Πληµµύρες και Αντιπληµµυρικά Έργα Υδρολογικό Μοντέλο HEC-HMS Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Ιούνιος 2007 Ορισµός-Κατηγορίες Μοντέλων Ορισµός Μοντέλου: Η Αναπαραγωγή της Συµπεριφοράς και Απόκρισης ενός Φυσικού Συστήµατος Μοντέλα Κατανεµηµένα ιαχωρισµός της λεκάνης σε µικρότερα τµήµατα Ενιαία ή Συγκεντρωτικά Ολόκληρηηλεκάνηαποτελείµία ενιαία χωρική οντότητα Μεµονωµένου υδρολογικού γεγονότος Λειτουργεί σε χρονικό επίπεδο επεισοδίου βροχής Συνεχή Λειτουργεί και εξάγει αποτελέσµατα σε συνεχή χρόνο (π,χ πολλάέτη) Προσδιοριστικά Καµία µεταβλητή δεν έχει στοχαστική δοµή Στοχαστικά Λαµβάνουν υπόψη τα στατιστικά χαρακτηριστικά των µεταβλητών Εννοιολογικά Βασίζονται σε απλουστευτικές παραδοχές του φυσικού συστήµατος Φυσικά Προσοµοιώνουν το σύστηµα µε βάση µαθηµατικές εξισώσεις της φυσικής Μαύρου κουτιού Απλές εξισώσεις (π.χ µοναδιαίο υδρογράφηµα) 1
Γνωστά Μοντέλα Επιφανειακή Υδρολογία HEC,, SWAT, WBUDG Υπόγεια Υδρολογία MODFLOW, FLOWPATH, MT3D HEC Hydrologic Engineering Center http://www.hec.usace.army.mil/ Οργανισµός του Ειδικού Σώµατος Μηχανικών του Στρατού που υπάγεται στο Ινστιτούτο Υδατικών Πόρων των ΗΠΑ. Ειδικοί σε θέµατα επιφανειακής και Υπόγειας Υδρολογίας, Υδραυλικής Ποταµών, Μεταφοράς Φερτών, Στατιστικής Υδρολογίας, Ανάλυσης ιακινδύνευσης, Ανάλυσης Συστηµάτων Ταµιευτήρων, Υδρολογικού Σχεδιασµού, ιαχείρισης Υδατικών Πόρων και άλλων συναφών Τεχνικών Αντικειµένων. Υποστηρίζει υπηρεσίες και εργαστήρια παρέχοντας τεχνικές µεθόδους και επιστηµονική καθοδήγηση σε θέµατα Υδατικών Πόρων. Προσφέρει στην έρευνα και ανάπτυξη και παρέχει τεχνική βοήθεια σε σηµαντικά έργα. Τα προϊόντα των εργασιών του είναι διαθέσιµα στο κοινό µέσω της ιστοσελίδας. 2
HMS Hydrologic Modeling System http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/ ΣυγκεντρωτικόήΚατανεµηµένο, Μεµονωµένου Υδρολογικού Γεγονότος ή Συνεχές, Εννοιολογικό. Σχεδιασµένο για την Προσοµοίωση των διαδικασιών βροχής-απορροής σε λεκάνες απορροής δενδριτικού τύπου. Εφαρµόζεται τόσο σε µεγάλες αγροτικές λεκάνες όσο και σε µικρές αστικές ή ηµιαστικές. Τα υδρογραφήµατα που παράγονται χρησιµοποιούνται για µελέτες: ιαθεσιµότητας νερού Πρόγνωσης πληµµυρών Συνεπειών µελλοντικής αστικοποίησης λεκάνης απορροής Σχεδιασµούς υπερχειλιστών φραγµάτων Σχεδιασµού αντιµετώπισης καταστροφών από πληµµύρες ιευθέτησης περιοχής κατάκλυσης πληµµύρας και ιαχείρισης συστηµάτων HMS (2) Hydrologic Modeling System http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/ Ένα µοντέλο λεκάνης κατασκευάζεται µετοδιαχωρισµό του υδρολογικού κύκλου σε συνιστώσες και µε ορισµό οριακών συνθηκών σε αυτή. Κάθε συνιστώσα του υδρολογικού κύκλου αναπαρίσταται µεέναµαθηµατικό µοντέλο Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι αρκετές οι επιλογές του χρήστη για την προσοµοίωση της κάθε συνιστώσας. Η υιοθέτησητηςπιο κατάλληλης είναι απόρροια της γνώσης του φυσικού συστήµατος, τωνστόχωντης υδρολογικής µελέτηςκαθώςκαιτηςκρίσηςκαιεµπειρίας του ερευνητή Το πρόγραµµα περιλαµβάνει µία βάση δεδοµένων, δέχεται δεδοµένα εισόδου και εξάγει αποτελέσµατα µε χρήσηδιάφορωνενσωµατωµένων εργαλείων. Το interface επιτρέπειτηνεύκοληεναλλαγήανάµεσα στα διάφορα µέρη-εφαρµογές του προγράµµατος. 3
Φυσική Περιγραφή Λεκάνης Απορροής Οι υπολογισµοί ξεκινούν από τα ανάντη προς τα κατάντη Εκτίµηση αρχικών Απωλειών: Initial constant (δείκτης φ) SCS Curve Number Gridded SCS Curve Number Exponential (εκθετική συνάρτηση του χρόνου) Green-Ampt. Υπολογισµός Επιφανειακής Απορροής: Μοναδιαίο Υδρογράφηµα Snyder SCS Οριζόµενο από το χρήστη Βασική Ροή: Recession method (εκθετικά µειούµενη) Σταθερή ροή Linear reservoir method (εκφόρτιση διηθούµενου νερού στο υδατόρρευµα µε διατήρηση µάζας ιόδευση: Lag method (µέθοδος καθυστέρησης όχι εξασθένιση πληµµυρικού κύµατος) Muskingum Κινηµατικό κύµα Muskingum-Cunge Φυσική Περιγραφή Λεκάνης Απορροής (2) Βροχόπτωση Παρατηρηµένα Υετογράµµατα Σταθµών για κάθε υπολεκάνη Απόδοση Βαρών στους Σταθµούς (Thiessen, Id) για κάθε λεκάνη Απόδοση τιµής σε κάθε στοιχείο του καννάβου (gridded method). Απαιτούνται βροχοµετρικά δεδοµένα από radar Συνθετικά Υετογράµµατα µε βάση στατιστικές µεθοδολογίες υνητική Εξατµισοδιαπνοή Μέθοδος Priestley Taylor µε ενσωµάτωση φυτικού συντελεστή Μέθοδος gridded Priestley Taylor Υδρολογική Προσοµοίωση Καθορισµός ηµεροµηνίας και ώρας έναρξης και λήξης επεισοδίου, καθώς και χρονικού διαστήµατος υπολογισµών Ηεκτέλεσητουπρογράµµατος γίνεται µε συνδυασµό τουµοντέλου λεκάνης, του µετεωρολογικού µοντέλου και καθορισµούςελέγχουαπότοχρήστη Καθορισµός Παραµέτρων οκιµές βελτιστοποίησης παραµέτρων για επιτυχή προσοµοίωση. ιάφορες αντικειµενικές συναρτήσεις ενσωµατώνονται για την αξιολόγηση της επιτυχίας προσαρµογής των προσοµοιωµένων στα παρατηρηµένα δεδοµένα. 4
Επιφανειακή Απορροή Μέθοδος της SCS Αριθµός καµπύλης CN Εξαρτάται από: Εδαφική ιαπερατότητα Εδαφοκάλυψη Συνθήκες Υγρασίας SCS: Soil Conservation Service S: max κατακράτηση εδάφους Qsurf: επιφανειακή απορροή Rday: βροχόπτωση Αριθµοί Καµπύλης CN Κατηγορία εδάφους Χρήση γης Υδρολογική κατάσταση A B C D Καλλιέργειες Φτωχή 72 81 88 91 Μέτρια 67 76 83 86 Καλή 62 71 78 81 Βοσκότοπος Φτωχή 68 79 86 89 Μέτρια 49 69 79 84 Καλή 39 61 74 80 άσος Φτωχή 45 66 77 83 Μέτρια 36 60 73 79 Καλή 25 55 70 77 ρόµος (χώµα) - 72 82 87 89 ρόµος (σκληρή επιφάνεια) - 74 84 90 92 Μέσο CN λεκάνης Τσιµόβου: CN = 0.16*83 + 0.26*79 + 0.58*73 = 76 Οι συντελεστές δηλώνουν τα ποσοστά των χρήσεων γης στη λεκάνη, ενώ επιλέχτηκαν τα CN για τύπο εδάφους C(φλύσχης) και για µέτρια υδρολογική κατάσταση 5
Σύνδεση Μοντέλου HMS µε ΣΓΠ HEC-GeoHMS (Geospatial Hydrologic Modelling System) http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-geohms/index.html Εργαλείο Γεωγαφικών Συστηµάτων Πληροφοριών που αξιοποιεί τοπογραφικά δεδοµένα και γεωµετρικούς αλγόριθµους για το σχηµατισµό της λεκάνης απορροής Πακέτο Λογισµικού συµβατό µε το ArcView που προετοιµάζει τα δεδοµένα εισόδου για τη µοντελοποίηση µε το HEC -HMS Ανάλυση Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους Υπολογισµός Γεωµετρικών Στοιχείων Λεκάνης (µήκη υδατορευµάτων, κλίσεις κλπ). Τα όρια της λεκάνης και ο σχηµατισµός του υδρογραφικού δικτύου µετατρέπονται σε ένα σύστηµα υδρολογικών δεδοµένων που αναπαριστά την απόκριση της λεκάνης στη βροχόπτωση Παρέχει ένα ολοκληρωµένο περιβάλλον εργασίας GIS µε εργαλεία κουµπιά menus Επιτρέπει στο χρήστη να ορίσει τα σηµεία µετρητικών σταθµών υδραυλικών κατασκευών ή άλλων σηµείων ελέγχου. Τα αποτελέσµατα εισάγονται στο HEC-HMS για την τελική προσοµοίωση Στάδια Μοντελοποίησης Επεξεργασία εδοµένων Εισόδου (χαρτών, κλιµατικών χρονοσειρών κ.λ.π.).) Σχηµατοποίηση Λεκάνης Απορροής (watershed delineation) στο HEC- GeoHMS Συµπλήρωση Παραµέτρων Αρχείων Προγράµµατος HEC-HMS HMS (parameterization) Εκτέλεση (run) Ρύθµιση (calibration). Μεταβολή παραµέτρων του µοντέλου µε σκοπό τη σύγκλιση προσοµοιωµένων και παρατηρηµένων πληµµυρογραφηµάτων. Επαλήθευση (validation). Σύγκριση ενός ανεξάρτητου set πληµµυρογραφηµάτων µε τα αντίστοιχα του µοντέλου χωρίς περαιτέρω µεταβολή των παραµέτρων. Αξιολόγηση (verification) verification). ιερεύνηση της τεχνικής που ακολουθείται από τον κώδικα του προγράµµατος για τις µεταβολές αυτές ώστε να επιβεβαιωθεί ότι προκύπτουν µε αξιοπιστία - Αποφυγή λανθασµένης προσαρµογής του µοντέλου στην πραγµατικότητα. 6
Υδρολογική Λεκάνη Αράχθου Ήπειρος Τσίµοβο Περιοχή Μελέτης Υπολεκάνη Τσιµόβου Κριτήρια Επιλογής Στο υδατικό διαµέρισµα της Ηπείρου συµβαίνουν έντονα µετεωρολογικά και υδρολογικά φαινόµενα Ποιότητα διαθέσιµων δεδοµένων (βροχοπτώσεις, σταθµηγραφήµατα, καµπύλες στάθµης- παροχής) Υπολεκάνη Τσιµόβου Αποτελεί το ανάντη τµήµα της λεκάνης του Αράχθου Η µέση ετήσια βροχόπτωση είναι 1800 mm Έχει έκταση 640 km 2 µε µεταβολή υψοµέτρου 352 2279m, ενώ το µέσο υψόµετρο είναι 1021m Το µήκος ποταµού είναι 40 km µε µέση ετήσια παροχή 18 m 3 /s (1965-2003) Τα έντονα επεισόδια βροχής σε συνδυασµό µε τα αδιαπέρατα εδάφη και τις µεγάλες κλίσεις προκαλούν σηµαντικές παροχές στη θέση Τσίµοβο κατά τη διάρκεια του έτους. 7
Χωρικά εδοµένα Χάρτης Χρήσεων Γης Βοσκότοποι: 168 km 2 26% Καλλιεργήσιµη γη: 102 km 2 16% άση: 369 km 2 58% Urban: 0,7 km 2 0,1% Χωρικά εδοµένα (2) Γεωλογικός Χάρτης Αλλούβια: 8 km 2 1% Οφιόλιθοι: 5 km 2 1% Φλύσχης: 518 km 2 81,5% Ασβεστόλιθοι: 77 km 2 12% Πυριγενή πετρώµατα: 4 km 2 0,5% Κερατόλιθοι: 28 km 2 4% 8
Βροχοµετρική πληροφορία Απαιτούνται ωριαία ή και αναλυτικότερα (µέχρι 10λεπτα λεπτα) δεδοµένα βροχής ύοβροχογράφοιστηλεκάνη(ελατοχώρι και Μικρό Περιστέρι) µε δεδοµένα σε ωριαίο χρονικό βήµα Οι µετρηµένες παροχές στην έξοδο (Τσίµοβο) είναι επίσης διαθέσιµες σε ωριαία βάση Στόχοι Επιτυχής προσοµοίωση επιλεγµένων πληµµυρογραφηµάτων στη θέση Τσίµοβο Αναγνώριση των καλύτερα προσαρµοζόµενων υδρολογικών µεθόδων για τα διάφορα µέρη της προσοµοίωσης Συµπεράσµατα για το υδρολογικό καθεστώς στη λεκάνη (αρχικές απώλειες, επιφανειακή απορροή βασική ροή κ.λ.π.) στην υγρή και ξηρή περίοδο Σύγκριση Αδροµερούς και Ηµικατανεµηµένου Μοντέλου 9
Σύγκριση Αδροµερούς και Ηµικατανεµηµένου Μοντέλου Λεκάνης Τσιµόβου Συχνά Προβλήµατα Εφαρµογής του Μοντέλου HMS σε Ελληνικές Λεκάνες Λίγα εδοµένα Παρατηρήσεων στο Χώρο και στο Χρόνο Κακής Ποιότητας εδοµένα (Βροχογραφήµατα Σταθµηγραφήµατα) Σχεδόν αδύνατη η εφαρµογή του σε κατανεµηµένη µορφή (έλλειψη δεδοµένων βροχής από radar) Αποτέλεσµα: Εισαγωγή Μεγάλης Αβεβαιότητας στη Μοντελοποίηση 10
Προβλήµατα στην Αποκωδικοποίηση της Βροχής Σενάρια - Έρευνα Αλλαγή στη Χρήση Γης Αλλαγές στο Είδος Φυτοκάλυψης Αλλαγή στις Πρακτικές ιαχείρισης της Γης Αστικοποίηση Αποδάσωση Ανθρωπογενείς Παρεµβάσεις Κατασκευές Κλιµατική Αλλαγή ; 11
Κριτήρια Επιλογής Μοντέλου Σκοπός Κατασκευής Επιστηµονική Εγκυρότητα Παρελθόν Χωρική Ανάλυση ιακριτοποίηση Χρονική Ανάλυση (ωριαίο, ηµερήσιο, µηνιαίο κ.τ.λ.).) Απαιτήσεις σε εδοµένα Ικανότητες Χρηστών Κόστος Εφαρµογής Ικανότητα στην Ανάπτυξη Σεναρίων Καταλληλότητα ανά ευρύτερη περιοχή 12