Εκτίμηση πλημμυρικής επικινδυνότητας με τη χρήση μοντέλων προσομοίωσης
Authors: Διακάκης Μιχαήλ 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το ζήτημα της εκτίμησης του πλημμυρικού κινδύνουαναπτύσσοντας και χρησιμοποιώντας ένα φάσμα διαφορετικών μεθοδολογιών οι οποίες δίνουναπαντήσεις σε μια σειρά από ζητήματα που συνδέονται με την εκτίμηση του κινδύνου στονΕλληνικό χώρο.Η διατριβή ξεκινά εξετάζοντας το πρόβλημα των πλημμυρών τόσο σε παγκόσμιο, όσο και σεΕυρωπαϊκό επίπεδο, διαπιστώνοντας ότι οι πλημμύρες είναι ένας από τους σημαντικότερουςτύπους φυσικών κινδύνων, τόσο σε ότι αφορά τις οικονομικές επιπτώσεις, όσο και σε ότι αφορά τοκόστος σε ανθρώπινες ζωές. Ακολούθως, εξετάζεται το πρόβλημα των πλημμυρών στον Ελληνικόχώρο, στον οποίο προκύπτουν σημαντικές ελλείψεις τόσο σε ότι αφορά στην αποτύπωση τουκινδύνου όσο και στην ίδια την καταγραφή και την κατανόηση των φαινομένων. Το γεγονός αυτόδυσχεραίνει ιδιαίτερα τη μελέτη των πλημμυρών αλλά και την εκτίμηση της έκτασης τουπροβλήματος. Στο πρώτο αυτό μέρος παρουσιάζονται επίσης οι στόχοι της έρευνας και τα κύριαστοιχεία της δομής της διατριβής.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο των πλημμυρών καιαναλύονται οι παράγοντες οι οποίοι επιδρούν στην εκδήλωση των πλημμυρικών φαινομένων.Παράλληλα, περιγράφονται οι ιδιαιτερότητες του Ελληνικού χώρου οι οποίες καθορίζουν τη φύσητου πλημμυρικού κινδύνου και την εφαρμοσιμότητα των διαφόρων μεθοδολογιών. Ακολούθως,εξετάζονται εκτενώς οι κυριότερες προσεγγίσεις μελέτης και οι μεθοδολογίες αιχμής (state-of-art)που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση του κινδύνου σε περιβάλλοντα με παρόμοιεςιδιαιτερότητες.Κατά την επισκόπηση των μεθοδολογιών, αρχικά, εξετάζεται η ανάλυση του πλημμυρικούιστορικού και γίνεται ανασκόπηση των επιμέρους τεχνικών που έχουν αναπτυχθεί. Επιπρόσθετα,παρουσιάζονται οι πηγές ιστορικών δεδομένων που προτείνονται στη βιβλιογραφία, καθώς και οιδυνατότητες και οι περιορισμοί της συγκεκριμένης προσέγγισης. Στη συνέχεια, αναλύεται ημελέτη του κινδύνου με τη χρήση υδρολογικών μοντέλων και τη μελέτη των γεωμορφολογικώνχαρακτηριστικών της υδρολογικής λεκάνης και παρουσιάζονται οι δυνατότητες των προσεγγίσεωναυτών στην οριοθέτηση των ζωνών κινδύνου. Ακολούθως, εξετάζεται η υδραυλική προσομοίωση,το σχετικό θεωρητικό υπόβαθρο, οι εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση των υδάτων, καθώςκαι ορισμένα παραδείγματα μοντέλων, η δομή τους και οι τυπικές δυνατότητές τους. Επιπρόσθετα,εξετάζεται η μελέτη των πλημμυρών μέσω έμμεσων δεικτών και συγκεκριμένα στοιχείων τηςβλάστησης. Τέλος, παρουσιάζεται η μετεωρολογική προσέγγιση στην ανάλυση του πλημμυρικούκινδύνου και εξετάζεται η χρήση μετεωρολογικών ορίων (thresholds) για την πρόβλεψηεκδήλωσης πλημμύρας και η σχετική βιβλιογραφία. Για όλες τις προσεγγίσεις που αναλύοντα εξετάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους, οι απαιτήσεις τους σε δεδομένα, οιδυνατότητες τους στην εκτίμηση του κινδύνου και η μορφή των αποτελεσμάτων που μπορούν ναπαράξουν.Ξεκινώντας το ερευνητικό μέρος, η διατριβή εστιάζει στην συγκρότηση ενός συστηματικούαρχείου πλημμυρών ώστε να αντιμετωπίσει τις σημαντικές ελλείψεις που έχουν διαπιστωθεί στηνκαταγραφή των πλημμυρικών φαινομένων στον Ελληνικό χώρο. Για το σκοπό αυτό, εξετάζονταιεκτενώς οι πηγές δεδομένων που προτείνονται στην βιβλιογραφία, με κύριες εξ αυτών τιςεπιστημονικές καταγραφές, τα αρχεία δημόσιων φορέων και τις καταγραφές του τύπου. Με βάσητα στοιχεία που συλλέγονται, αναπτύσσεται ένας κατάλογος 562 πλημμυρικών γεγονότων μεαναλυτικά χωρικά και χρονικά δεδομένα για κάθε πλημμύρα, καθώς και πληροφορίες για τοναριθμό των θυμάτων. Η στόχευση της συγκεκριμένης ανάλυσης είναι η ανάπτυξη ενόςσυστηματικού αρχείου από επιμέρους καταλόγους και αποσπασματικά δεδομένα, το οποίο μπορείνα αποτελέσει στη συνέχεια επιστημονικό εργαλείο για τη συστηματική μελέτη των πλημμυρικώνφαινομένων, τόσο σε επίπεδο επικράτειας όσο και σε τοπική κλίμακα.Με βάση τον κατάλογο που αναπτύσσεται, εξετάζεται για πρώτη φορά η χωρική κατανομή τωνπλημμυρών στην επικράτεια. Από την αποτύπωσή τους, προκύπτει αυξημένη συχνότηταπλημμυρικών φαινομένων σε συγκεκριμένες περιοχές του Ελληνικού χώρου, κυρίως στιςπαράκτιες ζώνες, σε χαμηλά υψόμετρα και σε αστικά κέντρα, με δήμους όπως της Αθήνας, τουΠειραιά, της Λαμίας, της Πάτρας και του Βόλου να παρουσιάζουν την υψηλότερη συχνότητα.Σε ότι αφορά την χρονική διακύμανση των πλημμυρών, μολονότι από την ανάλυση προκύπτουνσημαντικές διακυμάνσεις και με δεδομένες τις αβεβαιότητες που συνδέονται με τις ελλείψεις τουαρχείου, στο διάστημα 1880-2010, διαπιστώνεται μια γενική αυξητική τάση των καταγραφόμενωνγεγονότων στην Ελληνική επικράτεια. Αντίθετα, στο ίδιο διάστημα, οι θάνατοι που οφείλονται σεπλημμύρες δεν παρουσιάζουν κάποια ξεκάθαρη τάση μεταβολής.Στη συνέχεια, εξετάζεται η εποχικότητα των πλημμυρών στον Ελληνικό χώρο. Από την ανάλυσητης βάσης δεδομένων προκύπτει ότι το Φθινόπωρο είναι η εποχή με το υψηλότερο ποσοστό επί τουσυνόλου, ακολουθούμενο από το Χειμώνα, την Άνοιξη και τέλος το Καλοκαίρι. Σε σχέση με τηνκατανομή γεγονότων ανά μήνα, πρώτος εμφανίζεται ο Νοέμβριος με το υψηλότερο ποσοστό,ακολουθούμενος από τον Ιανουάριο, ενώ ο Απρίλιος παρουσιάζει το μικρότερο ποσοστό. Ηανάλυση δείχνει ότι οι θάνατοι από πλημμύρες εμφανίζουν επίσης ισχυρή εποχικότητα, μεπερισσότερους από τους μισούς να συμβαίνουν το Φθινόπωρο και κυρίως το Νοέμβριο.Από την ανάλυση της εποχικότητας διαπιστώνεται επίσης η παρουσία διαφορετικών κατανομώνμεταξύ των διαφόρων γεωγραφικών διαμερισμάτων της χώρας. Εξετάζοντας κάθε περιφέρεια ξεχωριστά προκύπτει ότι οι δυτικές περιφέρειες παρουσιάζουν αυξημένα ποσοστά χειμερινώνπλημμυρών ενώ οι νότιες αυξημένα ποσοστά θερινών. Μελετώντας την εποχικότητα στην περιοχήτης Μεσογείου με σκοπό την συσχέτιση των παρατηρήσεων, προκύπτει ότι οι νότιες περιοχές τηςΙσπανίας και της Ιταλίας παρουσιάζουν, όπως αυτές της Ελλάδας, αυξημένα ποσοστά θερινώνπλημμυρών. Αντίθετα, στις βόρειες περιοχές των χωρών αυτών, τα ποσοστά των θερινώνμειώνονται σημαντικά δίνοντας τη θέση τους σε χειμερινές πλημμύρες. Οι φθινοπωρινές και οιεαρινές πλημμύρες παρουσιάζουν μικρές διαφοροποιήσεις. Επιπρόσθετα, το Φθινόπωροκαταγράφει τα υψηλότερα ποσοστά πλημμυρών στην Ισπανία, την Ιταλία και την Κύπρο, όπως καιστην Ελλάδα.Ακολούθως, η διατριβή χρησιμοποιεί την ανάλυση του πλημμυρικού ιστορικού, σε μικρότερηκλίμακα, εστιάζοντας στο λεκανοπέδιο Αθηνών. Με βάση λεπτομερή ιστορικά δεδομένα και τονκατάλογο πλημμυρών, αναπτύσσεται μια βάση δεδομένων με λεπτομερή χωρικά στοιχεία για κάθεπλημμυρικό συμβάν στην περιοχή. Αναλύοντας τα δεδομένα αυτά σε περιβάλλον GIS γίνεταιεφικτή η οριοθέτηση των τμημάτων του υδρογραφικού δικτύου που πλημμύρισαν σε κάθεεπεισόδιο. Χρησιμοποιώντας τις αναπαραστάσεις αυτές και εφαρμόζοντας έναν αλγόριθμουπέρθεσης σε περιβάλλον GIS υπολογίζεται η συχνότητα εμφάνισης πλημμυρών σε κάθε τμήματου δικτύου στην περίοδο 1880-2010. Τα αποτελέσματα δείχνουν υψηλότερη συχνότητα στιςεκβολές του Κηφισού και του Ιλισού αλλά και σε τμήματα του υδρογραφικού δικτύου στη δυτικήΑθήνα.Κατόπιν, η διατριβή εστιάζει στην περιοχή του Μαραθώνα στη βόρειο-ανατολική Αττική. Στηνπεριοχή αυτή χρησιμοποιείται η ανάλυση του πλημμυρικού ιστορικού στις υδρολογικές λεκάνεςτου Χάραδρου, της Ραπεντώσας και του ρέματος της Μυρτιάς. Με βάση λεπτομερή στοιχείαζημιών από πλημμύρες γίνεται ακριβής αναπαράσταση 19 ξεχωριστών πλημμυρικών συμβάντων.Χρησιμοποιώντας τις αναπαραστάσεις αυτές και εφαρμόζοντας έναν αλγόριθμο υπέρθεσης σεπεριβάλλον GIS, επιτυγχάνεται ο υπολογισμός της πλημμυρικής συχνότητας στο χώρο.Στη συνέχεια της διατριβής, ερευνάται η δυνατότητα εκτίμησης του πλημμυρικού κινδύνου μεβάση τα υδρολογικά και γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά μιας υδρολογικής λεκάνης. Για τοσκοπό αυτό, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία, η οποία αξιοποιεί τα μορφομετρικά χαρακτηριστικάγια την ανάλυση του κινδύνου. Η βασική ιδέα της μεθοδολογίας είναι η κατάρτιση χαρτώνκινδύνου πλημμύρας με βάση τις παροχές αιχμής που προκύπτουν κατά μήκος του υδρογραφικούδικτύου. Για τον υπολογισμό των παροχών αυτών, αναπτύσσονται υδρογραφήματα σεπολυάριθμες θέσεις κατά μήκος του δικτύου οι οποίες θεωρούνται δυνητικές έξοδοι υπολεκανών.Η μέθοδος περιλαμβάνει τη δημιουργία διαγραμμάτων «χρόνου-επιφάνειας» για κάθε μια απόαυτές τις υπολεκάνες συνδυάζοντας την απόσταση ροής με την ταχύτητα ροής. Όλη η διεργασίαεκτελείται σε περιβάλλον GIS ενώ για τη μορφομετρική ανάλυση των υδρολογικών λεκανών και υπολεκανών χρησιμοποιείται το μοντέλο ArcHydro. Οι υπολογιζόμενες τιμές παροχής αιχμήςαντανακλούν το καθεστώς απορροής κατά μήκος του υδρογραφικού δικτύου αναδεικνύοντας τιςθέσεις όπου οι μορφομετρικές παράμετροι της λεκάνης τείνουν να παράγουν υψηλότερες παροχέςαιχμής, στις οποίες κατά συνέπεια υπάρχει μεγαλύτερο δυναμικό πλημμυρικών φαινομένων. Ημέθοδος εφαρμόζεται σε τέσσερις διαφορετικές υδρολογικές λεκάνες: τη λεκάνη του Ξηριά στηβόρεια Πελοπόννησο, τη λεκάνη του Ευρώτα στη νότια Πελοπόννησο και τις λεκάνες τουΧάραδρου και της Ραπεντώσας στη ΒΑ Αττική επιτυγχάνοντας σε όλες τις περιπτώσεις νααποτυπώσει τον κίνδυνο πλημμύρας. Για τον έλεγχο και την επαλήθευση των αποτελεσμάτωνχρησιμοποιούνται ιστορικές καταγραφές ζημιών από πλημμύρες οι οποίες αποτυπώνονται σεεπιστημονικές δημοσιεύσεις.Στη συνέχεια της διατριβής ερευνάται η δυνατότητα χάραξης ζωνών πλημμυρικού κινδύνου με τηχρήση υδραυλικού μοντέλου. Για την εφαρμογή της μεθόδου επιλέγονται οι υδρολογικές λεκάνεςτης Ραπεντώσας και του Χάραδρου, λόγω της διαθεσιμότητας αξιόπιστων μετεωρολογικών καιστοιχείων, λεπτομερών τοπογραφικών δεδομένων και αξιόπιστων ιστορικών στοιχείων πουαφορούν στις πλημμύρες και τις επιπτώσεις τους. Για την προσομοίωση και τη χαρτογράφηση τωνζωνών κινδύνου χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο HEC-RAS σε περιβάλλον GIS. Με την χρήση τηςμεθόδου Δείκτη Καμπύλης (Curve number method) και με την κατάρτιση των καταιγίδωνσχεδιασμού κατέστη δυνατός ο υπολογισμός των απωλειών της βροχόπτωσης. Με βάση τονυπολογισμό αυτό αναπτύσσονται συνθετικά υδρογραφήματα για τις παροχές περιόδου επανάληψης50, 100 και 200 ετών για τις δύο υδρολογικές λεκάνες. Ακολούθως, εισάγονται τα γεωμετρικάδεδομένα της κοίτης (με βάση μετρήσεις πεδίου) και αναπτύσσεται ένα λεπτομερές ψηφιακόμοντέλο της περιοχής όπως απαιτεί το μοντέλο HEC-RAS. Από την εκτέλεση του μοντέλουπροκύπτον οι ζώνες κινδύνου πλημμύρας στις δύο λεκάνες, καθώς και το βάθος και η ταχύτητα τηςροής για τις παροχές περιόδου επανάληψης 50, 100 και 200 ετών. Για τον έλεγχο και τηνεπαλήθευση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν ιστορικές καταγραφές ζημιών από πλημμύρεςοι οποίες αποτυπώνονται σε επιστημονικές δημοσιεύσεις.Ακολούθως, αναλύεται η χρήση στοιχείων της βλάστησης για την μελέτη των πλημμυρικώνφαινομένων. Για την εφαρμογή της συγκεκριμένης προσέγγισης κατόπιν έρευνας υπαίθρουεπιλέγεται η υδρολογική λεκάνη της Ραπεντώσας, λόγω της διαθεσιμότητας εκδορών σε κορμούςδέντρων (abrasion scars). Σε πρώτη φάση γίνεται καταγραφή των σημείων, αποτύπωση τωνσυνθηκών ροής. και ακριβής μέτρηση των διατομών του υδατορεύματος. Στη συνέχεια, θεωρώνταςτις εκδορές δείκτες στάθμης του υδατορεύματος κατά τη διάρκεια των αντίστοιχων πλημμυρικώνγεγονότων, αποτυπώνονται οι συνθήκες ροής με τη μέθοδο Acrement και Schneider καιυπολογίζεται η αντίστοιχη παροχή χρησιμοποιώντας την εξίσωση Gaukler-Manning. Ακολούθωςγίνεται λήψη πυρήνων με διατρητικό όργανο από τους κορμούς δέντρων στους οποίους βρέθηκανοι εκδορές, ώστε να προσδιορισθεί η ηλικία τους. Από την ανάλυση, προκύπτουν οι παροχές παλαιότερων πλημμυρών, ενώ σε ορισμένες εκ των θέσεων προσδιορίζεται επιτυχώς και ο χρόνοςτους. Με βάση τη μέγιστη παροχή που υπολογίζεται, γίνεται προσομοίωση σε επίπεδο μοναδικούυδρολογικού γεγονότος με τη χρήση του μοντέλου HEC-RAS, και προσδιορίζεται η έκταση τηςκατάκλυσης και το βάθος των υδάτων από ένα τέτοιο πλημμυρικό συμβάν. Για τον έλεγχο και τηνεπαλήθευση της προσομοίωσης χρησιμοποιούνται καταγραφές ζημιών που προσδιορίστηκαν στηνανάλυση του ιστορικού της περιοχής.Στη συνέχεια της διατριβής, ερευνάται η συσχέτιση της πλημμυρογένεσης με συγκεκριμέναχαρακτηριστικά των καταιγίδων. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέγονται δύο περιοχές μεδιαφορετικά γεωμορφολογικά και υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά, με σκοπό να εξετασθεί ηεφαρμοσιμότητα της μεθόδου σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Κατά συνέπεια, η μέθοδοςεφαρμόζεται στη βόρειο-ανατολική Αττική (στις λεκάνες του Χάραδρου και της Ραπεντώσας) καιστο λεκανοπέδιο Αττικής. Στις δύο αυτές περιοχές συλλέγονται μετεωρολογικά στοιχεία από τατοπικά δίκτυα μετεωρολογικών σταθμών και εξετάζονται διαφορετικά χαρακτηριστικά τωνκαταιγίδων όπως η μέση ένταση, η διάρκεια, το συνολικό ύψος υετού, οι μέγιστες εντάσεις, καθώςκαι η πρότερη κατάσταση υγρασίας του εδάφους. Με βάση την ανάλυση προκύπτει. ότι οι μέγιστεςεντάσεις, που καταγράφουν καταιγίδες που οδηγούν σε πλημμύρες, παρουσιάζουν μεγαλύτερεςτιμές από τις εντάσεις των καταιγίδων που δεν οδηγούν σε πλημμύρες στις δύο περιοχές μελέτης.Με την προβολή τους σε διαγράμματα «έντασης-διάρκειας» προκύπτει η παρουσία ορίων(thresholds) έντασης της βροχόπτωσης, πάνω από τα οποία τα χαρακτηριστικά μιας καταιγίδαςοδηγούν σε πλημμυρογέννεση. Προκύπτει επίσης ότι με βάση την αρχή αυτή, μετρώντας ταχαρακτηριστικά των καταιγίδων, μπορεί να αναπτυχθούν συστήματα έγκαιρης ειδοποίησης.Η διατριβή ολοκληρώνεται με την σύνθεση των αποτελεσμάτων των μεθοδολογιών πουαναπτύχθηκαν, εξετάζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, την εφαρμοσιμότητατους, τη δυνατότητα συνδυασμού τους και τα δυνητικά αποτελέσματα και τη μορφή τους. Τέλος,εξετάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από κάθε εφαρμογή, τόσο για τις ίδιες τιςμεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν, όσο και για τις περιοχές για τις οποίες εφαρμόσθηκαν, καθώς καιγια την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου στον Ελληνικό χώρο.