ΔÂ ÓÔÏÔÁ À ÙÈÎÒÓ fiúˆó

Transcript

1 ª.. ªÈÌ ÎÔ ıëá ÙÚÈ.ª.. Δ ÓÔÏÔÁ À ÙÈÎÒÓ fiúˆó E K O E I 2006

2 Copyright ÁÈ ÙËÓ appleúˆùfiù appleë ÂÏÏËÓÈÎ Î ÔÛË:. øδ ƒπ À & π.., ÙÔ ÚÓ ÚË 23, ı Ó ΔËÏ.: , Fax: ª Î Ù ÂÍˆÊ ÏÏÔ :. ˆÙËÚfiappleÔ ÏÔ ÏÂÎÙÚÔÓÈÎ ª Û Ú ÁˆÁ : Cosmosware, AÁ. Iˆ ÓÓÔ 53, AÁ. Ú ÛÎÂ, ı Ó TËÏ.: , Fax: , cosmosware@ath.forthnet.gr Aapple ÁÔÚ ÂÙ È Ë Ó apple Ú ÁˆÁ ÙÔ apple ÚfiÓÙÔ È Ï Ô Ì ÚÔ ÙÔ Ì ÔappleÔÈÔ appleôùâ Ì ÛÔ ÌË ÓÈÎfi ËÏÂÎÙÚÔÓÈÎfi, ˆÚ ÙËÓ ÁÁÚ ÊË ÂÍÔ ÛÈÔ fiùëûë ÙÔ ÂÎ fiùë. ISBN:

3 ÙËÓ AÏÂÍ Ó Ú Î È ÛÙÔ È ÓÓË

4

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΩΤΟΥ ΜΕΡΟΥΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... Σελ. xix ΚΕΦ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Υδρολογική ανάλυση και αβεβαιότητες Υδρολογική αιτιότητα Τυχαιότητα και ποσοτικοποίηση της Η διάσταση του χρόνου στις υδρολογικές μεταβλητές Υδρολογικά ομοιώματα Υδρολογικός σχεδιασμός και βελτιστοποίηση υδατικών συστημάτων Δομή του βιβλίου ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 2. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΤΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 2.1. Γενικοί όροι Κατακρήμνιση Σχηματισμός κατακρήμνισης Μέτρηση βροχής Δομή και χρονικές κατανομές βροχής Σχέση βροχής-επιφάνειας Γεωγραφικές και τοπογραφικές επιδράσεις στην κατακρήμνιση Συμπλήρωση κενών στις βροχές Ομοιογένεια βροχής Υπολογισμός μέσης επιφανειακής βροχής Ανάλυση ύψους-επιφάνειας-διάρκειας καταιγίδας Μέγιστη πιθανή κατακρήμνιση Μέτρηση χιονιού - Ισοδύναμου νερού Υδρολογικές απώλειες Εξάτμιση από κορεσμένες επιφάνειες Διαπνοή Δυνητική εξατμισοδιαπνοή Άλλες απώλειες Όργανα μέτρησης απωλειών Διήθηση και απορροή Διήθηση ix

6 Ο κύκλος της απορροής Υπόγεια νερά Επιφανειακή απορροή και εκτίμηση της με τη μέθοδο κινηματικού κύματος Μέτρηση και εκτίμηση απορροής ποταμού. Καμπύλη στάθμης - παροχής Χαρακτηριστικά και σύνθεση υδρογραφήματος απορροής ποταμού Απόκριση απορροής γραμμικής υδρολογικής λεκάνης - Μοναδιαίο υδρογράφημα Απορροή από μη γραμμικές υδρολογικές λεκάνες Χωροχρονική διόδευση πλημμυρογραφήματος Εξισώσεις κινήσεως Μέθοδοι διόδευσης κύματος Μέθοδοι επίλυσης του συστήματος των εξισώσεων κίνησης Συγκριτική κατάσταση των μεθόδων επίλυσης Μη ρητή (implicit) μέθοδος πεπερασμένων διαφορών για διόδευση δυναμικού κύματος Κινηματικό κύμα και επίλυση των εξισώσεων κίνησής του Το πρόβλημα της πλευρικής εισροής Ευαισθησία των μεθόδων διόδευσης στις παραμέτρους του συστήματος Συμπεράσματα για τις μεθόδους διόδευσης Στερεο-μεταφορά. Φερτές ύλες Μηχανισμός επιφανειακής διάβρωσης Συνάρτηση απώλειας εδάφους Μεταφορά φερτών υλών. Ιδιότητες Φορτίο πυθμένα. Υπολογισμός Φερτές ύλες σε αιώρηση. Υπολογισμός Μέτρηση φερτών υλών Υδρολογικές επιδράσεις στις φερτές ύλες Καμπύλες παροχής - στερεοπαροχής Μορφοκλιματικές επιδράσεις στις στερεοπαροχές Πρόβλεψη στερεοπαροχής χωρίς μετρήσεις Μορφολογικά στοιχεία υδατορρεύματος Μαιανδρισμός Σχηματισμός μαιάνδρων. Θεωρία της ελάχιστης σκέδασης. 116 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 2ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ x

7 ΚΕΦ. 3. ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΩΝ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ 3.1. Γενικά για τις κατανομές πιθανοτήτων στην υδρολογία Ορισμοί και στατιστικές παράμετροι Κατανομές πιθανοτήτων Ομοιόμορφη κατανομή Διωνυμική κατανομή. Δοκιμές Bernoulli. Γεωμετρική κατανομή Κατανομή Poisson Κανονική κατανομή Λογαριθμική κανονική κατανομή (Aitchinson και Brown, 1957) Κατανομή γάμμα Κατανομές Pearson. Λογαριθμική Pearson III Θεωρία και ασυμπτωτικές κατανομές ακραίων τιμών (Gumbel, 1954a, 1954b) Μέθοδοι εκτίμησης παραμέτρων κατανομών Διαστήματα εμπιστοσύνης Έλεγχος καταλληλότητας κατανομών χ 2 -τεστ Το τεστ Kolmogorov-Smirnov Τυχαίοι αριθμοί Ομοιόμορφοι τυχαίοι αριθμοί Τυπικοί κανονικοί αριθμοί Τυχαίοι τυπικοί αριθμοί με κατανομή γάμμα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 3ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΧΡΟΝΟΣΕΙΡΩΝ ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ 4.1. Υδρολογικές χρονοσειρές και διαδικασίες Δομή και ιδιότητες υδρολογικών χρονοσειρών Προσδιοριστικές συνιστώσες υδρολογικής χρονοσειράς. Ανίχνευση, προσομοίωση Περιοδικότητα Εμμονή Τάση Μέθοδοι ανάλυσης χρονοσειρών Ανάλυση αυτοσυσχέτισης Ανάλυση διασταυρούμενης συσχέτισης Αυτό-φασματική ανάλυση Διασταυρούμενη φασματική ανάλυση Μέθοδοι μονιμοποίησης χρονοσειρών xi

8 4.6. Στοχαστικά ομοιώματα μιας μεταβλητής Ομοίωμα αυτοσυσχέτισης ΑR(p) Ομοίωμα κυλιομένων μέσων όρων ΜΑ(q) Σύνθετο ARMA(p, q) ομοίωμα Μη μόνιμα γραμμικά στοχαστικά ομοιώματα ΑRΙΜΑ (p,d,q) Ειδικά στοχαστικά ομοιώματα διατήρησης εμμονής Έλεγχοι καταλληλότητας ομοιωμάτων Στοχαστικά ομοιώματα δύο μεταβλητών Ομοίωμα συνάρτησης μεταφοράς - θορύβου Φίλτρο Kalman Ανελίξεις Markov Ανέλιξη Markov δύο καταστάσεων Η κατανομή του αριθμού βροχερών ημερών σε περίοδο n ημερών Πιθανότητες συνδεδεμένες με τα μήκη των υγρών και ξηρών περιόδων Εκτίμηση αρχικών πιθανοτήτων και πιθανοτήτων μεταβάσεως Το ομοίωμα της ποσότητας της βροχής σε περίοδο n ημερών Ανελίξεις Markov εποχιακής μνήμης στην προσομοίωση της βροχής ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 5. MΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 5.1. Υδατικά συστήματα Ανάλυση συστήματος Το γενικό ομοίωμα ανάλυσης συστήματος Ειδικά ομοιώματα ανάλυσης συστήματος Μέθοδοι ανάλυσης συστημάτων Προσομοίωση Βελτιστοποίηση Αλγόριθμοι βελτιστοποίησης Γραμμικός προγραμματισμός. Μέθοδος Simplex Δυναμικός προγραμματισμός Στοχαστικός δυναμικός προγραμματισμός Άλλες μέθοδοι της τεχνολογίας των συστημάτων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 5ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ xii

9 ΚΕΦ. 6. ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΝΩΣΗ 6.1. Υδρολογική μαθηματική προσομοίωση Παραμετρική προσομοίωση Στοχαστική προσομοίωση Επιλογή ομοιωμάτων Ρύθμιση παραμετρικών ομοιωμάτων προσομοίωσης Στάδια ρύθμισης Δοκιμαστική ρύθμιση Αυτοματοποιημένη ρύθμιση Συνολικά προσδιοριστικά ομοιώματα συστήματος Ανάπτυξη των ομοιωμάτων Το ομοίωμα σύνθεσης ροής ποταμού και ρύθμισης ταμιευτήρα (SSARR) Το ομοίωμα λεκάνης απορροής Stanford Το πρόγραμμα προσομοίωσης Hydrocomp Το ομοίωμα υδατικού ισοζυγίου WBUDG (Water Budget) Το υδρολογικό ομοίωμα SWAT Στοχαστικά ομοιώματα υδρολογικής προσομοίωσης Ομοιώματα μιας μεταβλητής (παροχών και βροχών) Ομοίωμα υδρολογικής απόκρισης Συνολικά στοχαστικά ομοιώματα συστήματος Βραχυπρόθεσμη υδρολογική πρόγνωση Προσδιοριστική πρόγνωση Στοχαστική πρόγνωση Πρόγνωση σε πραγματικό χρόνο Το δίκτυο Meteonet Τεχνικές βελτιστοποίησης ομοιωμάτων Γραμμική και μη γραμμική μέθοδος ελαχίστων τετραγώνων Η μέθοδος Rosenbrock ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 6ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 7. ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΚΡΑΙΩΝ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ 7.1. Γενικά Ασυμπτωτική κατανομή ακραίων τιμών τύπου Ι-Gumbel Ορισμός περιόδου επαναφοράς και σχέση της με την τροποποιημένη μεταβλητή Χαρτί πιθανότητας Gumbel - Σχεδίαση κατανομής Διαδικασία ρύθμισης κατανομής Όριο ασφαλείας της κατανομής Παρατηρήσεις πάνω στην κατανομή Gumbel Λογαριθμική κανονική κατανομή πλημμύρων xiii

10 Χαρτί πιθανότητας - Σχεδίαση κατανομής Όρια ασφαλείας της κατανομής Κατανομές πλημμυρών Pearson τύπου III Λογαριθμική Pearson III κατανομή Χαρτί πιθανότητας. Ρύθμιση και σχεδίαση της κατανομής Όρια ασφαλείας της κατανομής Ανάλυση σειρών μεγίστων πλημμυρικων παροχών μερικής διάρκειας Χαρακτηριστικά των σειρών μερικής διάρκειας Πιθανολογικό ομοίωμα σειράς μερικής διάρκειας Στατιστική ανάλυση μεγίστων βροχοπτώσεων. Όμβριες καμπύλες Στατιστική ανάλυση ελαχίστων τιμών παροχών (ξηρασιών) Ασυμπτωτική κατανομή ακραίων τιμών τύπου III Χάραξη της κατανομής σε χαρτί Gumbel. Ρύθμισή της Καμπύλες διάρκειας - δριμύτητας ξηρασίας Εντοπική ανάλυση πλημμυρικών γεγονότων για σχεδιασμό σε θέσεις χωρίς μετρήσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 7ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΙΝΑΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Πιν. Π-1. Αθροιστική κατανομή πιθανοτήτων για κατανομές χ 2, γάμμα και Poisson Πιν. Π-2. Αθροιστική τυπική κανονική κατανομή F υ (u) = f υ (u)du Πιν. Π-3. Αθροιστική κατανομή πιθανοτήτων Student - t Πιν. Π-4. Τυχαίοι αριθμοί από ομοιόμορφη κατανομή [0,1] Πιν. Π-5. Τυπικοί κανονικοί τυχαίοι αριθμοί Ν(0, 1) ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΔΕΥΤΕΡΟΥ ΜΕΡΟΥΣ ΚΕΦ. 1. ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 1.1. Στοιχεία όγκου και εκμετάλλευσης ταμιευτήρα Συμβατική μέθοδος διαστασιολόγησης ταμιευτήρα Κατασκευή αθροιστικής καμπύλης εισροών Εκτίμηση της απαιτούμενης χωρητικότητας ταμιευτήρα Μειονεκτήματα συμβατικού σχεδιασμού Μη συμβατικές στοχαστικές μέθοδοι διαστασιολόγησης ταμιευτήρα Συνθετικά στοιχεία εισροών και οι αθροιστικές τους καμπύλες Διακινδύνευση σχεδιασμού. Εκτίμηση όγκου με αποδεκτή διακινδύνευση Πλεονεκτήματα της μη συμβατικής μεθόδου xiv

11 διαστασιολόγησης Ευαισθησία του σχεδιασμού ταμιευτήρα στο μηχανισμό γένεσης των εισροών Μη συμβατική μέθοδος διαστασιολόγησης με διατήρηση της εμμονής των εισροών Διαστασιολόγηση ταμιευτήρα με υπερχείλιση με τη μέθοδο του μέγιστου ελλείμματος Διαστασιολόγηση ταμιευτήρα σε θέση ποταμού χωρίς μετρήσεις Εντοπικά υδρολογικά ομοιώματα Εντοπικό ομοίωμα μηνιαίας σύνθεσης εισροών Διαστασιολόγηση νεκρού όγκου ταμιευτήρα Πρόσχωση ταμιευτήρα. Νεκρός όγκος Εκτίμηση νεκρού όγκου Εκτίμηση απώλειας ωφέλιμου όγκου από την πρόσχωση ταμιευτήρα Διαχείριση φερτών υλών ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Συγκριτική διαστασιολόγηση ταμιευτήρα με τη συμβατική και τη μη συμβατική μέθοδο (με και χωρίς διατήρηση εμμονής εισροών) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 2. ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ 2.1. Κατασκευές ασφαλείας υδραυλικών έργων Υπερχειλιστής Εκτροπή ποταμού Πλημμύρα σχεδιασμού υπερχειλιστή Κριτήρια σχεδιασμού υπερχειλιστή Διακινδύνευση σχεδιασμού Μέγιστη πιθανή πλημμύρα Εκτίμηση καταιγίδας σχεδιασμού Υπολογισμός πλημμύρας σχεδιασμού υπερχειλιστή Βέλτιστη πλημμύρα σχεδιασμού υπερχειλιστή Εκτίμηση μέγιστης πλημμυρικής στάθμης ανάσχεσης ταμιευτήρα Πλημμύρα σχεδιασμού εκτροπής Κριτήρια σχεδιασμού εκτροπής Υπολογισμός πλημμύρας σχεδιασμού εκτροπής Αντιπλημμυρική προστασία κατά την κατασκευή και τη λειτουργία υδραυλικού έργου σε πραγματικό χρόνο ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Υπολογισμός πλημμύρας σχεδιασμού υπερχειλιστή και εκτροπής ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 2ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ xv

12 ΚΕΦ. 3. ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΛΛΩΝ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3.1. Στοχαστική πρόβλεψη ύψους διάρκειας συχνότητας βροχής για αρδευτικές ανάγκες Διαδικασία κατασκευής καμπυλών συχνότητας βροχής Στοχαστικές όμβριες καμπύλες - Επιχειρησιακή χρήση τους για αρδευτικές ανάγκες Εκτίμηση διάρκειας - δριμύτητας ξηρασίας για μελέτες ρύπανσης υδάτινων φορέων Ορισμός των «δρόμων απόκλισης» χρονοσειρών για ανάλυση ξηρασιών Στατιστική ανάλυση «αρνητικών δρόμων απόκλισης» (ξηρασιών) Πρόγνωση παροχών υδάτινου αποδέκτη αποφορτίσεων σταθμού καθαρισμού λυμάτων Συνθήκες και απαιτήσεις του προβλήματος Ομοιώματα πρόγνωσης παροχών αποδέκτη λυμάτων ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Μεγιστοποίηση υδρολογικής πληροφορίας για εξοικονόμηση αρδευτικών απολήψεων από ταμιευτήρα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 3oυ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ.4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 4.1. Εκτίμηση παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας και ισχύος Γενικά για την υδροηλεκτρική παραγωγή στην Ελλάδα Ανάλυση διακινδύνευσης παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας Στοχαστική μαθηματική προσομοίωση λειτουργίας ταμιευτήρα Ανάλυση διακινδύνευσης παραγωγής Εντοπική μέθοδος εκτίμησης καμπυλών διάρκειας παροχών και υδρενεργειακού δυναμικού σε θέσεις χωρίς μετρήσεις Ρύθμιση των καμπυλών διάρκειας Το εντοπικό ομοίωμα ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Εκτίμηση παροχής βέλτιστων εγγυημένων ετήσιων μεγεθών νερού και πρωτεύουσας υδροηλεκτρικής ενέργειας από ταμιευτήρα με αποδεκτή διακινδύνευση 518 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦ. 5. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΕΡΓΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ 5.1. Εφαρμογή της θεωρίας ανάλυσης συστημάτων στα προβλήματα υδατικών πόρων xvi

13 5.2. Ανάπτυξη της βέλτιστης πολιτικής λειτουργίας ταμιευτήρα πολλαπλού σκοπού Τα οφέλη από τις χρήσεις Βελτιστοποίηση στο στάδιο σχεδιασμού Βέλτιστοι κανόνες λειτουργίας σε πραγματικό χρόνο Βελτιστοποίηση σχεδιασμού και λειτουργίας ταμιευτήρα με αποδεκτή διακινδύνευση Αποσύνθεση συστήματος πολλαπλών ταμιευτήρων. Ιεραρχική στρατηγική Η χρήση του δυναμικού προγραμματισμού στη βελτιστοποίηση ταμιευτήρων Η γενική μορφή του δυναμικού προγραμματισμού στους ταμιευτήρες Δυναμικός αλγόριθμος επίλυσης Βελτιστοποίηση αξιοποίησης υπόγειου νερού Ανάλυση λεκάνης υπόγειου νερού Αναλυτικές τεχνικές, φυσικά και αναλογικά ομοιώματα υπόγειου υδροφορέα Τεχνικές προσομοίωσης πολύπλοκων προβλημάτων αξιοποίησης υπόγειου υδροφορέα Συνδυασμένη χρήση υπόγειου και επιφανειακού νερού Γραμμικός προγραμματισμός για βέλτιστη συνδυασμένη διαχείριση υπόγειων και επιφανειακών νερών Βελτιστοποίηση συστημάτων διατήρησης της ποιότητας νερού Κριτήρια ποιότητας και διαχειριστικοί στόχοι Σχηματοποίηση του προβλήματος διατήρησης ποιότητας νερού με τη μέθοδο της προσομοίωσης Βελτιστοποίηση διαχείρισης ποιότητας του νερού με γραμμικό προγραμματισμό Βελτιστοποίηση και αβεβαιότητα Καθορισμός αβεβαιοτήτων Η οικονομική αβεβαιότητα στη βελτιστοποίηση Βελτιστοποίηση σε συνθήκες οικονομικής αβεβαιότητας με τη μέθοδο του «ισοδύναμου βεβαιότητας» Υδρολογική αβεβαιότητα στη βελτιστοποίηση Πρόβλημα λήψης άμεσης απόφασης Διαδικασία σειριακής λήψης απόφασης Εμπειρικοί κανόνες απόφασης. Γραμμικός κανόνας απόφασης 586 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 5ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ xvii