Πλημμύρες Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Νίκος Μαμάσης Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2014 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Γενικά Η τεχνολογία των Συστημάτων Γεωγραφικής Πληροφορίας (ΣΓΠ ή GIS), τα οποία διαχειρίζονται με χρήση υπολογιστών την τοπογραφική και άλλη γεωγραφικά κατανεμημένη πληροφορία (αντικαθιστώντας τους παραδοσιακούς χάρτες με ψηφιακά αρχεία), επιτρέπει την αντιμετώπιση ποικίλων υδρολογικών προβλημάτων. Οι τεχνικές που υποστηρίζονται από τα ΣΓΠ επιτρέπουν την υλοποίηση εφαρμογών όπως: Παρεμβολή και επιφανειακή ολοκλήρωση υδρολογικών μεταβλητών Εισερχόμενη ακτινοβολία και δυνητική διάρκεια ηλιοφάνειας σε λεκάνη απορροής, λαμβάνοντας υπόψη την σκίαση και τις κλίσεις του ανάγλυφου Εξαγωγή μορφολογικών χαρακτηριστικών λεκάνης απορροής Εξαγωγή υδρολογικών ιδιοτήτων λεκάνης απορροής με βάση τον κάνναβο του υψομέτρου (συγκέντρωση ροής, υδρογραφικό δίκτυο) Υποβοήθηση της κατάρτισης μοναδιαίου υδρογραφήματος Χωροχρονική εκτίμηση πλημμυρών Συσχέτιση απορροής με δεδομένα λεκάνης (εδαφολογία, φυτοκάλυψη, γεωλογία, χρήσεις γης κλπ) 1
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Συναρτήσεις ανάλυσης επιφανειών Οι συναρτήσεις αυτές είναι διαδεδομένες σε όλα σχεδόν τα ΣΓΠ, δεδομένου ότι χρησιμοποιούνται σε πολλές κατηγορίες εφαρμογών. Εφαρμόζονται στον κάνναβο υψομέτρου και δημιουργούν έναν παράγωγο κάνναβο με τα ίδια χαρακτηριστικά (διαστάσεις, μέγεθος κυττάρου), ο οποίος περιέχει τις υπολογισμένες από τη συνάρτηση τιμές Άποψη (aspect) Προσδιορίζει την διεύθυνση της μεγαλύτερης κλίσης κάθε κυττάρου σε σχέση με τα οκτώ γειτονικά του. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάνναβο συνήθως κυμαίνονται από 0-360 (διεύθυνση σε μοίρες) Κλίση (slope) Προσδιορίζει την μεγαλύτερη κλίση κάθε κυττάρου σε σχέση με τα οκτώ γειτονικά του. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάνναβο κυμαίνονται από 1-100 (κλίση %) Σκίαση αναγλύφου (hillshade) Προσδιορίζει τον φωτισμό της επιφάνειας. Με την συνάρτηση αυτή μπορεί να υπολογιστεί η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε θέση. Οι τιμές στον υπολογισμένο κάναβο κυμαίνονται από 1-256 (αυθαίρετη κλίμακα, όπου το 1 αντιστοιχεί σε πλήρη σκίαση) Ισοϋψείς (contours) Προσδιορίζει τις ισοϋψείς καμπύλες για επιλεγμένη ισοδιάσταση. Δεν δημιουργεί κάνναβο αλλά γραμμικό επίπεδο πληροφορίας Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Θέση λεκάνης Μεσοχωρίου κάναβος υψομέτρου (m) 0-300 300-600 600-900 900-1200 1200-1500 1500-1800 1800-2100 2100-2400 > 2400 2
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Άποψης (μοίρες) Κλίσης (%) Σκίασης ανάγλυφου (1-256) Ε π ί π ε δ ο ( - 1 ) Β ό ρ ε ι α ( 0-2 2. 5, 3 3 7. 5-3 6 0 ) Β ο ρ ε ι α ν α τ ο λ ι κ ή ( 2 2. 5-6 7. 5 ) Α ν α τ ο λ ι κ ή ( 6 7. 5-1 1 2. 5 ) Ν ο τ ι α ν α τ ο λ ι κ ή ( 1 1 2. 5-1 5 7. 5 ) Ν ό τ ι α ( 1 5 7. 5-2 0 2. 5 ) Ν ο τ ι ο δ υ τ ι κ ή 2 0 2. 5-2 4 7. 5 ) Δ υ τ ι κ ή ( 2 4 7. 5-2 9 2. 5 ) Β ο ρ ε ι ο δ υ τ ι κ ή ( 2 9 2. 5-3 3 7. 5 ) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 > 40 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Υδρολογικές συναρτήσεις Οι υδρολογικές συναρτήσεις εφαρμόζονται στον κάνναβο υψομέτρου είτε σε παράγωγους, και δημιουργούν έναν άλλο παράγωγο κάνναβο με τα ίδια χαρακτηριστικά (διαστάσεις, μέγεθος κυττάρου), ο οποίος περιέχει τις υπολογισμένες από την συνάρτηση τιμές. Κοιλοτήτων (sink) Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και εντοπίζει τα κύτταρα που είναι χαμηλότερα και από τα οκτώ γειτονικά (κοιλότητες) Εξάλειψη κοιλοτήτων (Fill) Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και εξαλείφει τις κοιλότητες Πηγή: ArcGIS 10 Help 3
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Κάνναβοι ροής Διεύθυνση ροής (flow direction). Εφαρμόζεται στον κάνναβο υψομέτρου και υπολογίζει για κάθε κύτταρο προς τα που θα κατευθυνθεί η ροή. Συγκέντρωση ροής (flow accumulation) Εφαρμόζεται στον κάνναβο διεύθυνσης ροής και υπολογίζει σε κάθε κύτταρο τον αριθμό των κυττάρων που απορρέουν σε αυτόν Υψομέτρου (m) Διεύθυνσης ροής Συγκέντρωσης ροής Υπολογισμός μέγιστης κλίσης Θεωρώντας κάνναβο διάστασης 100 m υπολογίζονται οι κλίσεις προς τα οκτώ γειτονικά κύτταρα και η ροή κατευθύνεται προς τη μεγαλύτερη. Η απόσταση μεταξύ διαγωνίων κυττάρων είναι 100*2 0.5 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Κάνναβοι ροής Υπολεκάνη απορροής (watershed) Προσδιορίζει τις υπολεκάνες απορροής σε συγκεκριμένα σημεία του χώρου Μήκος ροής (flowlength) Εφαρμόζεται στον κάνναβο διεύθυνσης ροής και υπολογίζει το μήκος της ροής κάθε κυττάρου μέχρι την έξοδο της λεκάνης Τάξη ρεμάτων (Stream order) Ταξινόμηση υδατορευμάτων κατά Strahler (1957) και Shreve (1966). Πηγή: ArcGIS 10 Help 4
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Περιοχή μελέτης Θέση λεκάνης Πύλης κάναβος υψομέτρου (m) 0-300 300-600 600-900 900-1200 1200-1500 1500-1800 1800-2100 2100-2400 > 2400 PiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shpPiflowacPilhbas.shp Διεύθυνσης ροής Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Παράγωγοι κάνναβοι Συγκέντρωσης ροής Υδρογραφικού δικτύου Απόστασης ροής (km) 1 2 4 8 16 32 64 128 0-1000 1000-5000 5000-7500 7500-10000 > 10000 ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΕΝΟ 0-4 4-7 7-10 10-13 13-16 16-19 19-22 22-25 25-28 5
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Λεκάνη Αράχθου στη θέση Τσίμοβο Εκτίμηση απορροής με τη χρήση ισοχρόνων καμπυλών Χρήσεις γης Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους Διεύθυνση ροής Ταχύτητες χερσαίας ροής (m/s) Τάξεις υδρογραφικού δικτύου κατά Strahler Συγκέντρωση ροής Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) 6
Παροχή m3/s Αριθμός κυττάρων Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) Χρόνοι απορροής (hr) 300 200 Μοναδιαίο υδρογράφημα 1h Ui m 3 /s =Ni * 0.01 m * 62500 m 2 / 3600 s Όγκος: 6.2 hm 3 (10 mm * 624 km 2 ) 1600 1200 Αριθμός κυττάρων που απορρέουν κάθε ώρα Σύνολο: 9988 Επιφάνεια: 62500 m 2 Έκταση: 624 km 2 800 100 400 0 0 5 10 15 20 Χρόνος (hr) 0 0 5 10 15 20 Χρόνος (hr) Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους Διάσταση: 250 m Αριθμός κυττάρων: 9988 7
Κλίσεις εδάφους Χρήσεις γης, Συντελεστής κ*100 8
Συντελεστής κ*100 Ταχύτητες χερσαίας ροής (m/s) V (m/s)=k*s (m/m) 1/2 9
Διεύθυνση ροής Συγκέντρωση ροής 10
Υδρογραφικό δίκτυο Κατώφλι κυττάρων: 1600 Κατώφλι κυττάρων: 400 Κατώφλι κυττάρων: 50 Υδρογραφικό δίκτυο Κατώφλι κυττάρων: 30 11
Τάξεις υδρογραφικού δικτύου κατά Strahler Ταχύτητες ροής υδρογραφικού δικτύου ανά τάξη (m/s) 1 0.8 2 1 3 1.2 4 1.4 Συνολικές ταχύτητες ροής (m/s) 12
Παροχή m3/s Αριθμός κυττάρων Χρόνοι απορροής (hr) 1600 1200 Αριθμός κυττάρων που απορρέουν κάθε ώρα Ni Σύνολο κυττάρων: 9988 Επιφάνεια κυττάρου: 62500 m 2 Έκταση: 624 km 2 800 400 0 0 5 10 15 20 Χρόνος (hr) 300 Ui m 3 /s =Ni * 0.01 m * 62500 m 2 / 3600 s Μοναδιαίο υδρογράφημα 1h Όγκος: 10 mm * 624 km 2 = 6.2 hm 3 200 100 0 0 5 10 15 20 Χρόνος (hr) 13
Παροχή m3/s Παροχή m3/s Παροχή (m3/s) 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 Παροχή m3/s 2000 1500 1000 500 0 Yδρογράφημα βροχής 30 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr 0 10 20 30 40 50 Χρόνος (hr) 2000 1500 Yδρογράφημα βροχής 12 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr 2000 1500 1000 Yδρογράφημα βροχής 21 ωρών σταθερής έντασης 10 mm/hr 1000 500 0 0 10 20 30 40 50-500 Χρόνος (hr) 500 0 0 10 20 30 40 50-500 Χρόνος (hr) Παρατηρημένο υετόγραμμα (15.5mm) Όγκος μοναδιαίου: 6.24 hm 3 Όγκος βροχής 15.5 mm: 9.77 hm 3 Καθαρή βροχή: (2.18/9.77)*15.5=3.5 mm 100 Παρατηρημένο υδρογράφημα Καθαρός όγκος απορροής: 2.18 hm 3 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Χρόνος (hr) 14
Παροχή (m3/s) 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 Καθαρό υετόγραμμα (3.5mm) Υπολογισμένο καθαρό υδρογράφημα (2.18 hm 3 ) 100 80 60 Παρατηρημένο καθαρό υδρογράφημα (2.18 hm 3 ) 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 Χρόνος (hr) Διάγραμμα υπολογισμού ταχυτήτων χερσαίας ροής (m/s) 15
Διάγραμμα υπολογισμού ταχυτήτων υδρογραφικού δικτύου (m/s) Διάγραμμα υπολογισμού χρόνων απορροής (s) 16
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Κατάρτιση μοναδιαίου υδρογραφήματος με κανναβικά δεδομένα DEM Πλήρωση βυθισμάτων DEM Κάναβος τραχύτητας εδάφους Κλίσεις εδάφους Ταχύτητα χερσαίας ροής Διεύθυνση ροής Ταχύτητα ροής υδρογραφικού δικτύου Κατώφλι Συγκέντρωση ροής Μήκος ροής Αθροιστικές ταχύτητες ροής Υδρογραφικό δίκτυο Αντιστροφή Βάρη Τιμές ταχύτητας Κατάταξη υδρογραφικού δικτύου Χρόνοι απορροής Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 Ιστόγραμμα Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Μέθοδος χρόνου- επιφάνειας LANDUSE DEM SLOPE OVERLAND FLOW FLOW DIRECTION CHANNEL FLOW VELOCITY FLOW ACCUMULATION STRAHLER ACCUM TIME 17
Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Υπολογισμός παροχής Σταθμοί βροχόπτωσης IDW Επιφανειακή κατανομή βροχόπτωσης Χρόνοι απορροής Pixel που απορρέουν σε 1, 2, 3 ώρες Pixel με χιλιοστά βροχής που δέχονται Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 Επεξεργασία πίνακα περιγραφικών χαρακτηριστικών Υπολογισμός παροχής Επαναληπτική διαδικασία Πλημμυρογράφημα Πίνακας Συνολικής Παροχής ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΓΠ Υπολογισμός παροχής ΣΤΑΘΜΟΙ ΕΠΙΦ. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΧΡΟΝΟΙ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗ ΣΕ 5h ΑΠΟΡΡΟΗ ΣΕ 5h με mm βροχής Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 ΠΛΗΜΜΥΡΟΓΡΑΦΗΜΑ 18
ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΣΓΠ Επίδραση συντελεστή τραχύτητας στο μοναδιαίο υδρογράφημα Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 Υδρολογικές εφαρμογές με τη χρήση GIS Επίδραση κατωφλίου στο μοναδιαίο υδρογράφημα Πηγή: Καββαδά Ο., Ανάλυση μεθόδων βροχής απορροής σε υδρολογικά μοντέλα με χρήση Σ.Γ.Π., Μεταπτυχιακή εργασία, ΕΜΠ, 2012 19
Μοντέλο Υδατικού Ισοζυγίου Λειτουργία του μοντέλου Κατακρήμνιση P Μέγιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία Τ min Ελάχιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία Τ min Δυνητική Εξατμοδιαπνοή E p Μέση θερμοκρασία T m Πραγματική Εξατμοδιαπνοή E p Ποσοστό αδιαπέρατης επιφάνειας ν Χωρητικότητα δεξαμενής εδαφικής υγρασίας Κ Απόθεμα δεξαμενής εδαφικής υγρασίας S Συντελεστής στείρευσης εδαφικής υγρασίας κ Συνολική απορροή Q Απόθεμα δεξαμενής υπόγειου νερού G Συντελεστής στείρευσης υπόγειου νερού λ Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ Περιοχή μελέτης Λεκάνη Κρεμαστών 20
Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ Δημιουργία επιφάνειας κατακρήμνισης με Kriging Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ Επιφάνεια θερμοκρασίας T i T c* H cell H T i θερμοκρασία στα κύτταρα της λεκάνης Τ Σ θερμοκρασία στο υψόμετρο του σταθμού H cell υψόμετρο κυττάρου από DTM Η Σ υψόμετρο σταθμού c θερμοβαθμίδα Επιφάνεια δυνητικής εξατμοδιαπνοής Υπολογισμός εξατμοδιαπνοής: Μέθοδος Penman Υπολογισμός επιφανειών: Γραμμική παλινδρόμηση με εξαρτημένη μεταβλητή την εξατμοδιαπνοή (E D) και ανεξάρτητες το υψόμετρο (Ζ) και τη θερμοκρασία (Τ m ) E D = -0.342*Z -0.0064*T m + 30.684 21
Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ Επιμερισμός κατακρήμνισης σε βροχόπτωση και χιονόπτωση T min 0 o C X=0 & R=P T max <0 o C X= P & R= 0 T min <0 o C & T max 0 o C X= Sc i *P & R= (1-Sc i )*P Sc i T T min T max min Κατακρήμνιση P Βροχόπτωση R Χιονόπτωση X Η Εφαρμογή στο ΣΓΠ Επιφάνεια τήξης χιονιού Τήξη χιονιού: SM DDF* Tm* ND Spro DDF παράγων βαθμοημερών σε mm/ o C/day Tm κάναβος μέσης θερμοκρασίας ND αριθμός ημερών μήνα Sπρο απόθεμα στην αρχή του μήνα Απόθεμα στο τέλος του μήνα =Απόθεμα στην αρχή του μήνα -Τήξη χιονιού 22