Adaptation and harmonization of multi-source satellite data for their assimilation in hydrological models as well as for the optimization of hydrological simulations
Authors: Κωφίδου Μαρία 
Published: December 2024

Τα βασισμένα σε φυσικές διεργασίες υδρολογικά μοντέλα διαδραματίζουν βασικό ρόλο στον υδρολογικό προσδιορισμό. Ωστόσο, πάντα αποτελούσε πρόκληση η εκτίμηση των μετρήσιμων φυσικών παραμέτρων ή των μη ποσοτικοποιήσιμων θεωρητικών παραμέτρων για αυτά τα μοντέλα ώστε να παράγουν τελικά ικανοποιητικές προβλέψεις λόγω πολλών και διαφορετικών πηγών αστάθειας (Cho et al. 2019; Cho and Liuzzo 2022). Η αφομοίωση δεδομένων είναι η διαδικασία λήψης δεδομένων από ένα σύστημα και η χρήση μαθηματικών ή στατιστικών στοιχείων με στόχο την ανάλυσή τους. Στη συνέχεια, εισάγουμε αυτά τα δεδομένα σε μοντέλα με σκοπό την βελτίωσή τους για την καλύτερη πρόβλεψη γεγονότων. Πρόσφατα, οι νέες εξελίξεις στις τεχνολογίες της πληροφορικής, των τηλεπικοινωνιών και της τηλεπισκόπησης βελτίωσαν την χρησιμότητα και την αξιοπιστία των δεδομένων αυτών στην βελτίωση των υδρολογικών μοντέλων όσον αφορά την πραγματοποίηση προβλέψεων (Cho and Liuzzo 2022). Τα τελευταία χρόνια, οι βελτιώσεις στις τεχνολογίες της τηλεπισκόπησης και της γεωπαρατήρησης έχουν διευκολύνει τη δυνατότητα συλλογής δεδομένων τόσο από μικρές όσο και από μεγάλες περιοχές παγκοσμίως. Αυτό το γεγονός, μας βοηθάει να κατανοήσουμε και να προβλέψουμε πώς αλληλεπιδρούν το έδαφος, η ατμόσφαιρα και οι ωκεανοί της Γης. Επιπλέον, η εύκολη πρόσβαση στα δίκτυα επικοινωνίας επέτρεψε σε άτομα να συμμετέχουν σε επιστημονικά προγράμματα και πρωτοβουλίες. Για παράδειγμα, μπορούν να παρέχουν πληροφορίες και δεδομένα ως εθελοντές σε προγράμματα επιστήμης των πολιτών. Ο κύριος σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι να βελτιώσει τις προβλέψεις των υδρολογικών μοντέλων αφομοιώνοντας δεδομένα από πολλαπλές πηγές, να προσαρμόσει και να συνδυάσει τη χρήση διαφορετικών δορυφορικών δεδομένων σε υδρολογικά μοντέλα καθώς και να βελτιώσει τις υδρολογικές προσομοιώσεις. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε έρευνα, μελέτη και ανασκόπηση σε διάφορα σύνολα δορυφορικών δεδομένων που σχετίζονται με την υδρολογική μοντελοποίηση. Μετά, υλοποιήθηκε ένα απλοποιημένο μοντέλο υπολογισμού του υδρολογικού ισοζυγίου με τη χρήση των δεδομένων ERA5 (Muñoz Sabater 2019; Gemitzi and Kofidou 2022). Αυτό μας βοήθησε να διερευνήσουμε το μέτρο αξιοπιστίας των απλών μοντέλων υδρολογικού ισοζυγίου σε σύγκριση με πιο περίπλοκα κατανεμημένα υδρολογικά μοντέλα. Στη συνέχεια, και αφού ερευνήθηκαν διάφορα κατανεμημένα μοντέλα υδρολογικής προσομοίωσης, το SWAT και το SWAT-CUP ήταν τα λογισμικά που επιλέχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Οι προβλέψεις ροής και πλημμυρών αποτελούν το επίκεντρο αυτής της μελέτης. Στη συνέχεια, συλλέχθηκαν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία όλα τα απαραίτητα δεδομένα και πληροφορίες προκειμένου να είναι έτοιμα προς χρήση στα προαναφερθέντα λογισμικά. Αυτή η διατριβή αφομοίωσε τις μετρήσεις παροχής ποταμού και τις εκτιμήσεις της υποκλιμακωμένης δορυφορικής υγρασίας εδάφους (προερχόμενης από την δορυφορική αποστολή SMAP) προκειμένου να προβλέψει τις συνθήκες ροής και εδαφικής υγρασίας. Επίσης, στα πλαίσιά της, αποδείχτηκε επιτυχώς ότι η αφομοίωση των δορυφορικών δεδομένων εδαφικής υγρασίας σε προβλέψεις ροής βελτίωσε την απόδοση της υδρολογικής μοντελοποίησης. Η περιοχή μελέτης της παρούσας διατριβής αφορά μια λεκάνη απορροής μεσαίου μεγέθους (~ 355 km2) στη BA Ελλάδα, την Λεκάνη απορροής του ποταμού Βοσβόζη που στο παρόν κείμενο θα αναφέρεται ως Vosvozis River Basin (VRB). Οι μετρήσεις ροής και εδαφικής υγρασίας επιλέχθηκαν για διαδικασίες βαθμονόμησης και επικύρωσης των μεθόδων αφομοίωσης δεδομένων και των επιπτώσεων τους στην πρόβλεψη της ροής και των υπόλοιπων υδρολογικών παραμέτρων. Οι παραπάνω μετρήσεις εκτιμήθηκαν μέσω του συντελεστή απόδοσης Nash–Sutcliffe (NS) και του συντελεστή προσδιορισμού (R2). Τα αποτελέσματα της παραπάνω μελέτης συγκρίθηκαν με επίγειες παρατηρήσεις βροχόπτωσης και απορροής και αισθητήρες εδαφικής υγρασίας. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, η περίοδος βαθμονόμησης ήταν αυτή του 2019-2020, ενώ ως περίοδος επικύρωσης χρησιμοποιήθηκε το 2021-2022. Πραγματοποιήθηκαν τρεις προσεγγίσεις, ενώ στις δύο πρώτες προσεγγίσεις, το SWAT βαθμονομήθηκε έναντι της ημερήσιας μέσης ροής του ποταμού και της υποκλιμακωμένης ημερήσιας δορυφορικής εδαφικής υγρασίας προερχόμενη από την δορυφορική αποστολή SMAP αντίστοιχα. Στην τρίτη προσέγγιση, το SWAT βαθμονομήθηκε ταυτόχρονα με βάση τις παραμέτρους ημερήσιας μέσης ροής και δορυφορικής εδαφικής υγρασίας της αποστολής SMAP. Αξίζει να αναφερθεί ότι στην τελευταία περίπτωση όπου έγινε ταυτόχρονη βαθμονόμηση έναντι των παραμέτρων εδαφικής υγρασίας και της ροής ποταμού, τα αποτελέσματα έδειξαν NS=0,57 και R2=0,66 και NS=0,54 και R2=0,64 για την βαθμονόμηση και την επικύρωση της ροής αντίστοιχα, ενώ σημαντική βελτίωση επιτεύχθηκε για την παράμετρο της εδαφικής υγρασίας σε επίπεδο υπολεκάνης, με NS=0,85 και R2=0,91 και NS=0,79 και R2=0,84 για την περίοδο βαθμονόμησης και επικύρωσης αντίστοιχα. Η επαλήθευση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις επίγειας εδαφικής υγρασίας παρέχει έναν χρήσιμο τρόπο εξέτασης της απόδοσης του μοντέλου στα πλαίσια περιγραφής της εδαφικής υγρασίας, όπως γίνεται στην παρούσα εργασία. Όσον αφορά το υδατικό ισοζύγιο της περιοχής μελέτης, οι μέσες ετήσιες τιμές για το σύνολο της λεκάνης κατά τη μακροπρόθεσμη περίοδο προσομοίωσης (συμπεριλαμβανομένων των 5 ετών προθέρμανσης), ήτοι από την 1η Ιανουαρίου 2014 έως την 31η Δεκεμβρίου 2022, έδειξε τα ακόλουθα αποτελέσματα: 606.9 mm βροχόπτωση, 148.59 mm επιφανειακή απορροή Q, 417.2 mm εξατμισοδιαπνοή και 47.99 mm διήθηση στον υδροφόρο ορίζοντα. Οι τιμές αυτές συγκρίθηκαν με αυτές που προέκυψαν από την εφαρμογή ενός απλού μοντέλου υδρολογικού ισοζυγίου με δεδομένα ERA5 και οι τιμές τους βρέθηκαν να είναι συγκρίσιμες. Με αυτό τον τρόπο φαίνεται ότι σε μηνιαίο βήμα και σε επίπεδο λεκάνης απορροής τα απλούστερα μοντέλα όπως αυτό που αναπτύξαμε με τα δεδομένα ERA5 αποδίδουν ικανοποιητικά. Όταν όμως πρόκειται για προβλέψεις σε ημερήσιο ή υποημερήσιο χρονικό βήμα και σε κατανεμημμένο ή ημι-κατανεμημένο επίπεδο, τότε πρέπει να αναζητήσουμε τη λύση σε πιο περίπλοκα υδρολογικά μοντέλα. Πολλές μελέτες διεξήχθησαν σχετικά με τη βαθμονόμηση των υδρολογικών μοντέλων σε σχέση με μετρητές παροχής και δεδομένων εδαφικής υγρασίας. Σε σύγκριση με προηγούμενες εργασίες, τα αποτελέσματά μας είναι ανάλογα με αυτά της μελέτης των de Andrade et al. 2019 που διεξήχθη για την λεκάνη απορροής του ποταμού Mundaú (4090,39 km2) στη βορειοανατολική Βραζιλία, όπου οι συγγραφείς βαθμονομήθηκαν τόσο με μετρητή παροχής όσο και με δεδομένα εδαφικής υγρασίας, υπογραμμίζοντας ταυτόχρονα τη δυνατότητα βελτιωμένης απόδοσης του μοντέλου αφομοιώνοντας πληροφορίες εδαφικής υγρασίας, ειδικά σε περιπτώσεις όπου τα δεδομένα εκκένωσης είναι σπάνια. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής, έδειξαν ικανοποιητική απόδοση και στις τρεις περιπτώσεις, για συνθήκες ροής, ενώ η τρίτη περίπτωση, όπου χρησιμοποιήθηκαν και οι δύο παράμετροι, παρήγαγε τα βέλτιστα αποτελέσματα εδαφικής υγρασίας, διατηρώντας παράλληλα την επιτυχή προσομοίωση της ροής του ποταμού. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, δεδομένου ότι η εδαφική υγρασία έχει μείζονα σημασία σε σχέση με την επικράτηση ακραίων υδρολογικών συνθηκών όπως πλημμύρες και ξηρασίες, ενώ μία καλύτερη εκπροσώπηση του καθεστώτος της εδαφικής υγρασίας μπορεί να συμβάλει στον καλύτερο σχεδιασμό των προβλεπόμενων μέτρων.