Πλημμύρες & αντιπλημμυρικά έργα

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος Πλημμύρες & αντιπλημμυρικά έργα Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Πλημμύρες Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Νίκος Μαμάσης Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2014

4 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (1/10) Η τεχνολογία των Συστημάτων Γεωγραφικής Πληροφορίας (ΣΓΠ ή GIS), τα οποία διαχειρίζονται με χρήση υπολογιστών την τοπογραφική και άλλη γεωγραφικά κατανεμημένη πληροφορία (αντικαθιστώντας τους παραδοσιακούς χάρτες με ψηφιακά αρχεία), επιτρέπει την αντιμετώπιση ποικίλων υδρολογικών προβλημάτων. Οι τεχνικές που υποστηρίζονται από τα ΣΓΠ επιτρέπουν την υλοποίηση εφαρμογών όπως: Παρεμβολή και επιφανειακή ολοκλήρωση υδρολογικών μεταβλητών Εισερχόμενη ακτινοβολία και δυνητική διάρκεια ηλιοφάνειας σε λεκάνη απορροής, λαμβάνοντας υπόψη την σκίαση και τις κλίσεις του ανάγλυφου Εξαγωγή μορφολογικών χαρακτηριστικών λεκάνης απορροής Εξαγωγή υδρολογικών ιδιοτήτων λεκάνης απορροής με βάση τον κάνναβο του υψομέτρου (συγκέντρωση ροής, υδρογραφικό δίκτυο) Υποβοήθηση της κατάρτισης μοναδιαίου υδρογραφήματος Χωροχρονική εκτίμηση πλημμυρών Συσχέτιση απορροής με δεδομένα λεκάνης (εδαφολογία, φυτοκάλυψη, γεωλογία, χρήσεις γης κλπ) Γενικά 4

5 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (2/10) Συναρτήσεις ανάλυσης επιφανειών Οι συναρτήσεις αυτές είναι διαδεδομένες σε όλα σχεδόν τα ΣΓΠ, δεδομένου ότι χρησιμοποιούνται σε πολλές κατηγορίες εφαρμογών. Εφαρμόζονται στον κάνναβο υψομέτρου και δημιουργούν έναν παράγωγο κάνναβο με τα ίδια χαρακτηριστικά (διαστάσεις, μέγεθος κυττάρου), ο οποίος περιέχει τις υπολογισμένες από τη συνάρτηση τιμές Άποψη (aspect) Προσδιορίζει την διεύθυνση της μεγαλύτερης κλίσης κάθε κυττάρου σε σχέση με τα οκτώ γειτονικά του. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάνναβο συνήθως κυμαίνονται από (διεύθυνση σε μοίρες) Κλίση (slope) Προσδιορίζει την μεγαλύτερη κλίση κάθε κυττάρου σε σχέση με τα οκτώ γειτονικά του. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάνναβο κυμαίνονται από (κλίση %) Σκίαση αναγλύφου (hillshade) Προσδιορίζει τον φωτισμό της επιφάνειας. Με την συνάρτηση αυτή μπορεί να υπολογιστεί η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε θέση. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάναβο κυμαίνονται από (αυθαίρετη κλίμακα, όπου το 1 αντιστοιχεί σε πλήρη σκίαση) Ισοϋψείς (contours) Προσδιορίζει τις ισοϋψείς καμπύλες για επιλεγμένη ισοδιάσταση. Δεν δημιουργεί κάνναβο αλλά γραμμικό επίπεδο πληροφορίας 5

6 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (3/10) Σχήμα 2: Κάναβος υψομέτρου (m) Σχήμα 1: Θέση λεκάνης Μεσοχωρίου >

7 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (4/10) Σχήμα 3: Άποψης (μοίρες) Σχήμα 4: Κλίσης (%) Σχήμα 5: Σκίασης ανάγλυφου (1-256) Ε π ί π ε δ ο ( - 1 ) Β ό ρ ε ι α ( , ) Β ο ρ ε ι α ν α τ ο λ ι κ ή ( ) Α ν α τ ο λ ι κ ή ( ) Ν ο τ ι α ν α τ ο λ ι κ ή ( ) Ν ό τ ι α ( ) Ν ο τ ι ο δ υ τ ι κ ή ) Δ υ τ ι κ ή ( ) Β ο ρ ε ι ο δ υ τ ι κ ή ( ) > 40 7

8 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (5/10) Οι υδρολογικές συναρτήσεις εφαρμόζονται στον κάνναβο υψομέτρου είτε σε παράγωγους, και δημιουργούν έναν άλλο παράγωγο κάνναβο με τα ίδια χαρακτηριστικά (διαστάσεις, μέγεθος κυττάρου), ο οποίος περιέχει τις υπολογισμένες από την συνάρτηση τιμές. Κοιλοτήτων (sink) Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και εντοπίζει τα κύτταρα που είναι χαμηλότερα και από τα οκτώ γειτονικά (κοιλότητες) Εξάλειψη κοιλοτήτων (Fill) Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και εξαλείφει τις κοιλότητες Σχήμα 6: Υδρολογικές συναρτήσεις Πηγή: ArcGIS 10 Help 8

9 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (6/10) Διεύθυνση ροής (flow direction). Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και υπολογίζει για κάθε κύτταρο προς τα που θα κατευθυνθεί η ροή. Συγκέντρωση ροής (flow accumulation) Εφαρμόζεται στον κάνναβο διεύθυνσης ροής και υπολογίζει σε κάθε κύτταρο τον αριθμό των κυττάρων που απορρέουν σε αυτόν Υψομέτρου (m) Διεύθυνσης ροής Συγκέντρωσης ροής Υπολογισμός μέγιστης κλίσης Θεωρώντας κάνναβο διάστασης 100 m υπολογίζονται οι κλίσεις προς τα οκτώ γειτονικά κύτταρα και η ροή κατευθύνεται προς τη μεγαλύτερη. Η απόσταση μεταξύ διαγωνίων κυττάρων είναι 100*2 0.5 Σχήμα 7: Κάνναβοι ροής 9

10 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (7/10) Υπολεκάνη απορροής (watershed) Προσδιορίζει τις υπολεκάνες απορροής σε συγκεκριμένα σημεία του χώρου Μήκος ροής (flowlength) Εφαρμόζεται στον κάνναβο διεύθυνσης ροής και υπολογίζει το μήκος της ροής κάθε κυττάρου μέχρι την έξοδο της λεκάνης Τάξη ρεμάτων (Stream order) Ταξινόμηση υδατορευμάτων κατά Strahler (1957) και Shreve (1966). Σχήμα 8: Κάνναβοι ροής Πηγή: ArcGIS 10 Help 10

11 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (8/10) Περιοχή μελέτης Σχήμα 9: Θέση λεκάνης Πύλης Σχήμα 10: Κάναβος υψομέτρου (m) >

12 PiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shp Διεύθυνσης ροής Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (9/10) Συγκέντρωσης ροής Υδρογραφικού δικτύου Απόστασης ροής (km) Σχήμα 11: Παράγωγοι κάνναβοι > ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΕΝΟ

13 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (10/10) Σχήμα 12: Λεκάνη Αράχθου στη θέση Τσίμοβο 13

14 Χρήσεις γης Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους Διεύθυνση ροής Ταχύτητες χερσαίας ροής (m/s) Τάξεις υδρογραφικού δικτύου κατά Strahler Συγκέντρωση ροής Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) Σχήμα 13: Εκτίμηση απορροής με τη χρήση ισοχρόνων καμπυλών 14

15 Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) Παροχή m3/s Αριθμός κυττάρων Χρόνοι απορροής (hr) Μοναδιαίο υδρογράφημα 1h Ui m 3 /s =Ni * 0.01 m * m 2 / 3600 s Όγκος: 6.2 hm 3 (10 mm * 624 km 2 ) Αριθμός κυττάρων που απορρέουν κάθε ώρα Σύνολο: 9988 Επιφάνεια: m 2 Έκταση: 624 km Χρόνος (hr) Σχήμα 14: Εκτίμηση απορροής με τη χρήση ισοχρόνων καμπυλών (συνέχεια) Χρόνος (hr) 15

16 Διάσταση: 250 m Αριθμός κυττάρων: 9988 Σχήμα 15: Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους 16

17 Σχήμα 16: Κλίσεις εδάφους 17

18 Σχήμα 17: Χρήσεις γης, Συντελεστής κ*100 18

19 Σχήμα 18: Συντελεστής κ*100 19

20 V (m/s)=k*s (m/m) 1/2 Σχήμα 19: Ταχύτητες χερσαίας ροής (m/s) 20

21 Σχήμα 20: Διεύθυνση ροής 21

22 Σχήμα 21: Συγκέντρωση ροής 22

23 Κατώφλι κυττάρων: 1600 Κατώφλι κυττάρων: 400 Κατώφλι κυττάρων: 50 Σχήμα 22: Υδρογραφικό δίκτυο 23

24 Κατώφλι κυττάρων: 30 Σχήμα 23: Υδρογραφικό δίκτυο 24

25 Ταχύτητες ροής υδρογραφικού δικτύου ανά τάξη (m/s) Σχήμα 24: Τάξεις υδρογραφικού δικτύου κατά Strahler 25

26 Σχήμα 25: Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) 26

27 Σχήμα 26: Χρόνοι απορροής (hr) 27

28 Παροχή m3/s Αριθμός κυττάρων Αριθμός κυττάρων που απορρέουν κάθε ώρα Ni Σύνολο κυττάρων: 9988 Επιφάνεια κυττάρου: m 2 Έκταση: 624 km Χρόνος (hr) Σχήμα 27: Αριθμός κυττάρων που απορρέουν κάθε ώρα Ni 300 Ui m 3 /s =Ni * 0.01 m * m 2 / 3600 s Μοναδιαίο υδρογράφημα 1h Όγκος: 10 mm * 624 km 2 = 6.2 hm Χρόνος (hr) Σχήμα 28: Μοναδιαίο υδρογράφημα 1h 28

29 Παροχή m3/s Παροχή m3/s Παροχή m3/s Χρόνος (hr) Σχήμα 29: Yδρογράφημα βροχής 30 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr Χρόνος (hr) Χρόνος (hr) Σχήμα 30: Yδρογράφημα βροχής 12 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr Σχήμα 31: Yδρογράφημα βροχής 21 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr 29

30 Παροχή (m3/s) Παρατηρημένο υετόγραμμα (15.5mm) 5 4 Όγκος μοναδιαίου: 6.24 hm 3 Όγκος βροχής 15.5 mm: 9.77 hm 3 Καθαρή βροχή: (2.18/9.77)*15.5=3.5 mm Καθαρός όγκος απορροής: 2.18 hm Χρόνος (hr) Σχήμα 32: Παρατηρημένο υδρογράφημα 30

31 Παροχή (m3/s) Καθαρό υετόγραμμα (3.5mm) Υπολογισμένο καθαρό υδρογράφημα (2.18 hm 3 ) Παρατηρημένο καθαρό υδρογράφημα (2.18 hm 3 ) Χρόνος (hr) Σχήμα 33: Υπολογισμένο και παρατηρημένο καθαρό υδρογράφημα 31

32 Διάγραμμα υπολογισμού ταχυτήτων χερσαίας ροής (m/s) 32

33 Διάγραμμα υπολογισμού ταχυτήτων υδρογραφικού δικτύου (m/s) 33

34 Διάγραμμα υπολογισμού χρόνων απορροής (s) 34

35 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (1/4) Κατάρτιση μοναδιαίου υδρογραφήματος με κανναβικά δεδομένα DEM Πλήρωση βυθισμάτων DEM Κάναβος τραχύτητας εδάφους Ταχύτητα χερσαίας ροής Κλίσεις εδάφους Διεύθυνση ροής Ταχύτητα ροής υδρογραφικού δικτύου Κατώφλι Συγκέντρωση ροής Μήκος ροής Αθροιστικές ταχύτητες ροής Υδρογραφικό δίκτυο Αντιστροφή Βάρη Τιμές ταχύτητας Κατάταξη υδρογραφικού δικτύου Χρόνοι απορροής Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 Ιστόγραμμα 35

36 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (2/4) LANDUSE DEM SLOPE OVERLAND FLOW FLOW DIRECTION CHANNEL FLOW VELOCITY FLOW ACCUMULATION Σχήμα 34: Μέθοδος χρόνου - επιφάνειας STRAHLER ACCUM TIME 36

37 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (3/4) Υπολογισμός παροχής Σταθμοί βροχόπτωσης IDW Επιφανειακή κατανομή βροχόπτωσης Χρόνοι απορροής Pixel που απορρέουν σε 1, 2, 3 ώρες Pixel με χιλιοστά βροχής που δέχονται Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 Επεξεργασία πίνακα περιγραφικών χαρακτηριστικών Υπολογισμός παροχής Επαναληπτική διαδικασία Πλημμυρογράφημα Πίνακας Συνολικής Παροχής 37

38 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΓΠ (1/2) ΣΤΑΘΜΟΙ ΕΠΙΦ. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΧΡΟΝΟΙ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗ ΣΕ 5h ΑΠΟΡΡΟΗ ΣΕ 5h με mm βροχής Σχήμα 35: Υπολογισμός παροχής Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, ΠΛΗΜΜΥΡΟΓΡΑΦΗΜΑ

39 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΓΠ (2/2) Σχήμα 36: Επίδραση συντελεστή τραχύτητας στο μοναδιαίο υδρογράφημα Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ,

40 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS (4/4) Σχήμα 37: Επίδραση κατωφλίου στο μοναδιαίο υδρογράφημα 40 Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012

41 Μοντέλο Υδατικού Ισοζυγίου Κατακρήμνιση P Μέγιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία Τ min Ελάχιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία Τ min Δυνητική Εξατμοδιαπνοή E p Μέση θερμοκρασία T m Πραγματική Εξατμοδιαπνοή E p Ποσοστό αδιαπέρατης επιφάνειας ν Χωρητικότητα δεξαμενής εδαφικής υγρασίας Κ Απόθεμα δεξαμενής εδαφικής υγρασίας S Συντελεστής στείρευσης εδαφικής υγρασίας κ Συνολική απορροή Q Απόθεμα δεξαμενής υπόγειου νερού G Συντελεστής στείρευσης υπόγειου νερού λ Σχήμα 38: Λειτουργία του μοντέλου 41

42 Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ (1/5) Λεκάνη Κρεμαστών Σχήμα 39: Περιοχή μελέτης 42

43 Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ (2/5) Σχήμα 40: Δημιουργία επιφάνειας κατακρήμνισης με Kriging 43

44 Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ (3/5) Επιφάνεια θερμοκρασίας T i T c* H cell H Σχήμα 41: Επιφάνεια θερμοκρασίας Σχήμα 42: Επιφάνεια δυνητικής εξατμοδιαπνοής T i θερμοκρασία στα κύτταρα της λεκάνης Τ Σ θερμοκρασία στο υψόμετρο του σταθμού H cell υψόμετρο κυττάρου από DTM Η Σ υψόμετρο σταθμού c θερμοβαθμίδα Επιφάνεια δυνητικής εξατμοδιαπνοής Υπολογισμός εξατμοδιαπνοής: Μέθοδος Penman Υπολογισμός επιφανειών: Γραμμική παλινδρόμηση με εξαρτημένη μεταβλητή την εξατμοδιαπνοή (E D) και ανεξάρτητες το υψόμετρο (Ζ) και τη θερμοκρασία (Τ m ) E D = *Z *T m

45 Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ (4/5) T min 0 o C X=0 & R=P T max <0 o C X= P & R= 0 T min <0 o C & T max 0 o C X= Sc i *P & R= (1-Sc i )*P Sc i T T min T max min Κατακρήμνιση P Βροχόπτωση R Χιονόπτωση X Σχήμα 43: Επιμερισμός κατακρήμνισης σε βροχόπτωση και χιονόπτωση 45

46 Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ (5/5) SM DDF* Tm* ND Τήξη χιονιού: Spro DDF παράγων βαθμοημερών σε mm/ o C/day Tm κάναβος μέσης θερμοκρασίας ND αριθμός ημερών μήνα Sπρο απόθεμα στην αρχή του μήνα Απόθεμα στο τέλος του μήνα =Απόθεμα στην αρχή του μήνα -Τήξη χιονιού Σχήμα 44: Επιφάνεια τήξης χιονιού 46

47 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Σχήμα 6: Υδρολογικές συναρτήσεις, ArcGIS 10 Help, CC: BY-NC-SA Σχήμα 8: Κάνναβοι ροής, ArcGIS 10 Help, CC: BY-NC-SA Σχήμα 35: Υπολογισμός παροχής, Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012, CC: BY-NC-SA Σχήμα 36: Επίδραση συντελεστή τραχύτητας στο μοναδιαίο υδρογράφημα, Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012, CC: BY-NC-SA Σχήμα 37: Επίδραση κατωφλίου στο μοναδιαίο υδρογράφημα, Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012, CC: BY-NC-SA 47

48 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.