Ημερίδα Ερευνητικού Προγράμματος ΔΕΥΚΑΛΙΩΝ «Εκτίμηση πλημμυρικών ροών στην Ελλάδα σε συνθήκες υδροκλιματικής μεταβλητότητας: Ανάπτυξη φυσικά εδραιωμένου εννοιολογικού πιθανοτικού πλαισίου και υπολογιστικών εργαλείων» Τετάρτη 2/7/2014, Μουσείο Γουλανδρή Φυσικής Ιστορίας Μοντέλα υδρολογικής προσομοίωσης και πρόγνωσης Αντώνης Δ. Κούσης, Πολιτικός Μηχανικός, Dr. Ing., Δ/ντής Ερευνών ΕΑΑ Ανδρέας Ευστρατιάδης, Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, ΕΔΙΠ ΕΜΠ
Από τον υδρολογικό σχεδιασμό με μοντέλα επεισοδίου στα μη γραμμικά στοχαστικά μοντέλα συνεχούς προσομοίωσης Προσομοίωση επεισοδίου (υπόθεση: Τ πλημμύρας = Τ βροχής ) Συνεχής προσομοίωση (στατιστική εκτίμηση μεγεθών σχεδιασμού) Εκτίμηση ολικού και επιμέρους ύψους βροχής μέσω της όμβριας καμπύλης Κατάρτιση καταιγίδας σχεδιασμού Εκτίμηση ενεργού βροχόπτωσης, για δεδομένες συνθήκες αρχικής εδαφικής υγρασίας Διόδευση πλημμυρικής απορροής μέσω μοναδιαίου υδρογραφήματος Προσθήκη βασικής ροής Υδρογράφημα σχεδιασμού Παραγωγή συνθετικών χρονοσειρών εισόδου (βροχόπτωση, δυνητική εξατμοδιαπνοή), μεγάλου μήκους Αναπαράσταση υδρολογικών διεργασιών λεκάνης απορροής Παραγωγή χρονοσειρών παροχής Στατιστική ανάλυση δείγματος ετήσιων μέγιστων παροχών Πιθανοτική εκτίμηση παροχής σχεδιασμού για δεδομένη περίοδο επαναφοράς της πλημμύρας
Το υπολογιστικό σύστημα γεω υδρολογικής προσομοίωσης Υδρόγειος (έκδοση 3 beta) Πεδίο εφαρμογής: λεκάνη απορροής Χρονικό βήμα: μηνιαίο, ημερήσιο, ωριαίο («συνεχής» προσομοίωση) Αναπαράσταση διεργασιών και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων: στην επιφάνεια του εδάφους και την ακόρεστη ζώνη στον υδροφορέα (κορεσμένη ζώνη) στο υδρογραφικό δίκτυο στο ανθρωπογενές περιβάλλον (υδροσύστημα) Χωρικέςσυνιστώσεςμοντέλου: Εδαφικό σύστημα (υπολεκάνες, κόμβοι & κλάδοι υδρογραφικού δικτύου) Μονάδες υδρολογικής απόκρισης Κύτταρα υδροφορέα και θέσεις εκφόρτισης (υπόγειες διαφυγές, πηγές) Θέσεις ζήτησης και απόληψης νερού, έργα μεταφοράς Βασικό πλεονέκτημα: περιγράφεται ο πλήρης υδρολογικός κύκλος Βασικό μειονέκτημα: πολλές παράμετροι που απαιτούν βαθμονόμηση
Υδρόγειος: Χαρακτηριστικές φόρμες διαχείρισης γεωγραφικών και υδρολογικών δεδομένων ΗΥδρόγειος, καθώς και οι υπόλοιπες υπολογιστικές εφαρμογές που αναπτύχθηκαν, είναι διαθέσιμα μέσω της ιστοσελίδας του έργου Δευκαλίων: http://deucalionproject.gr/
Υδρόγειος: Εννοιολογικό μοντέλο περιγραφής υδρολογικών διεργασιών Άμεση απορροή πάνω στην επιφάνεια του εδάφους, λόγω εξάντλησης της διηθητικής του ικανότητας (Horton) Απορροή με μορφή υπερχείλισης, λόγω κορεσμού του εδάφους σε υγρασία Υποδερμική ροή, διαμέσου της ακόρεστης ζώνης Βασική απορροή από την εκφόρτιση πηγών εντός της υπολεκάνης Εξατµοδιαπνοή βλάστησης e Ct Άµεση εξάτµιση e Dt Μέγιστη διηθητικότητα 0 i Βροχόπτωση p t Κατακράτηση s 1t ιήθηση i t Εδαφική εξατµοδιαπνοή e Πραγµατική St εξατµοδιαπνοή e t Ανώτερη ακόρεστη ζώνη, χωρητικότητας k Αποθήκευση υγρασίας s 2t Στάθµη παραγωγής υποδερµικής ροής k Η Ποσοστό διήθησης που καταλήγει στην κατώτερη ζώνη β Αποθήκευση Εξατµοδιαπνοή υγρασίας s 3t κατώτερης ζώνης e Lt Κατείσδυση g t Χωρητικότητα κατακράτησης r Άµεση απορροή q Dt Απορροή λόγω κορεσµού q St ιόδευση µέσω γραµµικού ταµιευτήρα Συντελεστής εκφόρτισης κ Υποδερµική ροή q Ht Συνολική απορροή q t Συντελεστής στείρευσης λ Βασική απορροή Συντελεστής στείρευσης µ
Εφαρμογή στη λεκάνη του Νέδοντα: Σχηματοποίηση και παραμετροποίηση μοντέλου Νέδουσα Αλαγονία Λατομείο Μπάκα Καρβελιώτης Ψηφιακό μοντέλο εδάφους Σημεία συμβολής και μέτρησης Υδρογραφικό δίκτυο & υπολεκάνες Κλάσεις περατότητας Κλάσεις φυτοκάλυψης Μονάδες υδρολογικής απόκρισης (2 2=4)
Εφαρμογή στη λεκάνη του Νέδοντα: Προσαρμογή μοντέλου στα παρατηρημένα δείγματα ωριαίων παροχών Παροχή στον σταθμό Καρβελιώτη (m 3 /s) 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 Καρβελιώτης Προσομοιωμένη Παροχή στον σταθμό Αλαγονίας (m 3 /s) 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 Αλαγονία Προσομοιωμένη 0.0 0.0 Παροχή στον σταθμό Λατομείο Μπάκα (m 3 /s) 50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Λατομείο Μπάκα Προσομοιωμένη Περίοδος προσομοίωσης: 1/9/2011 13/2/2014 Περίοδος βαθμονόμησης: 17/12/2011 30/6/2012
Εφαρμογή στη λεκάνη του Σαρανταπόταμου: Σχηματοποίηση και παραμετροποίηση μοντέλου Ψηφιακό μοντέλο εδάφους Υδρογραφικό δίκτυο & υπολεκάνες Οινόη Γύρα Στεφάνης Μονάδες υδρολογικής απόκρισης (διαχωρισμός σε δύο κατηγορίες, με όριο την τιμή CN = 50)
Εφαρμογή στη λεκάνη του Σαρανταπόταμου: Προσαρμογή μοντέλου στα παρατηρημένα δείγματα ωριαίων παροχών Παροχή στον σταθμό Γύρα Στεφάνης (m 3 /s) Παροχή στον σταθμό Οινόης (m 3 /s) 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Γύρα Στεφάνης Οινόη Προσομοιωμένη Προσομοιωμένη Περίοδος προσομοίωσης: 1/10/2011 30/4/2014 Περίοδος βαθμονόμησης: 13/12/2011 30/4/2013 Παροχή στη Γύρα Στεφάνης (m 3 /s) 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 20/2/13 0:00 21/2/13 0:00 22/2/13 0:00 23/2/13 0:00 Προσομοιωμένη 24/2/13 0:00 25/2/13 0:00 26/2/13 0:00 0.5 0.0 Προσομοίωση παροχών 20 25/2/2013
Προσομοίωση επεισοδίου πλημμύρας 22 23/2/2013 στη λεκάνη του Σαρανταπόταμου Εφαρμογή αριθμητικού μοντέλου καιρού WRF σε τρία επάλληλα πλέγματα, χωρικής διακριτότητας 18 18, 6 6 και 2 2 km, αντίστοιχα. Προσομοίωση βροχόπτωσης με διαφορετικό χρόνο έναρξης (και άρα διαφορετικές αρχικές συνθήκες) και ίδιο χρόνο λήξης (άρα διαφορετική διάρκεια), που καλύπτει το σύνολο του επεισοδίου. Παραγωγή οκτώ διαδοχικών (ανά 6 h) σεναρίων πρόγνωσης, από 20/2/13 00:00 έως 21/2/13 18:00. Εκτίμηση σημειακής βροχόπτωσης στους σταθμούς Βίλια, Πράσινο και Μάνδρα, ως σταθμισμένου μέσου όρου των εγγύτερων κόμβων του πλέγματος. Αντικατάσταση «παρατηρημένων» τιμών επιφανειακής βροχόπτωσης υπολεκανών από τις αντίστοιχες προγνώσεις, για την παραγωγή σεναρίων πρόγνωσης της παροχής με το μοντέλο Υδρόγειος.
Παράδειγμα εξέλιξης διαδοχικών 6ωρων προγνώσεων βροχής στα Βίλια (20/2/2013 0:00 έως 22/2/2013 12:00) 16 16 16 14 12 Πρόγνωση 20_2_00 14 12 Πρόγνωση 20_2_06 14 12 Πρόγνωση 20_2_12 10 8 6 4 Ώρες μετά τις 21/2/13 0:00 UTC 10 8 6 4 10 8 6 4 Έναρξη καταιγίδας 22/2/13 0:00 2 2 2 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 20 16 16 18 16 14 12 Πρόγνωση 20_2_18 14 12 10 Πρόγνωση 21_2_00 14 12 10 Πρόγνωση 21_2_06 10 8 8 8 6 4 2 6 4 2 6 4 2 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37
Σενάρια πρόγνωσης πλημμυρικών παροχών στην έξοδο της λεκάνης (Γύρα Στεφάνης) 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 Βελτιστοποιημένη Μέση πρόγνωση Μέγιστη πρόγνωση Ελάχιστη πρόγνωση παροχή αιχμής: 18.6 m 3 /s Εκτιμημένη, μέσω βαθμονόμησης, παροχή αιχμής: 16.5 m 3 /s Εγγύτερη (μέγιστη) εκτίμηση σεναρίων πρόγνωσης: 13.9 m 3 /s Μέση πρόγνωση παροχής αιχμής (μέσος όρος 8 σεναρίων βροχής): 8.0 m 3 /s 0.0 20/2/13 0:00 20/2/13 6:00 20/2/13 12:00 20/2/13 18:00 21/2/13 0:00 21/2/13 6:00 21/2/13 12:00 21/2/13 18:00 22/2/13 0:00 22/2/13 6:00 22/2/13 12:00 22/2/13 18:00 23/2/13 0:00 23/2/13 6:00 23/2/13 12:00 23/2/13 18:00 24/2/13 0:00 24/2/13 6:00 24/2/13 12:00 24/2/13 18:00 25/2/13 0:00 Παροχή στη Γύρα Στεφάνης (m 3 /s) Η εγγύτερη (μέγιστη) πρόγνωση των παροχών της περιόδου 20 25/2/2013 προέρχεται από το σενάριο πρόγνωσης της βροχής που ξεκινά στις 20/2/13 18:00 UTC.
Πρώτες εντυπώσεις από τη χρήση της Υδρογείου ως μοντέλο πλημμυρών Επιτυγχάνεται ικανοποιητική αναπαραγωγή των πλημμυρικών διεργασιών σε λεκάνες μηδενικής θερινής (Νέδοντας) και χειμαρρικής (Σαρανταπόταμος) ροής, ακόμα και με τη χρήση πολύ μικρών δειγμάτων για τη βαθμονόμηση των παραμέτρων του μοντέλου (μία και δύο υγρές περίοδοι, αντίστοιχα). Ηύπαρξηυδρομετρικών σταθμών, όχι μόνο στην έξοδο κάθε λεκάνης αλλά και σε ανάντη θέσεις επιτρέπει, την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών γέννησης της απορροής, που διαφοροποιούνται σημαντικά λόγω της έντονης χωρικής ανομοιογένειας των φυσιογραφικών χαρακτηριστικών των λεκανών (σε καμία περίπτωση δεν ισχύει ότι στο Χ% της λεκάνης παράγεται το Χ% της απορροής). Το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιχειρησιακά προς δύο κατευθύνσεις: τον υδρολογικό σχεδιασμό, με χρήση συνθετικών χρονοσειρών ωριαίας βροχόπτωσης μεγάλου μήκους, που θα παράγονται από κατάλληλο στοχαστικό μοντέλο (έρευνα σε εξέλιξη) την υδρομετεωρολογική πρόγνωση, με τροφοδοσία του με σενάρια πρόγνωσης της βροχής που παράγονται σε σχεδόν πραγματικό χρόνο
Σχετικές δημοσιεύσεις Efstratiadis, A., A. D. Koussis, S. Lykoudis, A. Koukouvinos, A. Christofides, G. Karavokiros, N. Kappos, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, Hydrometeorological network for flood monitoring and modeling, Proceedings of First International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of Environment, Paphos, Cyprus, 8795, 10 1 10 10, Society of Photo Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2013. Efstratiadis, A., A. Koukouvinos, P. Dimitriadis, A. Tegos, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, A stochastic simulation framework for flood engineering, 5th EGU Leonardo Conference Hydrofractals 2013 STAHY 13, Kos Island, Greece, European Geosciences Union, International Association of Hydrological Sciences, International Union of Geodesy and Geophysics, 2013. Efstratiadis, A., and S.M. Papalexiou, The quest for consistent representation of rainfall and realistic simulation of process interactions in flood risk assessment, EGU General Assembly 2010, Geophysical Research Abstracts, Vol. 12, Vienna, 11101, European Geosciences Union, 2010. Efstratiadis, A., I. Nalbantis, A. Koukouvinos, E. Rozos, and D. Koutsoyiannis, HYDROGEIOS: A semidistributed GIS based hydrological model for modified river basins, Hydrology and Earth System Sciences, 12, 989 1006, 2008. Efstratiadis, A., K. Mazi, A. D. Koussis, and D. Koutsoyiannis, Flood modelling in complex hydrologic systems with sparsely resolved data, EGU General Assembly 2009, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, Vienna, 4157, European Geosciences Union, 2009. Nalbantis, I., A. Efstratiadis, E. Rozos, M. Kopsiafti, and D. Koutsoyiannis, Holistic versus monomeric strategies for hydrological modelling of human modified hydrosystems, Hydrology and Earth System Sciences, 15, 743 758, doi:10.5194/hess 15 743 2011, 2011.