Επίδραση της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογική ξηρασία: Εφαρμογή στις λεκάνες απορροής Πύλης και Μουζακίου.

Abstract

Η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την επίδραση της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογική ξηρασία. Η μελέτη των χαρακτηριστικών της υδρολογικής ξηρασίας υπό την επίδραση κλιματικών αλλαγών εκτιμήθηκε μέσω των χαμηλών απορροών με τη χρήση δείκτη υδρολογικής ξηρασίας, τον δείκτη SDI (Streamflow Drought Index). Η περιοχή μελέτης που μας ανατέθηκε και εφαρμόσαμε τις υπολογιστικές τεχνικές που παρουσιάζονται είναι η περιοχή των λεκανών απορροής Πύλης και Μουζακίου, δύο γειτονικών λεκανών στα δυτικά όρια του Υδατικού Διαμερίσματος της Θεσσαλίας. Αρχικό βήμα ήταν η συγκέντρωση όλων των μετεωρολογικών δεδομένων και η κατασκευή όλων των απαραίτητων ψηφιακών χαρτών που απαιτούνται για την προσομοίωση του μοντέλου SWAT (Soil & Water Assessment Tool), αφού αυτό χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο βροχόπτωσης-απορροής. Το SWAT, ως ολοκληρωμένο μοντέλο φυσικής βάσης για την προσομοίωση του υδρολογικού κύκλου, απαιτεί λεπτομερή περιγραφή της λεκάνης απορροής, ως προς το ανάγλυφο, τις χρήσεις γης και το έδαφος και τις σχετικές υδρολογικές διεργασίες. Οι σχετικοί χάρτες προέκυψαν από ψηφιοποίηση στο περιβάλλον του ArcGIS, στο οποίο στη συνέχεια εργαστήκαμε και για τη λειτουργία του μοντέλου (εργαλείο ArcSWAT). Τα μετεωρολογικά δεδομένα έπρεπε να είναι σε ημερήσιο βήμα για τις βροχοπτώσεις και τις θερμοκρασίες αέρα, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι αρκούσε να είναι σε μηνιαίους μέσους όρους. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από υπάρχουσες μελέτες, αλλά και δημόσιους φορείς (ΔΕΗ), ενώ τα κενά στις μετρήσεις έπρεπε να συμπληρωθούν. Επόμενο στάδιο αποτέλεσε η εισαγωγή των δεδομένων στο πρόγραμμα για την προσομοίωση μέσω του μοντέλου. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε χειροκίνητα αλλάζοντας τιμές σε παραμέτρους σημαντικές (δηλαδή με σημαντική επίδραση στην απορροή), ενώ τα αποτελέσματα ελέγχονταν κάθε φορά με ιστορικές παροχομετρήσεις της κάθε λεκάνης, χρησιμοποιώντας έναν δείκτη καταλληλότητας. Έπειτα, πραγματοποιήθηκε γέννηση συνθετικών χρονοσειρών βροχόπτωσης και θερμοκρασίας μέσω του υπολογιστικού υποσυστήματος Κασταλία,για το οποίο επιλέχθηκαν χρονοσειρές διάρκειας 80 ετών, από το 2020 έως το 2100, ώστε να εφαρμόσουμε τις κλιματικές αλλαγές. Οι κλιματικές αλλαγές εξετάστηκαν υπό τα Σενάρια Αερίων Εκπομπών (SRES) που προτείνονται από την Διακυβερνητική Επιτροπή για την Αλλαγή του Κλίματος (IPCC), ενώ οι κλιματικές μεταβολές εφαρμόστηκαν για τις περιόδους 2020-2050 και 2070-2100, υπό τα σενάρια Α1Β, Α2 και Β2. Οι κλιματικές μεταβολές ελήφθησαν όπως αυτές εκτιμήθηκαν για κάθε σενάριο μέσω προγραμμάτων προσομοίωσης περιοχικών κλιματικών μοντέλων (PRUDENCE & ENSEMBLES). Οι εκτιμήσεις έγιναν από το Κέντρο Ερεύνης Φυσικής Ατμόσφαιρας και Κλιματολογίας της Ακαδημίας Αθηνών και μας χορηγήθηκαν. Εφαρμόζοντας τις μεταβολές αυτές στις συνθετικές χρονοσειρές, λάβαμε νέα δεδομένα που εισήχθησαν στο μοντέλο και λήφθηκαν νέα αποτελέσματα απορροών υπό το σενάριο Α1Β για την πρώτη περίοδο και υπό τα 3 σενάρια για τη δεύτερη. Τα τελικά αποτελέσματα των προσομοιωμένων απορροών προέκυψαν βάσει των τιμών που δόθηκαν για τις ιστορικές απορροές. Σε κάθε περίπτωση, έγινε η παραδοχή ότι δεν υπάρχουν μεταβολές στις χρήσεις γης για το χρονικό ορίζοντα που μελετάμε. Οι μηνιαίες χρονοσειρές απορροών μας βοήθησαν να εκτιμήσουμε την υδρολογική ξηρασία με χρήση του δείκτη SDI, παρουσιάζοντας τα συγκριτικά αποτελέσματα και εξάγοντας τα τελικά συμπεράσματα για την επίδραση της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογική ξηρασία για μελλοντικό χρονικό ορίζοντα ως το 2100.

The current thesis addresses the impact of climate change on hydrological drought. The characteristics of hydrological drought under the impact climate change were assessed through using a well-known hydrological drought index, the SDI (Streamflow Drought Index). The study area is comprised of the drainage basins of Pyli and Mouzaki at the western boundaries of the Thessaly Water District. The first step was to collect all the meteorological and hydrological data that are required and construct all digital maps needed for the simulation of SWAT (Soil & Water Assessment Tool), since this was selected as the rainfall-runoff model for hydrological simulation. The SWAT, as a physics-based model simulating the hydrological cycle, requires a detailed description of the drainage basin, as to its terrain, land use and soil. All maps were constructed after digitizing conventional maps in the environment of ArcGIS, in which the model (ArcSWAT) was also embedded. The meteorological data must be on a daily time step for the time series of precipitation and air temperature, while the remaining variables were monthly means. Those data were collected from existing studies, and public entities, though their gaps of measurements needed to be filled. The next step was the import of data in the program. The model was calibrated manually by altering the values of parameters that significantly affected streamflow, while the results were checked against historical observed streamflows for each basin, using an efficiency criterion. Afterwards, we carried out the construction of synthetic time series for precipitation and temperature through the computer system known as “Castalia”. The final time series concerned an 80-year period, i.e. from 2020 to 2100, in which we implement the climate changes. Climate change is examined under the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) proposed by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Those changes applied at two periods, 2020-2050 and 2070-2100, under scenarios A1B, A2 and B2. Parameters’ climate changes were estimated for each scenario through simulation programs using regional climate models (PRUDENCE & ENSEMBLES). The final estimates were obtained from the Research Centre for Atmospheric Physics and Climatology, of Academy of Athens and those were given to us. Applying these changes on synthetic time series, we obtain new data for the model and we extract new results for streamflows under scenario A1B for the first period and under the three scenarios for the second one. The final streamflows were simulated using the parameter values obtained for the historical runoff simulation. In each case, it was assumed that there are no changes on land uses, for the future time horizon we are studying. The monthly streamflows were used to assess the hydrological drought using the SDI. Finally, we created comparative charts of the results and drawn conclusions regarding the impact of climate change on hydrological drought at a future horizon till 2100.