Υ ΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 1 1. Υδρολογική ανάλυση Η ποσότητα και η ποιότητα υδρολογικών δεδοµένων που διατίθενται για επεξεργασία καθορίζει τις δυνατότητες και τη διαδικασία που θα ακολουθηθεί, ώστε να γίνει δυνατή η εξαγωγή του µέγιστου δυνατού ποσοστού περιεχόµενης πληροφορίας από τα δεδοµένα. Η καθιερωµένη στην επαγγελµατική πράξη ανάλυση υδρολογικών δεδοµένων περιλαµβάνει διερευνητική στατιστική επεξεργασία, επεξεργασία χρονοσειρών, χωρική και πολυδιάστατη στατιστική ανάλυση και διάφορες εξειδικευµένες µεθοδολογίες για τη συµπλήρωση των χρονοσειρών δεδοµένων. Τα ζητούµενα είναι η µελέτη της διακύµανσης των υδρολογικών µεταβλητών, η ανίχνευση τάσεων, περιοδικοτήτων και εµµονής και η συσχέτιση οµοειδών µεταβλητών µετρηµένων σε διάφορους σταθµούς ή και διαφόρων µεταβλητών µε σκοπό την εκτίµηση σχέσεων µεταξύ των διαφόρων παραµέτρων. Η µεθοδολογία που έχει καθιερωθεί είναι επαρκώς τεκµηριωµένη θεωρητικά και είναι διαθέσιµος µεγάλος αριθµός κατάλληλων πακέτων λογισµικού. Το διαθέσιµο λογισµικό διακρίνεται σε τρείς κατηγορίες: 1. Εµπορικό λογισµικό γενικής χρήσεως. Επιτρέπει µεγάλο αριθµό αναλύσεων και ελέγχων που ζητούνται από πολλές διαφορετικές επιστήµες. Σαν παράδειγµα αναφέρουµε τα πακέτα: «EXCEL», «STATISTICA», «STATGRAF», «SPSS», «SAS». Το λογισµικό αυτής της κατηγορίας έχει το πλεονέκτηµα οτι είναι ευρέως διαδεδοµένο και συνήθως διαθέσιµο και το µειονέκτηµα ότι ενώ επιτρέπει συνήθως πολλούς τύπους χειρισµού των δεδοµένων και αναλύσεων που δεν είναι όλοι απαραίτητοι στην Υδρολογία, δεν επιτρέπει την εφαρµογή κάποιων εξειδικευµένων υδρολογικών αναλύσεων, εκτός ίσως µετά από προγραµµατισµό. 2. Λογισµικό από µεγάλες υπηρεσίες, οργανισµούς και πανεπιστήµια για εξειδικευµένες υδρολογικές αναλύσεις όπως τα CFA (Consolidated Frequency Analysis), HECFFA (HEC - Flood Frequency Analysis), Frequency and Risk Analyses in Hydrology. Το λογισµικό αυτό, συνήθως επιτρέπει την εφαρµογή πολλών εξειδικευµένων αναλύσεων της Υδρολογίας, αλλά δεν έχει την επεκτασιµότητα και ευκολία χρήσεως των εµπορικών προγραµµάτων. 3. Εξειδικευµένα προγράµµατα για ειδικές εφαρµογές στην υδρολογική έρευνα και την αντιµετώπιση ειδικών τοπικών προβληµάτων, που γίνονται από τους ενδιαφερόµενους φορείς. Τέτοια παραδείγµατα είναι το λογισµικό «WATER-MONITOR» που κατασκευάστηκε από τον ΤΥΤΠ για το Υπουργείο Μακεδονίας Θράκης (Ελεγχος τηλεµετρικών σταθµών, βάση δεδοµένων, ανάλυση δεδοµένων και αυτοµατοποιηµένη σύνθεση εκθέσεων) και τα προγράµµατα «SEC_xx» του ΤΥΤΠ που κάνουν εξειδικευµένους ελέγχους και αναλύσεις για τον προσδιορισµό των χαρακτηριστικών της ξηρασίας στον ελληνικό χώρο. Τα προγράµµατα αυτά είτε είναι εξαιρετικά εξειδικευµένα, είτε είναι σε µορφή τέτοια που µόνο οι συντάκτες τους και οι συνεργάτες τους µπορούν να χρησιµοποιήσουν. Σήµερα η πλέον προωθηµένη ανάλυση δεδοµένων χρησιµοποιεί µεθόδους που βασίζονται στην υδρολογική σύνθεση και προσοµοίωση, µε το σκεπτικό οτι όταν κανείς έχει τη δυνατότητα παραγωγής τεχνητών δεδοµένων που επαληθεύουν επιτυχώς το συγκεκριµένο φυσικό φαινόµενο,
2 σηµαίνει οτι έχει καλή γνώση των στατιστικών και στοχαστικών χαρακτηριστικών των παραµέτρων του φαινοµένου. Ακόµη, η παραγωγή τεχνητών δεδοµένων, µπορεί σε κάποιο βαθµό να καλύψει την έλλειψη πραγµατικών δεδοµένων. 2. Υδρολογική σύνθεση και προσοµοίωση Η σύνθεση και η προσοµοίωση είναι τα µέσα µε τα οποία οι υδρολόγοι µηχανικοί µπορούν να αντιµετωπίσουν το πρόβληµα της ανεπάρκειας υδρολογικών δεδοµένων και τη δοκιµή αρκετών εναλλακτικών λύσεων στις µελέτες υδατικών πόρων. Σαν σύνθεση δεδοµένων εννοούµε την παραγωγή τεχνητών δεδοµένων. Η σύνθεση στηρίζεται στις στατιστικές ιδιότητες υφιστάµενων υδρολογικών δεδοµένων και τα νέα δεδοµένα που παράγονται έχουν τα ίδια στατιστικά χαρακτηριστικά µε τα πραγµατικά που χρησιµοποιήθηκαν σαν αφετηρία, µε στόχο την επέκτασή των σειρών, ή και διαφορετικά αν τα αλλάξουµε σκόπιµα µε στόχο την δοκιµή διαφόρων σεναρίων. Η προσοµοίωση είναι µια µαθηµατική περιγραφή της συµπεριφοράς ενός συστήµατος υδατικών πόρων και η αντίδρασή του σε υδρολογικά γεγονότα, για µια συγκεκριµένη χρονική περίοδο. Οι στόχοι της υδρολογικής προσοµοιώσεως είναι γενικά οι ακόλουθοι: 1. Εκτίµηση του υδατικού ισοζυγίου και προσοµοίωση της διαχρονικής εξελίξεως των υδατικών αποθεµάτων, ανάλογα και µε την προβλεπόµενη ή πραγµατοποιούµενη χρήση τους. 2. Εκτίµηση των απωλειών νερού και δοκιµές για περιορισµό αυτών των απωλειών µε κατασκευή τεχνικών έργων ή ρύθµιση των χρήσεων γης. 3. Εκτίµηση της τροφοδοσίας του υπόγειου υδροφορέα, φυσικής και τεχνητής, και δοκιµές για τη βελτίωσή της. 4. Εκτίµηση της διαβρώσεως του εδάφους και µεταφοράς στερεών υλικών. 5. Εκτίµηση της επικινδυνότητας πληµµύρας κατά υποπεριοχή και εντοπισµός των ευαίσθητων περιοχών για ακαριαίες πληµµύρες. 6. Εκτίµηση της ρυπάνσεως και µεταφοράς/διασποράς ρυπαντών από σηµειακές και µη σηµειακές πηγές ρυπάνσεως. 7. Βελτιστοποίηση της χρήσεως των επιφανειακών υδατικών πόρων, σε συνδυασµό µε τους υπόγειους υδατικούς πόρους, και διάφορα σενάρια αναπτύξεως της περιοχής. 8. Επανασχεδίαση του δικτύου υδρολογικών και µετεωρολογικών µετρήσεων Η µελέτη υδρολογικών συστηµάτων µε τη βοήθεια των ηλεκτρονικών υπολογιστών οδηγεί σε µια συνεχή εξέλιξη των µοντέλων προσοµοίωσης, των οποίων η κατάταξη σε διαφόρους τύπους κρίθηκε σκόπιµη λόγω της µεγάλης ποικιλίας τους. Έτσι, τα µοντέλα διακρίνονται σε: (i) Συνεχή και διακριτά όταν τα παρατηρούµενα συστήµατα µελετώνται σε συνεχή ή διακριτά χρονικά διαστήµατα.
(ii) υναµικά και στατικά όταν παρατηρούνται ή όχι αλλαγές στις διαδικασίες του συστήµατος µε την πάροδο του χρόνου. 3 (iii) Περιγραφικά και εννοιολογικά όταν προσεγγίζουν ένα σύστηµα µε εµπειρικό τρόπο ή απλά µεταφράζουν τα φαινόµενα φυσικών διαδικασιών. (iv) Προσδιοριστικά (HEC-1, HEC-5, HEC-HMS, SLURP, SHE, CEQUEAU) και στοχαστικά (µοντέλα τύπου ARMA, LAST) ανάλογα µε τον τύπο των µεταβλητών που υπεισέρχονται στο πρόβληµα και των µεταξύ των σχέσεων. (v) Μοντέλα καθολικών (SLURP) και µοντέλα κατανεµηµένων παραµέτρων (SHE, CEQUEAU) ( ή «συγκεντρωτικά» και «κατανεµηµένα» µοντέλα) ανάλογα µε τη χωρική µεταβολή των παραµέτρων τους. Τα συγκεντρωτικά µοντέλα είναι απλούστερα και σύνήθως σηµειακά, ενώ τα κατανεµηµένα διαχωρίζουν την περιοχή όπου εφαρµόζονται σε «κελιά» µε την εφαρµογή ενός αυθαιρέτου καννάβου, και εξετάζουν την εξέλιξη του υδρολογικού ισοζυγίου σε κάθε κελί χωριστά και κατόπιν τις αλληλεπιδράσεις των καλιών που γειτονεύουν. (vi) Μοντέλα προσοµοίωσης γεγονότων (HEC-1, HEC-HMS) και συνεχή µοντέλα (SLURP, SHE, CEQUEAU) ανάλογα µε το µέγεθος της χρονικής κλίµακας µελέτης. (vii) Μοντέλα τύπου µαύρου κουτιού και µοντέλα αποµίµησης κατασκευών ανάλογα µε την αναλυτική διαδικασία του συστήµατος. Οι σύγχρονες τάσεις στην ανάπτυξη υδρολογικών µοντέλων είναι οι ακόλουθες: 1. Εφαρµογή των µοντέλων σε µικροϋπολογιστές ή σταθµούς εργασίας µε υποστήριξη περιφερειακών και σύγχρονη τεχνολογία δικτύων (Ψηφιοποιητές, οπτικούς σαρωτές, κάρτες αναλογικής ψηφιακής µετατροπής, δικτυα επικοινωνιών, οθόνες υψηλής αναλύσεως, γραφικούς εκτυπωτές, σχεδιογράφους κλπ.) 2. Σύνδεση των µοντέλων µε βάσεις δεδοµένων. 3. Εφαρµογή των µοντέλων επάνω σε υπόβαθρο γεωγραφικών συστηµάτων πληροφοριών. 4. Εφαρµογές «πραγµατικού χρόνου» µε αξιοποίηση τηλεπισκοπήσεως και τηλεµετρίας. 5. Σύνθεση των µοντέλων από ενότητες (modules) διαφόρων κατηγοριών µοντέλων (στοχαστικά, εµπειρικά κλπ) για την αντιµετώπιση µεγαλυτέρου εύρους προβληµάτων. 6. Αξιοποίηση των σύγχρονων λειτουργικών συστηµάτων (MS-WINDOWS, X-WINDOWS) για απλοποίηση της εκµαθήσεως και χρήσεως των µοντέλων. Σχετικά µε τα παραπάνω πρέπει να σηµειωθεί οτι τα «γενικής χρήσεως» λογισµικά αναπτύξεως εφαρµογών βάσεων δεδοµένων και γεωγραφικών συστηµάτων πληροφοριών δεν έχουν αποδώσει πολύ καλά αποτελέσµατα σε υδρολογικές εφαρµογές και πολλοί οργανισµοί και ερευνητικά κέντρα, µεταξύ των οποίων και ο ΤΥΤΠ, αναπτύσσουν εξειδικευµένες εφαρµογές στους τοµείς αυτούς, ανάλογα µε τις εξειδικευµένες υδρολογικές ανάγκες.
ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΑ Υ ΡΟΛΟΓΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 4 ΣΧΗΜΑΤΙΚΑ Υ ΡΟΛΟΓΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ
Κατακρηµνίσεις 5 T>Tc ιόρθωση µε βάση την νεφοκάλυψη από δορυφορικές εικόνες T Tc Εξάτµιση ιορθωµένες κατακρηµνίσεις Εξάτµιση Χιόνι Χιόνι Μεταβολή µε βάση την τήξη του χιονιού ιορθωµένες κατακρηµνίσεις Μεταβολή µε βάση την χιονοκάλυψη Επιφάνεια Επιφάνεια Υπέδαφος Υπέδαφος Απορροή Απορροή ιάγραµµα ροής του µοντέλου SLURP ΤΟ Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ CEQEAU