Ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων μεθοδολογιών, λογισμικών και αλγορίθμων (ACPA, BECPA,ARHA,HYDROLOGY) για τον ακριβή υπολογισμό υδραυλικών χαρακτηριστικών ροής στον σχεδιασμό έργων αντιπλημμυρικής προστασίας
Authors: Πέτικας Ιωάννης 
Published: September 2021

Η εκτίμηση πλημμυρικού κινδύνου σε μια περιοχή μπορεί να πραγματοποιηθεί με επίλυση υπολογιστικών μοντέλων μονοδιάστατης ροής και περιλαμβάνει τη χρήση λογισμικού προσδιορισμού των υδρολογικών λεκανών και του υδρογραφικού δικτύου, καθώς και λογισμικού επίλυσης υδραυλικών προβλημάτων μονοδιάστατης ροής όπως το HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis System), ενώ οι διατομές δημιουργούνται με μία διαδικασία που είναι σε μεγάλο βαθμό χειροκίνητη. Έχει αποδειχθεί υπολογιστικά και πειραματικά ότι στις φυσικές διατομές των ανοικτών αγωγών μπορούν να εμφανιστούν περισσότερα από ένα κρίσιμα βάθη ροής. Με το HEC-RAS προσδιορίζεται ένα μοναδικό κρίσιμο βάθος για κάθε διατομή, γεγονός που είναι δυνατό να οδηγήσει σε εσφαλμένο υπολογισμό του βάθους ροής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται δύο καινοτόμες μέθοδοι: α) για τον υπολογισμό των πολλαπλών κρίσιμων βαθών και β) για τον προσδιορισμό των βαθών ροής σε διατομές (απλές, μεικτές, σύνθετες) φυσικών και τεχνητών ανοικτών αγωγών (π.χ. υδατορεύματα, εγκιβωτισμένες κοίτες, κ.ά.). Η πρώτη βασίζεται στον εντοπισμό των σημείων αλλαγής της κλίσης της ειδικής ενέργειας, της οποίας η προσέγγιση πραγματοποιείται με πολυώνυμα τρίτου βαθμού και η δεύτερη στην εύρεση των σημείων μηδενισμού της συνάρτησης σφάλματος του ισοζυγίου ενέργειας, η προσέγγιση της οποίας πραγματοποιείται επίσης με πολυώνυμα τρίτου βαθμού. Για την υλοποίηση των παραπάνω μεθόδων αναπτύχθηκαν οι αναλυτικοί αλγόριθμοι ACPA (Adaptive Cubic Polynomials Algorithm) και BECPA (Balance Equations with Cubic Polynomials). Ακόμη αναπτύχθηκε το υπολογιστικό εργαλείο ARHA (Analytical River Hydraulic Analysis), που επιτρέπει την επίλυση προβλημάτων μόνιμης μονοδιάστατης ροής σε φυσικούς και τεχνητούς ανοικτούς αγωγούς, που περιγράφονται από μια σειρά από σύνθετες (τεχνητές ή φυσικές) διατομές. Το ARHA δοκιμάστηκε σε διάφορες συνθετικές υπολογιστικές καταστάσεις και σε μία πραγματική κατάσταση στον ποταμό Χαβρία του Νομού Χαλκιδικής. Κατόπιν έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων με το HEC-RAS. Διαπιστώθηκε ότι εκτός από τη δυνατότητα υπολογισμού όλων των κρίσιμων βαθών (σε σχέση με το HEC-RAS που υπολογίζει μόνο ένα κρίσιμο βάθος σε κάθε διατομή), τα αποτελέσματα είναι ακριβέστερα, οι αλγόριθμοι είναι έως και τρεις φορές ταχύτεροι και υπάρχει δυνατότητα επίλυσης προβλημάτων με πολύ μεγαλύτερο αριθμό διατομών. Ακολούθως αναπτύχθηκαν οι αλγόριθμοι και το λογισμικό HYDROLOGY για την επεξεργασία ψηφιακών μοντέλων εδάφους (ΨΜΕ) και την εξαγωγή των υδρολογικών λεκανών και του υδρογραφικού δικτύου. Το λογισμικό HYDROLOGY επιτρέπει τη διαχείριση της βάσης δεδομένων που δημιουργήθηκε από ΨΜΕ υψηλής ανάλυσης και τη δημιουργία νέων για οποιαδήποτε περιοχή ενδιαφέροντος. Αναπτύχθηκε τεχνική και αλγόριθμος για την πραγματοποίηση ταχύτατων γεωδαιτικών μετασχηματισμών συντεταγμένων υψηλής ακρίβειας που χρησιμοποιείται κατά τη δημιουργία των νέων ΨΜΕ. Παρουσιάζεται ακόμη η μεθοδολογία και ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την αυτόματη εξαγωγή διατομών από ΨΜΕ με καθορισμό μιας σειράς γεωμετρικών και υδραυλικών παραμέτρων. Η λειτουργία αυτή ενσωματώθηκε στο λογισμικό HYDROLOGY και επιτρέπει την επίλυση υδραυλικών προβλημάτων μόνιμης μονοδιάστατης ροής απευθείας στο ΨΜΕ, μέσα από ένα γραφικό περιβάλλον εργασίας και χωρίς τη μεσολάβηση εξωτερικού προγράμματος.