ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ

Transcript

1

2

3 ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ

4

5 ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ ΜΑΡΗΣ ΦΩΤΙΟΣ ΠΑΠΑΡΡΙΖΟΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ ΚΑΡΑΤΖΙΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ

6 τίτλος: ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ συγγραφείς: Μάρης Φώτιος - Παπαρρίζος Σπυρίδων - Καρατζιός Γεώργιος 2014 Εκδόσεις Δίσιγμα Για την ελληνική γλώσσα σε όλον τον κόσμο. ISBN: Το παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται βάσει του Νόμου 2121/93 που ισχύει έως σήμερα καθώς και κατά τη Διεθνή Σύμβαση της Βέρνης (που έχει κυρωθεί με το Νόμο 100/1975). ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η αναδημοσίευση, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή του παρόντος έργου, με οποιονδήποτε τρόπο ή μορφή, τμηματικά ή περιληπτικά, στο πρωτότυπο ή σε μετάφραση ή άλλη διασκευή, χωρίς γραπτή άδεια του εκδότη. / info@disigma.gr Find us on:

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... xi Foreword... xv Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Διαχείριση Υδατικών Πόρων (ΔΥΠ) Λογισμικό (Software) για τη Διαχείριση Υδατικών Πόρων Συστήματα Διαχείρισης Υδατικών Πόρων... 7 Κεφάλαιο 2 ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΔΟΜΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Γεωχωρικά δεδομένα για την Υδρολογία 2.1 Εισαγωγή Διαστατικότητα (Dimensionality) Κλίμακα χαρτών και χωρική λεπτομέρεια Σύστημα αναφοράς(datum) και κλίμακα Γεωαναφερόμενα συστήματα συντεταγμένων Προβολές Χαρτών Αναπαράσταση δεδομένων Μεταδεδομένα (Metadata) Ψηφιακή Αναπαράσταση Ανάγλυφου Ισοϋψείς καμπύλες (Contours) Ψηφιδωτά (Raster) Δίκτυο Ακανόνιστων Τριγώνων (Triangular Irregular Network TIN)... 28

8 vi ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 3 ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Έλεγχος ομοιογένειας, συμπλήρωση και επέκταση χρονοσειρών δεδομένων 3.1 Εισαγωγή Παράδειγμα εφαρμογής ελέγχου ομοιογένειας Δεδομένα χρονοσειρών Μεθοδολογία Μέθοδος της Διπλής Αθροιστικής Καμπύλης Κατασκευή Διπλής Αθροιστικής Καμπύλης Κατασκευή Διπλής Αθροιστικής Καμπύλης Παρατηρήσεις Συσχέτιση Δεδομένων Σταθμών Συμπλήρωση Δεδομένων Επέκταση Χρονοσειράς Συμπεράσματα Κεφάλαιο 4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Παραγωγή γεωχωρικών δεδομένων από σημειακές μετρήσεις 4.1 Εισαγωγή Μέθοδοι δημιουργίας επιφανειών IDW παρεμβολή (Inverse Distance Weighted) Η παρεμβολή Kriging Η μέθοδος Spline Γενικεύσεις για την μέθοδο Spline Επιφανειακή ολοκλήρωση σημειακών παρατηρήσεων Κεφάλαιο 5 ΧΩΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑ Μετρώντας το περιεχόμενο της πληροφορίας 5.1 Εισαγωγή Περιεχόμενο πληροφοριών Κλασματική ερμηνεία Επίδραση της διακριτικής ικανότητας σε ένα DEM

9 Περιεχόμενα vii Κεφάλαιο 6 Μοντελοποίηση της Εξατμισοδιαπνοής 6.1 Εισαγωγή Λογισμικό EmPEst για τη μοντελοποίηση της εξατμισοδιαπνοής Στατιστικοί Δείκτες Μεθοδολογία Παράδειγμα εφαρμογής του λογισμικού EmPEst Κεφάλαιο 7 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΗΘΗΣΗΣ 7.1 Εισαγωγή Διαδικασία της διήθησης Μοντελοποίηση της διήθησης Υπολογισμός της διήθησης Μοντέλο Green-Ampt Μοντέλο Horton Μοντέλο Holtan Μοντέλο Huggins-Monke Το Μοντέλο Kostiakov Μοντέλο Philip Μέθοδος SCS Παράδειγμα υπολογισμού της διήθησης Μοντέλο Green-Ampt Μοντέλο Horton Κεφάλαιο 8 ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΤΡΑΧΥΤΗΤΑ 8.1 Εισαγωγή Η υδραυλική της επιφανειακής απορροής Εφαρμογή στην λεκάνη απορροής του ποταμού Σπερχειού

10 viii ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κεφάλαιο 9 ΨΗΦΙΑΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΔΑΦΟΥΣ Μοντελοποίηση υδρολογικών διαδικασιών με το ArcHydro 9.1 Εισαγωγή Μοντελοποίηση με το ArcHydro Παράδειγμα εφαρμογής του ArcHydro στη λεκάνη απορροής του ποταμού Σπερχειού Υλικά και Μέθοδοι Αποτελέσματα Συζήτηση των αποτελεσμάτων Κεφάλαιο 10 Χειροκίνητη μοντελοποίηση υδρολογικών διαδικασιών με ArcGIS Εισαγωγή Γεωαναφορά τοπογραφικού χάρτη Ψηφιοποίηση και υπολογισμός των χαρακτηριστικών του υδρογραφικού δικτύου Εξαγωγή ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model DEM) από ισοϋψείς Ψηφιοποίηση και υπολογισμός των χαρακτηριστικών της λεκάνης απορροής Ανάλυση επιφάνειας Χρήσεις γης και γεωλογία λεκάνης απορροής Δημιουργία ζωνών αποκλεισμού (Buffer Zones) Εισαγωγή πινάκων από το ArcGIS στο Excel Παραγωγή χαρτών με το ArcGIS Κεφάλαιο 11 Μοντελοποίηση του μοναδιαίου υδρογραφήματος 11.1 Εισαγωγή Παράδειγμα εφαρμογής της μεθόδου Περιοχή μελέτης Μεθοδολογία

11 Περιεχόμενα ix Αποτελέσματα Συμπεράσματα Κεφάλαιο 12 Ελεύθερο Πληροφοριακό Σύστημα Ολοκληρωμένης Μελέτης Διευθέτησης Λεκανών Απορροής (Torrential-MIK) 12.1 Εισαγωγή Το πληροφοριακό σύστημα ολοκληρωμένης μελέτης διευθέτησης ορεινών λεκανών (Torrential-MIK) Γλώσσα Προγραμματισμού Οι λειτουργίες του προγράμματος Η χρήση του προγράμματος Εγκατάσταση και λειτουργία του προγράμματος Εγκατάσταση σε Η/Υ Εκτέλεση από USB Flash Disc Μελλοντικές αναβαθμίσεις και προσθήκες Βελτιώσεις ως προς τις προηγούμενες εκδόσεις Αρχιτεκτονική του προγράμματος Δομή προγράμματος Η δομή GIS Χαρτογράφηση Υδραυλικοί Υπολογισμοί Υπολογισμός παροχής λεκάνης απορροής Υπολογισμός στερεοπαροχής λεκάνης απορροής Υπολογισμός κλίσης αντιστάθμισης και ισορροπίας Υπολογισμός στάθμης νερού στα κατάντη του φράγματος Υπολογισμός διάρρου του φράγματος Υπολογισμός της υποσκαφής στο θεμέλιο του φράγματος Στατικός υπολογισμός φράγματος βαρύτητας Στατικός υπολογισμός τοίχου αντιστήριξης Στατικός υπολογισμός Συρματόπλεχτων Κιβωτίων (Σαρζανέτ) Σχεδίαση τομής κοίτης χειμάρρου Σχεδίαση πρόσοψης και τομής φράγματος στο AutoCAD

12 x ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Υπολογισμός διαστάσεων και απαιτούμενου οπλισμού γείσου φράγματος Σχεδίαση μηκοτομής της κοίτης χειμάρρου Συνεργασία προγράμματος Torrential-MIK με άλλα προγράμματα Πλεονεκτήματα Προγράμματος Torrential-MIK Εφαρμογές του προγράμματος Torrential-MIK Χαρτογράφηση με το Torrential-MIK Σχεδίαση λεκάνης απορροής Σχεδίαση χωροσταθμικών λεκάνης απορροής Σχεδίαση υδρογραφικού δικτύου λεκάνης απορροής Αποτύπωση υφιστάμενων τεχνικών έργων σε λεκάνη απορροής Γεωδαισία ορθοφωτοχαρτών στο TORMIK (Offline χρήση) Εισαγωγή ορθοφωτοχαρτών στο TORMIK Δημιουργία μηκοτομής χειμάρρου Σχεδίαση οριζοντιογραφίας κοίτης χειμάρρου Σχεδίαση της οριζοντιογραφίας στο AUTOCAD MAP Σχεδίαση της οριζοντιογραφίας στο Quantum GIS ArcGIS Στατικός υπολογισμός φράγματος βαρύτητας Στατική θεώρηση Διαστασιολόγιση και στατικός υπολογισμός φράγματος Παράδειγμα στατικού υπολογισμού φράγματος βαρύτητας Στατικός υπολογισμός με όλες τις δυνάμεις Στατικός υπολογισμός χωρίς κατάντη υδροστατική και σεισμική δύναμη (Δυσμενέστερη περίπτωση) Στατικός υπολογισμός τοίχου αντιστήριξης Στατική θεώρηση (Δεν περιλαμβάνεται ο υπολογισμός της σεισμικής δύναμης) Διαστασιολόγιση και στατικός υπολογισμός τοίχου αντιστήριξης Στατικός υπολογισμός τοίχου από σκυρόδεμα Βιβλιογραφία...345

13 Πρόλογος Η αποτελεσματική διαχείριση των υδάτινων πόρων βρίσκεται στην ημερήσια διάταξη των φορέων χάραξης πολιτικής και της κοινωνίας στο σύνολό της. Με το πέρασμα των χρόνων έχει υπάρξει μια σημαντική δυσκολία στη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της προσφοράς και της ζήτησης. Η κατάσταση γίνεται περισσότερο πολύπλοκη από το γεγονός ότι οι διαθέσιμοι πόροι επηρεάζονται σημαντικά από την αύξηση της ζήτησης λόγω της βελτίωσης των κοινωνικο-οικονομικών συνθηκών, της αύξησης του πληθυσμού, της περιβαλλοντικής μεταβλητότητας, της κλιματικής αλλαγής, της ρύπανσης, κ.α. Η πολυπλοκότητα αυτή οδήγησε στην ανάγκη ανάπτυξης νέων σκεπτικών με στόχο: 1. Tην ανάπτυξη στρατηγικών διαχείρισης και υιοθέτησης μιας ολιστικής προσέγγισης για την διαχείριση των υδάτων. 2. Tην ανάπτυξη πρωτοβουλιών, πλαισίων και συμβάσεων σε επίπεδο λεκάνης απορροής με στόχο τη βιώσιμη ανάπτυξη, τη μείωση της φτώχειας και τη διαχείριση των συγκρούσεων μεταξύ των παρόχθιων χωρών που αλληλεπιδρούν σε κοινές λεκάνες απορροής π.χ. η πρωτοβουλία της λεκάνης του Νείλου, το Σχέδιο Δράσης Zambezi, η Διεθνής Επιτροπή για την Προστασία του Ποταμού Δούναβη (ICPDR), κ.α.. 3. Την ανάπτυξη και τη χρήση, γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών, συστημάτων υποστήριξης αποφάσεων και κλιματικών μοντέλων για τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης των υδατικών πόρων, υδρολογικών και υδραυλικών έργων, τη διερεύνηση της ποιότητας των υδάτων, την υδροηλεκτρική ενέργεια, τη διαχείριση των ταμιευτήρων καθώς και τη διατήρηση και την αειφόρο προστασία των υδάτινων συστημάτων.

14 xii ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Παρά όμως τον κατακερματισμό των πληροφοριακών συστημάτων και τεχνολογιών, της εντατικής χρήσης της ψηφιακής χαρτογράφησης και διασύνδεσης η διάδοση της διαχείρισης των υδάτων αναπτύσσεται ταχύτατα. Το κενό αυτό στην σύζευξη όλων των παραπάνω τομέων έρχεται να καλύψει η επιστήμη της υδρογεωπληροφορικής. Η Υδρογεωπληροφορική προέρχεται από τη σύζευξη των 3 λέξεων: της υδρολογίας, της γης και της πληροφορικής και εύκολα καταλαβαίνει κανείς ότι αφορά ένα έντονα διεπιστημονικό πεδίο, το οποίο συνδέει το νερό και τα περιβαλλοντικά προβλήματα με διάφορες υπολογιστικές μεθόδους μοντελοποίησης και τις ραγδαία αναπτυσσόμενες τεχνολογίες της χωρικής πληροφορίας, των συστημάτων στήριξης αποφάσεων και της επικοινωνίας. Το βιβλίο αυτό περιλαμβάνει 12 Κεφάλαια. Η ιδιαιτερότητά του είναι ότι σε κάθε κεφάλαιο πέρα από το θεωρητικό κομμάτι περιλαμβάνει αναλυτικά παραδείγματα για κάθε εφαρμογή που αποτελούν ένα πλήρη οδηγό για όποιον τα εφαρμόσει. Το 1 ο κεφάλαιο περιλαμβάνει μια εισαγωγή στην ορολογία και τους στόχους που πραγματεύεται το συγκεκριμένο βιβλίο καθώς και τους τρόπους και τα μέσα που θα χρησιμοποιηθούν προς την κατεύθυνσης της επίτευξης των συγκεκριμένων στόχων. Το 2 ο κεφάλαιο αναφέρεται στα δεδομένα (προέλευση και δομή) που χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου (input data) προκειμένου να επιτευχθούν οι διάφορες υδρολογικές λειτουργίες. Στο 3 ο κεφάλαιο περιγράφεται η αναλυτικά η διαδικασία του ελέγχου ομοιογένειας των μετεωρολογικών δεδομένων καθώς επίσης και η συμπλήρωση και επέκταση αυτών των χρονοσειρών. Το 4 ο κεφάλαιο αποτελεί ένα λεπτομερή οδηγό δημιουργίας επιφανειών με τη χρήση των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και γεωστατικών μεθόδων δημιουργίας επιφανειών. Το 5 ο κεφάλαιο αναδεικνύει την σημαντικότητα της διακριτικής ικανότητας (ανάλυσης) και γενικά της χωρικής μεταβλητότητας της κατά τη χρησιμοποίηση της σαν δεδομένο εισόδου στις διάφορες υδρολογικές διαδικασίες. Στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται μοντελοποίηση της εξατμισοδιαπνοής με τη χρησιμοποίηση πληροφοριακών συστημάτων, στο 7 ο κεφάλαιο γίνεται μοντελοποίηση της διήθησης σε συνδυασμό με διάφορες διαφορικές εξισώσεις, ενώ στο 8 ο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στην υδραυλική τραχύτητα και στους τρόπους υπολογισμού της.

15 Πρόλογος xiii Στο 9 ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη μοντελοποίηση διάφορων υδρολογικών διαδικασιών με τη χρησιμοποίηση του εργαλείου ArcHydro και του προγράμματος ArcGIS, ενώ το 10 ο κεφάλαιο περιλαμβάνει μια λεπτομερή αναφορά στη μη αυτόματη υδρολογική μοντελοποίηση μέσω του προγράμματος ArcGIS σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Το 11 ο κεφάλαιο περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση του μοναδιαίου υδρογραφήματος με το συνδυασμό της μεθόδου του Clarke και τη χρήση των Γ.Σ.Π.. Στο 12 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πληροφοριακό σύστημα ολοκληρωμένης μελέτης διευθέτησης λεκανών απορροής Torrential-MIK, ένα λογισμικό που αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου του Τμήματος Δασολογίας και Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης, ενώ τέλος παρουσιάζονται εκτενή παραδείγματα που αφορούν το συγκεκριμένο λογισμικό. Στόχος του παρόντος βιβλίου είναι να επικεντρωθεί στις πληροφορίες του νερού που προέρχονται από τις παρατηρήσεις της γης και τα λογισμικά, τα συ - στήματα και τις τεχνολογίες για τη βελτίωση της μοντελοποίησης των πληροφοριών για τους υδατικούς πόρους, την ανάλυση, την οπτικοποίηση και την κοινή χρήση τους. Απευθύνεται κυρίως στους προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές που διδάσκονται το μάθημα της υδρογεωπληροφορικής καθώς και σε επιστήμονες που αναζητούν στοχευόμενες λύσεις στα προβλήματα της υδρολογίας, της υδραυλικής και περιβαλλοντικής μηχανικής για την αειφορική διαχείριση των υδάτων με τη χρήση μοντέλων προσομοίωσης και πληροφορικής. Οι αναγνώστες θα εξοικειωθούν με τα μοντέλα που εφαρμόζονται σε συστήματα με βάση το νερό, θα αναπτύξουν βασικές δεξιότητες και ικανότητες στην διαχείριση των υδάτων χρησιμοποιώντας τα σημαντικότερα υδρολογικά μοντέλα αξιοποιώντας τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών καθώς και διάφορα συστήματα πληροφόρησης και στήριξης αποφάσεων. Ορεστιάδα, 10 Απριλίου 2014 Φ. Μάρης Σπ. Παπαρρίζος Γ. Καρατζιός

16

17 Foreword Effective management of water resources is on the daily agenda of the various policy makers as long as the society as well. Over the years there has been a significant difficulty maintaining the balance between supply and demand. The situation has become more complicated by the fact that the available resources are significantly influenced by the increase in demand due to the improvement of socio-economic conditions, population growth, environmental variability, climate change, global pollution, etc.. This complexity has led to the need of the development of new considerations that will focus on: 1. The development of management strategies and the adoption of a holistic approach towards water management. 2. The development of initiatives, frameworks and conventions in a water basin level for sustainable development, reduction of poverty and management of the conflict between riparian countries that interact in shared water basins, for example the initiative for the Nile river basin, the Zambezi action plan, the International Commission for the Protection of the Danube River (ICPDR), etc.. 3. The development and use of geographical information systems, decision support systems and climate models for optimizing the management of water resources, hydrological and hydraulic works, investigating water quality, hydropower, management of reservoirs and the conservation and sustainable protection of water systems. Despite the fragmentation of information and technology systems, intensive use of digital mapping and linking, the spread of the water management frame is rapidly growing. The science of hydrogeoinformatics is called to fill this gap.

18 xvi ΥΔΡΟΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Hydrogeoinformatics originates from the coupling of three words: hydrology, geo (earth) and informatics and that makes it easy for someone to understand that it refers to a strongly interdisciplinary field, which links water and environmental problems with various computational modeling methods and the rapidly developing technologies of spatial information systems, decision support systems and communication systems. This book includes 12 chapters. Its specificity is that each chapter beyond the theoretical part includes detailed examples for each application. These examples constitute a complete guide for those who will apply the given procedures. The 1 st chapter includes an introduction to the terminology and objectives dealt within this book as well as the ways and means that are used towards the achievement of the specific targets. The 2 nd chapter refers to the data (sources and structure) that are used as input data in order to achieve the various hydrological functions. Chapter 3 describes in detail the process of homogeneity test for the meteorological data as well as the filling and the extension of the data series. Chapter 4 constitutes a detailed guide to create surfaces with the use of geographical information systems and surfaces generation geostationary methods. The 5 th chapter highlights the importance of the resolution and generally the spatial variability while using it as input to the various hydrological processes. Chapter 6 analyses the modeling of the evapotranspiration using information systems, chapter 7 describes the modeling of filtration in combination with various differential equations, while chapter 8 shortly describes the method for calculation of the hydraulic roughness. Chapter 9 refers to various hydrological modeling procedures performed by using the ArcHydro tool, an extension from ArcGIS program, while chapter 10 includes a detailed guide in manual hydrological modeling through the ArcGIS program in a basin scale. Chapter 11 includes the modeling of the unit hydrograph combining the method of Clarke and the use of geographical information systems. Chapter 12 presents the integrated information system for the management of waterbasins, Torrential-MIK, software that was developed from the laboratory of mountainous watersheds and risk management, department of Forestry and management of the environment and the natural resources, Democritus University of Thrace, while in the second part of this chapter detailed examples that refer to the software are presented.

19 Foreword xvii The aim of this current book is to focus on the water information derived from the observations of the earth as long as the various software, systems and technologies to improve the modeling of information on the water resources, their analysis, visualization and their shared use. The book addresses to all the undergraduate and graduate students who are being taught the lesson of Hydrogeoinformatics as long as scientists who seek for targeted solutions regarding problems that refer to hydrology, hydraulics and environmental engineering for sustainable water management using modeling and software simulations. Potential readers will become familiar with models applicable to systems based on water, will develop key skills as long as skills in water management using the major hydrological models, utilizing geographic information systems and various information systems and decision support systems. Orestiada, April 10, 2014 F. Maris Sp. Paparrizos G. Karatzios

20