Τα υδρολογικά µοντέλα του Υδροσκοπίου

Transcript

1 Προς µια ορθολογική αντιµετώπιση των σύγχρονων υδατικών προβληµάτων: Αξιοποιώντας την Πληροφορία και την Πληροφορική για την Πληροφόρηση Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας (ΕΤΥΜΠ, Υποέργο 2) Ξενοδοχείο Hilton, Πέµπτη 15 Απριλίου 2010 Τα υδρολογικά µοντέλα του Υδροσκοπίου Ε. Ρόζος, ιπλ. Πολ. Μηχανικός

2 οµή παρουσίασης Υδρολογικά µοντέλα Ζυγός Υδρόγειος SWAT Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 2

3 Ορισµός υδρολογικών µοντέλων Μαθηµατικοί µετασχηµατισµοί που επιχειρούν να αναπαραστήσουν τις διεργασίες του υδρολογικού κύκλου σε κατάλληλη χωρική και χρονική κλίµακα (εξαρτάται από την διαθέσιµη πληροφορία και τους διαθέσιµους πόρους). Φυσικές διεργασίες Είσοδοι µε µετρήσεις x t Αποκρίσεις µετρηµένες y t Μοντέλο y t = h(s 0, x t, θ) Αρχικές και συνοριακές συνθήκες Παράµετροι εξαρτώνται από ιδιότητες πεδίου Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 3

4 Κατηγορίες υδρολογικών µοντέλων (α) Αδιαµέριστα (lumped): Κοινές φορτίσεις και κοινές παράµετροι για όλη τη λεκάνη απορροής Ηµι-αδιαµέριστα (semi-lumped): ιαφορετικές φορτίσεις αλλά κοινές παράµετροι ανά χωρική ενότητα Ηµι-κατανεµηµένα (semidistributed): ιαφορετικές φορτίσεις και παράµετροι ανά χωρική ενότητα Πλήρως κατανεµηµένα (distributed): Κατάτµηση σε πολύ µικρές χωρικές ενότητες Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 4

5 Κατηγορίες υδρολογικών µοντέλων (β) Μοντέλα φυσικής βάσης Εννοιολογικά µοντέλα Μοντέλα «µαύρου κουτιού» Θεωρητικό υπόβαθρο Εξισώσεις ακόρεστης και κορεσµένης ροής, άλλες εµπειρικές εξισώσεις από πειραµατικές λεκάνες Παραµετρικές σχέσεις, σε υδραυλικά ανάλογα που αναπαριστούν τις κύριες υδρολογικές διεργασίες ιαδοχικοί µη γραµµικοί µετασχηµατισµοί σχέσεων αιτίου-αποτελέσµατος χωρίς να απαιτείται γνώση φυσικής δοµής τους συστήµατος Παρέχουν Περιγραφή των αποκρίσεων κατανεµηµένη χωρικά. Περιγραφή επιλεγµένων αποκρίσεων σε κλίµακα χωρικής ενότητας. Περιγραφή επιλεγµένων αποκρίσεων. Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 5

6 Κατηγορίες υδρολογικών µοντέλων (β) Μοντέλα «µαύρου κουτιού» Εννοιολογικά µοντέλα Πληροφορία διαθέσιµοι πόροι Μοντέλα φυσικής βάσης Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 6

7 ΖΥΓΟΣ Εννοιολογικό αδιαµέριστο µοντέλο µηνιαίου υδατικού ισοζυγίου Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 7

8 ΖΥΓΟΣ: Εννοιολογική δοµή και διεργασίες Επιφάνεια εδάφους: επιµερισµός βροχόπτωσης σε άµεση εξατµοδιαπνοή, επιφανειακή (άµεση) απορροή και διήθηση Ακόρεστη ζώνη (αναρρύθµιση εδαφικής υγρασίας): επιµερισµός διήθησης σε εδαφική εξατµοδιαπνοή, επίγεια (λόγω κορεσµού) και επιδερµική απορροή, και κατείσδυση Κορεσµένη ζώνη (αναρρύθµιση υπόγειων υδάτων): επιµερισµός κατείσδυσης σε βασική απορροή (εκροή πηγών), υπόγειες διαφυγές και απολήψεις λόγω αντλήσεων Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 8

9 ΖΥΓΟΣ: εδοµένα εισόδου Χρονοσειρές Επιφανειακή βροχόπτωση υνητική εξατµοδιαπνοή Υποχρεωτικές Απολήψεις από υπόγεια νερά (ζήτηση για άντληση) Παρατηρηµένη απορροή (για την αυτόµατη βαθµονόµηση) Οι χρονοσειρές είναι µηνιαίες, καλύπτουν κοινή χρονική περίοδο και ανάγονται στην επιφάνεια της λεκάνης (σε mm) Αρχικές συνθήκες Εδαφική υγρασία (µηδενική στην αρχή του υδρ. έτους) Απόθεµα υπόγειου νερού Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 9

10 ΖΥΓΟΣ: Αυτόµατη βαθµονόµηση Επιλέγονταιοιπαράµετροι και οι αρχικές συνθήκες προς βελτιστοποίηση και το εύρος τιµών τους. Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 10

11 Υδρόγειος Ηµι-κατανεµηµένο εργαλείο ολοκληρωµένης γεω-υδρολογικής προσοµοίωσης πολύπλοκων λεκανών απορροής Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 11

12 Υδρόγειος: Υποµοντέλα Αλληλεπιδρώντα υποµοντέλα Υδρογείου 1. Μοντελοποίηση επιφανειακού συστήµατος 2. Μοντελοποίηση υπόγειου συστήµατος 3. Μοντελοποίηση διαχείρισης υδατικών πόρων Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 12

13 Υδρόγειος: Επιφανειακές διεργασίες Βροχόπτωση, p t, δυνητική εξατµοδιαπνοή e Pt Εδαφική επιφάνεια, συντελεστή απορροής, c Άµεση εξάτµιση, e Dt Πραγµατική εξατµοδιαπνοή, e t εξαµενή κατακράτησης, χωρητικότητας r Άµεση απορροή, q Dt Απορροή κορεσµού, q St Απορροή, q t Εδαφική εξατµοδιαπνοή, e St ιήθηση, i t Υποδερµική ροή, q Ιt Ακόρεστη ζώνη, χωρητικότητας k Συντελεστής στείρευσης, λ Συντελεστής στείρευσης, µ Κατείσδυση, g t Κατώτερη ακόρεστη ζώνη, χωρητικότητας k L = θ k Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 13

14 Υδρόγειος: 1. Επιφανειακές διεργασίες Υδατόρευµα: ιόδευση πληµµυρικών παροχών, τροφοδοσία υδροφορέα µέσω διηθήσεων Κόµβος: Συγκέντρωση απορροής (επιφανειακής και υπόγειας), κατανάλωση νερού και πραγµατοποίηση εισροών και εκροών Μονάδα υδρολογικής απόκρισης (ΜΥΑ): Σύνολο από χωρικές ενότητες µε συναφή υδρολογική λειτουργία, τα χαρακτηριστικά των οποίων περιγράφονται από κοινές παραµέτρους Υπολεκάνη: Πεδίο φορτίσεων (βροχόπτωση, δυνητική εξατµοδιαπνοή) Πηγή: Επιφανειακή εκφόρτιση υδροφορέα (βασική απορροή) Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 14

15 Υδρόγειος: Υπόγειεςες διεργασίες Ακµή κυττάρων: Οριακή συνθήκη (µηδενική ροή, αν θεωρηθεί αδιαπέρατο όριο) Κύτταρο διαφυγών: Εικονική δεξαµενή άπειρου εµβαδού, όπου συγκεντρώνονται οι υπόγειες διαφυγές της λεκάνης Πηγή: Εικονική δεξαµενή άπειρου εµβαδού, όπου συγκεντρώνονται οι επιφανειακές εκφορτίσεις της λεκάνης Κύτταρο: Εννοιολογική δεξαµενή αναρρύθµισης υπόγειων νερών Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 15

16 Υδρόγειος: 3. Λειτουργία υδροσυστήµατος Αρδευτικός κόµβος: Θέση συγκέντρωσης αρδευτικής ζήτησης (κέντρο βάρους αρδευόµενης περιοχής) Οµάδα γεωτρήσεων: Θέση συγκέντρωσης αντλήσεων (κέντρο βάρους γεωτρήσεων που εξυπηρετούν κοινή χρήση νερού) Υδραγωγείο: Πραγµατικός ή εννοιολογικός αγωγός (παροχετευτικότητα, διαρροές, µοναδιαίο κόστος µεταφοράς) Κόµβος: Θέση προσφοράς, ή ζήτησης νερού ή αλλαγής της γεωµετρίας του δικτύου Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 16

17 Υδρόγειος: 3. Λειτουργία υδροσυστήµατος ίνεται το σύστηµα των υδραυλικών έργων και τα χαρακτηριστικά µεγέθη. Ορίζονταιοιστόχοικαι περιορισµοί (κατά σειρά προτεραιότητας), και οι υδατικές ανάγκες. Οεντοπισµός της πλέον πρόσφορης κατανοµής των διαθέσιµων υδατικών πόρων διατυπώνεται ως πρόβληµα γραµµικής βελτιστοποίησης σε ένα µετασχηµατισµένο δίκτυο (διγράφος). Συντελεστής Κόµβος διήθησης, λ Οµάδα ζήτησης D γεωτρήσεων 1 Q 1 Εισροή από υπολεκάνη Q 2 Έξοδος λεκάνης D 2 Q 3 Υδραγωγείο Κόµβος Απώλειες ζήτησης διήθησης Κατανάλωση Εισροή λεκάνης Παροχή Παροχή ποταµού εξόδου Γεώτρηση Απολήψιµο Σωρευτικός δυναµικό κόµβος υδροφορέα Παροχή υδραγωγείου Άντληση Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 17

18 Υδρόγειος: ιασύνδεση µοντέλων Επιφανειακή απορροή Υδατικές ανάγκες, έργα, κόστη Βροχόπτωση, δυνητική εξατµοδιαπνοή Μοντέλο επιφανειακής υδρολογίας Μοντέλο υπόγειας υδρολογίας Κατείσδυση Υπόγεια απορροή Μοντέλο λειτουργίας υδροσυστήµατος Υδατικό ισοζύγιο (παροχές, απολήψεις) Εξατµοδιαπνοή Αντλήσεις, διηθήσεις Μοντέλο επιφανειακής υδρολογίας Ηµικατανεµηµένη χωρική κλίµακα (υπολεκάνες), παραµετροποίηση ανά µονάδα υδρολογικής απόκρισης (ΜΥΑ) Μοντέλο υπόγειας υδρολογίας Πολυκυτταρικό σχήµα επίλυσης ισοδύναµο των πεπερασµένων όγκων, εξίσωση ροής γραµµική (Darcy) ή µη γραµµική Μοντέλο λειτουργίας υδροσυστήµατος Αναπαράσταση χρήσεων νερού και λειτουργίας υδραυλικών έργων µέσω γραµµικής βελτιστοποίησης Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 18

19 Υδρόγειος: Γραφικό περιβάλλον MapWindow: Σύστηµα γεωγραφικής πληροφορίας, (ΣΓΠ) για την επεξεργασία και οπτικοποίηση των χωρικών δεδοµένων HYDROGEIOS 2.0: Κύρια εφαρµογή για τη διαχείριση των σεναρίων και των υδρολογικών δεδοµένων ενός έργου και την υλοποίηση της προσοµοίωσης και βαθµονόµησης MW-HYDROGEIOS: Άρθρωµα (plug-in) στο MapWindow, για την βήµα-προς-βήµα παραγωγή των γεωγραφικών δεδοµένων ενός έργου, που αφορά στη µοντελοποίηση µιας λεκάνης απορροής Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 19

20 SWAT Κατανεµηµένο εργαλείο οικο-υδρολογικής ανάλυσης Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 20

21 SWAT: Συνιστώσες του SWAT Φάση διόδευσης υδρολογικού κύκλου Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 21

22 SWAT: Συνιστώσες του SWAT SWAT Επίγεια Φάση Υδρολογικού Κύκλου Φάση Διόδευσης Υδρολογικού Κύκλου Υδρολογική Συνιστώσα Κλιματική Συνιστώσα Εδαφοκάλυψη Ανάπτυξη φυτών Διόδευση στο Κύριο υδατόρεμα Ανάσχεση στον Ταμιευτήρα Επιφανειακή Επιφανειακή Απορροή Απορροή Διήθηση Διήθηση Ενδιάμεση Ενδιάμεση απορροή απορροή Βασική Βασική (επιστρέφουσα) (επιστρέφουσα) Ροή Ροή Εξατμοδιαπνοή Εξατμοδιαπνοή Απώλειες Απώλειες Μετάβασης Μετάβασης Αποθήκευση Αποθήκευση φυτικού φυτικού καλύμματος καλύμματος Κατείσδυση Κατείσδυση Κατασκευές Κατασκευές συγκράτησης συγκράτησης (ponds) (ponds) Γεννήτρια Γεννήτρια Καιρικών Καιρικών Συνθηκών: Συνθηκών: Κατακρήμνιση Κατακρήμνιση Θερμοκρασία Θερμοκρασία Αέρα Αέρα Ηλιακή Ηλιακή Ακτινοβολία Ακτινοβολία Ταχύτητα Ταχύτητα Ανέμου Ανέμου Σχετική Σχετική Υγρασία Υγρασία Χιόνι: Χιόνι: Χιονοκάλυψη Χιονοκάλυψη Λιώσιμο Λιώσιμο Χιονιού Χιονιού Υψομετρικές Υψομετρικές Ζώνες Ζώνες Θερμοκρασία Θερμοκρασία Εδάφους Εδάφους Διάβρωση / Στερεοαπορροή Θρεπτικά Παρασιτοκτόνα Διαχείριση Πλημμύρα Πλημμύρα Φερτά Φερτά Θρεπτικές Θρεπτικές Παρασιτοκτόνα Παρασιτοκτόνα Εκροή Εκροή Φερτά Φερτά Θρεπτικές Θρεπτικές Παρασιτοκτόνα Παρασιτοκτόνα Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 22

23 SWAT: Ποιοτικές συνιστώσες Κύκλος θρεπτικών Κύκλος Αζώτου Κύκλος Φωσφόρου Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 23

24 SWAT: Ποιοτικές συνιστώσες Κύκλος παρασιτοκτόνων Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 24

25 SWAT: Αποτελέσµ σµατα - Χάρτες Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 25

26 Τα υδρολογικά µοντέλα του Υδροσκοπίου ΖΥΓΟΣ Υ ΡΟΓΕΙΟΣ SWAT Χωρική κλίµακα Αδιαµέριστη Ηµι-κατανεµηµένη Κατανεµηµένη Χρονικό βήµα Μηνιαίο Μηνιαίο, ηµερήσιο Μηνιαίο, ηµερήσιο Συνιστώσες µοντέλου Λεκάνη απορροής Υδρογραφικό δίκτυο, υδροφορέας, υδραυλικά έργα, χρήσεις νερού Υδρογραφικό δίκτυο, υδραυλικά έργα, πηγές ρύπανσης, γεωργικές πρακτικές εδοµένα εισόδου Υδρολογικά Γεωγραφικά, υδρολογικά, υδραυλικά, διαχειριστικά Γεωγραφικά, υδρολογικά, υδραυλικά, ποιοτικά Κύρια δεδοµένα εξόδου Απορροή εξόδου Παροχές υδατορευµάτων και πηγών, στάθµες υδροφορέα, απολήψεις Παροχές υδατορευµάτων, συγκεντρώσεις ρύπων, στερεοαπορροή Βαθµονόµηση Αυτοµατοποιηµένη Αυτοµατοποιηµένη, µε πολλαπλά κριτήρια Αυτοµατοποιηµένη Χρήση ΣΓΠ Όχι Ναι Ναι Υδροσκόπιο: Εθνική Τράπεζα Υδρολογικής & Μετεωρολογικής Πληροφορίας 26