ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ Τμήμα Δασολογίας και Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών: Κατεύθυνση Α: Αειφορική Διαχείριση Ορεινών Υδρολεκανών με Ευφυή Συστήματα και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών Μάθημα: Διευθετήσεις Χειμάρρων 2 η Διάλεξη : Λεκάνη απορροής Φώτης Π. Μάρης, Αναπλ. Καθηγητής Δ.Π.Θ.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με τον όρο υδατόρευμα, ρεύμα ή ρέμα νοείται το υδάτινο σώμα γλυκού νερού που ρέει σε τεχνητή ή φυσική κοιλότητα εδάφους η οποία καλείται υδάτινη οδός. Με τον όρο κανάλι ο οποίος αναφέρεται κυρίως στη φυσική η τεχνητή υδάτινη οδό, οποιασδήποτε διατομής, που διαρρέεται ή όχι από γλυκό ή θαλασσινό νερό. Ο όρος φερτές ύλες στα υδατορεύματα είναι της ίδιας κατά προσέγγιση βαρύτητας με τον όρο νερό. Σαν φερτές ύλες νοείται το εδαφικό υλικό που αποσπάται από επιφάνεια του εδάφους, μεταφέρεται από το νερό (που κινείται μεταξύ των καναλιών του εδάφους ή εντός αυτών) και εναποτίθεται σε διάφορες περιοχές εκτός ή εντός των καναλιών. Ένα μέρος των φερτών υλών καταλήγει στον τελικό αποδέκτη. Οι διαδικασίες που αφορούν το νερό και τα φερτά υλικά ανταποκρίνονται πλήρως στον διεθνή αποδεκτό όρο sedimentation όπου μπορεί να αποδοθεί στα ελληνικά με τον όρο υδροβιοδυναμική.
Άρα, ως λεκάνη απορροής ορίζεται μία επιφάνεια της γης που την περικλείει ο υδροκρίτης όπου όλα τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα καταλήγουν σε ένα κεντρικό σύστημα ποτάμι που πέφτει στη θάλασσα, λίμνη ή χείμαρρο. Στο κλειστό σύστημα συγκεντρώνεται το νερό που εξατμίζεται ή απορροφάται από το έδαφος. Η οριοθέτηση της λεκάνης επιτυγχάνεται με τον καθορισμό στο τοπογραφικό διάγραμμα της οριογραμμής όπου η σταγόνα της βροχής, στη θέση πτώσεώς της, διαχωρίζεται σε δύο τμήματα με διαφορετικές κατευθύνσεις. Οι γραμμές αυτές αποτελούν τις κορυφογραμμές της λεκάνης απορροής και καλούνται υδροκρίτες.
ΦΥΣΙΚΟΙ Η ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΔΑΤΙΝΟΙ ΔΡΟΜΟΙ ΜΕ ΑΔΙΑΛΕΙΠΤΗ ΡΟΗ Ποταμός καλείται φυσικό υδατόρευμα σημαντικής ή μη παροχής γλυκού νερού που ρέει σε διατομή του υδάτινου δρόμου ποικίλων διαστάσεων και καταλήγει στη λίμνη ή στη θάλασσα. Τμήμα του μπορεί να κινείται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Ρυάκι καλείται το υδατόρευμα με εμβαδόν λεκάνη απορροής μικρότερο των 1000 km 2.
Βιβλιογραφικά αναφέρονται ποικίλες ταξινομήσεις τμημάτων των ποταμών όπως: 1. Ανάλογα με τη μορφή του υδάτινου δρόμου 2. Ανάλογα με την κλίση του πυθμένα σε νεαρά, ώριμα και μεγάλης ηλικίας ποτάμια 3. Ανάλογα με τη δυσκολία στην κίνηση με σχεδία 4. Ανάλογα με τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του
Παραπόταμος καλείται το υδατόρευμα που εκβάλει σε τμήμα του ποταμού μεγαλύτερης παροχής και όχι σε θάλασσα ή λίμνη. Η θέση της συμβολής αποτελεί ένα από τα πολύ ευαίσθητα τμήματα τα οποία απαιτούν ειδικά έργα για την αποφυγή πλημμύρας της περιοχής. Διώρυγα καλείται τεχνητός υδάτινος δρόμος, μεγάλων διαστάσεων, που κατασκευάζεται κυρίως για την επικοινωνία δύο υδάτινων σωμάτων. Συνήθως είναι πλωτή. Η διώρυγα καλείται επίσης και κανάλι.
ΦΥΣΙΚΟΙ Η ΤΕΧΝΗΤΟΙ ΥΔΑΤΙΝΟΙ ΔΡΟΜΟΙ ΜΕ ΔΙΑΛΕΙΠΟΥΣΑ ΡΟΗ Νεροσυρμή καλείται φυσικοί κοιλότητα συνήθως τριγωνικής και μικρής σχετικά διατομής. Αποτελεί τον αγωγό νερού αμέσως μετά το επίπεδο της επιφάνειας του εδάφους. Ένα μικρό τμήμα στην θέση της έναρξης της νεροσυρμής καλείται κεφαλή της νεροσυρμής. Η κεφαλή δημιουργείται από τις ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις προς διευκόλυνση της εισόδου της απορροής στη νεροσυρμή.
Κανάλι καλείται κάθε φυσική η τεχνητή υδάτινη οδός οποιασδήποτε διατομής, όπου γλυκό η θαλασσινό νερό κινείται συνεχώς ή κατά ορισμένα χρονικά διαστήματα. Η διάρκεια κίνησης εξαρτάται από τις ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις ή την ανθρώπινη παρέμβαση. Εκτός των χρονικών αυτών διαστημάτων η διατομή του καναλιού παραμένει ξηρά. Χαντάκι είναι φυσική ή τεχνητή υδάτινη οδός μικρών διαστάσεων που συμβάλει στην αποστράγγιση ή την άρδευση μιας εδαφικής περιοχής και σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιείται σαν όριο μεταξύ εδαφικών εκτάσεων.
Χείμαρρος καλείται φυσική υδάτινη οδός συνήθως σημαντικής κλίσης πυθμένα με διαλειπούσα ροή η οποία μπορεί να μεταφέρει μεγάλο όγκο φερτών υλών από γαιωλισθήσεις ή από την διάβρωση άλλων μη ευσταθών εδαφών. Η παροχή εξαιτίας των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων και της τήξης του χιονιού χαρακτηρίζονται συνήθως σαν: απότομα μεταβαλλόμενη φορέα μεταφοράς μεγάλων όγκων φερτών υλών. Αυλάκι καλείται κοίλωμα στην επιφάνεια του εδάφους, συνήθως τεχνητό, μικρής διατομής και αβαθές, που κατασκευάζεται για την άρδευση ή αποστράγγιση συγκεκριμένης περιοχής.
ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Για την προστασία και ανάπτυξη των λεκανών απορροής δημιουργήθηκαν πολλά έργα που έχουν ως στόχο τα εξής: Την προστασία της περιοχής από την πλημμυρική παροχή και τα φερτά υλικά που παράγονται και κινούνται τόσο μεταξύ των υδατορρευμάτων όσο και κατά μήκος αυτών. Ο έλεγχος της παραγωγής φερτών υλών μπορεί να επιτευχθεί με τη βελτίωση της φυτοκάλυψης της λεκάνης απορροής. Την ορθή διαχείριση της φυτοκάλυψης για τον έλεγχο των διαβρώσεων της επάρκειας της ξυλείας και της βοσκής. Επιπλέων συμβάλλει στην προστασία ταμιευτήρων νερού και λιμενολεκάνων από προσχώσεις. Την ενίσχυση των υπόγειων καθώς και των επιφανειακών υδάτων με την κατασκευή ταμιευτήρων νερού ώστε να αντιμετωπιστούν οι παρούσες και οι μελλοντικές ανάγκες σε νερό για ύδρευση, άρδευση και αναψυχή. Την με κατάλληλη καλλιέργεια αποφυγή της γεωργικής γήρανσης του τμήματος αυτού της λεκάνης που θα είχε σα συνέπεια τη μείωση της αποδοτικότητας.
ΦΥΣΙΟΓΡΑΦΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Για τα χαρακτηριστικά της λεκάνης χρησιμοποιούνται οι όροι μορφομετρικά ή φυσιογραφικά χαρακτηριστικά. Ο πρώτος όρος αφορά στη μελέτη των μαθηματικών και στατιστικών ιδιοτήτων του σχήματος της λεκάνης. Ο δεύτερος όρος αναφέρεται στη μελέτη των φυσικών, κλιματολογικών, εδαφολογικών, βιογεωγραφικών χαρακτηριστικών της λεκάνης. Τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής εξαρτώνται από: 1) Σχέση μήκους υδατορρεύματος προς το εμβαδόν της λεκάνης Η σχέση μήκους υδατορρεύματος και εμβαδού λεκάνης απορροής είναι μεταξύ των γεωμορφολογικών σχέσεων που συστηματικά μελετήθηκαν και μελετώνται εξαιτίας της σημαντικής συμβολής τους στη διερεύνηση της αποστράγγισης της λεκάνης. Σαν μήκος υδατορρεύματος συνήθως λαμβάνεται το μήκος L του κύριου υδατορρεύματος, μερικές φορές όμως λαμβάνεται το συνολικό μήκος L ολ των υδατορρευμάτων της λεκάνης. Σε οποιαδήποτε και από τις δύο περιπτώσεις το μήκος εκφράζεται εκθετικά συναρτήσει του εμβαδού Α της λεκάνης.
1) Σχέση μήκους υδατορρεύματος προς το εμβαδόν της λεκάνης Η σχέση μήκους υδατορρεύματος και εμβαδού λεκάνης απορροής είναι μεταξύ των γεωμορφολογικών σχέσεων που συστηματικά μελετήθηκαν και μελετώνται εξαιτίας της σημαντικής συμβολής τους στη διερεύνηση της αποστράγγισης της λεκάνης. Σαν μήκος υδατορρεύματος συνήθως λαμβάνεται το μήκος L του κύριου υδατορρεύματος, μερικές φορές όμως λαμβάνεται το συνολικό μήκος L ολ των υδατορρευμάτων της λεκάνης. Σε οποιαδήποτε και από τις δύο περιπτώσεις το μήκος εκφράζεται εκθετικά συναρτήσει του εμβαδού Α της λεκάνης. LΑa 1 ή L ολ Αa 2 Για τους Cheng at al (2001) η τιμή του a 2 (στη σχέση του L ολ ) κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 1. Για τη συσχέτιση του μήκους L του κύριου υδατορρεύματος σε km και του εμβαδού Α της λεκάνης απορροής σε km 2 συνήθως αναφέρονται οι σχέσεις στις οποίες κατέληξε ο Eagleson (1970), που είναι:
L = 1,73Α0,5 για Α<105 km 2 (μικρές λεκάνες) L = 1,31 Α0,57 για Α>=105 km 2 (μεγάλες λεκάνες) Οι μεγάλες λεκάνες είναι συνήθως πιο επιμήκεις από τις μικρές. Γενικά, η κύρια λεκάνη παρουσιάζει ομοιότητα προς τις υπολεκάνες της.
2) Εμβαδόν και σχήμα της λεκάνης Η σχέση οι οποία δίνει το εμβαδόν και σχήμα της λεκάνης απορροής είναι: Επιφάνεια παραλληλογράμμου = επιφάνεια ορθογωνίου/γωνία κλίσεως Σαν γωνία κλίσεως ορίζεται η γωνία του επιπέδου του παραλληλογράμμου ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Το σχήμα της λεκάνης επηρεάζει τόσο το υδρογράφημα του υδατορεύματος όσο και την αιχμή της παροχής του. Ένας αποδεκτός αδιάστατος συντελεστής σχήματος είναι ο Ν σχ που ορίζεται από την σχέση: Ν σχ = c/l b 2 A = το εμβαδόν της λεκάνης L b = το μήκος της λεκάνης μετρούμενο κατά μήκος ευθείας γραμμής που συνδέει τη θέση εισόδου και τη θέση εξόδου του μεγαλύτερου σε μήκος υδατορρεύματος στη λεκάνη απορροής.
3) Πυκνότητα αποστράγγισης και μέσο μήκος επιφανειακής απορροής Κατά τη μελέτη λεκανών απορροής χρησιμοποιείται συχνά ο ποιοτικός χαρακτηρισμός της καλής ή πτωχής αποστράγγισης της. Έναν απλό και κατάλληλο δείκτη αποστράγγισης αποτελεί η πυκνότητα αποστράγγισης ή πυκνότητα δικτύου Μ απ που ορίζεται ως: Μ απ = ΣL/A (εκφράζεται συνήθως σε km/km 2 ή m/m 2 ) ΣL = το συνολικό μήκος των ρεμάτων της λεκάνης A = το εμβαδόν της λεκάνης απορροής Η πυκνότητα Μ απ έχει υψηλές τιμές σε μικρής διαπερατότητας εδάφη και χαμηλές τιμές σε μεγάλης διαπερατότητας εδάφη. Η τιμή της Μ απ εξαρτάται από κλιματικά χαρακτηριστικά και φυσικά καθώς και την ηλικία. Η πλημμύρα είναι πολύ πιο πιθανή για μεγάλες τιμές της πυκνότητας Μ απ παρά για μικρές τιμές της.
Το μέσο μήκος επιφανειακής απορροής L m, ορίζεται από τον Horton (1945) για να προσεγγίσει το μήκος ροής του νερού στην επιφάνεια του εδάφους πριν την εισροή του σε κανάλια οποιασδήποτε διατομής. Το βάθος ροής είναι μικρό και η ροή συνήθως εξαφανίζεται μετά από μικρά χρονικά διαστήματα εξαιτίας της απορρόφησης του νερού από το έδαφος ή της διήθησης του μετά το πέρας της βροχόπτωσης. Στις πλειστές των περιπτώσεων το μήκος L m είναι κατά προσέγγιση το μισό της αντίστροφης τιμής της Μ απ δηλαδή: L m = 0,5(1/ Μ απ ) = 1/ 2Μ απ Επειδή οι κλίσεις των υδατορρεύματων και του εδάφους δεν περιέχονται στην προηγούμενη σχέση ο Horton προτείνει τον πολλαπλασιασμό του παρανομαστή με ρίζα 1-(S o /S g ) 2 όπου S o, S g η μέση κλίση καναλιού και εδάφους αντίστοιχα. Επομένως, L m = 0,5(1/ 2Μ απ S ς ) όπου S ς = ρίζα 1-(S o /S g ) 2 Ο δείκτης L m είναι μία από τις σπουδαιότερες μεταβλητές που επηρεάζουν την υδρολογική και φυσιογραφική ανάπτυξη της λεκάνης απορροής Horton (1945).
4) Τοπογραφία της λεκάνης Η τοπογραφία δηλαδή η φυσική και τεχνική μορφή της επιφάνειας της λεκάνης και γενικά ενός τμήματος του εδάφους είναι συνδυασμός εξωγενών και ενδογενών επιδράσεων. Ειδικότερα οι εξωγενείς επιδράσεις σε συνδυασμό με τη φυτοκάλυψη και το εδαφικό υλικό είναι οι βασικές παράγοντες ελέγχου των διαβρώσεων της επιφάνειας της λεκάνης. Σε αντίθεση με τις ενδογενείς οι εξωγενείς επιδράσεις και κυρίως οι τεκτονικές συμβάλλουν στην ανύψωσή τους. Ακολουθούν οι βασικοί παράμετροι της τοπογραφίας της λεκάνης απορροής. - ανάγλυφο: στάθμες εδάφους και κλίσεις κλιτύων και ρεμάτων - ανάγλυφο: υψομετρική ανάλυση - ανάγλυφο: τραχύτητα
5) Το δίκτυο διακλαδώσεων Το κύριο υδατόρρευμα λεκάνης απορροής καθώς και οι διακλαδώσεις έχουν μελετηθεί από διάφορους ερευνητές. Ο Horton αναφέρει ότι στην Ευρώπη εμφανίστηκε μια τάξη ταξινόμησης των υδατορρευμάτων ανάλογα με τις διακλαδώσεις. Ο Gravelious (1914) όρισε τάξεως I το κατώτατο τμήμα του υδατορρεύματος και τα ανάντη τμήματα του τάξεως μεγαλύτερη της I. Το αποκαλούμενο δίκτυο Horton χαρακτηρίζει σαν ρεύμα πρώτης τάξης (I) το ρέμα στο οποίο δεν καταλήγουν άλλα. Το ρέμα δεύτερης τάξης (II) έχει πρώτης τάξης μόνο ρέματα το τρίτης (III) ρέματα πρώτης και τουλάχιστον δύο δεύτερης και το τέταρτης (IV)έχει τουλάχιστον δύο ρέματα τρίτης τάξης.
Οι αδυναμίες του δικτύου διακλάδωσης είναι οι εξής: η μη όμοια συμπεριφορά των ρεμάτων τις ίδιας τάξης ποιου μεγέθους κανάλι θα θεωρηθεί της πρώτης τάξης ρέμα? Αν σε μια λεκάνη απορροής ο αριθμός των j τάξεως ρεμάτων εκφραστεί με N j και με N j+1 ο αριθμός των j+1 τάξεως ρεμάτων ο λόγος N j /N j+1 καλείται βαθμός διακλάδωσης. Το υδρογραφικό δίκτυο λεκάνης απορροής καλείται δίκτυο Horton για σταθερό λόγω διακλαδώσεως J N = N j /N J+1 = σταθερό (για κάθε τιμή του j) Ο Horton (1945) όρισε τον νόμο του αριθμού των ρεμάτων N j με τη σχέση: N j = J P-j N
6) Φυτοκάλυψη και προσανατολισμό λεκάνης Το ριζικό σύστημα των φυτών: Α) μειώνει τη συνεκτικότητα του εδάφους άρα το κάνει πιο αδιαπέρατο στο νερό και Β) σταθεροποιεί το φυτό ώστε να μην παρασύρεται από τις δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά την κίνηση του αέρα, νερού και στερεών. Η μείωση της ταχύτητας του νερού της απορροής έχει σαν συνέπεια τόσο την ενίσχυση των υπόγειων υδροφορέων με νερό που διηθείται στα βαθύτερα στρώματα του εδάφους όσο και τη μείωση της διαβρωτικής ικανότητας του νερού άρα και τη μείωση της στερεοπαροχής της λεκάνης απορροής. Η φυτοκάλυψη προστατεύει την περιοχή από πιθανές πλημμύρες εξαιτίας κυρίως της μεταφοράς των στερεών και όχι εξαιτίας μόνο των αυξημένων παροχών του νερού.
7) Γεωλογία Οι γεωλογικοί σχηματισμοί αυξάνουν ή μειώνουν την εισροή του νερού στο υπέδαφος ανάλογα με την υδατοπερατότητα τους. Η μειωμένη επιφανειακή απορροή συμβάλλει σημαντικά στη μείωση: Α) της πιθανότητας εμφάνισης πλημμυρικών απορροών Β) της διαβρωτικής ικανότητας του νερού της απορροής με συνέπεια τις μειωμένες τόσο διαβρώσεις του εδάφους της λεκάνης όσο και εναποθέσεις. Έτσι μειώνεται η πιθανότητα πλημμύρας της γειτονικής περιοχής προς τη θέση των εναποθέσεων. Αν η διαπερατότητα των γεωλογικών σχηματισμών είναι μικρή μέχρι ελάχιστη οι συνέπειες είναι αντίθετες από τις αντίστοιχες των υδατοπερατών εδαφών. 8) Ροή νερού και φερτών υλών
ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Η υδρολογική κίνηση αποτελεί το πρώτο και αναγκαίο βήμα της μελέτης μέσω του οποίου καταλήγει συνήθως σε έναν αριθμό ή ένα υδρογράφημα. Η πλημμύρα ή το υδρογράφημα θεωρούνται σαν μικρό τμήμα του πιθανολογικού πλαισίου της υδρολογίας της λεκάνης. Βασικά στοιχεία πολλών υδρολογικών αναλύσεων είναι: Α) η μέτρηση, καταγραφή, επεξεργασία και δημοσίευση των δεδομένων Β) η ερμηνεία και ανάλυση των δεδομένων και Γ) η εφαρμογή στο σχεδιασμό του έργου Διαθέσιμη μέθοδοι υδρολογικής μελέτης είναι: Α) ντετερμινιστικές (προσδιοριστικές) Β) στατιστικές
ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ ΑΠΟΡΡΟΗ Τα χαρακτηριστικά της βροχόπτωσης που ενδιαφέρουν την υδρολογία της λεκάνης απορροής είναι: το κατακόρυφο ύψος του νερού της βροχής η διάρκεια η χρονική κατανομή της μάζας της βροχόπτωσης η ένταση η συχνότητα η καταιγίδα της οποίας παρουσιάζουν ενδιαφέρον το σχήμα, το μέγεθος και η διεύθυνση κίνησης της.
Ένας μέρος του νερού που πέφτει στην λεκάνη απορροής μέσω της βροχής απομακρύνεται εξαιτίας ορισμένων διεργασιών, δεν απομακρύνεται σαν απορροή αλλά αποτελεί την απώλεια μάζας νερού απορροής που ορίζεται από τη διαφορά μάζας της βροχής και της απορροής. Οι διαδικασίες αυτές είναι: Εξάτμιση Διαπνοή εξάτμιση μη επιφανειακή Διήθηση Εσοχές Προσωρινή αποθήκευση
Κατά τη μελέτη της αποστράγγισης λεκάνης απορροής ορισμένα χαρακτηριστικά της απορροής έχουν μεγάλη βαρύτητα στον σχεδιασμό των έργων, όπως: -αιχμής παροχής Καλείται η μέγιστη παροχή απορροής σε ορισμένη διατομή υδατορρεύματος κατά τη διάρκεια ή μετά τη βροχόπτωση Η τιμή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. -υδρογράφημα Καλείται το διάγραμμα μεταβολής της παροχής με το χρόνο σε διατομή του ρεύματος. Αφορά στο τμήμα της λεκάνης ανάντη της διατομής. -ολικός όγκος απορροής Είναι μεγάλης πρακτικής σημασίας ειδικότερα στο σχεδιασμό των έργων αντιπλημμυρικής προστασίας Οι παράμετροι της βροχής που επηρεάζουν σοβαρά τη μορφή του υδρογραφήματος είναι -ο νόμος μεταβολής της έντασης της βροχής με το χρόνο, -η έκταση και -η κίνηση της καταιγίδας σε σχέση με τη λεκάνη απορροής.
ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΕΣ ΑΙΧΜΕΣ, ΠΛΗΜΜΥΡΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Ο προσδιορισμός των μελλοντικών πλημμυρικών αιχμών και των αντίστοιχων συχνοτήτων επανεμφάνισης τους βασίζεται στη στατιστική επεξεργασία μετρήσεων πεδίου. Επομένως, η εκτίμηση της περιέχει σημαντικό ή μη βαθμό αβεβαιότητας που οφείλεται στην αξιοπιστία και επάρκεια των δεδομένων των μετρήσεων. Επειδή πρόκειται για επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις του ίδιου γεγονότος δηλ. της ετήσιας αιχμής παροχής, εφαρμόζονται οι νόμοι των πιθανοτήτων ώστε να προσδιοριστεί η πλέον αντιπροσωπευτική κατανομή. Κατά την ανάλυση συχνότητας (U.S. Dept of Transportation 2002) πρέπει να απαντηθούν τέσσερα ερωτήματα. 1)τα δεδομένα είναι σχετικά με την ανάλυση; 2)είναι επαρκή τα δεδομένα; 3)είναι τα δεδομένα ακριβή; 4)έχει η ανάλυση εφαρμοστεί σωστά;
ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΙΧΜΗΣ Οι εμπειρικές μέθοδοι υπολογισμού παροχής αιχμής μπορούν να υπολογιστούν με: τοπικές εξισώσεις παλινδρόμησης SCS γραφική μέθοδος υπολογισμού της αιχμής παροχής. ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ Η μαθηματική σχέση η οποία εκφράζει την ορθολογική μέθοδο είναι: Q = 0,276 C A i Q f = η παροχή αιχμής (μέγιστη πλημμυρική παροχή m 3 /sec), C = ο αδιάστατος συντελεστής απορροής εξαρτώμενος από τα χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής και της ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, Α = το εμβαδόν της λεκάνης απορροής (οριζόντια προβολή σε km 2 ), i = h/t = η ένταση της βροχόπτωσης (σε mm/hr), h, t = το ύψος και τη διάρκεια βροχόπτωσης (σε mm και sec)
ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑ Υδρογράφημα καλείται η γραφική παράσταση της απορροής σε διατομή ενός υδατορρεύματος σε συνάρτηση του χρόνου. Υπάρχει το: -μοναδιαίο υδρογράφημα και -αθροιστικό υδρογράφημα Ως μοναδιαίο υδρογράφημα μιας βροχής διάρκεια περισσεύματος tr ομοιόμορφα κατανεμημένης στην λεκάνη απορροής ονομάζεται το αντίστοιχο υδρογράφημα άμεσης απορροής που προήλθε από περίσσευμα βροχής hr = 1cm. Το μοναδιαίο υδρογράφημα στην ουσία είναι ένα μοντέλο που περικλείει όλα τα χαρακτηριστικά των λεκανών και αναφέρεται στην συγκεκριμένη διάρκεια βροχής περισσεύματος. Για κάθε δηλαδή διάρκεια περισσεύματος βροχής έχουμε και ένα υδρογράφημα το οποίο αποτελεί τη βάση για τον υπολογισμό του υδρογραφήματος άμεσης απορροής. Γι αυτό το λόγω ονομάζεται και μοναδιαίο.
Αρχές που στηρίζει η μέθοδος του ΜΥΓ είναι οι ακόλουθες: Αρχή της αναλογίας Σύμφωνα με την αρχή δύο βροχές με περίσσευμα βροχής της ίδιας διάρκειας αλλά διαφορετικής έντασης δημιουργούν υδρογράφημα άμεσης απορροής με την ίδια χρονική βάση αλλά με τεταγμένες που έχουν λόγω μεταξύ τους ίσο με το λόγω των εντάσεων. Αρχή της επαλληλίας Σύμφωνα με την αρχή το υδρογράφημα άμεσης απορροής που προκύπτει από επιμέρους βροχοπτώσεις είναι το υδρογράφημα με τεταγμένες το άθροισμα των τεταγμένων των ΥΑΑ των επιμέρους βροχοπτώσεων.
ΑΜΕΣΗ ΑΠΟΡΡΟΗ R(m3/s) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Σειρά1 Σειρά2 ΧΡΟΝΟΣ t
Αν είναι γνωστό το ΜΥΓ μιας διάρκειας tr τότε η ένταση περισσεύματος που το προκαλεί είναι 1/ tr. Αν η ένταση αυτή παρέμενε σταθερή για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα τότε το τελικό YAA θα προέκυπτε από πολλά όμοια ΜΥΓ που θα ήταν μετατοπισμένα κατά tr. Το υδρογράφημα άμεσης απορροής έχει σχήμα S και είναι γνωστό με την ονομασία αθροιστικό υδρογράφημα. Λόγω του ότι το αθροιστικό υδρογράφημα εξαρτάται από την ένταση του αντίστοιχου μοναδιαίου χαρακτηρίζεται από την αντίστοιχη διάρκεια του ΜΥΓ από όπου προήλθε. Το αθροιστικό υδρογράφημα S χρησιμοποιείται κυρίως για την μετατροπή ενός ΜΥΓ μεγάλης διάρκειας σε ΜΥΓ μικρότερης διάρκειας, όπως επίσης για την μετατροπή ενός ΜΥΓ μικρής διάρκειας σε μοναδιαίο μεγάλης διάρκειας.
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Σειρά16 Σειρά1 Σειρά2 Σειρά3 Σειρά4 Σειρά5 Σειρά6 Σειρά7 Σειρά8 Σειρά9 Σειρά10 Σειρά11 Σειρά12 Σειρά13
ΔΙΟΔΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΜΜΥΡΑΣ (U.S. Dept of Transportation 2002) Με τον όρο αυτό νοούνται οι μαθηματικές διαδικασίες που περιγράφουν την κίνηση και την εξασθένηση μη μόνιμης ροής από τα ανάντη προς τα κατάντη υδατορρεύματος η ταμιευτήρα νερού. Σχεδόν όλες οι περιπτώσεις διόδευσης εντάσσονται στη διόδευση δια καναλιού και δια ταμιευτήρος νερού.
ΔΙΟΔΕΥΣΗ ΔΙΑ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Κατά τη διαδικασία αυτή προσδιορίζεται το υδρογράφημα πλημμύρας σε τυχούσα διατομή στα κατάντη ενός καναλιού όταν είναι γνωστό το υδρογράφημα σε κάποια διατομή στα ανάντη. Είναι προφανές ότι το υδρογράφημα πλημμύρας κινούμενο προς τα κατάντη τροποποιείται εξαιτίας της επίδρασης των χαρακτηριστικών του καναλιού. Στην περίπτωση αυτή η εξίσωση συνέχειας είναι: d u /d t = Q i -Q o U (m 3 ) = ο όγκος νερού που αποθηκεύεται στο υδατόρρευμα, t (sec) = ο χρόνος, Q i (m 3 /sec) = η παροχή νερού εισόδου, Q o (m 3 /sec) = η παροχή εξόδου.
Από τις τεχνικές που εφαρμόζονται για τη μελέτη της διόδευσης οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες είναι: 1)Muskingum Κατά την εφαρμογή της μεθόδου δεχόμαστε ότι η μείωση του υδρογραφήματος οφείλεται στην αποθήκευση του νερού στο κανάλι. Ο όγκος νερού U που αποθηκεύεται είναι: U = K δ [X δ *Q i +(1-X δ )*Q ο ] K δ = εμπειρική σταθερά (συνήθως λαμβάνεται ίση με το χρόνο κίνησης του κύματος στο υπό μελέτη τμήμα του υδατορρεύματος) και X δ = εμπειρική σταθερά (εξαρτώμενη από τη βαρύτητα που παρουσιάζει η εισροή σε σχέση με την εκροή). Τιμές του X δ κυμαίνονται από 0 μέχρι 0,5 Οι τιμές U, Q i, Q ο προσδιορίστηκαν προηγουμένως. Ακολουθεί η εξίσωση με τη μορφή πεπερασμένων διαφορών 1/2(Q i1 +Q i2 )-1/2(Q o1 +Q o2 ) = (U 2 -U 1 )/δ t Στην προηγουμένη εξίσωση οι δείκτες 1 και 2 συμβολίζουν τις τιμές των παραμέτρων στην αρχή και το τέλος του βήματος χρόνου δt. Τα άγνωστα μεγέθη είναι τα U 2, Q o2. ο όγκος που αποθηκεύτηκε με την έξοδο του υδρογραφήματος υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση και είναι: U 2 = K δ [X δ * Q i2 +(1-X δ )* Q 2
Οι παραπάνω εξισώσεις αποτελούν σύστημα δύο εξισώσεων με δύο άγνωστα μεγέθη U 2, Q o2. για την απλοποίηση των υπολογισμών η γνωστή παράμετρος U 1 αντικαθίσταται από τη σχέση των γνωστών μεγεθών Q i1 Q o1 μέσω της δεύτερης εξίσωσης. Κατόπιν αυτών η λύση του συστήματος είναι: Q o2 = α 1 Q i2 + α 2 Q i1 + α 3 Q o1 Οι παράμετροι α3, α2, α1 είναι: α 1 =- K δ *X δ +0,5* δ t / K δ - K δ *X δ +0,5* δ t α 2 = K δ *X δ +0,5* δ t / K δ - K δ *X δ +0,5* δ t α 3 = K δ - K δ *X δ -0,5* δ t / K δ - K δ *X δ +0,5* δ t α 1 + α 2 + α 3 = 1 Η δυσκολία εφαρμογής αυτής της μεθόδου έγκειται στον κατάλληλο προσδιορισμό των παραμέτρων K δ και X δ. Ο καλύτερος τρόπος προσέγγισης των τιμών είναι να προσδιοριστούν από γνωστά υδρογραφήματα εισόδου και εξόδου τα οποία σπάνια υπάρχουν.
2) Κινηματικού κύματος Η θεωρία του κινηματικού κινήματος βασίζεται στην παραδοχή ότι οι όροι των βαθμιδών αδράνειας και πιέσεως είναι αμελητέοι σε σχέση με τους όρους τριβής και βαρύτητας στην εξίσωση διατήρησης της ορμής οπότε S o = S e όπου S o η κλίση του πυθμένα του καναλιού και S e η κλίση της γραμμής ενέργειας. Από την εξίσωση συνέχειας για αμελητέες εγκάρσιες εισροές προκύπτει η εξίσωση του κινηματικού κύματος όπου η παροχή είναι μη μόνιμη και μονοδιάστατη η οποία έχει την εξής μορφή: dq/dt = 0 ή θq/θt + θq/θx dx/dt = 0 θq/θt + cθq/θx = 0 Q = παροχή T = ο χρόνος C = η ταχύτητα του κύματος που ισούται με dq/dα
3) Muskingum- Cunge Η μέθοδος είναι ευνοϊκότερης αποδοχής επειδή χρειάζεται μικρό αριθμό στοιχείων για την βαθμονόμηση. Η έξοδος έχει την ίδια μορφή με τις αντίστοιχες των άλλων μεθόδων. Q o2 = α 1 Q i2 + α 2 Q i1 + α 3 Q o1 Όπου οι συντελεστές δίνονται από τις σχέσεις: α 1 = -1+C r +D D /1+C r +D D α 2 = 1+C r -D D /1+C r +D D α 3 = 1-C r +D D /1+C r +D D 4) Τροποποιημένη Att kin μέθοδος
ΔΙΟΔΕΥΣΗ ΑΠΟ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ ΝΕΡΟΥ Η διαδικασία υπολογισμού δεν διαφέρει ουσιαστικά είτε πρόκειται για ταμιευτήρα νερού μικρού ή μεγάλου φράγματος ή για αποθήκευση νερού στα ανάντη εμποδίου όταν η διατομή εξόδου του νερού προς τα κατάντη είναι μικρή. Η συσσώρευση νερού στα ανάντη εμποδίου μετά από βροχόπτωση και ειδικά έντονη βροχόπτωση έχει συνήθως καταστρεπτικές συνέπειες σε κατοικημένες περιοχές. Η προσέγγιση του προβλήματος βασίζεται στην εξίσωση του υπολογισμού του υδρογραφήματος στη θέση εκροής και στις σχέσεις στάθμης αποθηκευτικότητας παροχής που εξαρτώνται από την τοπογραφία της περιοχής και τα έργα εξόδου.
ΑΠΟΤΥΠΩΣΗ ΛΕΚΑΝΗΣ Η χρησιμοποίηση των υπολογιστών στην αποτύπωση της επιφάνειας του εδάφους δίνει τη δυνατότητα ανάπτυξης ομοιωμάτων απεικόνισής του με μεγαλύτερη ταχύτητα και ακρίβεια. Ομοιώματα συμβάλλουν σημαντικά στην: -ακριβέστερη και -ταχύτερη σχεδίαση τοπογραφικών χαρτών, υδρογραφικών δικτύων, λεκανών απορροής, επιφανειών κατολίσθησης, περιοχών πηγών καθώς και στον υπολογισμό διαφόρων παραμέτρων όπως εναποθέσεις φερτών υλών, κλίση και καμπυλότητα του εδάφους που επηρεάζουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του.
Μία επιφάνεια εδάφους μπορεί να παρασταθεί με σειρά από διακεκριμένα σημεία ισουψών ή χαρακτηριστικών των λεκανών ή τα σημεία να είναι κορυφές κελιών κανάβου με τον οποίο καλύπτεται η λεκάνη απορροής. Η διακεκομμένη γραμμή παριστάνει τους υδροκρίτες της λεκάνης απορροής. Τα κελιά είναι ορθογώνια παραλληλόγραμμα, τετράγωνα, τρίγωνα. Κάθε κορυφή κελιού ορίζεται από τις οριζόντιες συντεταγμένες x, y και την κατηγμένη z που καθορίζει τη στάθμη του σημείου ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Τα μοντέλα ψηφιοποίησης του εδάφους συνεργάζονται ικανοποιητικά με τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών. Κάθε σημείο της κανάβου x, y, z είναι μοναδικό.
ΑΡΧΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΚΛΙΣΗΣ ΣΕ ΚΑΝΑΒΟ ΜΕ ΤΡΙΓΩΝΙΚΑ ΚΕΛΙΑ Η αρχή αυτή βασίζεται στην κάλυψη της λεκάνης απορροής με τριγωνικό δίκτυο όπου οι κορυφές έχουν καθοριστεί με τις συντεταγμένες τους κατά τυχαίο τρόπο η με βάση κάποιον κανόνα. Οι Jones at al (1990) αναφέρουν σαν πλεονέκτημα του τριγωνικού δικτύου την ακριβέστερη αποτύπωση του εδάφους σε σχέση με την αποτύπωση με τετραγωνικό η ορθογώνιο δίκτυο. Η αρχή μέγιστης κλίσης σε κάνναβο με τριγωνικά κελιά μπορεί να γίνει με: -διαδρομή μέγιστης κλίσης -επιφάνειες αποστράγγισης και δυσκολίες που εμφανίζονται
ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΚΛΙΣΗΣ Το νερό κατά την κίνηση του ακολουθεί πάντοτε τον ευκολότερο δρόμο. Υποθέτουμε ότι: -Η τραχύτητα του εδάφους είναι ομοιόμορφη ώστε να μην επηρεάζεται η διαδρομή του νερού από τη χωρική μεταβολή της τραχύτητας -Η ορμή του νερού κατά την κάθοδο του είναι αμελητέα. Στην περίπτωση αυτή ο ευκολότερος δρόμος για να το κάνουμε είναι η διαδρομή της μέγιστης κλίσης.
ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΑΠΟΣΤΡΑΓΓΙΣΗΣ ΚΑΙ ΔΥΣΚΟΛΙΕΣ ΠΟΥ ΕΜΦΑΝΙΖΟΝΤΑΙ Από τους κόμβους του δικτύου ξεκινούν ή καταλήγουν κανάλια αποστράγγισης. Σε ένα κόμβο είναι δυνατόν να καταλήγουν περισσότερα του ενός κανάλια. Η διαδικασία που ακολουθείται για την απεικόνιση του δικτύου είναι: 1ο βήμα Εφαρμογή της θεωρίας που αναπτύχθηκε για τον προσδιορισμό των καναλιών. 2ο βήμα Ορίζεται η υπολεκάνη κάθε καναλιού. Αν ένα τρίγωνο συνεισφέρει σε περισσότερα του ενός κανάλια, υποδιαιρείται με τη βοήθεια της μέγιστης κλίσης ώστε κάθε τμήμα να συνεισφέρει σε ένα μόνο κανάλι. 3ο βήμα Τα τρίγωνα ομαδοποιούνται κατά τρόπο τέτοιο ώστε κάθε ομάδα να αποστραγγίζεται σε συγκεκριμένο κανάλι. Καθορίζοντας το κανάλι και την ομάδα των τριγώνων που αποστραγγίζεται σ αυτό έχουμε ουσιαστικά ορίσει τη λεκάνη απορροής του καναλιού.
Κατά την εφαρμογή της προηγούμενης θεωρίας χάραξης των ρεμάτων και των αντίστοιχων λεκανών απορροής παρουσιάζονται τέσσερις κυρίως δυσκολίες. 1) Διακλαδιζόμενοι αγωγοί Σε πραγματικά υδατορεύματα η διακλάδωση είναι συνήθως φαινόμενο και μπορεί να οφείλεται σε τοπικές ανωμαλίες της λεκάνης. 2) Οριζόντια τρίγωνα και κανάλια Για την φύση είναι σύνηθες φαινόμενο. Εμφανίζεται όμως σε μοντέλα λεκανών. Αντιμετωπίζεται με κατάλληλη επιλογή τριγωνισμού ώστε να αποφεύγονται κατά το δυνατόν τα οριζόντια τρίγωνα. 3)Εκροή νερού από αγωγό στην επιφάνεια του τριγώνου Ελάχιστα εμφανίζεται στη φύση ενώ στα μοντέλα εμφανίζεται συχνά. Επομένως το δίκτυο είναι ασυνεχές. 4) Κοιλώματα του εδάφους Αναμένονται στο φυσικό έδαφος. Εμφανίζονται όμως και στο ομοίωμα εξαιτίας του τριγωνισμού ή σφαλμάτων στα δεδομένα στάθμης.
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!!!!