ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ. ΤΣΙΤΡΟΥΛΗΣ Δ. ΙΩΑΝΝΗΣ Πτυχιούχος Δασολόγος Περιβαλλοντολόγος ΔΠΘ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΣΙΤΡΟΥΛΗΣ Δ. ΙΩΑΝΝΗΣ Πτυχιούχος Δασολόγος Περιβαλλοντολόγος ΔΠΘ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΗΣ ΕΠΙΚIΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΤΟΥ ΓΑΛΛΙΚΟΥ ΠΟΤΑΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ HEC-RAS ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015

2 ΤΣΙΤΡΟΥΛΗΣ Δ. ΙΩΑΝΝΗΣ Πτυχιούχος Δασολόγος Περιβαλλοντολόγος ΔΠΘ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΗΣ ΕΠΙΚIΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΤΟΥ ΓΑΛΛΙΚΟΥ ΠΟΤΑΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ HEC-RAS Υποβλήθηκε στο Τμήμα Γεωλογίας στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών Εφαρμοσμένη και Περιβαλλοντική Γεωλογία Τομέας Γεωλογίας Τριμελής Συμβουλευτική επιτροπή Αν. Καθηγητής ΑΠΘ Βουδούρης Κωνσταντίνος, Επιβλέπων Αν. Καθηγητής ΔΠΘ Μάρης Φώτης, Μέλος τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής Επ. Καθηγητής ΑΠΘ Σαπουντζής Μάριος, Μέλος τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής

3 Αριθμός Παραρτήματος Επιστημονικής επετηρίδας Τμήματος Γεωλογίας Ν Τσιτρούλης Δ. Ιωάννης, 2015 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All right reserved. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΗΣ ΕΠΙΚIΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΤΟΥ ΓΑΛΛΙΚΟΥ ΠΟΤΑΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ HEC-RAS Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς το συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν το συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευτεί ότι εκφράζουν τις επίσημες θέσεις του Α.Π.Θ.

4 Στους γονείς μου Δημήτριος και Ελένη

5 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ... iii 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πλημμύρα Πλημμύρες στην Ελλάδα Σκοπός της εργασίας Δομή εργασίας ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ Η περιοχή μελέτης Γεωλογία της περιοχής Κάλυψη Γης ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Το υδρολογικό μοντέλο HEC HMS Υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης απορροής Προ επεξεργασία του ψηφιακού μοντέλου εδάφους Επεξεργασία λεκάνης στο HEC-GeoHMS Περιβάλλον HEC-HMS Υδρολογικό μοντέλο λεκάνης απορροής Πρότυπο υπολογισμού απωλειών βροχής Πρότυπο υπολογισμού άμεσης απορροής Πρότυπο διόδευσης πλημμύρας Μετεωρολογικό μοντέλο Αρχείο προσομοιώσεων Αποτελέσματα υδρογραφημάτων Υπολογισμός παροχής με εμπειρικούς τύπους ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Το υδραυλικό μοντέλο HEC RAS Υδραυλική προσομοίωση της λεκάνης απορροής Γεωμετρική επεξεργασία λεκάνης στο HEC-RAS Περιβάλλον HEC-RAS Υδραυλική προσομοίωση σε συνθήκες μόνιμης ροής Εκτέλεση υδραυλικής προσομοίωσης για μόνιμη ροή Υδραυλική προσομοίωση σε συνθήκες μη μόνιμης ροής Εκτέλεση υδραυλικής προσομοίωσης για μη μόνιμη ροή.. 50 i

6 5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΩΝ Αποτελέσματα προσομοιώσεων Αποτελέσματα υδρολογικής προσομοίωσης Αποτελέσματα υδρολογικής προσομοίωσης για Τ=50 έτη Αποτελέσματα υδρολογικής προσομοίωσης για Τ=100 έτη Αποτελέσματα Υδραυλικής προσομοίωσης Μόνιμη ροή για περίοδο επαναφοράς Τ=50 έτη Μόνιμη ροή για περίοδο επαναφοράς Τ=100 έτη Συνδυασμός μόνιμης ροής για Τ=50 και Τ=100 έτη Μη μόνιμη ροή για περίοδο επαναφοράς Τ=50 έτη Μη μόνιμη ροή για περίοδο επαναφοράς Τ=100 έτη Συνδυασμός μη μόνιμης ροής για Τ=50 και Τ=100 έτη ΣΥΝΘΕΣΗ ΠΛΗΜΥΡΙΚΩΝ ΧΑΡΤΩΝ Χάρτες πλημμυρικής κατάκλισης Χάρτες σύγκρισης πλημμυρικών περιοχών Οικισμοί που πλήττονται απο πλημμυρικά φαινόμενα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ Συμπερασματα για τα λογισμικά Συμπεράσματα για τις προσομοιώσεις Προτάσεις για αντιμετώπιση πλημμυρικών φαινομένων ΠΕΡΙΛΗΨΗ 95 ABSTRACT ΒΙΒΛΙΟΦΡΑΦΙΑ. 99 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. I ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β... VII ii

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η μεταπτυχιακή διατριβή ειδίκευσης που ακολουθεί έχει ως αντικείμενο την μελέτη της χειμαρρικής συμπεριφοράς και την κατασκευή χαρτών πλημμύρας για τη λεκάνη απορροής του Γαλλικού ποταμού. Το κριτήριο επιλογής της συγκεκριμένης λεκάνης είναι το ότι παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον από υδρολογικής πλευράς. Ο Γαλλικός ποταμός λειτουργεί ως χείμαρρος καθώς η τροφοδοσία από πηγές δεν είναι σημαντική και η ροή καθορίζεται από τις βροχοπτώσεις. Η εξάρτηση αυτή εκδηλώνεται συχνά με την εμφάνιση πλημμυρικών φαινομένων μετά από επεισόδια έντονης βροχόπτωσης μεγάλης έκτασης. Οι κατακλυζόμενες περιοχές στην πλειονότητα τους αποτελούν αγροτικές εκτάσεις, και οι ζημιές που προκαλούνται έχουν μεγάλο οικονομικό κόστος. Σε ακραίες περιπτώσεις υπάρχει κόστος και σε ανθρώπινες ζωές όπως συνέβη τα τελευταία χρόνια. Η διερεύνηση λοιπόν της συμπεριφοράς του ποταμού και ο εντοπισμός των περιοχών που εμφανίζουν υψηλή επικινδυνότητα σε πλημμυρικά φαινόμενα, έχει μεγάλη πρακτική σημασία αφού θα αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο στα χέρια της πολιτείας ώστε να κάνει τις απαραίτητες παρεμβάσεις για την αντιμετώπιση αυτών των φαινομένων. Για την πραγματοποίηση της παρούσας διατριβής, προηγήθηκε εκτεταμένη βιβλιογραφική αναζήτηση και συλλογή των απαραίτητων δεδομένων, όπως για παράδειγμα το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής, οι γεωλογικοί και οι τοπογραφικοί χάρτες, προηγούμενες μελέτες που αφορούσαν στην περιοχή κ.α. Για την επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων μέχρι το τελικό αποτέλεσμα, χρησιμοποιήθηκε μια μεγάλη σειρά λογισμικών πακέτων. Ενδεικτικά αναφέρονται το HEC-HMS 3.5, το HEC-RAS 4.1 και το GIS Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας δίνεται ο ορισμός της πλημμύρας, περιγράφεται το πλημμυρικό καθεστώς της Ελλάδας, καθώς και λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπόνηση της μελέτης. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα γεωμετρικά και γεωλογικά στοιχεία της λεκάνης, καθώς και οι κατά τόπους χρήσεις γης. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται βήμα προς βήμα η διαδικασία της υδρολογικής προσομοίωσης της λεκάνης. Στο τέταρτο κεφάλαιο δίνεται βήμα προς βήμα η διαδικασία της υδραυλικής προσομοίωσης της κύριας κοίτης της λεκάνης. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα της υδρολογικής και της υδραυλικής προσομοίωσης. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύνθεση των χαρτών πλημμυρικής κατάκλυσης και τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα από τη συγκεκριμένη μέθοδο εκτίμησης της πλημμυρικής κατάστασης της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού και προτείνονται κάποια μέτρα για την βελτίωση της κατάστασης. Όλοι οι χάρτες δίνονται στο Παράρτημα, στις τελευταίες σελίδες της παρούσας εργασίας. iii

8 Η ανάθεση του θέματος της μεταπτυχιακής διατριβής ειδίκευσης έγινε από τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας του Α.Π.Θ. κ. Κωνσταντίνο Βουδούρη, τον οποίο και ευχαριστώ θερμά για την καθοδήγηση και υποστήριξη που μου παρείχε σε όλα τα στάδια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Δασολογίας και Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Δ.Π.Θ. κ. Φώτη Μάρη, για τη συμμετοχή του στην Τριμελή Συμβουλευτική Επιτροπή και για τις εύστοχες υποδείξεις και παρατηρήσεις του στο κείμενο της διατριβής. Ευχαριστώ ακόμη, τον Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ. κ. Μάριο Σαπουντζή, για τη συμμετοχή του στην Τριμελή Συμβουλευτική Επιτροπή και για τις εύστοχες υποδείξεις και παρατηρήσεις του στο κείμενο της διατριβής. Θα ήθελα ακόμη να ευχαριστήσω τον Υποψήφιο Διδάκτορα Δασολόγο κ. Απόστολο Βασιλείου, για τη γενικότερα πολύπλευρη και καθοριστικότατη συμβολή του, καθώς και για τον χρόνο που μου αφιέρωσε από την αρχή μέχρι την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τον Διδάκτωρ Γεωλογίας κ. Χρήστο Μάττα, για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε παραχωρώντας δεδομένα της περιοχής μελέτης, καθώς και για την άμεση επίλυση οποιονδήποτε αποριών. Θα ήθελα ακόμη να ευχαριστήσω τον Υποψήφιο Διδάκτορα Δασολόγο κ. Γεώργιο Παπαϊωάννου για την πολύτιμη βοήθεια που μου πρόσφερε όλον αυτό τον καιρό. Ακόμη θα ήθελα να ευχαριστήσω την Εθνικό Κτηματολόγιο και Χαρτογράφηση Α.Ε. για τη άμεση παραχώρηση του ψηφιακού μοντέλου εδάφους της περιοχής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα την οικογένειά μου για τη συμπαράσταση όλα αυτά τα χρόνια, καθώς και για τα εφόδια και τη δύναμη που μου δώσανε ώστε να προοδεύω. iv

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Πλημμύρα Ως πλημμύρα ορίζεται το γεγονός κατά το οποίο η άμεση απορροή (επιφανειακή και ταχεία υπεδάφια) υπερβαίνει τη διοχετευτική ικανότητα του φυσικού ή τεχνητού υδατορεύματος και κατακλύζει τις γύρω περιοχές (Τσακίρης 1995). Η Ευρωπαϊκή οδηγία 2007/60/ΕΚ ορίζει την πλημμύρα ως μία προσωρινή κάλυψη του εδάφους από νερό, το οποίο σε φυσιολογικές συνθήκες δεν καλύπτεται από αυτό (Βουδούρης Κ.,2013). Οι πλημμύρες προκαλούνται κυρίως από ισχυρές καταιγίδες, παρατεταμένες βροχοπτώσεις, παλιρροιακά κύματα, τσουνάμι και αστοχίες φραγμάτων. Μπορούν να εμφανιστούν σε διάφορες θέσεις των υδατορευμάτων, όπου αυτά παρουσιάζουν μείωση του υψομέτρου των όχθεων, στροφές ή μαιάνδρους, όταν η ροή υπερβαίνει την χωρητικότητα του υδατορεύματος, καθώς και σε παράκτιες περιοχές. Συχνά προκαλούν καταστροφές σε σπίτια, επιχειρήσεις, κατασκευές και καλλιέργειες, εφόσον έχουν τοποθετηθεί σε φυσικές περιοχές κατάκλυσης των υδατορευμάτων. Ακόμη, αν η πλημμύρα συνδυαστεί με σημαντικά ρυπογόνες ουσίες, τότε το αποτέλεσμα θα είναι εξαιρετικά καταστροφικό ( 2007). Βέβαια, οι πλημμύρες μπορεί να προκληθούν και από ανθρώπινες επεμβάσεις. Κατά τον Βουδούρη (2013 και 2015) ενδεικτικά αναφέρονται τα ανεξέλεγκτα τεχνικά έργα (μπαζώματα, εγκιβωτισμοί κλπ.) σε ποταμοχειμάρρους, η απουσία έργων ορεινής υδρονομίας, η καταστροφή των δασών (πχ. πυρκαγιές), η αστικοποίηση κλπ. Οι ανθρώπινες αυτές επεμβάσεις αποτελούν ενέργειες αύξησης της επιφανειακής απορροής, άρα και του κινδύνου εμφάνισης πλημμυρικών φαινομένων. Οι καταστροφές από τις πλημμύρες μπορούν να εξαλειφθούν με την απομάκρυνση του ανθρώπου και των δραστηριοτήτων του από τα υδατορεύματα και άλλους φορείς του νερού, δεδομένου ότι ανέκαθεν, οι άνθρωποι έχουν ζήσει και εργαστεί κοντά στο νερό ώστε να επωφεληθούν τα πολλαπλά πλεονεκτήματα που αυτό προσφέρει (τροφή, φθηνή και εύκολη μετακίνηση, εμπόριο κ.α.). Το γεγονός το ότι οι άνθρωποι συνεχίζουν να κατοικούν σε περιοχές που απειλούνται από πλημμυρικές καταστροφές, είναι η απόδειξη ότι η αξία του να ζουν κοντά στο νερό υπερβαίνει το κόστος των επαναλαμβανόμενων περιοδικών πλημμυρικών φαινομένων ( 2007). 1

10 1.2 Πλημμύρες στην Ελλάδα Επειδή στις περισσότερες των περιπτώσεων οι πλημμύρες είναι αποτέλεσμα των έντονων βροχοπτώσεων θεωρείται αναγκαίο να αναφερθεί το γενικό μετεωρολογικό καθεστώς της χώρας. Η ανώμαλη μορφολογία της Ελλάδας έχει ως αποτέλεσμα την έντονη διακύμανση της γεωγραφικής κατανομής των βροχοπτώσεων στη χώρα. Γενικά, οι βροχοπτώσεις αυξάνονται από τα Δυτικά παράλια προς το εσωτερικό της χώρας έως του άξονα που σχηματίζεται από την οροσειρά της Πίνδου και τα όρη της κεντρικής Πελοποννήσου (Βουδούρης 2013). Σε αυτόν τον άξονα σχηματίζεται ένα <<υδρολογικό σύνορο>>, όπου στη συνέχεια οι βροχές ελαττώνονται σημαντικά προς τα Ανατολικά. Συνεπώς, η Δυτική Ελλάδα δέχεται μεγαλύτερο ύψος βροχόπτωσης από την Ανατολική. Τα μεγαλύτερα ετήσια ύψη βροχόπτωσης παρατηρούνται στην πλευρά του Ιονίου πελάγους και τα μικρότερα προς εκείνη του Αιγαίου. Από ιστορικές καταγραφές, τα μέγιστα ετήσια υψόμετρα βροχόπτωσης παρατηρούνται Βορειοδυτικά στην ευρύτερη περιοχή των Ιωαννίνων, ενώ τα ελάχιστα Νοτιοανατολικά στην Ιεράπετρα της Κρήτης (Κωτούλας 2001). Σχήμα 1. 1 : Χάρτης κατανομής των βροχοπτώσεων στην Ελλάδα (Πηγή : 2

11 Παρ όλα αυτά, οι πλημμύρες δεν σχετίζονται και τόσο με το μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης των διαφόρων περιοχών, αλλά σχετίζονται άμεσα με την ένταση και τη διάρκεια της βροχόπτωσης (Κωτούλας 2001). Επίσης η συχνότητα βροχόπτωσης είναι ένα πολύ βασικό στοιχείο για την εμφάνιση πλημμυρικών φαινομένων. Στην Ελλάδα οι πλημμύρες οφείλονται συχνά σε επεισόδια βροχόπτωσης πολύ μεγάλης έντασης, προερχόμενα από χαμηλά βαρομετρικά, με κατεύθυνση από Δυτικά ή Βορειοδυτικά ή Νοτιοδυτικά, προς την Ανατολή. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται κάποια ενδεικτικά ιστορικά ακραία γεγονότα βροχής στην Ελλάδα, όπου δημιούργησαν πλημμυρικά φαινόμενα. Πίνακας 1.1 : Ακραία γεγονότα βροχόπτωσης (Τσακίρης 1995). Περιοχή Χρονολογία Ύψος Βροχόπτωσης Αθήνα Νοέμ mm/8 ώρες Αθήνα Οκτ mm/12 ώρες Βιάννος Ηρακλείου Δεκ mm/2 ώρες Κυκλάδες Δεκ mm/12 ώρες Λεωνίδιο Νοέμ mm/12 ώρες 1.3 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η παραγωγή χαρτών πλημμυρικής κατάκλυσης της λεκάνης του Γαλλικού ποταμού και η σύγκρισή τους για περιόδους επαναφοράς 50 και 100 έτη. Αντικείμενο της έρευνας αποτέλεσαν : - Η υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης απορροής (Καταιγίδα σχεδιασμού, δημιουργία και εξαγωγή συνθετικών μοναδιαίων υδρογραφημάτων) - Η γεωμετρική προσομοίωση της κοίτης (Καθορισμός της υπό μελέτης περιοχής και δημιουργία διατομών) - Η υδραυλική προσομοίωση της ροής του νερού κατά μήκος της κοίτης σε συνθήκες μόνιμης και μη μόνιμης ροής. - Η σύνθεση και σύγκριση πλημμυρικών χαρτών. - Οι προτάσεις για την αντιμετώπιση πλημμυρικών φαινομένων στην περιοχή. Τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι : - ArcGIS της ESRI - ArcHydro Tools της ESRI - Torrential MIK HEC-GeoHMS 10.2 της HEC - HEC-HMS 3.5 της HEC 3

12 - HEC-GeoRAS 10.2 της HEC - HEC-RAS 4.1 της HEC Τα παραπάνω λογισμικά της HEC, το Torrential MIK και το ArcHydro Tools, υπάρχουν ελεύθερα στο διαδίκτυο και έτσι κάθε ενδιαφερόμενος μπορεί να τα χρησιμοποιήσει. 1.4 Δομή της εργασίας Αρχικά έγινε η υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης με την επεξεργασία του ψηφιακού μοντέλου εδάφους της περιοχής, με τη χρήση των ArcHydro και HEC- GeoHMS σε περιβάλλον ΑrcGIS. Τα αποτελέσματα εισήχθησαν στο ΗEC-HMS για την τελική υδρολογική επεξεργασία, ώστε να εξαχθούν τα υδρογραφήματα (μη μόνιμη ροή). Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Torrential MIK ώστε να υπολογιστεί η μέγιστη παροχή με διάφορους εμπειρικούς τύπους (μόνιμη ροή). Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε η γεωμετρική προσομοίωση της κοίτης μέσω του HEC-GeoRAS σε περιβάλλον ArcGIS. Τα αποτελέσματα της υδρολογικής και της γεωμετρικής προσομοίωσης, αποτελούν εισροές για την υδραυλική προσομοίωση της λεκάνης. Έτσι, έγινε και η τελική επεξεργασία των παραπάνω δεδομένων σε περιβάλλον HEC-RAS με σκοπό την μονοδιάστατη υδραυλική προσομοίωση του υδατορεύματος σε συνθήκες μόνιμης και μη μόνιμης ροής. Τέλος, τα αποτελέσματα, δηλαδή ο συνδυασμός της υδρολογικής και υδραυλικής προσομοίωσης της λεκάνης, εισήχθησαν στο ArcGIS ώστε να δώσουν την τελική εικόνα, υπό μορφή χαρτών πλημμυρκής κατάκλυσης της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού. Στο επόμενο κεφάλαιο δίνονται κάποια χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής, σχετικά με τη χρήση γης, τη γεωλογία, τοπογραφικά κλπ. 4

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ 2.1 Η Περιοχή μελέτης Ο Γαλλικός ποταμός, ο αρχαίος Εχέδωρος, είναι ποταμός της Κεντρικής Μακεδονίας που πηγάζει από το νομό Κιλκίς (Κρούσσια όρη) και εκβάλλει στον Θερμαϊκό κόλπο, λίγο έξω από τη Θεσσαλονίκη. Το μήκος της κοίτης του είναι περίπου 65 (Km) και η συνολική έκταση της λεκάνης απορροής του ποταμού είναι (Km 2 ), με μέση ετήσια παροχή 39,5 (m 3 /s) (Poulos et.al. 2000). Έχει αρκετούς παραπόταμους, με μεγαλύτερο τον παραπόταμο Σπανό. Ο Γαλλικός ποταμός είναι γνωστός γιατί στην άμμο της κοίτης του υπήρχαν εκμεταλλεύσιμες ποσότητες χρυσού. Το μεσαίωνα ονομαζόταν και Γομαροπνίχτης, όνομα το οποίο ομολογεί τη χειμαρρική συμπεριφορά του ποταμού και στους ιστορικούς χρόνους. Η σημερινή ονομασία του προέρχεται από τη ρωμαϊκή αποικία Καλλίκουμ (Callicum), του 1ου αιώνα π.χ. (Callicum ονομαζόταν το κόσκινο από δέρμα κατσίκας, με το οποίο συνέλεγαν τη χρυσόσκονη) (Abbott 1903). Στο πρόσφατο παρελθόν ο Γαλλικός εμφάνιζε εποχική ροή ιδίως στο πεδινό τμήμα κοντά στις εκβολές του, όπου τους θερινούς μήνες δεν είχε καθόλου ροή, ενώ σε κάποιες ξηρές χρονιές δεν είχε μόνιμη ροή ούτε κατά τους χειμερινούς. Γεωγραφικά, η λεκάνη απορροής του Γαλλικού ποταμού καλύπτει κατά το μεγαλύτερο μέρος της το ανατολικό τμήμα του Νομού Κιλκίς και το βορειοδυτικό τμήμα του Νομού Θεσσαλονίκης. Η διεύθυνση της λεκάνης είναι Βόρεια- Βορειοανατολική (ανάντη) προς Νότια-Νοτιοδυτική (κατάντη), με απιδοειδές σχήμα (Μάττας 2009). Αν και η λεκάνη εκβάλει στο Θερμαϊκό κόλπο, για την παρούσα εργασία η περιοχή έρευνας οριοθετήθηκε στο νότιο τμήμα της περίπου στα διοικητικά όρια των Νομών Θεσσαλονίκης και Κιλκίς, στο ύψος της Νέας Φιλαδέλφειας (Σχήμα 2.1). Όσον αφορά τα διάφορα τοπογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης, το συνολικό εμβαδό είναι 841,95 (Km 2 ), το μήκος περιμέτρου 135,62 (Km), το μέγιστο μήκος 48 (Km) και το μέγιστο πλάτος 25 (Km), όπως αυτά προέκυψαν ύστερα από ψηφιοποίηση της περιοχής και υπολογισμούς σε περιβάλλον ArcGis. Επίσης, το ανάγλυφο της περιοχής υψομετρικά κυμαίνεται από 47 έως 1168 (m), με μέσο υψόμετρο τα 353 (m). Οι εντονότερες κλίσεις εμφανίζονται στο ανάντη βόρειο και βορειοανατολικό μέρος της λεκάνης, ενώ αντίθετα οι ηπιότερες στο κεντροδυτικό και νότιο κατάντη μέρος. Η μέση κλίση της λεκάνης, υπολογίστηκε 14,2 %. 5

14 Σχήμα 2.1 : Τοποθεσία λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως ο Γαλλικός ποταμός έχει αρκετούς παραποτάμους. Όμως, για τις ανάγκες της υδρολογικής προσομοίωσης η λεκάνη χωρίστηκε σε τόσες υπολεκάνες όσοι είναι και οι σημαντικότεροι παραπόταμοι αυτής συν την κεντρική κοίτη, από καθαρά υδρολογικής σημασίας χρησιμοποιώντας ως όριο την υδροκριτική γραμμή (Σχήμα 2.2). Έτσι, έχουμε την τελική εικόνα των υπολεκανών όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 2.1 : Εμβαδά υπολεκανών Υπολεκάνη Εμβαδό (Km 2 ) W W W W W Η λεκάνη οριοθετείται από την υδροκριτική γραμμή που διέρχεται από τις κορυφές που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.2). Η κορυφή Κρούσια που βρίσκεται 6

15 στο βορειοανατολικό μέρος της λεκάνης, κατέχει και το μεγαλύτερο υψόμετρο. Ο Σπανός ποταμός (W160), το Μπαξή ρέμα (W200), το Μεγάλο Ποτάμι (W250) και ο Ξηροπόταμος (W260), είναι οι μεγαλύτεροι συμβάλλοντες του Γαλλικού Ποταμού (W300), με έξοδο του τελευταίου (άρα και όλης της λεκάνης) στο νότιο τμήμα του στο ύψος της Νέας Φιλαδέλφειας, στα όρια των Νομών Κιλκίς και Θεσσαλονίκης. Σχήμα 2.2 : Κορυφές όπου διέρχεται η υδροκριτική γραμμή (μαύρα σημεία και γράμματα), υπολεκάνες (κόκκινα γράμματα) και υδρογραφικό δίκτυο (πράσινες γραμμές) λεκάνης Γαλλικού ποταμού. 2.2 Γεωλογία της περιοχής Η λεκάνη απορροής του Γαλλικού ποταμού δομείται από τις γεωτεκτονικές ζώνες της Παιονίας, της Περιροδοπικής και της Σερβομακεδονικής Ζώνης της οποίας οι γεωλογικοί σχηματισμοί εμφανίζονται και στην επιφάνεια (Μάττας 2009). 7

16 Η Σερβομακεδονική ζώνη περιλαμβάνει τη σειρά Βερτίσκου. Οι επικρατέστεροι προαλπικοί σχηματισμοί εντός των ορίων της λεκάνης της σειράς Βερτίσκου, είναι ο γνεύσιος, ο μαργαριγιακός σχιστόλιθος και οι αμφιβολίτες. Τα πετρώματα αυτά καταλαμβάνουν σημαντικότατη έκταση στο βόρειο βορειοανατολικό τμήμα της λεκάνης (Mercier 1966, Μελαδιώτης 1984, Μάττας 2009, Mattas and Soulios 2011). Η Περιροδοπική ζώνη περιλαμβάνει την ενότητα Ντεβέ Κοράν Δουμπιά, στην οποία περιέχονται ηφαιστειοιζιματογενείς προαλπικοί σχηματισμοί και ασβεστολιθικοί αλπικοί σχηματισμοί Κάτω Μέσου Ιουρασικού στον ανώτερο ανθρακικό ορίζοντα. Ακόμη, τη σειρά Εξαμιλίου, η οποία περιέχει προαλπικούς χαλαζίτες. Επίσης, τη σειρά Μελισσοχωρίου Χολομώντα στην οποία περιέχονται αλπικοί σχηματισμοί όπως ο ασβεστιτικός φλύσχης (Ομάδα Σβούλας). Τέλος, την ενότητα Άσπρης Βρύσης Χορτιάτη, η οποία περιλαμβάνει αλπικούς αμμούχους αργιλικούς σχιστόλιθους. Οι παραπάνω σχηματισμοί καλύπτουν σημαντικό μέρος της λεκάνης (Mercier 1966, Μελαδιώτης 1984, Μάττας 2009, Mattas and Soulios 2011). Η ζώνη Παιονίας περιλαμβάνει την ενότητα Ωραιοκάστρου, η οποία περιέχει κροκαλοπαγές το οποίο συνίσταται από τέφρα, ψαμμίτες και αργιλικούς σχιστόλιθους. Οι αλπικοί αυτοί σχηματισμοί βρίσκονται στο νότιο τμήμα της λεκάνης και καταλαμβάνουν μικρό μέρος (Mercier 1966, Μελαδιώτης 1984, Μάττας 2009, Mattas and Soulios 2011). Επίσης στη λεκάνη βρίσκονται σε πολύ μικρό ποσοστό στο Νότιο τμήμα της κοντά στην έξοδο, τριτογενείς σχηματισμοί αποτελούμενοι από συμπαγείς ψαμμίτες και αμμούχες μάργες. Οι τεταρτογενείς σχηματισμοί καταλαμβάνουν το πεδινό και ταυτόχρονα μεγαλύτερο επιφανειακό μέρος της λεκάνης. Οι τελευταίοι αποτελούνται από ιζήματα χερσαίας, λιμναίας, ποτάμιας και ποταμοχειμμάριας απόθεσης και διακρίνονται στις Πλειστοκαινικές και Ολοκαινικές αποθέσεις (Μάττας 2009). Οι Πλειστοκαινικές αποθέσεις περιλαμβάνουν σε μεγαλύτερο ποσοστό άργιλο, στρώματα άμμων και χαλικιών. Κατά μήκος της κεντρικής κοίτης της λεκάνης, αναπτύσσεται ένα κατώτερο, μεσαίο και ανώτερο σύστημα αναβαθμίδων από κροκαλοπαγή, αργιλώδες άμμους και λεπτούς πάγκους ψαμμιτών, τα οποία καλύπτονται κατά τόπους από ελλουβιακά υλικά (Μάττας 2009, Mattas and Soulios 2011). Οι Ολοκαινικές αποθέσεις περιλαμβάνουν στρώματα άμμων, ιλύων, αργιλών, κροκαλών και χαλίκων, εκ των οποίων οι νεότερες αποθέσεις στις κοίτες αποτελούνται από αμμούχες αργίλους, χάλικες και κροκάλες. Στην ευρύτερη περιοχή του χωριού Μπακέικα που βρίσκεται 4(km) ανάντη της εξόδου όπου υπάρχει και διεύρυνση της κεντρικής κοίτης, υπάρχουν λιμναία ιζήματα αποτελούμενα από ιλύες και άμμους. Οι αλλουβιακοί σχηματισμοί που κατά τόπους καλύπτουν τα αλπικά, προαλπικά πετρώματα και Πλειστοκαινικά ιζήματα αποτελούνται από αγνώστου βάθους σαθρό επιφανειακό μανδύα από αποσαθρώματα και λατύπες από σχιστολιθικά πετρώματα. Τα αλλουβιακά ριπίδια καταλαμβάνουν κυρίως τις παρυφές των ορεινών όγκων και αποτελούνται από χονδροκλαστικά και λεπτόκκοκα υλικά. 8

17 Η γεωλογία της περιοχής έχει καθοριστικό ρόλο στην εξέλιξη των πλημμυρικών φαινομένων αφού επηρεάζει την κατείσδυση. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε πως η κατείσδυση είναι σχετικά μικρή. Για την ψηφιοποίηση του γεωλογικού υποβάθρου χρησιμοποιήθηκαν γεωλογικοί χάρτες του Ι.Γ.Μ.Ε. (φύλλα Κιλκίς, Χέρσον, Λαχανά και Κερκίνης). Ο γεωλογικός χάρτης δίνεται στο Παράρτημα Α Κάλυψη Γης Καθοριστικό ρόλο για την εξέλιξη του πλημμυρικού φαινομένου έχει η κάλυψη Γης, όπως και η γεωλογία που αναφέρθηκε προηγουμένως. Η επίδραση των χρήσεων γης στις πλημμύρες, εξαρτάται από την αναλογία ανάμεσα στις αδιαπέρατες και στις καλυμμένες με πράσινο περιοχές (Βουδούρης 2013). Όσο μεγαλύτερη είναι η τραχύτητα μιας περιοχής, τόσο πιο δύσκολα θα εξελίσσεται ένα πλημμυρικό φαινόμενο. Για την προσομοίωση χρήσης/κάλυψης Γης της λεκάνης απορροής στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε το Corine Land Use/Cover 2000 (CLC), όπου ύστερα από ομαδοποίηση σε 15 διαφορετικές κλάσεις προέκυψε και η γεωγραφική εξάπλωση των κλάσεων αυτών. Όπως προκύπτει από την προσομοίωση το μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης αποτελείται από γεωργικές εκτάσεις, μη αρδευόμενης καλλιεργήσιμης γης και ακολουθούν σε μικρότερα ποσοστά οι γεωργικές εκτάσεις με σημαντικά τμήματα φυσικής βλάστησης, οι φυσικοί βοσκότοποι και τα λιβάδια. Περιφερειακά της λεκάνης και συγκεκριμένα στο βόρειο και βορειοανατολικό της τμήμα, υπάρχει σε πολύ μικρότερο ποσοστό πυκνοφυή δασική έκταση με κυρίαρχο είδος δενροσυστάδες του γένους Fagus, καθώς και διάσπαρτες θάμνοσυστάδες, κάτι που ευνοεί την υδατοσυγκράτηση στις περιοχές αυτές. Οι μικτές δασικές εκτάσεις βρίσκονται σε πολύ μικρό ποσοστό περιορισμένα στο πιο βόρειο σημείο της λεκάνης. Τέλος, το μικρότερο ποσοστό κάλυψης καταλαμβάνουν οι τεχνητές επιφάνειες όπως οι βιομηχανικές περιοχές, οι οποίες περιορίζονται στο μεγαλύτερο τους μέρος κοντά στις περιοχές Κιλκίς και Νέα Σάντα ( Συνεπώς, η λεκάνη χαρακτηρίζεται ως λεκάνη σχετικά χαμηλής τραχύτητας λόγω έλλειψης δασικής έκτασης, έλλειψης μεικτής αγροδασοπονικής καλλιέργειας ενώ παράλληλα η ύπαρξη γεωργικής έκτασης μονοετών καλλιεργειών και βοσκοτόπων είναι συντριπτικά μεγαλύτερη. Αν και η ομαδοποίηση θα μπορούσε να γίνει σε τέσσερις ή πέντε μεγάλες κατηγορίες, κρίθηκε ορθότερο να γίνει η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ανάλυση των διαφόρων χρήσεων Γης σε όσο το δυνατόν περισσότερες κατηγορίες, με σκοπό την καλύτερη προσομοίωση των απωλειών βροχόπτωσης που διερευνάται παρακάτω. Ο χάρτης κάλυψης Γης δίνεται στο Παράρτημα Α. 2. 9

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ 3.1 Το υδρολογικό μοντέλο HEC-HMS Το υδρολογικό μοντέλο HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) είναι ένα εννοιολογικό μοντέλο το οποίο σχεδιάστηκε από το HEC (Hydraulic Engineer Center), σώμα του Αμερικάνικου Στρατού (US Army Corps of Engineers). Σκοπός του συγκεκριμένου μοντέλου είναι η προσομοίωση των διεργασιών βροχόπτωσηςαπορροής σε λεκάνες με δενδροειδή μορφή. Το μοντέλο μπορεί να έχει εφαρμογή τόσο σε αγροτικές λεκάνες, όσο και σε αστικές ή ημιαστικές λεκάνες, μικρές ή μεγάλες. Το πρόγραμμα περιλαμβάνει μια βάση δεδομένων, η οποία δέχεται δεδομένα εισόδου και στη συνέχεια επεξεργάζεται τα δεδομένα αυτά σε μοντέλο λεκάνης που ο χρήστης έχει δημιουργήσει σε αυτό, διαχωρίζοντας τον υδρολογικό κύκλο σε συνιστώσες οι οποίες μπορούν πλέον να επεξεργαστούν η κάθε μία χωριστά.. Κάθε συνιστώσα του μοντέλου αναπαρίσταται με ένα μαθηματικό μοντέλο που ο χρήστης επιλέγει, ανάλογα με το σκοπό, τα δεδομένα, την κρίση και την εμπειρία του. Τέλος, με τη χρήση ενσωματωμένων εργαλείων, το πρόγραμμα εξάγει τα αποτελέσματα (Fleming & Scharffenberger 2010). Για να πραγματοποιηθούν τα παραπάνω, το πρόγραμμα χρειάζεται αρχικά μια <<προεπεξεργασία >>. Αναλυτικότερα, χρειάζεται τη δημιουργία του μοντέλου λεκάνης απορροής και του μετεωρολογικού μοντέλου, μέσω των ArcHydro και HEC- GeoHMS (ESRI Team 2011, Doan & Fleming 2013). Τα δύο αυτά προγράμματα, λειτουργούν ως πρόσθετα λειτουργικά στο GIS (ArcMap). Το μοντέλο λεκάνης απορροής που δημιουργείται, απεικονίζει τα υδρολογικά στοιχεία συνδέοντας τα σε δενδροειδές δίκτυο, με τη διαδικασία υπολογισμού να ξεκινά από ανάντη προς κατάντη. Εδώ, ο χρήστης θα πρέπει να επιλέξει ποια μέθοδο υπολογισμού (μαθηματικό πρότυπο) θα χρησιμοποιήσει για να υπολογίσει τις απώλειες βροχής, την βασική απορροή, την άμεση απορροή και τη διόδευση πλημμύρας, μέσα από ένα πλήθος επιλογών που το πρόγραμμα προσφέρει, ώστε να καταφέρει το βέλτιστο αποτέλεσμα. 3.2 Υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης απορροής Στο κεφάλαιο αυτό δίνεται η διαδικασία της υδρολογικής προσομοίωσης της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού. Η ανάλυση πραγματοποιείται για δύο διαφορετικά επεισόδια βροχόπτωσης, με τη χρήση των λογισμικών ArcGIS και HEC-HMS. Το αποτέλεσμα θα είναι η εξαγωγή των υδρογραφημάτων, τα οποία αποτελούν εισροές για την υδραυλική προσομοίωση σε συνθήκες μη μόνιμης ροής. Ακόμη, υπολογίζεται 10

19 η μέγιστη παροχή με διάφορους εμπειρικούς τύπους χρησιμοποιώντας το λογισμικό Torrential MIK, του οποίου τα αποτελέσματα αποτελούν εισροές για την υδραυλική προσομοίωση σε συνθήκες μόνιμης ροής. Για να πραγματοποιηθούν όμως όλα τα παραπάνω, χρειάζεται ψηφιακό μοντέλο εδάφους, από το οποίο θα προκύψουν όλα τα απαραίτητα αριθμητικά μεγέθη ύστερα από ανάλυση και υπολογισμούς. Στην προκειμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό μοντέλο εδάφους (Digital Elevation Model) υψηλής ακρίβειας της εταιρίας Εθνικό Κτηματολόγιο και Χαρτογράφηση Α.Ε. (Ε.Κ.ΧΑ. Α.Ε. 2012). Η όλη διαδικασία ξεκινά με την εισαγωγή του DEM στο ArcMap. Στη συνέχεια εισάγουμε τους ψηφιοποιημένους χάρτες γεωλογίας και χρήσεων Γης και ξεκινάμε να εκτελούμε τις απαραίτητες εντολές των ArcHydro και HEC-GeoHMS. Τα δύο τελευταία είναι εργαλειοθήκες που αποτελούν επεκτάσεις του ArcGIS και αναπτύχθηκαν αρχικά ως γεωχωρικά εργαλεία υδρολογίας για υδρολόγους μηχανικούς με περιορισμένη εμπειρία σε συστήματα γεωγραφικής πληροφορίας. Έχουν λοιπόν την ικανότητα να οπτικοποιούν τη χωρική πληροφορία, να κάνουν διάφορους υδρολογικούς υπολογισμούς, να οριοθετούν υπολεκάνες, κλπ. Όταν ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί τότε δημιουργούνται δύο αρχεία εισόδου για το HEC- HMS. Το πρώτο είναι το αρχείο χάρτη (background map file) στο οποίο οπτικοποιούνται οι υπολεκάνες και τα υπό μελέτη υδατορεύματα, και το δεύτερο είναι το αρχείο του μοντέλου της λεκάνης απορροής (basin model file) το οποίο περιέχει υδρολογικά και γεωμορφολογικά στοιχεία της λεκάνης. Αφού τα εισάγουμε στο HEC-HMS, δημιουργούμε το μετεωρολογικό μοντέλο (από καταιγίδα σχεδιασμού στην προκειμένη περίπτωση), ρυθμίζουμε διάφορες αριθμητικές παραμέτρους ανάλογα με ποιά μέθοδο κατασκευής συνθετικού μοναδιαίου υδρογραφήματος θα επιλέξουμε κάθε φορά, καθώς και χρονικές παραμέτρους. Τέλος, τρέχουμε το HEC-HMS και μετά από σύγκριση επιλέγουμε τα κατάλληλα υδρογραφήματα. Η όλη διαδικασία λοιπόν διακρίνεται στο στάδιο της προ-επεξεργασίας του μοντέλου εδάφους, της κύριας επεξεργασίας της υδρολογίας και της γεωμορφολογίας και τέλος της επεξεργασίας μαθηματικών προτύπων υπολογισμού για τη δημιουργία των ζητούμενων υδρογραφημάτων. 3.3 Προ-επεξεργασία του ψηφιακού μοντέλου εδάφους Για την έναρξη της διαδικασίας, χρειάστηκε να εισάγουμε το ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Στη συνέχεια, ορίστηκε προβολικό σύστημα (έγινε μετατροπή από ETRS89 σε ΕΓΣΑ87) και εκτελέστηκαν απαραίτητες εντολές μέσω της εργαλειοθήκης ArcHYDRO που φαίνονται στην παρακάτω εικόνα σε περιβάλλον ArcMap. 11

20 Οι περισσότερες από τις εντολές έχουν υδρολογική σημασία ενώ κάποιες από αυτές καθαρά πληροφορική, στοχεύοντας στη βελτίωση της υπολογιστικής ισχύς του προγράμματος. Σχήμα 3.1 : Κύριο μενού εντολών ArcHYDRO Σε αυτό το στάδιο, διορθώθηκαν τυχόν σφάλματα του ψηφιακού μοντέλου εδάφους (όπως για παράδειγμα βυθίσματα ή ασυνέχειες), υπολογίστηκε η διεύθυνση και η συγκέντρωση ροής, ορίστηκαν τα υδατορεύματα που παρουσιάζουν υδρολογικό ενδιαφέρον για τη βέλτιστη προσομοίωση, ταξινομήθηκε το υδρογραφικό δίκτυο κατά Strahler και τέλος χωρίστηκε η λεκάνη σε υπολεκάνες. Όπως προέκυψε από την επεξεργασία των δεδομένων το υδρογραφικό δίκτυο είναι δενδριτικής μορφής. Το σχήμα του υδρογραφικού δικτύου και τα όρια των υπολεκανών σε αυτό το στάδιο φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.2). Σχήμα 3.2 : Όρια υπολεκανών και σχήμα υδρογραφικού δικτύου. 12

21 Στη συνέχεια, έγινε η μετατροπή κάποιων από τα Grid δεδομένα σε Vector με αντίστοιχες εντολές του προγράμματος, μορφή η οποία είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του HEC-GeoHMS και έτσι ολοκληρώθηκε το στάδιο της προεπεξεργασίας. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία του προγράμματος και των εντολών του, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στο εγχειρίδιο λειτουργίας του ArcHYDRO. 3.4 Επεξεργασία λεκάνης στο HEC-GeoHMS Σκοπός του προγράμματος είναι να αποσπά πληροφορίες από τη χωρική βάση δεδομένων, να τις επεξεργάζεται και τελικά να δημιουργεί κατάλληλα αρχεία εισόδου για το HEC-HMS. Η διαδικασία ξεκινά με τις εντολές του Project Setup του HEC-GeoHMS σε περιβάλλον ArcMap, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.3). Σχήμα 3.3 : Κύριο μενού εντολών HEC-GeoHMS Ως αρχεία εισόδου στο πρόγραμμα χρησιμοποιήθηκαν τα Raster και Vector δεδομένα που δημιουργήθηκαν προηγουμένως μέσω του ArcHYDRO. Αφού δημιουργήθηκε ένα κενό αρχείο δεδομένων (project), ορίστηκε η επιφάνεια της υπό μελέτη περιοχής μέχρι την έξοδο (Σχήμα 3.4). Σχήμα 3.4 : Οριοθέτηση της υπό μελέτη περιοχής 13

22 Η λεκάνη είναι πλήρως χωρισμένη σε υπολεκάνες ανάλογα με το υδρογραφικό δίκτυο, όπως προέκυψε στο στάδιο της προ-επεξεργασίας. Επειδή όμως αυτή η διαίρεση της λεκάνης δε μας εξυπηρετεί στην προκειμένη περίπτωση, μέσω της εργαλειοθήκης Basin Processing, επιλέχθηκαν και ενώθηκαν υπολεκάνες και υδατορεύματα σχηματίζοντας μια διάταξη υπολεκανών που μας εξυπηρετεί καλύτερα (Σχήμα 3.5). Σχήμα 3.5 : Αποτέλεσμα του Basin Processing (Αριστερά πριν την εκτέλεση των εντολών και δεξιά μετά την εκτέλεση) Στη συνέχεια υπολογίστηκαν τα διάφορα τοπογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης μέσω της εργαλειοθήκης Basin Characteristics. Πιο αναλυτικά, υπολογίστηκαν τα μήκη (RL), οι κλίσεις (RS) και οι μέγιστες διαδρομές (LF) των υδατορευμάτων, οι κλίσεις (BS) και τα διάφορα υψόμετρα των κέντρων βάρους (CE) των υπολεκανών, καθώς και τα μέγιστα μήκη των υδατορευμάτων από τα πλησιέστερα σημεία των κέντρων βάρους των υπολεκανών μέχρι την έξοδό τους (CLF). Τα αποτελέσματα δίνονται στον Πίνακα 3.1 και η αντιστοίχιση τους φαίνεται στο Σχήμα 3.6. Ο πρώτος πίνακας περιέχει στοιχεία για τα υδατορεύματα, όπου HydroID και DownID είναι οι ενώσεις αυτών με την τιμή -1 να αποτελεί την έξοδο της λεκάνης απορροής. Τα ElevUS και ElevDS, είναι τα ανάντη και κατάντη υψόμετρα αντίστοιχα για κάθε υδατόρευμα. Ο δεύτερος πίνακας περιέχει στοιχεία για τις υπολεκάνες, όπου τα Perimeter και Area είναι η περίμετρος και το εμβαδόν αντίστοιχα για κάθε υπολεκάνη. 14

23 Σχήμα 3.6 : Αρίθμηση των κλάδων του υδατορεύματος και ονομασίες υπολεκανών Πίνακας 3.1 : Ποσοτικά χαρακτηριστικά των υδατορευμάτων (πάνω) και των υπολεκανών (κάτω) Υδατόρευμα HydroID DownID RS (H:1V) ElevUS (m) ElevDS (m) RL (m) ,29 332, ,07 332, ,69 207, ,36 207, ,93 166, ,26 166, ,83 261, , ,74 101, ,96 101, ,92 58, ,14 58, ,41 47, Υπολεκάνη Perimeter (m) Area (km 2 ) BS (%) CE (m) CLF (m) LF (m) W , , W , , W , , W , , W , ,

24 Το επόμενο βήμα ήταν η επιλογή προτύπων υπολογισμού υδρολογικών παραμέτρων. Σε αυτό το στάδιο έγινε η οριστική επιλογή μεθόδου διόδευσης, μεθόδου απωλειών βροχόπτωσης και μία αρχική επιλογή μεθόδου μετατροπής βροχόπτωσης σε απορροή (υδρογράφημα) από το μενού Parameters του HEC-GeoHMS. Πιο συγκεκριμένα, ως υδρογράφημα και απώλειες βροχόπτωσης επιλέχθηκαν οι μέθοδοι κατά SCS, ως μέθοδο διόδευσης επιλέχθηκε η Muskingum-Cunge, ενώ η βασική ροή δεν επιλέχτηκε λόγο έλλειψης στοιχείων. Ο λόγος που επιλέχθηκαν οι συγκεκριμένες μέθοδοι είναι ότι δεν υπάρχουν μετρημένες τιμές παροχών. Από την άλλη πλευρά, οι απώλειες κατά SCS (δηλαδή Curve Number) είναι μια εμπειρική μέθοδος η οποία μπορεί να δώσει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα με καλή εκτίμηση των παραμέτρων που χρησιμοποιεί. Η μέθοδο διόδευσης Muskingum-Cunge είναι υδραυλική μέθοδος η οποία χρησιμοποιεί υδραυλικά χαρακτηριστικά της κοίτης για την εκτίμηση της διόδευσης πλημμυρικού κύματος και χρησιμοποιείται σε παρόμοιες περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν μετρήσεις παροχών (Ponce 1989). Όσον αφορά τα υδρογραφήματα, στο σημείο αυτό επιλέχθηκε το υδρογράφημα κατά SCS, ενώ σε περιβάλλον HEC-HMS η μετατροπή βροχόπτωσης σε απορροή εξετάσθηκε με δύο ακόμη μεθόδους (Clark, Snyder). Οι τρείς αυτές διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν έχουν πλήρη εφαρμογή σε λεκάνες απορροής όμοια με του Γαλλικού ποταμού. Συνεπώς, όλοι οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν είναι και οι καταλληλότερες για την πραγματοποίηση της υδρολογικής προσομοίωσης. Οι παράμετροι για την εκτίμηση της διόδευσης πλημμυρικού κύματος κατά Muskingum-Cunge είναι το πλάτος της κοίτης (BW), η κλίση των όχθεων (CS), το σχήμα της διατομής (SH) και ο συντελεστής Manning (n). Το μέσο σχήμα των διατομών της κοίτης επιλέχθηκε ως τραπεζοειδές, ενώ το πλάτος του πυθμένα και οι κλίσεις των όχθεων της κοίτης, συμπληρώθηκαν ύστερα από υπολογισμό του μέσου όρου μετά από επιλογή τυχαίων σημείων για κάθε υπολεκάνη. Για να πραγματοποιηθεί το βήμα αυτό χρειάστηκαν πληροφορίες από τις διατομές σε περιβάλλον HEC-GeoRas που θα αναλυθεί σε επόμενα κεφάλαια. Ο συντελεστής Manning κυμαίνεται από έως 0.05 ανάλογα το υδατόρευμα. Όλες οι τιμές για τις διάφορες παραμέτρους δίνονται στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3.2). Τα υδρογραφήματα που επιλέχθηκαν και οι τιμές των παραμέτρων τους, οι απώλειες κατά SCS (Curve Number) και η μέθοδος διόδευσης, θα αναλυθούν σε επόμενα κεφάλια. 16

25 Πίνακας 3.2 : Υδραυλικά χαρακτηριστικά για την εκτίμηση της διόδευσης πλημμυρικού κύματος κατά Muskingum-Cunge Υδατόρευμα SH BW CS (m) (Ύψος : Βάση) n RouteMethod 1 Trapezoid 2 1: Muskingum Cunge 2 Trapezoid 2 1: Muskingum Cunge 3 Trapezoid 3 1: Muskingum Cunge 4 Trapezoid 3 1: Muskingum Cunge 5 Trapezoid 3 1: Muskingum Cunge 6 Trapezoid 3 1: Muskingum Cunge 7 Trapezoid 2 1: Muskingum Cunge 8 Trapezoid 2 1: Muskingum Cunge 9 Trapezoid 5 1: Muskingum Cunge 10 Trapezoid 4 1: Muskingum Cunge 11 Trapezoid 6 1: Muskingum Cunge 12 Trapezoid 2 1: Muskingum Cunge 15 Trapezoid 7 1: Muskingum Cunge Το επόμενο και τελικό στάδιο είναι η προετοιμασία και εξαγωγή των όσων έχουν υπολογιστεί μέχρι στιγμής, σε μορφή κατάλληλη για χρήση στο HEC-HMS, διαδικασία η οποία πραγματοποιήθηκε μέσω του μενού HMS του HEC-GeoHMS. Πιο συγκεκριμένα, έγινε η μετατροπή των τιμών σε μετρικό σύστημα, πραγματοποιήθηκε έλεγχος για την ορθότητα των δεδομένων, δόθηκαν συντεταγμένες, συνδέθηκαν τα στοιχεία της λεκάνης σε κόμβους και δίαυλους, δημιουργήθηκε ένα κενό μετεωρολογικό μοντέλο καθώς και χάρτες υποβάθρου λεκάνης και υδρογραφικού δικτύου. Τελικά η λεκάνη πήρε την τελική της μορφή όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα και έγινε η εξαγωγή του αρχείου με τα δεδομένα εισόδου για το HEC-HMS. Σχήμα 3.7: Η μορφή της λεκάνης ως αποτέλεσμα των εντολών HEC-GeoHMS 17

26 Έτσι, ολοκληρώθηκε το στάδιο της επεξεργασίας στο HEC-GeoHMS. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις εντολές και τη λειτουργία του προγράμματος ο ενδιαφερόμενος μπορεί να ανατρέξει στο εγχειρίδιο λειτουργίας του προγράμματος. Στη συνέχεια, έγινε η ανάλυση της υδρολογικής απόκρισης της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού για συγκεκριμένα επεισόδια βροχόπτωσης, με τη χρήση των δεδομένων που προέκυψαν από το HEC-GeoHMS καθώς και άλλων, σε περιβάλλον HEC-HMS. 3.5 Περιβάλλον HEC-HMS Το HEC-HMS βασίζεται στη θεωρία του μοναδιαίου υδρογραφήματος για τη μετατροπή της βροχής σε απορροή. Τα υδρογραφήματα που παράγει μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορα υδρολογικά έργα και μελέτες, σε θέματα σχετικά με τη διαχείριση των υδάτων, διαστασιολογήσεις κατασκευών κλπ. Παρόλα αυτά δεν λαμβάνει υπόψη κάποιες από τις βασικές διεργασίες του υδρολογικού κύκλου. Για παράδειγμα, δεν περιλαμβάνει ανάλυση της κίνησης των υδάτων στο έδαφος αλλά ούτε και στον υδροφορέα και θεωρεί πως η υποδερμική και η επιφανειακή ροή αποτελούν την άμεση απορροή, ενώ αγνοεί την εξατμισοδιαπνοή των φυτών. Από τα παραπάνω λοιπόν γίνεται κατανοητό πως το πρόγραμμα συγχωνεύει ή παραβλέπει κάποιες από τις διεργασίες, απλοποιώντας τη μοντελοποίηση του πραγματικού υδρολογικού συστήματος μίας λεκάνης. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενα κεφάλαια, το HEC-HMS περιλαμβάνει πλήθος από μαθηματικά πρότυπα υπολογισμού απωλειών βροχής, άμεσης απορροής, βασικής απορροής και διόδευσης πλημμύρας, για τη μοντελοποίηση των διαφόρων συνιστωσών του υδρολογικού κύκλου που έχει εφαρμογή. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί ότι για την επιλογή του προτύπου κάθε φορά, μεταξύ των κριτηρίων που λαμβάνονται υπόψη σημαντικό ρόλο έχει η κρίση του μελετητή, τα διαθέσιμα στοιχεία και το είδος της μελέτης. Επίσης, το κάθε πρότυπο έχει συγκεκριμένους περιορισμούς, που σημαίνει πως δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις περιπτώσεις, αφού οι συνθήκες διαφέρουν λίγο έως πολύ από λεκάνη σε λεκάνη Υδρολογικό μοντέλο λεκάνης απορροής Συνεχίζοντας λοιπόν τη διαδικασία της υδρολογικής προσομοίωσης, εισήχθησαν τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από το HEC-GeoHMS στο HEC-HMS. Τα αρχεία αυτά περιέχουν το μοντέλο της λεκάνης και τους δύο χάρτες υποβάθρου (υπολεκάνες και υδατορεύματα), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.8). 18

27 Σχήμα 3.8 : Το μοντέλο της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού με τους χάρτες υποβάθρου στο HEC-HMS Ο μελετητής εφόσον εισάγει το μοντέλο της λεκάνης σε περιβάλλον HEC-HMS το επόμενο βήμα είναι να ορίσει τα κατάλληλα πρότυπα υπολογισμού απωλειών βροχόπτωσης, άμεσης απορροής, βασικής ροής και διόδευσης πλημμύρας. Στην προκειμένη περίπτωση όλα αυτά ορίστηκαν κατά το σχεδιασμό του μοντέλου της λεκάνης στο HEC-GeoHMS όπου δόθηκαν και οι ανάλογες τιμές, με τη βασική ροή να μην έχει επιλεγεί λόγο έλλειψης στοιχείων. Παρόλα αυτά, θεωρείται αναγκαίο σε αυτό το σημείο να γίνει μία περαιτέρω ανάλυση των διάφορων προτύπων υπολογισμού που επιλέχθηκαν Πρότυπο υπολογισμού απωλειών βροχής Το πρότυπο υπολογισμού απωλειών βροχής που επιλέχθηκε είναι η μέθοδος της SCS (Soil Conservation Service), ο συντελεστής CN. Η μέθοδος αυτή αναπτύχθηκε το 1972 από το Υπουργείο Γεωργίας των ΗΠΑ και χρησιμοποιείται γενικότερα όταν δεν υπάρχουν ταυτόχρονες μετρήσεις βροχής και απορροής (Τσακίρης 1995). Σύμφωνα με την SCS, η εξίσωση που περιγράφει τη σχέση βροχής απορροής είναι η παρακάτω (Παπαμιχαήλ 2004): F S = Q P Ia (E.3.1) 19

28 Όπου : F = Πραγματική συγκράτηση υγρασίας στο έδαφος (mm) S = Μέγιστη ικανότητα συγκράτησης υγρασίας του εδάφους (mm) Q = Όγκος απορροής (mm) P = Όγκος βροχόπτωσης (mm) Ia = Αρχική συγκράτηση υγρασίας (συγκράτηση και εξάτμιση) (mm) Η πραγματική συγκράτηση υγρασίας στο έδαφος, είναι : F = (P Ia) Q (Ε.3.2.) Αν συνδυαστούν οι δύο αυτές εξισώσεις λύνοντας ως προς Q, τότε προκύπτει : Q = (P Ia)2 (P Ia)+S (Ε.3.3) Η SCS όμως μετά από πολλά πειράματα και εμπειρία πολλών ετών, κατέληξε πως η αρχική συγκράτηση Ia ισούται με : Ia = 0,2 * S (Ε.3.4) Σύμφωνα λοιπόν με τη θεωρία αυτή, αντικαθιστώντας την εξίσωση (Ε.3.4) στην (Ε.3.3) και το Q με το ισοδύναμό του Pe, τελικά προκύπτει (Παπαμιχαήλ 2004): Pe = (P 0,2S)2 P+0,8S για P > 0,2SS (E.3.5) Αν P 0,2S τότε Pe = 0 Όπου : Pe = η απορροϊκή βροχή (mm) Από την εξίσωση (Ε.3.4) γίνεται κατανοητό πως οι παράγοντες που επηρεάζουν την μεταβλητή Ia, θα επηρεάζουν ανάλογα και τη μεταβλητή S. Όμως, η SCS μετά από εμπειρικές μελέτες κατέληξε στο ότι ο συντελεστής S μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει ενός παράγοντα CN (Curve Number). Η σχέση λοιπόν που συνδέει την αποθηκευτικότητα S και τον CN, είναι (Παπαμιχαήλ 2004, Τσακίρης 1995): S = CN 254 (σε mm) (Ε.3.6) 20

29 Όπου : CN = Απορροϊκός συντελεστής Ο απορροϊκός συντελεστής CN παίρνει τιμές από 0 μέχρι 100 (πρακτικά από 40 έως 98) και επηρεάζεται από τους ίδιους παράγοντες που επηρεάζεται και η αρχική συγκράτηση υγρασίας, όπως και η αποθηκευτικότητα. Πιο συγκεκριμένα, επηρεάζεται από τις εδαφολογικές συνθήκες, την χρήση/κάλυψη γης και τις συνθήκες υγρασίας του εδάφους των προηγούμενων ημερών. Ο υπολογισμός του μπορεί να γίνει είτε με παρατήρηση υπαίθρου, είτε από εδαφολογικούς χάρτες και χάρτες χρήσεων γης. Για τη διευκόλυνση του υπολογισμού, η SCS έχει δημιουργήσει πίνακες κατάταξης των παραπάνω παραγόντων με αντίστοιχες τιμές που οδηγούν τελικά στον προσδιορισμό της τιμής του CN (Παπαμιχαήλ 2004). Στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν οι χρήσεις γης του Corine 2000 ( και ψηφιοποιημένοι γεωλογικοί χάρτες της λεκάνης απορροής του Γαλλικού ποταμού, στους οποίους δόθηκε η αντίστοιχη τιμή CN, σύμφωνα με τους παρακάτω πίνακες κατά SCS (Πίνακες 3.3, 3.4, 3.5). Πίνακας 3.3 : Κατηγορίες με βάση την υγρασία εδάφους (Παπαμιχαήλ 2004, Τσακίρης 1995, SCS 1972) όπου AMC (antecedent moisture condition) η προηγούμενη υγρασιακή κατάσταση του εδάφους. AMC Περιγραφή Χειμερινή περίοδος (mm) Βλαστική περίοδος (mm) I Ξηρά εδάφη αλλά με υγρασία μεγαλύτερη από το σημείο μαρασμού. Οι καλλιεργητικές εργασίες γίνονται με αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα. < 12,7 <35,6 II Μέση υγρασιακή κατάσταση 12,7 27,9 35,6-53,3 III Μεγάλη βροχόπτωση ή χαμηλή βροχόπτωση και χαμηλές θερμοκρασίες έχουν εμφανιστεί το τελευταίο πενταήμερο. Πολύ υγρό έδαφος. >27,9 >53,3 21

30 Πίνακας 3.4 : Ελάχιστος ρυθμός διήθησης εδαφικών τύπων κατά SCS (Παπαμιχαήλ 2004) Τύπος A B C D Περιγραφή Εδάφη με μεγάλη τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Βαθιά αμμώδη, βαθιά πηλώδη, συσσωματούμενα ιλυώδη. Εδάφη με μέτρια τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Ρηχά πηλώδη, πηλοαμμώδη. Εδάφη με μικρή τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Αργιλοπηλώδη, ρηχά αμμοπηλώδη, εδάφη πλούσια σε άργιλο κλπ. Εδάφη με πολύ μικρή τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Εδάφη που περιέχουν μοντμοριλονιτική άργιλο τα οποία διογκώνονται όταν υγραίνονται, αλλατούχα εδάφη κλπ. Ελάχιστος ρυθμός διήθησης (cm/hr) 0,76-1,14 0,38-0,76 0,13-0,38 0,00-0,13 Πίνακας 3.5 : Τιμές του CN για διάφορες χρήσης γης (μεταφρασμένος πίνακας από Miliani et al. 2011) CORINE CLC 2000 Υδρολογικοί τύποι εδαφών A B C D Συνεχής αστικός ιστός Ασυνεχής αστικός ιστός Βιομηχανικές και εμπορικές ζώνες Οδικά και σιδηροδρομικά δίκτυα Ζώνες λιμένων Αεροδρόμια Χώροι εξορύξεως ορυκτών Χώροι απορρίψεως απορριμμάτων Χώροι οικοδόμησης Περιοχές αστικού πρασίνου Εγκαταστάσεις αθλητισμού και αναψυχής Μη αρδευόμενη αρόσιμη γη Μόνιμα αρδευόμενη γη Ορυζώνες Αμπελώνες Οπωροφόρα δένδρα και φυτείες με σαρκώδεις καρπούς Ελαιώνες Λιβάδια Ετήσιες καλλιέργειες που σχετίζονται με μόνιμες καλλιέργειες Σύνθετες καλλιέργειες

31 2.4.3 Γη που χρησιμοποιείται κυρίως για γεωργία μαζί με σημαντικά τμήματα φυσικής βλάστησης Αγρο-δασικές περιοχές Δάσος πλατύφυλλων Δάσος κωνοφόρων Μικτό δάσος Φυσικοί βοσκότοποι Θάμνοι και χερσότοποι Σκληροφυλλική βλάστηση Μεταβατικές δασώδεις και θαμνώδεις εκτάσεις Παραλίες, αμμόλοφοι, αμμουδιές Απογυμνωμένοι βράχοι Εκτάσεις με αραιή βλάστηση Αποτεφρωμένες εκτάσεις Παγετώνες και αέναο χιόνι Βάλτοι στην ενδοχώρα Υδατορρεύματα Επιφάνειες στάσιμου ύδατος Παράκτιες λιμνοθάλασσες Λόγω των έντονων διαφορών των γεωλογικών συνθηκών και της κάλυψης γης, όχι μόνο μεταξύ υπολεκανών αλλά και στα διάφορα σημεία της ίδιας της υπολεκάνης, κρίνεται απαραίτητο να υπολογίζεται ο σταθμισμένος μέσος όρος του CN για την κάθε υπολεκάνη, με την ακόλουθη σχέση : CN = AiCNi Ai (Ε.3.7) Η μεθοδολογία υπολογισμού βασίζεται στη χρήση Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών. Πιο συγκεκριμένα : 1. Εισήχθη ο ψηφιακός γεωλογικός χάρτης της περιοχής και ο χάρτης κάλυψης γης στον ArcMap. 2. Δημιουργήθηκαν και συμπληρώθηκαν τα πεδία A,B,C,D που αντιπροσωπεύουν τα ποσοστά των εδαφικών σχηματισμών ανάλογα με τους τέσσερις τύπους εδαφών στις υπολεκάνες, μέσω του attribute table στο χάρτη του γεωλογικού υποβάθρου. 3. Έγινε ομαδοποίηση των πολυγώνων της κάλυψης γης σε 15 διαφορετικές κατηγορίες. 4. Έπειτα, συγχωνεύτηκαν τα πολύγωνα των χρήσεων γης και των διάφορων τύπων εδαφών σε ένα shapefile. 5. Δημιουργήθηκε πίνακας αναφοράς με τις τιμές του CN για το συγχωνευμένο πλέον shapefile, χρησιμοποιώντας τους παραπάνω πίνακες. 6. Μέσω της εργαλειοθήκης του HEC-GeoHMS, δημιουργήθηκε το Grid με τις τιμές του CN για κάθε υπολεκάνη. 23

32 Συνεπώς, τα βήματα αυτά δίνουν τις τιμές του CN για κάθε υπολεκάνη. Στο στάδιο όμως αυτό, θα πρέπει να υπολογιστεί και το ποσοστό επί τοις εκατό των αδιαπέρατων επιφανειών για κάθε υπολεκάνη. Αυτό υπολογίζεται διαιρώντας τη συνολική επιφάνεια των αδιαπέρατων επιφανειών με τη συνολική επιφάνεια για την κάθε υπολεκάνη, τα αποτελέσματα των οποίων δίνονται στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3.6). Πίνακας 3.6 : Τιμές για CN και ποσοστό αδιαπέρατων επιφανειών. Υπολεκάνη CN Αδιαπέρατες επιφάνειες (%) W W W W W Τέλος, θα πρέπει να τονιστεί ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο αποροϊκός συντελεστής CN, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η απορροή. Ο χάρτης χωρικής κατανομής του συντελεστή για τη λεκάνη απορροής του Γαλλικού ποταμού δίνεται στο παράρτημα Α Πρότυπο υπολογισμού άμεσης απορροής Η άμεση απορροή και συγκεκριμένα η πλημμυρική αιχμή είναι το ζητούμενο κατά την υδρολογική προσομοίωση της παρούσας εργασίας. Η άμεση απορροή προκύπτει ως φυσική συνέπεια από την ενεργό βροχόπτωση η οποία είναι ίση με τη συνολική βροχή μείον τις απώλειες. Ενώ μπορεί πολύ εύκολα να υπολογιστεί ο όγκος της απορροής, σημασία μεγάλη έχει και η χρονική κατανομή του φαινομένου η οποία κάνει τα πράγματα σχετικά πολύπλοκα. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε πλήθος μαθηματικών προτύπων κατά το παρελθόν που επιδιώκουν να προσδιορίσουν τη χρονική εξέλιξη της άμεσης απορροής και το μέγεθος της παροχής αιχμής. Η μέθοδος του Μοναδιαίου υδρογραφήματος είναι ένα από τα μαθηματικά πρότυπα αυτά. Ως υδρογράφημα θεωρείται γενικά η γραφική παράσταση της απορροής σε μία διατομή ενός υδατορεύματος ως συνάρτηση του χρόνου. Ως μοναδιαίο υδρογράφημα θεωρείται το υδρογράφημα της άμεσης απορροής σε μία λεκάνη που προκαλείται από περίσσευμα βροχής ύψους 1cm και ορισμένης διάρκειας, με ομοιόμορφη κατανομή και ένταση σε όλη την επιφάνεια της λεκάνης, καθ όλη τη διάρκεια της βροχής (Βουδούρης 2013). Ως συνθετικό μοναδιαίο υδρογράφημα θεωρείται το υδρογράφημα το οποίο για να κατασκευαστεί χρειάζεται γεωμετρικά και άλλα στοιχεία της λεκάνης, εφόσον κατά κανόνα το μοναδιαίο υδρογράφημα προϋποθέτει την ύπαρξη ταυτόχρονων μετρήσεων κατακρημνισμάτων και απορροής (Κωτούλας 2001). Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό λοιπόν πως τα συνθετικά μοναδιαία 24

33 υδρογραφήματα χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις που δεν υπάρχουν μετρήσεις και ο υπολογισμός της διάρκειας, της χρονικής εξέλιξης και της αιχμής της απορροής βασίζεται σε εμπειρικές σχέσεις. Βασικές αρχές του μοναδιαίου υδρογραφήματος είναι η αρχή της αναλογίας και η αρχή της επαλληλίας (Τσακίρης 1995). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά συνθετικά μοναδιαία υδρογραφήματα : 1. Η μέθοδος συνθετικού μοναδιαίου υδρογραφήματος Clark 2. Η μέθοδος συνθετικού μοναδιαίου υδρογραφήματος Snyder 3. Η μέθοδος συνθετικού μοναδιαίου υδρογραφήματος της SCS Η μέθοδος συνθετικού μοναδιαίου υδρογραφήματος Clark Η μέθοδος του μοναδιαίου υδρογραφήματος Clark χρησιμοποιεί την ενεργό βροχόπτωση και τις ισόχρονες καμπύλες της λεκάνης απορροής για να κατασκευάσει το ζητούμενο υδρογράφημα. Ισόχρονες καμπύλες ονομάζονται οι καμπύλες εκείνες πάνω στη λεκάνη που κάθε μία ανταποκρίνεται στο γεωμετρικό τόπο των σημείων από τα οποία τα επιφανειακώς απορρέοντα ύδατα φθάνουν ταυτόχρονα στην έξοδο (Σούλιος 1996). Στην ουσία το υδρογράφημα που προκύπτει από αυτή τη μέθοδο είναι ο μετασχηματισμός του ιστογράμματος της επιφάνειας που απορρέει στην έξοδο της λεκάνης απορροής ανά συγκεκριμένο και σταθερό για κάθε περίπτωση διάστημα. Η επίλυση του μοντέλου βασίζεται στην παρακάτω σχέση : Q t = R t A 1 + R t-1 A 2 + R t-2 A R 1 A t (E.3.8) Όπου : Q t = η απορροή σε κάθε χρονικό βήμα t (m 3 /t) R t = οι επιμέρους ενεργός βροχόπτωση (mm/t) A = ζώνες με τα εμβαδά (Α 1, Α 2 κλπ) που απορρέουν σε χρόνους 1, 2,... t (km 2 ) Βασική αρχή του μοντέλου μεταξύ πολλών, όπως και των μοναδιαίων υδρογραφημάτων, είναι πως η βροχή έχει ομοιόμορφη κατανομή σε όλη την έκταση της λεκάνης. Στην παρακάτω εικόνα δίνεται σχηματικά η εφαρμογή της σχέσης (Ε.3.8) του μοντέλου σε μια υποθετική λεκάνη. 25