Υδρολογική προσομοίωση με αξιοποίηση πληροφορίας του γήινου αναγλύφου
Authors: Παπαγεωργάκη Ινώ 
Published: October 2023

Αφορμή για την έναρξη της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε το πρόβλημα της έλλειψης των μετρήσεων απορροής σε λεκάνες απορροής και η Πρωτοβουλία PUB (Predictions in Ungauged Basins) της Διεθνούς Ένωσης των Υδρολογικών Επιστημών (International Association of Hydrological Sciences - IAHS) το 2003, η οποία είχε στόχο την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας στις προβλέψεις της υδρολογικής συμπεριφοράς αυτών των λεκανών απορροής. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε και προτείνεται μεθοδολογικό πλαίσιο για την αντιμετώπιση του προβλήματος, της έλλειψης μετρήσεων υδρολογικού ενδιαφέροντος. Για τους υδρολόγους η έλλειψη μετρήσεων συνίσταται στο γεγονός ότι για τις λεκάνες απορροής δεν υπάρχουν διαθέσιμα συνεχή δεδομένα μετρήσεων πεδίου, τα οποία να επιτρέπουν την εκτίμηση του μεγέθους της απορροής, γεγονός που καθιστά δυσχερή τη βέλτιστη διαχείριση των υδατικών πόρων σε αυτές τις λεκάνες ή την διαχείριση κινδύνων που αφορούν το νερό. Οι λεκάνες απορροής με το παραπάνω χαρακτηριστικό είναι γνωστές ως μη μετρούμενες λεκάνες απορροής. Η αβεβαιότητα στην πρόβλεψη της υδρολογικής συμπεριφοράς των μη μετρούμενων λεκανών αυτών οδήγησε σε προσπάθεια των υδρολόγων να υποκαταστήσουν τις μετρήσεις απορροής. Οι εμπειρικές σχέσεις οι οποίες εφαρμόζονταν και εφαρμόζονται ευρύτατα, χρησιμοποιούνται για να καλύψουν το κενό των δεδομένων, παρά το γεγονός ότι υπόκεινται σε εγγενείς περιορισμούς οι οποίοι αφορούν τις τοπικές κλιματικές και τις γεωμορφολογικές συνθήκες με αποτέλεσμα η χρήση τους πιθανόν να οδηγεί σε ελλιπή ή ανακριβή συμπεράσματα. Στο πλαίσιο της ίδιας προσπάθειας, έμφαση, επίσης, δόθηκε στην ανάπτυξη υδρολογικών μοντέλων ποικίλης πολυπλοκότητας και μεθοδολογικής φιλοσοφίας. Ορισμένα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν πολύ περισσότερο από άλλα, για διάφορους λόγους, όπως η απλότητά τους, οι απαιτήσεις σε δεδομένα, η διαθεσιμότητα κώδικα, το επίπεδο τεκμηρίωσής τους και η διάδοσή τους. Σε άλλες περιπτώσεις η έλλειψη προσεγγίζεται μέσω της χρήσης μετρημένων δεδομένων απορροής μιας εκ των γειτονικών λεκανών απορροής (λεκάνη δότρια δεδομένων), με την παραδοχή ότι η συμπεριφορά αυτής είναι παρόμοια με τη συμπεριφορά της εξεταζόμενης μη μετρούμενης λεκάνης (λεκάνη υποδοχής δεδομένων) σε παρόμοια γεγονότα βροχόπτωσης. Εναλλακτικά, εφαρμόζονται απλοποιημένες παραδοχές (π.χ., τεχνικές περιοχοποίησης). Ως στόχος της διδακτορικής διατριβής τίθεται η αναζήτηση μεθόδων υποκατάστασης των μετρήσεων απορροής με αποκλειστική χρήση μορφομετρικών χαρακτηριστικών των λεκανών απορροής. Αυτή η προσέγγιση εντάσσεται, εξ άλλου, στο πλαίσιο της σύγχρονης τάσης για αποδέσμευση από συστηματικές μετρήσεις υδρολογικών μεγεθών. Η τάση αυτή θέτει στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος τις γνώσεις για τις φυσικές υδρολογικές διεργασίες και την κατανόηση αυτών σε ένα εύρος χωροχρονικών κλιμάκων. Έτσι, το υδρολογικό πρόβλημα των μη μετρούμενων λεκανών απορροής δημιούργησε την ανάγκη για αναζήτηση σχέσεων και συσχετίσεων της απορροής με άλλα μεγέθη, τοπογραφικά, κλιματολογικά, γεωλογικά, εδαφολογικά κ.ά. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής διερευνάται η αποκλειστική χρήση πληροφορίας σχετικής με το γήινο ανάγλυφο μέσω της χρήσης Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους (ΨΜΕ), για την αντιμετώπιση της έλλειψης υδρολογικής πληροφορίας. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τα παρακάτω:η χρήση μορφομετρικών χαρακτηριστικών για την αδιαμέριστη ταξινόμηση των λεκανών απορροής και η ανάπτυξη κατάλληλου μεθοδολογικού πλαισίου. Η ταξινόμηση βασίζεται στην πληροφορία από κλιματικές μεταβλητές (υδρολογικές υπογραφές της λεκάνης απορροής) και σε πληροφορία η οποία εξάγεται από το ανάγλυφο του εδάφους. Σε επόμενο στάδιο, τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τη βροχόπτωση, ως κριτήρια πρόβλεψης της κλάσης της εξεταζόμενης μη μετρούμενης λεκάνης, καθόσον τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά και η βροχόπτωση μετρώνται στις περισσότερες λεκάνες απορροής παγκοσμίως. Η δυνατότητα μεταφοράς υδρολογικής πληροφορίας μεταξύ όμοιων υδρολογικά λεκανών απορροής, οι οποίες ανήκουν σε ίδιες κλάσεις υδρολογικής συμπεριφοράς σε αδρή χρονική κλίμακα (π.χ. ημερήσια) και με αδιαμέριστη προσέγγιση των υδρολογικών διεργασιών. Για τη μεταφορά της υδρολογικής πληροφορίας χρησιμοποιείται μια τροποποιημένη εκδοχή του μοντέλου FLEX-Topo του Savenije (2010) και ο έλεγχος γίνεται σε λεκάνες απορροής οι οποίες ανήκουν στην ίδια κλάση, όπως αυτή ορίστηκε στη διαδικασία της αδιαμέριστης ταξινόμησης.η χωροχρονική διακύμανση της Ανάντη Συμβάλλουσας Έκτασης (ΑΣΕ) για τη δημιουργία του υδρογραφικού δικτύου. Για τον υπολογισμό των τιμών της ΑΣΕ χρησιμοποιείται πληροφορία για τις κεφαλές των εφήμερων και των μόνιμων κλάδων του υδρογραφικού δικτύου για δύο εποχές του υδρολογικού έτους, την υγρή και την ξηρή περίοδο, αντίστοιχα. Έτσι, εξάγεται το υδρογραφικό δίκτυο της λεκάνης απορροής, με χρήση αντικειμενικής πληροφορίας.η ανάπτυξη μεθοδολογικού πλαισίου για την κατάρτιση Συνθετικού Μοναδιαίου Υδρογραφήματος με βάση πληροφορία από ΨΜΕ σε μη μετρούμενη λεκάνη απορροής με χρήση της μεθόδου της σταθμισμένης μέσω της πυκνότητας του υδρογραφικού δικτύου Ανηγμένης Συνάρτησης Πλάτους (drainage density based Rescaled Width Function, ddRWF). Η προσέγγιση ημικατανεμημένης μοντελοποίησης της σχέσης βροχόπτωσης – απορροής μιας λεκάνης απορροής, μέσω της ταξινόμησης χωρικών ενοτήτων αυτής (ημικατανεμημένη ταξινόμηση γήινου αναγλύφου) γνωστής ως ταξινόμησης τοπίου (landscape classification).Υιοθετείται η ταξινόμηση τοπίου σε υδρολογικές κατηγορίες τοπίου, μέσω της οποίας εντοπίζονται υδρολογικά ομογενείς χωρικά ενότητες, οι οποίες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται στην ημικατανεμημένη υδρολογική μοντελοποίηση. Η προσομοίωση μέσω της ταξινόμησης τοπίου επιτρέπει την πρόβλεψη της απορροής σε μη μετρούμενες λεκάνες απορροής. η αξιοποίηση της ταξινόμησης τοπίου για τη μεταφορά των παραμέτρων του επιλεγμένου μοντέλου βροχόπτωσης – απορροής σε μη μετρούμενη λεκάνη. Η υδρολογική συμπεριφορά της λεκάνης για κάθε κατηγορία τοπίου είναι σε αντιστοιχία με τους επικρατούντες μηχανισμούς γένεσης της απορροής. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ημικατανεμημένη υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης απορροής με χρήση του τροποποιημένου υδρολογικού μοντέλου βροχόπτωσης απορροής FLEX–Topo (Savenije, 2010) και λαμβάνεται η εκτίμηση της παροχής της λεκάνης απορροής. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο καλύπτει το σύνολο των διαδικασιών της ταξινόμησης τοπίου και της μεταφοράς υδρολογικής πληροφορίας μεταξύ των κατηγοριών τοπίου από μια μετρούμενη σε μία μη μετρούμενη λεκάνη απορροής. Η εκτίμηση της επίδρασης της ακρίβειας των ΨΜΕ στα όρια των κατακλυζόμενων περιοχών λόγω πλημμύρας. Για την αναπαράσταση της γήινης επιφάνειας χρησιμοποιήθηκαν ΨΜΕ και τοπογραφική πληροφορία από φωτογραμμετρικά δεδομένα και τοπογραφικά διαγράμματα. Η ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας στο ΨΜΕ πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο Monte Carlo. Η χάραξη των ορίων των κατακλυζόμενων περιοχών έγινε στο κατάντη τμήμα δύο λεκανών απορροής της ελληνικής επικράτειας και ορίστηκαν νέες, πρωτότυπες παράμετροι, ή κριτήρια χαρακτηρισμού των κατακλυζόμενων περιοχών οι οποίες οδηγούν σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της αβεβαιότητας στο ΨΜΕ.Η διατριβή έχει στόχο να συμβάλει στην κατάταξη των μη μετρούμενων λεκανών από την άποψη των επικρατούντων μηχανισμών γένεσης της απορροής, και στη βελτίωση των μοντέλων προσομοίωσης των υδρολογικών διεργασιών σε λεκάνες απορροής με φτωχή υδρολογική πληροφορία ή παντελή έλλειψη αυτής. Η χρήση τοπογραφικής πληροφορίας είναι πρωτότυπη και πολλά υποσχόμενη προσέγγιση, για την αντιμετώπιση της έλλειψης υδρολογικής πληροφορίας και την ταξινόμηση, ει δυνατόν, των λεκανών απορροής, σε κατηγορίες με παρόμοια υδρολογική συμπεριφορά.Το θεωρητικό υπόβαθρο που χρησιμοποιήθηκε αφορά γνωστές μεθόδους και σύμφωνα με το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο, ο συνδυασμός αυτών επιτρέπει την ανάπτυξη ενός πρωτότυπου τρόπου για την αντιμετώπιση του επιστημονικού κενού. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο στηρίζεται στην αξιοποίηση της ευρέως διαθέσιμης τοπογραφικής πληροφορίας μέσω των ΨΜΕ. Επιγραμματικά, τα κύρια πρωτότυπα σημεία της διατριβής συνοψίζονται στα εξής: 1. Ανάπτυξη μεθοδολογικού πλαισίου ταξινόμησης, σε κλάσεις υδρολογικής συμπεριφοράς σε αδρή χρονική κλίμακα (ημερήσια), μη μετρούμενων λεκανών απορροής με: (α) πρωτότυπη συνδυασμένη χρήση υδρολογικών υπογραφών και μορφομετρικών χαρακτηριστικών, (β) πρωτότυπη συνδυασμένη χρήση εργαλείων μη επιβλεπόμενης και επιβλεπόμενης ταξινόμησης, καθώς και εργαλείων συμπύκνωσης της χρησιμοποιούμενης πληροφορίας, και (γ) έλεγχο της πρακτικής χρησιμότητας του προτεινόμενου πλαισίου με μεταφορά υδρολογικής πληροφορίας από μετρούμενες σε μη μετρούμενες λεκάνες απορροής, προφανώς ανήκουσες στην ίδια κλάση υδρολογικής συμπεριφοράς. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο ονομάστηκε αδιαμέριστη ταξινόμηση. 2. Βελτίωση υφιστάμενου μεθοδολογικού πλαισίου ταξινόμησης υποπεριοχών εντός μιας λεκάνης απορροής σε υδρολογικές κατηγορίες τοπίου, με προσθήκη στα χρησιμοποιούμενα μορφομετρικά στοιχεία, της πληροφορίας «κατηγορία βλάστησης» και, στη συνέχεια, έλεγχος της χρησιμότητας του προτεινόμενου πλαισίου με μεταφορά υδρολογικής πληροφορίας σε αδρή χρονική κλίμακα (ημερήσια) από μετρούμενες σε μη μετρούμενες λεκάνες απορροής, προφανώς από την κάθε υδρολογική κατηγορία τοπίου της εξεταζόμενης μετρούμενης λεκάνης, στην αντίστοιχη ίδια κατηγορία της εξεταζόμενης μη μετρούμενης λεκάνης. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο ορίστηκε ως ημικατανεμημένη ταξινόμηση. 3. Ορισμός της Ανάντη Συμβάλλουσας Έκτασης (ΑΣΕ) για τη δημιουργία υδρογραφικού δικτύου, με (α) πρωτότυπη χρήση ευρέως διαθέσιμης χαρτογραφικής πληροφορίας σχετικά με τα εφήμερα ρέματα και τα ρέματα μόνιμης ροής, (β) θεώρηση της χωροχρονικής μεταβολής του υδρογραφικού δικτύου, και πρόταση εκδοχών αυτού λόγω εποχικής διακύμανσης. 4. Ανάπτυξη μεθοδολογικού πλαισίου για την κατάρτιση συνθετικού Μοναδιαίου Υδρογραφήματος σε μη μετρούμενη λεκάνη απορροής με χρήση της γνωστής μεθόδου της σταθμισμένης μέσω της πυκνότητας του υδρογραφικού δικτύου Ανηγμένης Συνάρτησης Πλάτους (drainage density based Rescaled Width Function, ddRWF). Η πρωτοτυπία του προτεινόμενου πλαισίου έγκειται στη μέθοδο εκτίμησης των κινηματικών παραμέτρων της μεθόδου ddRWF (ταχύτητες ροής του νερού επί πλαγιάς και εντός υδατορεύματος). 5. Πραγματοποίηση υπολογιστικού πειράματος, μέσω της μεθόδου Monte Carlo, για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης, επί των ορίων της κατακλυζόμενης περιοχής λόγω πλημμύρας, των σφαλμάτων της υψομετρικής πληροφορίας από ΨΜΕ παραχθέντα με διάφορες μεθόδους, στη συνέχεια, παραγωγή πρωτότυπων κριτηρίων προσδιορισμού της αβεβαιότητας των ορίων της κατακλυζόμενης περιοχής από πλημμύρες σχεδιασμού διαφόρων περιόδων επαναφοράς, σε δύο διαφορετικούς τύπους γήινου αναγλύφου (πεδινό, λοφώδες) και, τέλος, συσχέτιση των παραπάνω κριτηρίων με την περίοδο επαναφοράς και τον τύπο αναγλύφου. Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από δύο διακριτά Μέρη: το Μέρος Ι στο οποίο παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο, η υπάρχουσα γνώση και το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο το οποίο αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής καιτο Μέρος ΙΙ στο οποίο αναπτύσσονται και εφαρμόζονται οι προτεινόμενες μεθοδολογίες σε λεκάνες απορροής ποταμών της ελληνικής επικράτειας και παρουσιάζονται τα ερευνητικά αποτελέσματα. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με τη συγκέντρωση των συμπερασμάτων και την παράθεση ορισμένων ιδεών για περαιτέρω έρευνα.