Development of a framework of hydrological models, machine learning algorithms and participatory approaches in river floods risk management in the context of climate change
Authors: Κουτσοβίλη Ελένη-Ιωάννα 
Published: April 2024

Η εντατικοποίηση των φυσικών κινδύνων και ιδιαίτερα η εμφάνιση αιφνίδιων πλημμυρών ταχείας απόκρισης σε αστικές λεκάνες απορροής, έχει δημιουργήσει την επιτακτική ανάγκη για ολοκληρωμένη προσέγγιση στη διαχείριση πλημμυρών. Η διαμόρφωση σχεδίων προσαρμογής στις πλημμύρες συχνά αποτυγχάνει λόγω ακραίων συμβάντων που αποδίδονται στην κλιματική αλλαγή. Καθώς η μεταβολή του κλίματος επηρεάζει το υδρολογικό καθεστώς ποταμών και χειμάρρων που διέρχονται μέσα από αστικές περιοχές, είναι σημαντική η κατανόηση της απόκρισης της λεκάνης απορροής ποταμού μέσω μοντελοποίησης στα προβλεπόμενα κλιματικά σενάρια. Ταυτόχρονα, η συνολική αξιολόγηση των μέτρων προσαρμογής και η διερεύνηση εναλλακτικών προσεγγίσεων, όπως οι λύσεις που βασίζονται στη φύση και τα προηγμένα συστήματα έγκαιρης πρόβλεψης και προειδοποίησης, αποκτούν εξέχουσα θέση, αντανακλώντας μια ευρύτερη απόκριση στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Αυτές οι προσεγγίσεις αποτελούν εναλλακτικές λύσεις στις συμβατικές πρακτικές διαχείρισης πλημμυρών, μετριάζοντας σε σημαντικό βαθμό την πλημμυρική τρωτότητα και ενισχύοντας τη μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα εν μέσω μεταβαλλόμενων κλιματικών συνθηκών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τη διαχείριση του πλημμυρικού κινδύνου, με ιδιαίτερη έμφαση στις αιφνίδιες πλημμύρες ταχείας απόκρισης, που συμβαίνουν σε μικρές αστικές λεκάνες με διαλείπουσα ροή, κυρίως όμως κάτω από το πρίσμα της κλιματικής αλλαγής. Το μεθοδολογικό πλαίσιο, που στηρίζει τους ερευνητικούς στόχους, περιλαμβάνει τρία βασικά αντικείμενα: i) Την αξιολόγηση του αντίκτυπου της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογική δυναμική των αστικών λεκανών ποταμών διαλείπουσας ροής και της αβεβαιότητας που δύναται να προκύψει με τη χρήση ενός συνόλου διαφορετικών σεναρίων κλιματικής αλλαγής, ii) Την ενσωμάτωση συμμετοχικών μεθοδολογιών και διαδικασιών στην επιλογή, και αξιολόγηση μέτρων που βασίζονται στην φύση για τον μετριασμό των πλημμυρών, iii) Την ανάπτυξη ενός συστήματος πρόβλεψης και προειδοποίησης πλημμυρών, που στηρίζεται στη σύζευξη αισθητήρων τηλεμετρικής καταγραφής της στάθμης, ενός φυσικού υδρολογικού μοντέλου και ενός αλγόριθμου βαθιάς μάθησης. Αυτές οι προσπάθειες, αναλύονται στα κεφάλαια 2 έως 4, και στοχεύουν στην αντιμετώπιση της αλληλεπίδρασης μεταξύ κινδύνου πλημμύρας, κλιματικής αλλαγής και υδρολογικής απόκρισης ρέματος εντός αστικού ιστού. Το Κεφάλαιο 2 εστιάζει στην εξέταση των διακυμάνσεων στο υδρολογικό καθεστώς ενός εφήμερου μεσογειακού χειμάρρου. Πραγματοποιείται υποβάθμιση της κλίμακας των προβλέψεων πέντε Μοντέλων Γενικής Κυκλοφορίας (GCM) μεγάλης κλίμακας. Αυτές οι προβλέψεις περιλαμβάνουν τρία διαφορετικά σενάρια εκπομπών (RCP2.6, RCP4.5 και RCP8.5) και υποβάλλονται σε υποβάθμιση της κλίμακας με χρήση του λογισμικού LARS-WG (Long Ashton Research Center - Weather Generator). Συνολικά, εξετάζεται ένα σύνολο έντεκα διαφορετικών σεναρίων, καλύπτοντας έτσι μεγάλο εύρος της διακύμανσης των μελλοντικών καιρικών μεταβολών. Το χρονικό πεδίο αυτής της έρευνας εκτείνεται από το 2021 έως το 2080, με τα προβλεπόμενα κλιματικά δεδομένα να ενσωματώνονται στο σύστημα υδρολογικής μοντελοποίησης HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System). Μέσα από αυτό το μεθοδολογικό πλαίσιο, προκύπτει μια σειρά από ετήσιες και εποχιακές αλλαγές στην υδρολογική δυναμική εντός των αστικών λεκανών απορροής λόγω κλιματικής αλλαγής. Το Κεφάλαιο 3 εμβαθύνει στο θέμα των πρακτικών λήψης αποφάσεων μέσω συμμετοχικών προσεγγίσεων στα πλαίσια ολοκληρωμένης διαχείρισης των αστικών πλημμυρών. Συγκεκριμένα, εισάγει και εφαρμόζει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση εμπλοκής ενδιαφερομένων, η οποία υλοποιείται μέσω μιας σειράς διεπιστημονικών εργαστηρίων και συνεντεύξεων. Στόχος αυτών των δραστηριοτήτων είναι η επιλογή μέτρων που βασίζονται στην φύση, ως στρατηγικές μετριασμού και προσαρμογής στις αστικές πλημμύρες και τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για τον σχεδιασμό και την εφαρμογή τους. Η μεθοδολογική βάση αποτελεί προσαρμογή της μεθοδολογίας «Vulnerability and Capacity Assessment» που αναπτύχθηκε από τον Ερυθρό Σταυρό, χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα εργαλεία κοινωνικής έρευνας. Στο πλαίσιο αυτής της προσέγγισης, διαφορετικές ομάδες τοπικών ενδιαφερομένων, εμπειρογνωμόνων και υπευθύνων λήψης αποφάσεων αξιολογούν επιλεγμένες από ειδικούς για την περιοχή λύσεις που βασίζονται στη φύση. Λαμβάνει χώρα ιεράρχηση των μέτρων αυτών σε κοινωνικό, οικονομικό και περιβαλλοντικό επίπεδο με χρήση ειδικά επιλεγμένων δεικτών βιωσιμότητας. Η τελική φάση περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την εκτίμηση του κόστους των μέτρων που επιλέχτηκαν μέσω της συλλογικής αξιολόγησης, χρησιμοποιώντας μια σειρά διαφορετικών μοντέλων. Τελικά, αυτή η διαδικασία καταλήγει στην ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης, ευρέως αποδεκτής και βιώσιμης διαχειριστικής πρότασης. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει μια ήπια, μη δομική προσέγγιση προσαρμογής, με επίκεντρο την ανάπτυξη ενός Συστήματος Έγκαιρης Παρακολούθησης και Πρόβλεψης Πλημμύρας με στόχο την παροχή έγκαιρων και έγκυρων προβλέψεων της κρίσιμης στάθμης υπερχείλισης σε ένα αστικό χείμαρρο μικρής κλίμακας. Οι λεκάνες διαλείπουσας ροής, που χαρακτηρίζονται από σύντομους χρόνους συγκέντρωσης και έντονες, μικρής διάρκειας καταιγίδες, αντιμετωπίζουν συχνά αιφνίδιες πλημμύρες ταχείας απόκρισης, ενισχύοντας την ανάγκη για ένα αποτελεσματικό σύστημα έγκαιρης πρόβλεψης και προειδοποίησης. Αυτό το κεφάλαιο αντιμετωπίζει την πρόκληση του προγραμματισμού ενός συστήματος σε πραγματικό χρόνο ικανό να ανιχνεύει αποτελεσματικά επικείμενες πλημμύρες και να ανταποκρίνεται γρήγορα στις απαιτήσεις τέτοιων σεναρίων. Το σύστημα ενισχύεται από ένα δίκτυο τηλεμετρικών σταθμών παρακολούθησης στάθμης, ένα φυσικό υδρολογικό μοντέλο και έναν αλγόριθμο βαθιάς μάθησης, που συνεργάζονται για την πρόβλεψη κρίσιμων επιπέδων στάθμης. Συγκεκριμένα, πέντε διακριτές αρχιτεκτονικές νευρωνικών δικτύων Μακράς Βραχύχρονης Μνήμης (LSTM) εξετάζονται για την ανάλυση χρονοσειρών και την πραγματοποίηση προβλέψεων πολλαπλών βημάτων για βραχυπρόθεσμους χρόνους πρόβλεψης 15 λεπτών, 30 λεπτών, 45 λεπτών και 1 ώρας. Επιπλέον, εφαρμόζονται τεχνικές ανάλυσης σημασίας χαρακτηριστικών και συντονισμού υπερπαραμέτρων για τη βελτίωση της ακρίβειας της πρόβλεψης. Τελικά, αυτή η προσέγγιση αποδεικνύει την αξιοπιστία της, αντιπροσωπεύοντας ένα σημαντικό βήμα προς την ενίσχυση της ανθεκτικότητας έναντι των αιφνίδιων πλημμυρών. Συλλογικά τα κεφάλαια παρέχουν μια ολοκληρωμένη επισκόπηση τόσο των προκλήσεων όσο και των λύσεων στη διαχείριση των αστικών πλημμυρών. Ερμηνεύοντας τις υδρολογικές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής, δημιουργώντας συμμετοχικές λύσεις βασισμένες στη φύση και εφαρμόζοντας καινοτόμα συστήματα πρόβλεψης με τεχνικές βαθιάς μάθησης, αυτή η έρευνα στοχεύει να ενισχύσει την ανθεκτικότητα των αστικών περιοχών στις πλημμύρες, ειδικά υπό το πρίσμα του μεταβαλλόμενου κλίματος.