Μη μετρούμενες λεκάνες απορροής: Διερεύνηση στη λεκάνη του Πηνειού Θεσσαλίας, στη θέση Σαρακίνα Βασίλειος Γουργουλιός και Ιωάννης Ναλμπάντης ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΓΓΕΙΟΒΕΛΤΙΩΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Αθήνα, 14 & 15 Οκτωβρίου 2017
Αντικείμενο της εργασίας Μελέτη των επιπτώσεων της έλλειψης δεδομένων απορροής στην πρόβλεψη της απορροής σε μη μετρούμενες λεκάνες με εφαρμογή του μοντέλου PRMS στη λεκάνη του Πηνειού Θεσσαλίας στη θέση Σαρακίνα
Μη μετρούμενες λεκάνες απορροής (1/2) Ορισμός Λεκάνες απορροής χωρίς διαθέσιμες μετρήσεις. Ο όρος έχει επικρατήσει για δεδομένα απορροής. Πρωτοβουλία «Προβλέψεις σε Μη Μετρούμενες Λεκάνες απορροής» (Predictions in Ungauged Basin - PUB) Φορέας: International Association of Hydrological Sciences (IAHS) Γενικός στόχος: Διατύπωση και εκτέλεση επιστημονικών προγραμμάτων, για την επίτευξη προόδου στις υδρολογικές προβλέψεις σε μη μετρούμενες λεκάνες απορροής
Μη μετρούμενες λεκάνες απορροής (2/2) Πρωταρχικοί ερευνητικοί στόχοι (για μη μετρούμενες λεκάνες απορροής) Βελτίωση μοντέλων ώστε να προβλέπουν, με μειωμένη αβεβαιότητα, υδρολογικά μεγέθη Ανάπτυξη νέων και καινοτόμων μοντέλων που να βελτιώνουν την εμπιστοσύνη στις προβλέψεις Επιτεύγματα Ετερογένεια δεδομένων και διεργασιών Μοντέλα, ανάλυση αβεβαιότητας και διαγνώσεις Ταξινόμηση λεκανών απορροής και νέα θεωρία
Το μοντέλο PRMS (Precipitation - Runoff Modeling System) (1/2) Αιτιοκρατικό, κατανεμημένο, υδρολογικό μοντέλο φυσικής βάσης Χρήση: Προσομοίωση της απόκρισης μιας λεκάνης απορροής, κάτω από διάφορους συνδυασμούς κλίματος και κάλυψης γης Προϋποθέσεις εφαρμογής Διαχωρισμός λεκάνης απορροής σε Μονάδες Υδρολογικής Απόκρισης (Hydrological Response Units - HRUs) Ύπαρξη τουλάχιστον ενός σταθμού με ημερήσια δεδομένα βροχόπτωσης και ενός με ημερήσια δεδομένα μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας
Το μοντέλο PRMS (Precipitation - Runoff Modeling System) (2/2) Η προσομοίωση του υδρολογικού κύκλου χωρίζεται σε 17 διαδικασίες υδρολογικές (π.χ., δυνητική εξατμισοδιαπνοή, επιφανειακή απορροή) διαχειριστικές (π.χ., σύνοψη αποτελεσμάτων) Κάθε διαδικασία εκτελείται από μία ενότητα πηγαίου κώδικα (module). Για πολλές διαδικασίες υπάρχουν εναλλακτικές ενότητες.
Μεθοδολογία: Βαθμονόμηση μοντέλου Εκτελείται χειροκίνητα μέσα από μια σειρά επαναλαμβανόμενες προσομοιώσεις Αξιολόγηση της απόδοσης του μοντέλου με χρήση του συντελεστή επίδοσης των Nash και Sutcliffe (Nash-Sutcliffe Efficiency - NSE) NSE = 1 N t = 1 ( Q QS ) N ( ) 2 Qt Q t = 1 t t 2 όπου Q t είναι οι παρατηρημένη απορροή το μήνα t με μέση τιμή ίση με Q, QS t είναι η προσομοιωμένη απορροή και N είναι το πλήθος των παρατηρήσεων
Μεθοδολογία: Πείραμα μοντελοποίησης Εκτέλεση του PRMS για να αναγνωρισθούν οι «ευαίσθητες» παράμετροι, οι μη ευαίσθητες παίρνουν τις προκαθορισμένες τιμές τους Βαθμονόμηση / επαλήθευση μοντέλου χρησιμοποιώντας το συντελεστή NSE -η λεκάνη θεωρείται μετρούμενη- Δημιουργία N συνόλων παραμέτρων Οι «ευαίσθητες» παράμετροι θεωρούνται τυχαίες μεταβλητές που ακολουθούν την ομοιόμορφη κατανομή εντός των διαστημάτων που δίνονται από τους Markstrom et al. (2015) και παράγονται τυχαία χρησιμοποιώντας την προσομοίωση Monte Carlo. Οι «μη ευαίσθητες» παίρνουν τις προκαθορισμένες τιμές τους Εκτέλεση του μοντέλου N φορές και υπολογισμός ενός δείγματος από N συντελεστές NSE Στατιστική ανάλυση του δείγματος και σύγκριση με την τιμή του NSE στην επαλήθευση
Η υπό μελέτη λεκάνη απορροής Βρίσκεται στο υδατικό διαμέρισμα Θεσσαλίας Αποτελεί υπολεκάνη του Πηνειού ποταμού με έξοδο στον υδρομετρικό σταθμό στη θέση Σαρακίνα
Προετοιμασία δεδομένων για το PRMS: Γεωγραφικά δεδομένα Ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής μελέτης από την ΚΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ Α.Ε. Χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ArcMap) για όλες τις επεξεργασίες των γεωγραφικών δεδομένων Δημιουργία υδρογραφικού δικτύου και ισοϋψών καμπυλών Υπολογισμός μορφομετρικών χαρακτηριστικών της λεκάνης (μέγεθος, μέσο υψόμετρο) και δημιουργία υψομετρικής καμπύλης τιμές τους
Υψόμετρο (m) Υψομετρία 2500 και υδρογραφικό δίκτυο 2000 1500 1000 500 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% Ποσοστό έκτασης λεκάνης Μέσο υψόμετρο = 823.1 m Έκταση = 1076.1 km 2
Χάρτης κλίσεων εδάφους Τρεις κλάσεις κλίσης Γενίκευση χάρτη
Χάρτης κάλυψης γης Πηγή: CORINE 2000 Αντιστοίχιση κατηγοριών CORINE PRMS
Μονάδες υδρολογικής απόκρισης (HRUs) Τομή χάρτη κλίσεων και χάρτη κάλυψης γης
Προετοιμασία δεδομένων για το PRMS: Υδρολογικά δεδομένα Συλλογή δεδομένων μετρημένης μηνιαίας απορροής στην έξοδο της λεκάνης Συλλογή ημερήσιων βροχομετρικών δεδομένων Έλεγχος ομογένειας βροχομετρικών δεδομένων με τη μέθοδο της διπλής αθροιστικής καμπύλης Συλλογή δεδομένων ημερήσιας μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας Συμπλήρωση βροχομετρικών παρατηρήσεων όπου υπήρχε έλλειψη Εκτίμηση της χωρικά μέσης βροχόπτωσης (μέθοδος Thiessen)
Χάραξη πολυγώνων Thiessen
Αποτελέσματα: Περίπτωση μετρούμενης λεκάνης απορροής Εντοπισμός επτά «ευαίσθητων» παραμέτρων από τις 41 Βαθμονόμηση για την περίοδο από Οκτώβριο 1973 μέχρι 70 Σεπτέμβριο 60 1980 (7 υδρολογικά έτη) με το έτος 1972- Observed Simulated 1973 για 50 προθέρμανση, NSE=0.553 40 Επαλήθευση για την περίοδο από Οκτώβριο 1980 μέχρι 30 Σεπτέμβριο 1985, NSE=0.531 20 Αυτό υποδεικνύει 10 ένα επίπεδο ευρωστίας του μοντέλου, 0 παρόλο που η επίδοση του μοντέλου μπορεί να χαρακτηρισθεί ως χαμηλή Mean monthly flow rate (m 3 /s) Jul-72 Mar-73 Nov-73 Jul-74 Mar-75 Nov-75 Jul-76 Mar-77 Nov-77 Jul-78 Mar-79 Nov-79 Jul-80 Mar-81 Nov-81 Jul-82 Mar-83 Nov-83 Jul-84 Mar-85
Αποτελέσματα: Περίπτωση μη μετρούμενης λεκάνης απορροής Εκτελούνται τα υπόλοιπα βήματα του πειράματος μοντελοποίησης με πλήθος συνόλων ευαίσθητων παραμέτρων Πιθανότητα ίσο με 100 μη υπέρβασης NSE Διαφορά από τον NSE στην επαλήθευση (%) Υπολογίζονται 0.025 τα στατιστικά 0.201 χαρακτηριστικά -62.2 του NSE από τα 0.05 0.275-48.2 τρεξίματα το 0.1 μοντέλου για 0.305 τα 100-42.6 σύνολα παραμέτρων 0.25 0.324-39.0 Το μεγαλύτερο 0.5 μέρος των τιμών 0.364 του -31.5NSE είναι αρκετά κάτω 0.75 0.411-22.6 από την τιμή 0.9 του NSE που 0.462 λήφθηκε -12.9κατά την επαλήθευση, της 0.95 0.501-5.7 οποίας η πιθανότητα μη υπέρβασης είναι μεταξύ 0.95 και 0.975 0.579 9.0 0.975
Συμπεράσματα (1/2) Επιλέχθηκε σύνθετο μοντέλο φυσικής βάσης, (PRMS) Λόγος: Σε μη μετρούμενες λεκάνες απορροής, η δομή του μοντέλου πρέπει να αναπαριστά πιστά τις υδρολογικές διαδικασίες Το σύνολο των παραμέτρων χωρίσθηκε σε ευαίσθητες και μη ευαίσθητες, ανάλογα με την επίδρασή τους στην προσομοιωμένη απορροή. Λόγος: Να απλουστευθεί η επεξεργασία των παραμέτρων Εφαρμόσθηκε στοχαστική προσομοίωση μόνο στις ευαίσθητες παραμέτρους (επτά από 41).
Συμπεράσματα (2/2) Παρόλο που η επίδοση του μοντέλου στην περίπτωση μετρούμενης λεκάνης (στην επαλήθευση) ήταν αρκετά χαμηλή, αυτή αναμένεται να είναι στο άνω 5% της κατανομής της επίδοσης Εάν, στην περίπτωση μη μετρούμενης λεκάνης απορροής, εκτελεσθούν πολλαπλά τρεξίματα του μοντέλου, η διάμεση τιμή της επίδοσης του μοντέλου αναμένεται να είναι χαμηλότερη από την επίδοση του βαθμονομημένου μοντέλου κατά περίπου 34%. Επομένως, απαιτούνται περισσότερες πληροφορίες για να βελτιωθεί η επίδοση ενός μη βαθμονομημένου μοντέλου προτού επιχειρήσει κανείς να εκμεταλλευτεί προβλέψεις απορροής.
Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας!