Επίδραση της χωρικής διαμέρισης στην εκτίμηση της απορροής με ημικατανεμημένα μοντέλα: Διερεύνηση με τη βοήθεια των μοντέλων HEC-HMS και AFFDEF

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η εκτίμηση της πλημμυρικής απορροής με μαθηματικά υδρολογικά μοντέλα. Στο πλαίσιο αυτό, διερευνάται η επίδραση της χωρικής διαμέρισης της εξεταζόμενης κάθε φορά λεκάνης απορροής στην εκτίμηση του όγκου και της αιχμής της πλημμύρας. Παράλληλα, χρησιμοποιούνται επικουρικά τα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών για τη δημιουργία αρχείων εισόδου στα χρησιμοποιούμενα υδρολογικά μοντέλα. Εξετάζονται δύο λεκάνες απορροής: η λεκάνη απορροής του Πηνειού ανάντη της Σαρακίνας από το υδρολογικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας, καθώς και μία εικονική λεκάνη μελέτης. Στην περίπτωση της πρώτης λεκάνης επιχειρείται η εκτίμηση της παροχής αιχμής και του όγκου πλημμύρας, διαθέτοντας δεδομένα βροχόπτωσης για τέσσερα επεισόδια. Για τα επεισόδια αυτά διαθέτονται δεδομένα απορροής στην έξοδο της λεκάνης. Σε πρώτη φάση εισάγονται τα εδαφολογικά και υδρολογικά δεδομένα σε ΣΓΠ για επεξεργασία. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται το λογισμικό ArcMap 9.1 της ESRI, όπου γεωαναφέρονται και υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα που αφορούν τη γήινη επιφάνεια (Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους, Εδαφικοί τύποι, Χρήσεις Γης). Μετά την οπτικοποίηση της χωρικής πληροφορίας, εφαρμόζεται ένα εργαλείο-πρόσθετο στο ArcMap, το HEC-GeoHMS και παράγονται με αυτό τα απαραίτητα αρχεία εισόδου στο υδρολογικό μοντέλο βροχής-απορροής. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται ο κάνναβος διευθύνσεων ροής και συμβάλλουσας περιοχής, καθορίζεται το υδρογραφικό δίκτυο καθώς και οι υπολεκάνες που θα εξεταστούν. Με τον ορισμό των κατάλληλων τιμών κατωφλίου για τη δημιουργία ροής, σχεδιάζονται μία λεκάνη απορροής, καθώς και τρεις, πέντε και εννιά υπολεκάνες. Κάθε μία περίπτωση χωρικής ανάλυσης (ή, διαμέρισης) αποτελεί και ένα ξεχωριστό σενάριο που εξετάζεται ακολούθως στο HEC-HMS. Μετά την εισαγωγή των δεδομένων προσομοιώνεται η λεκάνη στο μοντέλο και αξιολογούνται οι εκτιμήσεις όγκου και παροχής αιχμής συγκριτικά με τις πραγματικές τιμές (από μετρήσεις). Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μεταβολή των παραμέτρων του συστήματος (αριθμός καμπύλης CN, χρόνος υστέρησης, συντελεστής τραχύτητας κατά Manning, χρονικό βήμα προσομοίωσης και ποσοστό αδιαπέρατης επιφάνειας), με σκοπό την ακριβέστερη εκτίμηση των απορροών. Η χειροκίνητη αυτή βελτιστοποίηση γίνεται σε ποσοστιαία κλίμακα και αρχικά είναι διαφορετική από επεισόδιο σε επεισόδιο για κάθε σενάριο. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται και ενιαία βελτιστοποίηση των παραμέτρων, ταυτόχρονα σε όλα τα επεισόδια, αλλά διαφορετική σε κάθε σενάριο. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την παραπάνω διαδικασία αξιολογούνται ώστε, τελικά, να εξαχθούν τα σενάρια μελέτης που αποδίδουν πιο πιστά την παρατηρημένη πλημμύρα. Η ίδια διαδικασία εφαρμόζεται και στην εικονική λεκάνη απορροής, με τη διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιούνται ως δεδομένα αναφοράς απορροής, τα εξαγόμενα της προσομοίωσης με το κατανεμημένο μοντέλο AFFDEF. Κατά την επεξεργασία της λεκάνης στο HEC-HMS οι εκτιμημένες τιμές απορροής και όγκου συγκρίνονται με τις αντίστοιχες από το AFFDEF. Έπειτα, καταλήγουμε στα σενάρια μελέτης αριθμού υπολεκανών που φαίνεται ότι εκτιμούν πιο ορθά τον όγκο και την αιχμή της πλημμύρας. Από την επεξεργασία των δεδομένων φαίνεται ότι πιθανότατα να μην υπάρχει ‘κανόνας’ όσον αφορά την επιλογή του αριθμού υπολεκανών. Η τελική επιλογή θα πρέπει να προκύπτει μετά από ενδελεχή μελέτη και βελτιστοποίηση του χρησιμοποιούμενου μοντέλου προσομοίωσης, στην οποία θα λαμβάνονται υπόψη τόσο το μέγεθος και η ποικιλομορφία της κάθε λεκάνης απορροής, όσο και τα παρατηρημένα πλημμυρικά γεγονότα.

Flood is usually defined as “the temporary covering by water of land not normally covered by water” (Directive 2007/60/EC). According to the Emergency Disaster Database (EM-DAT), the number of serious floods located in Southern Europe, in 2010-2011, is about twenty. During these floods, sixty-eight people have lost their lives, while the estimated damage has been over €1.59 billion (EM-DAT, 2012). As flood is an extreme instance of physical phenomena or hazard, it cannot be “controlled” in any real sense. However, the damage caused, could be predicted and reduced through human intervention. The spatial scale used for these interventions is the watershed where the prediction of discharge at its outlet takes place. For this reason, a number of mathematical hydrological models have been developed. Hydrological simulation models can be classified according to a wide range of characteristics. For watershed analysis, the major categories of interest include physically based or conceptual or stochastic or black-box models. Also, there are event and continuous models, as well as lumped and distributed ones. The last two categories are characterized by spatial analysis of the studied watershed. Practically, lumped models describe physical processes and mechanisms in the same way in the entire basin, while semi-distributed models create subbasins with different hydrological and geological characteristics. On the other hand, fully distributed models divide the watershed into a large number of cells. In literature it is not clear which is the preferable hydrologic model, concerning spatial analysis. One would expect from the distributed models to produce more accurate results than the lumped ones, as the former take into consideration the spatial variety of hydrological variables and parameters in a basin. But this assumption is not fully supported in related projects (Smith et.al., 2004). The objective of this research is to estimate flood discharges and investigate the spatial analysis effect on these. For this purpose two watersheds are studied; the first one is part of the upstream basin of Pinios river with its outlet located at Sarakina town, while the other is an experimental or virtual basin. With respect to the Sarakina Basin, hourly rainfall data are available from two raingauges for four flood events, together with hourly discharge data from Sarakina Basin outlet. At an initial stage hydrological data, DEM, and data for land uses and geology of the region are entered in a GIS for further elaboration. In this thesis, ArcMap 9.1 from ESRI is used. Following the visualization of the data, another hydrology toolkit is introduced. This is HEC-GeoHMS which uses ArcView and the Spatial Analyst extension to develop a number of inputs for the hydrological modelling system. Analyzing digital terrain data, HEC-GeoHMS transforms the drainage paths and watershed boundaries into a data structure that represents the drainage network. HEC-GeoHMS defines streams within a basin by selecting a threshold and after that subbasins are created. Four different thresholds are entered in order to produce one basin, as well as three, five and nine subbasins. Each of these, represent another scenario which is further examined with the aid of HEC-HMS. HEC-HMS is the main hydrological model used for this study, where the files created in HEC-GeoHMS, as well as precipitation time series are used as inputs. After each simulation, computed results are compared with observations. Better estimations in peak discharge and flood volume require changing several parameters, such as the Runoff Curve Number, the lag time, the Manning's Roughness Coefficient, the simulation time interval and the percentage of impermeable areas. This manual optimization is different for every flood event and each scenario.Simulation is repeated, with mean values of the best estimated parameters of every flood event used. The new calculated values of peak discharge and total flood volume result in larger errors. However, all optimization trials show that the third scenario induces a percentage error of estimation of the peak discharge less than 10% in three flood events. The error of estimating total flood volume is also less than 10% in two flood events, which represents the best estimation in flood volume among the four scenarios. In the case of the virtual basin, simulation via AFFDEF is carried out. AFFDEF is a distributed model running in Windows Command Line, datasets represent grids and have been entered in the program as .txt files. Following this, files are modified in order to be entered in ArcGIS and follow the procedure described above. The simulated peak discharge and flood volume through HEC-HMS are now compared with the ones derived from AFFDEF modelling. A new optimization where mean values of the best estimated parameters of every scenario are then used. Obviously, this change resulted in bigger errors. However, it was found out that in all optimization trials, use of one watershed, as well as nine subbasins result in estimation errors less than 10%.

Summary and Conclusions Through this postgraduate thesis a methodology for the evaluation of the spatial analysis effect on flood estimation was developed. The most important conclusions drawn from the research are the following: - The simulation of the Sarakina Basin showed that the best estimation of peak discharge and flood volume is accomplished in the third scenario which includes five subbasins. Following this conviction, scenario first, second and fourth qualify as best with respect to peak discharge and flood volume. - Having only one basin implies the use of a lumped model which obviously simplifies the problem, since mean values for parameters are used. However, the variety in land uses and characteristics results in significant errors. That is why in Sarakina basin, outputs are overestimated. - On the other hand, this overestimation could be acceptable in the planning and construction phases of a hydraulic work, when high return periods are used. Furthermore, lumped modelling contributes in easier management of the system and less time consuming procedures such as Preprocessing, Processing data and Evaluating simulations results. - One would expect that using more subbasins results in better estimations. However, simulations in the Sarakina basin showed that the scenario with nine basins calculated the discharge with significant errors. Probably this implies that there should be more optimizations trials for estimating parameter values. Unfortunately, this could not easily be realized since large number of subbasins implies a large number of parameters to optimize. Performing a large number of optimization trials is practically prohibited in manual optimization. - Research with the virtual basin concludes that the first and fourth scenarios came with the lowest errors. - The evaluation of the peak discharge seems more accurate than the evaluation of the total flood volume in all cases. In most cases, the volume is underestimated. It is usually affected by volume of precipitation and the spatial distribution of rainfall. Any errors in precipitation data are automatically transferred in the estimates of the discharge. Also, one of the two available raingauges in the Sarakina basin is located outside the basin, which implies larger errors in spatial averages through the Thiessen method.