη σε σχέση με το παρελθόν η κουλτούρα του αντιπλημμυρικού σχεδιασμού, οι ακραίες βροχοπτώσεις προκαλούν πλημμυρικά επεισόδια, τα οποία έχουν πολλές φορές καταστροφικές συνέπειες για την ανθρώπινη ζωή και την οικονομία. Αυτό σημαίνει ότι είναι επιτακτική η ανάγκη διεύρυνσης του αντιπλημμυρικού σχεδιασμού, ώστε να διασφαλιστεί η ανθεκτικότητα των υφιστάμενων και νέων έργων και σχεδίων. Για να επιτευχθεί αυτός ο σκοπός, είναι απαραίτητη η χρήση υδρολογικών και υδραυλικών εργαλείων που παρέχουν ικανοποιητική ακρίβεια στην εκτίμηση των σημαντικών πλημμυρικών μεγεθών, δηλαδή της παροχής αιχμής και του πλημμυρικού όγκου. Η υδρολογική προσομοίωση είναι ιδιαίτερα κρίσιμη, καθώς τα αποτελέσματά της αποτελούν δεδομένο εισόδου του σχεδιασμού των αντιπλημμυρικών έργων. Ο μηχανικός, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής, τις απαιτήσεις του έργου, τα διαθέσιμα δεδομένα και την εμπειρία του, καλείται κάθε φορά να χρησιμοποιήσει εκείνο το υδρολογικό μοντέλο που θα του εξασφαλίσει τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Τα μοντέλα αυτά χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες, αλλά αυτό που εξετάζεται στην παρούσα εργασία είναι η χωρική κλίμακα. Ως προς αυτή, τα υδρολογικά μοντέλα διακρίνονται σε αδιαμέριστα, όπου η λεκάνη απορροής αντιμετωπίζεται ενιαία, σε ημικατανεμημένα, όπου η λεκάνη απορροής διακριτοποιείται σε υπολεκάνες, και σε κατανεμημένα, όπου η λεκάνη απορροής διακριτοποιείται σε φατνία. Τα ημικατανεμημένα και τα κατανεμημένα μοντέλα είναι πιο προηγμένα, καθώς κάθε υπολεκάνη και φατνίο, αντίστοιχα, αντιμετωπίζεται ανεξάρτητα, άρα λαμβάνεται έτσι υπόψη η χωρική ετερογένεια των χαρακτηριστικών της λεκάνης και της βροχόπτωσης. Η απορροή κάθε στοιχείου διοδεύεται στην έξοδο της λεκάνης με κάποιο μοντέλο διόδευσης, το οποίο, ανεξαρτήτως του είδους του, χαρακτηρίζεται από μεγάλη αβεβαιότητα. Πιο παλιά, λόγω ανεπαρκών υπολογιστικών συστημάτων, η χρήση τέτοιων μεθόδων ήταν περιορισμένη. Ωστόσο, σήμερα, ο μηχανικός έχει στη διάθεσή του και τα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (ΣΓΠ), που αποτελούν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο κατά την υδρολογική ανάλυση, αλλά και προηγμένα λογισμικά υδρολογικής προσομοίωσης, όπως το HEC-HMS, που μπορούν να επιλύσουν σύνθετα προβλήματα. Ωστόσο, το ενδιαφέρον έχει στραφεί στα κατανεμημένα μοντέλα και τα ενδιάμεσης πολυπλοκότητας ημικατανεμημένα μοντέλα, τα οποία, αν και χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως, δεν έχουν μελετηθεί όσο θα έπρεπε ως προς όλες τις πτυχές τους. Πιο συγκεκριμένα, δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς η επίδραση του επιπέδου της διακριτοποίησης μιας λεκάνης απορροής σε υπολεκάνες. Η αύξηση της διακριτοποίησης έχει εσφαλμένα ταυτιστεί με την αύξηση της παροχής αιχμής και την απόδοση ακριβέστερων εκτιμήσεων. Σε κάποιες μελέτες οι θεωρήσεις αυτές επαληθεύονται, ενώ σε άλλες όχι, συνεπώς κάθε λεκάνη αποτελεί ξεχωριστή περίπτωση και δεν έχει προκύψει κάποιο γενικό συμπέρασμα μέχρι σήμερα. Μάλιστα, εγείρονται σοβαροί προβληματισμοί σχετικά με τις περισσότερες πηγές αβεβαιότητας που χαρακτηρίζουν τα πιο λεπτομερή μοντέλα, με αποτέλεσμα να αμφισβητείται η αξιοπιστία τους σε περίπτωση που δεν είναι διαθέσιμα δεδομένα για βαθμονόμηση. Το πεδίο αυτό είναι, λοιπόν, γενικά ανεξερεύνητο και σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να διερευνηθεί σε θεωρητικό και πρακτικό επίπεδο η επίδραση του επιπέδου της διακριτοποίησης μιας λεκάνης σε υπολεκάνες, λαμβάνοντας υπόψη προχωρημένες μεθόδους για την εκτίμηση υδρολογικών παραμέτρων των μοντέλων. Η εργασία περιλαμβάνει αναλυτική βιβλιογραφική παρουσίαση του προβλήματος και λεπτομερή κατάρτιση των βροχοπτώσεων σχεδιασμού και του μοντέλου διόδευσης. Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των χωρικών δεδομένων με το λογισμικό ArcMap 10.5.1 και η υδρολογική προσομοίωση έγινε με το λογισμικό HEC-HMS4.9. Αρχικά, εξετάζεται η επίδραση του επιπέδου διακριτοποίησης ενός τυχαίου πεδίου (θεωρητική λεκάνη) στην παραγόμενη απορροή. Η λεκάνη διακριτοποιείται σε 5, 10, 20, 40 και 80 υπολεκάνες και εφαρμόζονται διαφορετικά ύψη βροχής και διαφορετικά σενάρια ετερογένειας του αριθμού καμπύλης CN. Στη συνέχεια, διερευνάται και μια πραγματική λεκάνη απορροής. Επιλέγεται η λεκάνη του Νέδοντα, στην Καλαμάτα, η οποία είναι μεσαίου μεγέθους, έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και έχει βρεθεί πολλές φορές στο ερευνητικό και μελετητικό επίκεντρο. Η λεκάνη διακριτοποιείται σε 4, 7, 10 και 21 υπολεκάνες, ενώ εξετάζεται και ως ενιαία. Σε κάθε μοντέλο εφαρμόζονται διαφορετικά ύψη βροχής και τέλος πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας των μοντέλων μεταβάλλοντας παραμέτρους, των οποίων η εκτίμηση ενέχει μεγάλο βαθμό αβεβαιότητας. Επισημαίνεται ότι στόχος της παρούσας εργασίας δεν είναι η βαθμονόμηση των μοντέλων, αλλά η καταγραφή των διαφορών τους. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης αναδεικνύεται ο υψηλός βαθμός συσχέτισης τη χωρικής κατανομής του αριθμού καμπύλης CN με το επίπεδο διακριτοποίησης της θεωρητικής λεκάνης και με την παραγόμενη απορροή. Το επίπεδο διακριτοποίησης της λεκάνης του Νέδοντα έχει σημαντική επίδραση στην παροχή αιχμής και στον πλημμυρικό όγκο και από την ανάλυση ευαισθησίας αποδεικνύεται ότι τα πιο λεπτομερή μοντέλα είναι περισσότερο ευαίσθητα. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι πολύ σημαντικά και μπορούν να αποτελέσουν το έναυσμα για λεπτομερέστερη διερεύνηση του ζητήματος της διακριτοποίησης των λεκανών απορροής σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας.	el
heal.abstract	In recent years there has been an upsurge in extreme weather events, with the occurrence of rainfall of unprecedented intensity being among them. Even today, when the culture of flood planning is more established than in the past, extreme rainfall events still cause flood events, which often have disastrous consequences for human life and the economy. This implies that there is an urgent need to broaden flood planning in order to ensure the resilience of existing and new projects and plans. Accomplishing this goal requires the use of hydrological and hydraulic tools that estimate with high accuracy important flood quantities, namely peak flow and flood volume. Hydrological simulation is particularly critical, as its outcomes drive the design of flood protection projects. The engineer, depending on the characteristics of the river basin, the requirements of the project, the available data and his/her experience, is called to use the hydrological model that will ensure the greatest possible accuracy. Hydrological models are classified according to several features, among them the spatial discretization, which is considered in this thesis. In this context, hydrological models can be divided into lumped, where the basin is treated as an entity, semi-lumped/semi-distributed, where the basin is discretised into sub-basins, and distributed, where the basin is discretised into cells. The semi-distributed and distributed models are more advanced, since each sub-basin and cell, respectively, is treated independently, thus accounting for the spatial heterogeneity of the physiographic characteristics of the basin and the precipitation. The runoff over each element is propagated to the outlet of the basin by a routing model, which, regardless of its type, is characterised by large uncertainty. In the past, due to inadequate computer systems, the use of such methods was limited. However, nowadays, the engineer has at his disposal both Geographic Information Systems (GIS), which are a very useful tool within spatial analyses, and advanced hydrological simulation software, such as HEC-HMS, which can handle complex modelling problems. However, the interest has turned to distributed models and semi-distributed models of intermediate complexity. Both model types, although widely used, have not been studied as much as they should be in terms of crucial user decisions. More precisely, the effect of the level of discretisation of a basin into sub-basins has not been adequately investigated. An increase in discretisation has been incorrectly associated with an increase in peak flow and the generation of more accurate estimates. In some studies, these assumptions are verified, while in others they are not, therefore each basin should be considered as an individual case and no general conclusion has been reached to date. In fact, serious concerns are raised about the increased sources of uncertainty that characterise the more detailed models, and as a result their reliability is questioned in cases where no data are available for calibration. This field is, therefore, generally unexplored and the aim of this thesis is to investigate, both from a theoretical and practical viewpoint, the effect of the level of discretization of a basin into sub-basins, taking into account advanced methods for the estimation of hydrological model parameters. The thesis includes a brief literature review of the issue and a detailed compilation of the precipitation and routing model. Spatial data processing was carried out with ArcMap 10.5.1 software and hydrological modelling was performed with HEC-HMS 4.9 software. First, the influence of the discretization level of a theoretical basin (random field) on the generated runoff is considered. The domain is discretized into 5, 10, 20, 40 and 80 elements and different rainfall depths and different CN heterogeneity scenarios are applied. The results of the analysis indicate a high degree of correlation between the spatial distribution of the CN curve number and the level of discretization of the theoretical basin and the generated runoff. Then, a real basin is also examined, namely the medium-small size basin of Nedon River, in Kalamata, Greece. This has some specific features and has been in the focus of many researches and studies. In our analyses, the basin is subdivided into 4, 7, 10 and 21 sub-basins, and it is also examined as a lumped system. Different rainfall depths are applied to each model and finally a sensitivity analysis by changing parameters, whose estimation entails a high degree of uncertainty, is carried out. It should be pointed out that the aim is not to calibrate the models, but to identify their differences. The results indicate that the level of discretisation of this basin has a significant effect on peak flow and flood volume and the sensitivity analysis shows that more detailed models are more sensitive. The resulting conclusions are very important and can be a trigger for a more detailed study of the Nedon basin or investigation of other basins in Greece and worldwide.	en
heal.advisorName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπαλτάς, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάσης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	115 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false