Development of mathematical model for calculating continuous hydrographs and sediment graphs in a basin due to rainfall
Authors: Καφφάς Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται τρία διαφορετικά μοντέλα με στόχο τις συνεχείς προσομοιώσεις των υδρομορφολογικών διεργασιών σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Πιο συγκεκριμένα, εκτελούνται συνεχείς υδρολογικές προσομοιώσεις, καθώς και συνεχείς προσομοιώσεις των διεργασιών εδαφικής διάβρωσης και διάβρωσης κοίτης υδατορευμάτων σε δύο γειτονικές λεκάνες στη βορειοανατολική Ελλάδα: στη λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου (περιοχή Ξάνθης) και στη λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου (σύνορα Μακεδονίας-Θράκης). Και οι δύο λεκάνες είναι ορεινές και καλύπτονται από δασικές και θαμνώδεις περιοχές, στο μεγαλύτερο τους μέρος. Η λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου καλύπτει μια έκταση 237 km2, ενώ η λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου είναι αρκετά μεγαλύτερη, καλύπτοντας μια έκταση περίπου 840 km2. Το χαρακτηριστικό της λεκάνης του ποταμού Νέστου είναι η παρουσία ενός φράγματος στο βορειοδυτικό όριό της, το οποίο επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την παροχή, καθώς και τη μεταφορά φερτών υλών στον ποταμό Νέστο. Επιπρόσθετα, δύο αρδευτικά κανάλια πολύ κοντά στην έξοδο της λεκάνης (γέφυρα Εγνατίας του ποταμού Νέστου) ευθύνονται για μια ύφεση στην παροχή του ποταμού, κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου, διαταράσσοντας έτσι την τελική απορροή στην έξοδο της λεκάνης. Τα δύο πρώτα μοντέλα είναι δύο σύνθετα μαθηματικά μοντέλα (Composite Mathematical Models/CMMs), τα οποία αναπτύχθηκαν συνδυάζοντας διάφορες γνωστές φυσικές και εμπειρικές μεθόδους. Τα σύνθετα μαθηματικά μοντέλα αποτελούνται από τρία υπομοντέλα: ένα υπομοντέλο βροχής-απορροής, ένα υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης και ένα υπομοντέλο στερεομεταφοράς για υδατορεύματα. Τα δύο μοντέλα διαφέρουν μόνο στο υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης. Το υπομοντέλο βροχής-απορροής που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της επιφανειακής απορροής και της απορροής των υδατορευμάτων στις υπολεκάνες, είναι το ντετερμινιστικό, ημι-κατανεμημένο, υδρολογικό μοντέλο HEC-HMS 4.2. Το πρώτο υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης, που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της διάβρωσης του εδάφους σε μια υπολεκάνη, βασίζεται στις σχέσεις των Poesen (1985), Nielsen (1986), Engelund και Hansen (1967), ενώ το δεύτερο είναι η Τροποποιημένη Παγκόσμια Εξίσωση Απωλειών Εδάφους (MUSLE) (Williams, 1975). Η εκτίμηση του στερεοφορτίου στην έξοδο μιας υπολεκάνης, και τελικά, στην έξοδο της όλης λεκάνης, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του μοντέλου μεταφοράς φερτών υλών των Yang και Stall (1976). Το τρίτο μοντέλο είναι η GIS έκδοση του ευρέως γνωστού μοντέλου Soil and Water Assessment Tool, SWAT. Το SWAT εφαρμόζεται στη μικρότερη χρονική κλίμακα που διαθέτει (ημίωρο χρονικό βήμα προσομοίωσης), ενώ η εφαρμογή των δύο σύνθετων μαθηματικών μοντέλων εκτελείται σε ωριαίο χρονικό βήμα. Η εφαρμογή και των τριών μοντέλων έχει ως αποτέλεσμα την κατασκευή συνεχών υδρογραφημάτων και στερεογραφημάτων στην έξοδο της λεκάνης. Οι υπολογισμένες τιμές παροχής και στερεοπαροχής συγκρίνονται με μετρήσεις πεδίου και όλα τα μοντέλα αξιολογούνται ως προς την ικανότητά τους να προσομοιώνουν τις υδρομορφολογικές διεργασίες σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Επίσης, ετήσιοι όγκοι νερού και ετήσια στερεοφορτία υπολογίζονται για τις δύο λεκάνες. Τα στατιστικά κριτήρια απόδοσης που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση μεταξύ υπολογισμένων και μετρημένων τιμών στην έξοδο της λεκάνης, παρέχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ως εκ τούτου, συνάγεται το συμπέρασμα ότι η συνεχής υδρομορφολογική μοντελοποίηση μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία στη λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου και στη λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου.