Πλημμύρες και Αντιπλημμυρικά Έργα

Παρουσίαση με θέμα: "Πλημμύρες και Αντιπλημμυρικά Έργα"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Πλημμύρες και Αντιπλημμυρικά Έργα
Υδρολογικό Μοντέλο HEC-HMS Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Μάιος 2008

2 Ορισμός-Κατηγορίες Μοντέλων
Ορισμός Μοντέλου: Η Αναπαραγωγή της Συμπεριφοράς και Απόκρισης ενός Φυσικού Συστήματος

3 Γνωστά Μοντέλα Επιφανειακή Υδρολογία HEC-HMS, SWAT, WBUDG
Υπόγεια Υδρολογία MODFLOW

4 Hydrologic Engineering Center
HEC Hydrologic Engineering Center 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 Διακινδύνευσης, Ανάλυσης Συστημάτων Ταμιευτήρων, Υδρολογικού Σχεδιασμού, Διαχείρισης 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.

5 Hydrologic Modeling System
HMS Hydrologic Modeling System Συγκεντρωτικό ή Κατανεμημένο, 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: Διαθεσιμότητας νερού Πρόγνωσης πλημμυρών Συνεπειών μελλοντικής αστικοποίησης λεκάνης απορροής Σχεδιασμούς υπερχειλιστών φραγμάτων Σχεδιασμού αντιμετώπισης καταστροφών από πλημμύρες Διευθέτησης περιοχής κατάκλυσης πλημμύρας και Διαχείρισης συστημάτων

6 Hydrologic Modeling System
HMS (2) Hydrologic Modeling System Ένα μοντέλο λεκάνης κατασκευάζεται με το διαχωρισμό του υδρολογικού κύκλου σε συνιστώσες και με ορισμό οριακών συνθηκών σε αυτή. Κάθε συνιστώσα του υδρολογικού κύκλου αναπαρίσταται με ένα μαθηματικό μοντέλο Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι αρκετές οι επιλογές του χρήστη για την προσομοίωση της κάθε συνιστώσας. Η υιοθέτηση της πιο κατάλληλης είναι απόρροια της γνώσης του φυσικού συστήματος, των στόχων της υδρολογικής μελέτης καθώς και της κρίσης και εμπειρίας του ερευνητή Το πρόγραμμα περιλαμβάνει μία βάση δεδομένων, δέχεται δεδομένα εισόδου και εξάγει αποτελέσματα με χρήση διάφορων ενσωματωμένων εργαλείων. Το interface επιτρέπει την εύκολη εναλλαγή ανάμεσα στα διάφορα μέρη-εφαρμογές του προγράμματος.

7 Φυσική Περιγραφή Λεκάνης Απορροής
Οι υπολογισμοί ξεκινούν από τα ανάντη προς τα κατάντη Εκτίμηση 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 Διόδευση: Lag method (μέθοδος καθυστέρησης – όχι εξασθένιση πλημμυρικού κύματος) Muskingum Κινηματικό κύμα Muskingum-Cunge

8 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 Δυνητική Εξατμισοδιαπνοή – σε Συνεχή Προσομοίωση 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 Η εκτέλεση του προγράμματος γίνεται με συνδυασμό του μοντέλου λεκάνης, του μετεωρολογικού μοντέλου και καθορισμούς ελέγχου από το χρήστη Καθορισμός Παραμέτρων Δοκιμές βελτιστοποίησης παραμέτρων για επιτυχή προσομοίωση. Διάφορες αντικειμενικές συναρτήσεις ενσωματώνονται για την αξιολόγηση της επιτυχίας προσαρμογής των προσομοιωμένων στα παρατηρημένα δεδομένα.

9 Επιφανειακή Απορροή Μέθοδος της SCS Αριθμός καμπύλης CN Εξαρτάται από:
Εδαφική Διαπερατότητα Εδαφοκάλυψη Συνθήκες Υγρασίας SCS: Soil Conservation Service S: max κατακράτηση εδάφους Qsurf: επιφανειακή απορροή Rday: βροχόπτωση

10 Δρόμος (σκληρή επιφάνεια)
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 Βοσκότοπος 68 79 89 49 69 84 39 61 74 80 Δάσος 45 66 77 36 60 73 25 55 70 Δρόμος (χώμα) - 82 87 Δρόμος (σκληρή επιφάνεια) 90 92 Μέσο CN λεκάνης Τσιμόβου: CN = 0.16* * *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

11 Σύνδεση Μοντέλου HMS με ΣΓΠ
HEC-GeoHMS (Geospatial Hydrologic Modelling System) Εργαλείο Γεωγραφικών 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

12 Στάδια Μοντελοποίησης
Επεξεργασία Δεδομένων Εισόδου (χαρτών, κλιματικών χρονοσειρών κ.λ.π.) Σχηματοποίηση Λεκάνης Απορροής (watershed delineation) στο HEC-GeoHMS Συμπλήρωση Παραμέτρων Αρχείων Προγράμματος HEC-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). Διερεύνηση 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.

13 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)

14 Υπολεκάνη Τσιμόβου Αποτελεί το ανάντη τμήμα της λεκάνης του Αράχθου
Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 1800 mm Έχει έκταση 640 km2 με μεταβολή υψομέτρου 352–2279m, ενώ το μέσο υψόμετρο είναι 1021m Το μήκος ποταμού είναι 40 km με μέση ετήσια παροχή 18 m3/s ( ) 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.

15 Χωρικά Δεδομένα Χάρτης Χρήσεων Γης
Βοσκότοποι: 168 km2 – 26% Καλλιεργήσιμη γη: 102 km2 – 16% Δάση: 369 km2 – 58% Urban: 0,7 km2 – 0,1%

16 Χωρικά Δεδομένα (2) Γεωλογικός Χάρτης
Αλλούβια: 8 km2 – 1% Οφιόλιθοι: 5 km2 – 1% Φλύσχης: 518 km2 – 81,5% Ασβεστόλιθοι: 77 km2 – 12% Πυριγενή πετρώματα: 4 km2 – 0,5% Κερατόλιθοι: 28 km2 – 4%

17 Βροχομετρική πληροφορία
Απαιτούνται ωριαία ή και αναλυτικότερα (μέχρι 10λεπτα) δεδομένα βροχής Δύο βροχογράφοι στη λεκάνη (Ελατοχώρι και Μικρό Περιστέρι) με δεδομένα σε ωριαίο χρονικό βήμα Οι μετρημένες παροχές στην έξοδο (Τσίμοβο) είναι επίσης διαθέσιμες σε ωριαία βάση

18 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

19 Σύγκριση Αδρομερούς και Ημικατανεμημένου Μοντέλου Λεκάνης Τσιμόβου

20 Συχνά Προβλήματα Εφαρμογής του Μοντέλου HMS σε Ελληνικές Λεκάνες
Λίγα Δεδομένα Παρατηρήσεων στο Χώρο και στο Χρόνο Κακής Ποιότητας Δεδομένα (Βροχογραφήματα–Σταθμηγραφήματα) Σχεδόν αδύνατη η εφαρμογή του σε κατανεμημένη μορφή (έλλειψη δεδομένων βροχής από radar) Αποτέλεσμα: Εισαγωγή Μεγάλης Αβεβαιότητας στη Μοντελοποίηση

21 Προβλήματα στην Αποκωδικοποίηση της Βροχής

22 Σενάρια - Έρευνα Αλλαγή στη Χρήση Γης Αλλαγές στο Είδος Φυτοκάλυψης
Αλλαγή στις Πρακτικές Διαχείρισης της Γης Αστικοποίηση Αποδάσωση Ανθρωπογενείς Παρεμβάσεις – Κατασκευές

23 Κριτήρια Επιλογής Μοντέλου
Σκοπός Κατασκευής Επιστημονική Εγκυρότητα – Παρελθόν Χωρική Ανάλυση – Διακριτοποίηση Χρονική Ανάλυση (ωριαίο, ημερήσιο, μηνιαίο κ.τ.λ.) Απαιτήσεις σε Δεδομένα Ικανότητες Χρηστών Κόστος Εφαρμογής Ικανότητα στην Ανάπτυξη Σεναρίων Καταλληλότητα ανά ευρύτερη περιοχή