Σχολή Περιβάλλοντος, Γεωγραφίας & Εφαρμοσμένων Οικονομικών. Τμήμα Γεωγραφίας. Εφαρμογές Γεωπληροφορικής στην διαχείριση καταστροφών

Transcript

1 Σχολή Περιβάλλοντος, Γεωγραφίας & Εφαρμοσμένων Οικονομικών Τμήμα Γεωγραφίας Εφαρμογές Γεωπληροφορικής στην διαχείριση καταστροφών Δημιουργία Μοντέλου απορροής με τη χρήση ΓΠΣ Εργασία του Παπαδόπουλου Αλέξανδρου Α.Μ Απρίλιος/2017

2 Περιεχόμενα 1.Εισαγωγή Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Δεδομένα Μεθοδολογία Αποτελέσματα Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 16

3 1.Εισαγωγή Στόχος της άσκησης είναι με χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφορικής (ΓΣΠ) να γίνει μοντελοποίηση της επιφανειακής απορροής για πλημμυρικά φαινόμενα. Επισημαίνεται ότι το μοντέλο το οποίο περιγράφεται παρακάτω είναι μια απλοποιημένη προσέγγιση καθαρά εκπαιδευτικού χαρακτήρα. Παρόλα αυτά, αποτελεί τη βάση ανάπτυξης ιδιαίτερα εξελιγμένων μοντέλων προσομοίωσης επιφανειακής απορροής με την αξιοποίηση των ΓΣΠ (GIS). Το κύριο ζητούμενο της άσκησης είναι η κατασκευή του υδατογραφήματος πραγματικής απορροής για το σημείο εξόδου λεκάνης απορροής του Ξηριά, κοντά στη πόλη της Κορίνθου. Κατά τη κατασκευή του διαγράμματος, θα είναι δυνατό να βρεθούν τα: Q: Παροχή (m 3 /sec) στο σημείο εξόδου, Qmax: Μέγιστη παροχή, και Tc: Κρίσιμος χρόνος εμφάνισης της μέγιστης παροχής. Για την απλούστευση του μοντέλου υπολογίζεται η ποσότητα του νερού η οποία θα διέλθει από το σημείο εξόδου για κάθε χρονικό τμήμα της μίας ώρας και γίνεται η θεωρεία ότι η βροχόπτωση είναι ομοιογενής για όλη την λεκάνη.

4 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Στις 11-13/01/1997 η λεκάνη απορροής του χειμάρρου Ξηριά Κορίνθου, καθώς και η ευρύτερη περιοχή, επλήγησαν από ισχυρή καταιγίδα που προκάλεσε έντονα πλημμυρικά φαινόμενα στην πόλη της Κορίνθου, τόσο σε υλικές καταστροφές όσο και σε ανθρώπινα θύματα. Οι καταστροφές αποδόθηκαν στην ισχυρή βροχόπτωση (με αντίστοιχη απορροή) και στις ανθρώπινες παρεμβάσεις στο χώρο δράσης του χειμάρρου. Το ύψος βροχής στην λεκάνη κυμάνθηκε στα mm και η παροχή αιχμής στο στόμιο της λεκάνης ξεπέρασε τα 600m 3 /s, τιμή που αντιστοιχεί σε περίοδο επαναφοράς της τάξης των 100 ετών (Μπαλούτσος et al., 2000). Το λογισμικό ArcGIS έχει πολλά εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον γρήγορο και ακριβή υπολογισμό των παραγόντων υδρογραφικής ανάλυσης. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν είναι από την επέκταση Spatial Αnalyst, που κατευθύνεται στη χωρική ανάλυση και μοντελοποίηση ψηφιδωτών (raster) και διανυσματικών (vector) δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα χρησιποιείται πολύ η κατηγορία εργαλείων υδρογεωλογίας. Τα εργαλεία υδρογεωλογίας χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση της ροής του νερού σε όλη την επιφάνεια. Από την επιφάνεια του ανάγλυφου γίνεται κατανοητός ο τρόπος ροής του νερού στη περιοχή. Βασικά εργαλεία της κατηγορία υδρογεωλογία αναλύονται παρακάτω (Environmental Systems Research Institute (ESRI), 2015): Fill, γεμίζει βυθίσματα (sinks) σε μια επιφάνεια ράστερ για να αφαιρεθούν μικρές ατέλειες στα δεδομένα. Flow Accumulation, δημιουργεί ένα ψηφιδωτό αρχείο με τη συσσωρευμένη ροή σε κάθε κύτταρο. Ένας παράγοντας βάρους μπορεί προαιρετικά να εφαρμοστεί. Flow Direction, δημιουργεί ένα ψηφιδωτό αρχείο της κατεύθυνσης ροής από κάθε κύτταρο στο πιο απότομο κατερχόμενο γείτονά της. Flow Length, υπολογίζει το ανάντη ή κατάντη απόσταση, ή σταθμισμένη απόσταση, κατά μήκος της διαδρομής της ροής για κάθε κελί. Σημαντική εφαρμογή για την εργασία ήταν η χρήση του εργαλείου Con (condition) που επιτρέπει τον έλεγχο της τιμής εξόδου για κάθε κύτταρο ανάλογα με το αν η τιμή του κελιού αξιολογείται ως αληθής (TRUE) ή ψευδής (FALSE) σε μια συγκεκριμένη υπό όρους δήλωση. Εάν το κύτταρο αξιολογείται ως αλήθεια, θα λάβει μία τιμή, αν αξιολογείται ως ψευδή, θα λάβει μια άλλη. Η τιμή που θα πρέπει να λάβει ένα κύτταρο όταν αξιολογείται ως αληθές ή ψευδές καθορίζεται από τα δεδομένα εισόδου (Input). Εννοιολογικά, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, το εργαλείο Con επισκέπτεται κάθε θέση των κυττάρων και, με βάση την αξία του κυττάρου και την υπό όρους δήλωση, καθορίζει εάν το κύτταρο αξιολογείται ως αληθές ή ψευδές (Environmental Systems Research Institute (ESRI), 2015).

5 Βροχόπτωση σε mm 3.Δεδομένα Για την διεκπεραίωση της εργασίας και τη μοντελοποίηση του φαινομένου χρησιμοποιήθηκαν τα κάτωθι δεδομένα: Α) Τα δεδομένα μετεωρολογικών μοντέλων (διάγραμμα 3.1) Β) Τα δεδομένα της τοπογραφίας ώστε να παραχθεί το δίκτυο απορροής, χάρτης κλίσης (εικ. 3.1) κ.α. Γ) Το επίπεδο συντελεστή τραχύτητας, ως ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την απορροή στην υδρολογική λεκάνη Μοντέλο Χρόνος σε ώρες Διάγραμμα 3.1. Δείχνει την ποσότητα βροχόπτωσης ανά ώρα σε ένα 24ωρο, για ένα από τα μοντέλα που προτάθηκαν.

6 Εικ.3.1 Χάρτης κλίσης %.

7 4.Μεθοδολογία Αποτελέσματα Στο ψηφιακό μοντέλο εδάφους γίνεται χρήση του εργαλείου fill έτσι ώστε να εξαλειφτούν ατέλειες του μοντέλου σχετικές με την τοπική υποβάθμιση του εδάφους. Σημειώνεται ότι το εργαλείο αυτό χρησιμοποιείται για περιοχές όπου είναι γνωστή η έλλειψη καρστικού φαινομένου. Έπειτα από το διορθωμένο ψηφιακό μοντέλο εδάφους υπολογίζεται επίπεδο που δείχνει την διεύθυνση κύλισης της σταγόνας ανά ψηφίδα, μέσω του εργαλείου flowdirection (εικ. 4.1). Για τον υπολογισμό της παροχής νερού ανά κελί, είναι αναγκαίο να δημιουργηθούν τα επίπεδα συσσώρευσης ροής Flow Accumulation (εικ. 4.2). Τα επίπεδα αυτά δημιουργούνται με δύο εργαλεία, το FlowDirection και το FlowLength (upstream), και τα δύο χρησιμοποιούν ως δεδομένο επίπεδο του flow direction. Εικ. 4.1 Διεύθυνση κύλισης της σταγόνας ανά ψηφίδα.

8 Εικ.4.2 Επίπεδο συσσώρευσης ροής. Το ένα επίπεδο παροχής αφορά την παροχή εντός των σημαντικών υδρορροών, επονομαζόμενα ως ποτάμια. Αυτό παράγεται με τον τύπο κάθε εξής στο raster calculator. Όλες οι μεταβλητές είναι σε μονάδες S.I. για αυτό και χρησιμοποιούνται στον τύπο τα 0,3 μέτρα βροχόπτωσης και τα δευτερόλεπτα (=24 ώρες) διάρκειας βροχόπτωσης. Ακόμη, cell size είναι 25 όπως δίνεται από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους.

9 Το άλλο επίπεδο παροχής αφορά την παροχής εκτός τω ποταμών, δηλαδή της στρωματατορροής. Το επίπεδο της στρωματορροής παράγεται από τον τύπο, στο raster calculator. Όμοια με πριν, όλες οι τιμές είναι σε μονάδες S.I. και χρησιμοποιούνται κοινές σταθερές μεταβλητές. Επιπλέον, από το επίπεδο του ψηφιακού μοντέλου εδάφους παράγεται το επίπεδο κλίσεων εκφρασμένο σε %, μέσω του εργαλείου Slope στο Spatial Analyst. Ακολουθεί ο υπολογισμός του επιπέδου ταχύτητας ροής στο κυρίως κανάλι (Vκανάλι) και του επιπέδου ταχύτητας στρωματορροής (Vστρωματοροή). Το επίπεδο ταχύτητας ροής στο κύριο κανάλι δίνεται από τον τύπο, ενώ το επίπεδο στρωματορροής από τον τύπο. Το S αφορά την κλίση που υπολογίστηκε νωρίτερα, αλλά δια 100, έτσι ώστε να είναι μέτρο/μέτρο και να γίνονται ομαλά οι πράξεις των τύπων στο S.I. To n εκφράζεται από το επίπεδο συντελεστή της τραχύτητας. Στη συνέχεια επιθυμείται να δημιουργηθεί ένα επίπεδο με την σωστή την ταχύτητα ροής (V) (εικ.4.3) για κάθε κελί, μέσω του συνδυασμού των Vκανάλι και Vστρωματοροή. Αρχικά γίνεται reclassify στο επίπεδο του FlowAccumulation έτσι ώστε τα κελιά με τιμή (στρωματοροής) να έχουν τιμή 0, και τα κελιά με τιμή 1001 και πάνω (κανάλι) να έχουν τιμή 1. Ακολούθως, γίνεται χρήση του εργαλείου Condition. Ως input καταχωρείται το επίπεδο που παράχθηκε με το reclassify, ως expression χρησιμοποιείται το Value = 1, όπου για κελιά που καλύπτουν την προϋπόθεση (TRUE) θα λαμβάνουν τιμή από το επίπεδο Vκανάλι, ενώ κελιά που δεν καλύπτουν την προϋπόθεση (FALSE) θα λαμβάνουν τιμή από το επίπεδο Vστρωματοροή.

10 Εικ. 4.3 Επίπεδο με τη διορθωμένη ταχύτητας ροής.

11 Με γνωστή την ταχύτητα ροής σε κάθε κελί, παράγεται μέσω raster calculator το επίπεδο στάθμισης χρόνου απορροής Wtime = 1/V (εικ.4.4). Εικ. 4.4 Επίπεδο στάθμισης χρόνου απορροής. Επόμενο βήμα είναι η δημιουργία ενός επιπέδου χρόνου απορροής (Flow Time) (εικ. 4.5) με τη χρήση του εργαλείου Flow Length. Ως δεδομένα χρησιμοποιούνται το παραγόμενο επίπεδο του FlowDirection και το επίπεδο στάθμισης Wtime ως βάρος, σε downstream διαδρομή. Η κατασκευή επιπέδου ισόχρονων (FlowTimeClass) (εικ.4.6) με κλάσεις του FlowTime είναι χρήσιμη και εύκολη διαδικασία. Το επίπεδο του χρόνου

12 απορροής χωρίζεται σε κλάσεις με τη λετουργία reclassify, όπου ορίζεται διάστημα 3600 (αριθμός δευτερολέπτων μέσα σε μία ώρα). Το αποτέλεσμα είναι ένα επίπεδο με ισόχρονες χρόνου απορροής ανά ώρα. Εικ. 4.5 Χάρτης χρόνου απορροής. Αν ο αναγνώστης δώσει προσοχή στην εικόνα 4.5 θα παρατηρήσει περιφερειακά της περιοχής μελέτης, θέσεις με πολύ χαμηλό χρόνο απορροής αλλά δεν βρίσκονται στο σημείο εκβολής του χειμάρρου (βορειότερο σημείο). Επισημαίνεται ότι οι θέσεις αυτές δεν πρέπει να ληφθούν υπόψη για την απορροή του Ξηριά. Πρόσκειται για θέσεις που ανήκουν σε διαφορετική λεκάνη απορροής. Για να επαλειφθούν τα λάθη αυτά θα χρειαζόταν το αρχικό dem να έχει δοθεί με λίγο μικρότερα όρια ή μέσω της λειτουργίας Basin να αναγνωριστούν οι διπλανές λεκάνες και να αφαιρεθούν από τους υπολογισμούς. Επειδή όμως η εργασία έχει εκπαιδευτικό χαρακτήρα και τα τελικά αποτελέσματα θα έχουν μικρές αποκλίσεις από την πραγματικότητα, δεν θεωρείται ανακγαία η διόρθωση του μοντέλου. Χρειάζεται όμως να αναφερθεί ότι εξαιτίας των αποκλίσεων, το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα μοντέλο που υπερεκτιμά το φαινόμενο (προσθέτει περισσότερο όγκο νερού αυξάνοντας το μέγεθος της λεκάνης απορροής).

13 Εικ. 4.6 Χάρτης χρόνου απορροής. Η εύρεση εμβαδού για κάθε κλάση γίνεται από το πλήθος των ψηφίδων και τις διαστάσεις της κάθε ψηφίδας. Το πλήθος των ψηφίδων δίνεται από το attribute table του επίπεδου χρόνου απορροής ανά ώρα, ενώ οι διαστάσεις της κάθε ψηφίδας είναι 25x25. Για κάθε κλάση γίνεται η πράξη αριθμού ψηφίδων * 25 * 25. Με βάση τα δεδομένα βροχόπτωσης γίνεται υπολογισμός του όγκου απορροής ανά ώρα. Δημιουργία πίνακα με στοιχεία, όπως στο παρακάτω παράδειγμα (πίνακα 4.1 & 4.2):

14 Όγκος απορροής (m^3/s) Πίνακας 4.1. Στη πρώτη γραμμή εμφανίζεται η εκάστοτε ώρα βροχόπτωσης. Στη δεύτερη γραμμή εμφανίζεται το ύψος βροχής που έπεσε στην εκάστοτε ώρα. Από τη τρίτη γραμμή και κάτω γίνεται αναφορά σε μια διαφορετική ισόχρονη απορροής, με πρώτη την ισόχρονη της πρώτης ώρας και τελευταία την ισόχρονη της ένατης ώρας. Ο πίνακας έχει ως στοιχεία τα κυβικά μέτρα του νερού που έχει η κλάση της ισόχρονης για τη συγκεκριμένη ώρα. Πίνακας 4.2. Ο αθροιστικός όγκος νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που συσσωρεύεται στην εκβολή του Ξηριά ανά μία ώρα. Η απορροή είναι ο λόγος αθροιστικού όγκου νερού ανά ώρα. Τελικό αποτέλεσμα είναι το διάγραμμα 4.1. Στο διάγραμμα αυτό εμφανίζεται ο όγκος απορροής ανά ώρα για την εκβολή του χειμάρρου Ξηριά, σύμφωνα με το μοντέλο βροχόπτωσης που δόθηκε στα δεδομένα Yδατογράγημα πραγματικής απορροής Χρόνος ανά ώρα Διάγραμμα 4.1. Υδατογράφημα απορροής για τον Ξηριά. Με βάση τον πίνακα που κατασκευάστηκε νωρίτερα, βρέθηκε μέγιστος όγκος απορροής Qmax = m 3 /s και χρόνος μέγιστης απορροής Τc = 17 ώρα βροχόπτωσης.

15 5. Συμπεράσματα Τα συμπεράσματα δημιουργούνται από την σύγκριση των διαγραμμάτων 3.1 και 4.1. Γενικά παρατηρείται το διάγραμμα απορροής να είναι όμοιο της βροχόπτωσης. Παρατηρείται μια καθυστέρηση μεταξύ βροχόπτωσης και απορροής αλλά ίδιος αριθμός κορυφών και βυθισμάτων στις καμπύλες των δύο διαγραμμάτων. Εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι η μέγιστη απορροή λαμβάνει χώρα μία ώρα μετά την μέγιστη βροχόπτωση. Εξίσου εντυπωσιακό είναι ότι ενώ η βροχόπτωση διήρκησε 24 ώρες αλλά ο Ξηριάς είχε απορροή 32 ώρες, δηλαδή απόρρεε νερό από της εκβολές του 8 ώρες μετά τη παύση της βροχόπτωσης.

16 6.Βιβλιογραφία Μπαλούτσος, Γ., Κουτσογιάννης, Δ., Οικονόμου, Α., Καλλίρης, Π., Διερεύνηση της απόκρισης της λεκάνης απορροής Ξηριά Κορίνθου στην καταιγίδα της Ιανουαρίου 1997 με τη μέθοδο SCS. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ. Τόμος 11 Τεύχος 1, σελ. 77. Ιστοσελίδες Environmental Systems Research Institute (ESRI).[Online],Πηγή: τελευταία επίσκεψη 28/03/017.