Οριοθέτηση υδατορρέματος μικρής λεκάνης απορροής χωρίς υδρομετρήσεις με τα λογισμικά ArcGIS, HEC-GeoRAS και HEC-RAS:
Creators: name: Μπούρη, Σοφία Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Λεκάνη απορροής
Υδρομετρήσεις
Υδατορρέμα
Υδρογράφημα
Watershed
Rainfall records
River
Hydrograph

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος μεταπτυχιακών σπουδών «Γεωπληροφορική», Eιδίκευση «Υδατικοί Πόροι», του Τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Έχει τίτλο «Οριοθέτηση υδατορρέματος μικρής λεκάνης απορροής χωρίς υδρομετρήσεις με τα λογισμικά ArcGIS, HEC-GeoRAS και HEC-RAS» και ολοκληρώθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή του ίδιου Τμήματος κ. Σταύρου Γιαννόπουλου. Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η οριοθέτηση υδατορρέματος μικρής λεκάνης απορροής χωρίς υδρομετρήσεις, προκειμένου ο σύγχρονος σχεδιασμός αντιπλημμυρικών έργων να οδηγήσει στην επίτευξη ισορροπίας μεταξύ του ευρέως αποδεκτού ως φιλικού στο περιβάλλον και της πραγματικότητας δεδομένων των συχνά παρατηρούμενων πλημμύρων. Για το σκοπό αυτό, απαιτείται η λήψη μέτρων που καθιστούν δυνατή την αρμονική ένταξή τους στο περιβάλλον, αλλά και εξασφαλίζουν ικανοποιητική αντιπλημμυρική προστασία. Το υδραυλικό αυτό ζήτημα προσεγγίζεται με τη χρήση σύγχρονων λογισμικών που υποστηρίζουν την τεχνολογία των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ArcGIS και HEC-GeoRAS) και συντελούν στην μετέπειτα υδρολογική προσομοίωση στο περιβάλλον του προγράμματος HEC-RAS. Η εφαρμογή αφορά τις λεκάνες απορροής των ρεμάτων Τούρλα και Ροδιά του Δήμου Τορώνης στη Χαλκιδική, που ανήκουν στην ίδια ευρύτερη λεκάνη απορροής, διέπονται από όμοιες συνθήκες και χαρακτηριστικά ροής και κρίθηκε, γι’ αυτό, σκόπιμη η από κοινού εξέτασή τους. Η οριοθέτηση των ρεμάτων Τούρλα και Ροδιά έγινε σύμφωνα με τις ισχύουσες τεχνικές προδιαγραφές μελετών υδραυλικών έργων, όπως αυτές καθορίζονται στο τμήμα Δ! του 696/1974 Π. Δ/τος (ΦΕΚ 301/τ. Α./8.10.1974) και περιγράφονται στα άρθρα 177-194 αυτού. Σημειώνεται, όμως, ότι οι προδιαγραφές αυτές αφορούν στα εγγειοβελτιωτικά έργα (άρθρο 177, παρ. 1), γεγονός που καταδεικνύει, παρά τη δυνατότητα εφαρμογής τους με εξειδικεύσεις, συμπληρώσεις και περικοπές και σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση υπό προϋποθέσεις (άρθρο 194), το υπάρχον κενό. Κατά το πρώτο στάδιο της εργασίας έλαβε χώρα η εκμάθηση των λογισμικών εφαρμογής. Στη συνέχεια, ακολούθησε η συγκέντρωση του απαραίτητου υλικού για την εκπόνηση της εργασίας. Το χαρτογραφικό υπόβαθρο αποτέλεσαν έξι χάρτες της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) κλίμακας 1:5.000 (4446_6, 4447_5, 4446_8, 4447_7, 4456_2 και 4457_1), οι οποίοι γεωαναφέρθηκαν στο περιβάλλον του ArcGIS. Επόμενο στάδιο αποτέλεσε η ψηφιοποίηση των βασικών χαρακτηριστικών των λεκανών απορροής (υδροκρίτης, υδρογραφικό δίκτυο, ισοϋψείς, ακτογραμμή) προκειμένου να επιτευχθεί η δημιουργία των Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους (DTM) με τη χρήση της επέκτασης 3D Analyst του προγράμματος ArcGIS, αρχικά σε μορφή TIN και έπειτα σε μορφή GRID. Τη δόμηση των Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους (DTM) ακολούθησε η εφαρμογή του προγράμματος Arc Hydro, όπου πραγματοποιήθηκε η προεπεξεργασία του εδάφους και η επεξεργασία των εξεταζόμενων λεκανών απορροής. Σκοπός της προεπεξεργασίας του εδάφους είναι μια πρώτη ανάλυση του εδάφους, αλλά και η προετοιμασία των δεδομένων για περαιτέρω επεξεργασία. Επίσης, κατά τη διαδικασία αυτή, είναι δυνατόν να εντοπισθούν πιθανά προβλήματα στην αναπαράσταση του εδάφους και να αποφευχθεί, έτσι, η συσσώρευσή τους στα επόμενα στάδια της ανάλυσης. Σε ότι αφορά τη διαδικασία της επεξεργασίας των λεκανών απορροής, πρόκειται για μια διαδικασία που επιτρέπει στο χρήστη το γρήγορο σχεδιασμό των λεκανών απορροής, αλλά και την εξαγωγή τοπογραφικών πληροφοριών (στοιχείων). Ακολούθησε η εξαγωγή των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών των εξεταζόμενων λεκανών απορροής. Ειδικότερα, έγινε ταξινόμηση των υδρογραφικών δικτύων σύμφωνα με τη μέθοδο Strahler, υπολογίστηκαν τα μήκη των κύριων υδατορρεμάτων και των λεκανών απορροής, οι μέσες κλίσεις των κύριων υδατορρεμάτων, οι πυκνότητες των υδρογραφικών δικτύων, τα μέγιστα, ελάχιστα και μέσα υψόμετρα των λεκανών απορροής, οι μέσες κλίσεις των λεκανών και των υπολεκανών απορροής, οι δείκτες κυκλικότητας, συμπαγούς και επιμήκυνσης. Ακόμη, υπολογίστηκαν οι υψομετρικές καμπύλες και τα ενεργά πλάτη των λεκανών απορροής, οι αποστάσεις εξόδου από τα κέντρα βάρη τους, οι διαδρομές ροής κέντρων βαρών, οι μέγιστες διαδρομές ροών όπως και οι συντελεστές ελικτότητας των κύριων υδατορρεμάτων. Δεδομένης της έλλειψης υδρομετρήσεων, συγκεντρώθηκε η σχετική βιβλιογραφία (σχετική νομοθεσία και άρθρα) και αποφασίστηκε προκειμένου να υπολογιστεί η παροχή σχεδιασμού για την οριοθέτηση των δύο υδατορρεμάτων, να εφαρμοστούν όχι μόνο οι ισχύουσες τεχνικές προδιαγραφές μελετών υδραυλικών έργων που προβλέπουν τη χρήση εμπειρικών σχέσεων, αλλά και η αντιμετώπιση του προβλήματος με τη δημιουργία συνθετικών βροχοπτώσεων και πλημμυρογραφημάτων. Για τους υπολογισμούς της παροχής σχεδιασμού των ρεμάτων Τούρλα και Ροδιά, που αποτελούν το αντικείμενο της παρούσας μελέτης, χρησιμοποιήθηκε η σχέση I-D-F για περίοδο επαναφοράς πλημμύρας σχεδιασμού ίση με 50 έτη, σύμφωνα με σχετικές οδηγίες για την οριοθέτηση ρεμάτων του ΥΠΕΧΩΔΕ. Επίσης, από τις γνωστές στη βιβλιογραφία σχέσεις έντασης-διάρκειας-συχνότητας βροχοπτώσεων (I-D-F) χρησιμοποιήθηκε αυτή του Gumbel, όπως περιγράφεται από την εξίσωση (8.13), η οποία παρουσιάζει σημαντικό συντελεστή προσδιορισμού (R2=0,9636). Ειδικότερα, η παροχή σχεδιασμού υπολογίστηκε με την ορθολογική μέθοδο, αλλά και με εμπειρικές εξισώσεις, όπως είναι ο τύπος του Fuller. Εξετάστηκαν, ακόμη, τα υδρογραφήματα πλημμύρας σχεδιασμού ακολουθώντας για τον υπολογισμό του υετογραφήματος σχεδιασμού τη μέθοδο της S.C.S. και των εναλλασσομένων υψών βροχής και υπολογίστηκε η καθαρή βροχή με τη βοήθεια της μεθόδου του CN. Τέλος, έγινε ο προσδιορισμός των συνθετικών μοναδιαίων υδρογραφημάτων της S.C.S. και της Sierra Nevada και στη συνέχεια, υπολογίστηκαν τα πλημμυρογραφήματα σχεδιασμού για βροχές (σχεδιασμού) διάρκειας 6, 12 και 24 hrs με τη βοήθεια των προαναφερθέντων συνθετικών μοναδιαίων υδρογραφημάτων. Έχοντας υπόψη τις αβεβαιότητες που εισάγονται στους υπολογισμούς λόγω των διαφορών στις βασικές παραδοχές των μεθόδων που εξετάστηκαν, αλλά και της έλλειψης μετρήσεων παροχών στα εξεταζόμενα ρέματα, εκτιμήθηκε ότι τα αποτελέσματα που προκύπτουν για διάρκεια βροχής 24 hrs (Qp=24,83 m3/s με tp=13,45 hrs και Qp=17,88 m3/s με tp=13,20 hrs για το ρέμα Τούρλα και Ροδιά αντίστοιχα) είναι ικανοποιητικά για την οριοθέτηση των δύο υδατορρεμάτων. Επιχειρώντας την οριοθέτηση των ρεμάτων Τούρλα και Ροδιά, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τα αντίστοιχα Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους, τα οποία συμπληρώθηκαν και ξαναδημιουργήθηκαν με τα σημεία της αποτύπωσης πεδίου που αποτελούν τμήμα της Οριστικής Μελέτης Οριοθέτησης Ρεμάτων, ανάδοχος της οποίας είναι το μελετητικό γραφείο «ΜΕΤΡΗΣΗ». Παρά το γεγονός αυτό, παρατηρήθηκε η αδυναμία του προγράμματος HEC-RAS να αποδώσει τη μορφή του εδάφους στις εξεταζόμενες διατομές χρησιμοποιώντας τα προαναφερθέντα Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους. Για το λόγο αυτό, αποφασίστηκε η λήψη των συντεταγμένων των σημείων εδάφους των διατομών, όπως προέκυψαν από την αποτύπωση πεδίου και η κατευθείαν εισαγωγή αυτών στο υδραυλικό πρόγραμμα HEC-RAS, όπου επιτεύχθηκε η προσομοίωση της ροής του νερού στα εξεταζόμενα ρέματα. Στη συνέχεια, ακολούθησε η εξαγωγή των αρχείων που δημιουργήθηκαν από το πρόγραμμα HEC-RAS και η μετατροπή αυτών σε μορφή xml, έτσι ώστε να είναι δυνατή η μετέπειτα εισαγωγή τους στο πρόγραμμα HEC-GeoRAS. Στο περιβάλλον του προγράμματος HEC-GeoRAS πραγματοποιήθηκε και η χαρτογράφηση των πλημμύρων των εξεταζόμενων ρεμάτων, καθώς παρατηρήθηκε η αδυναμία του ρέματος Τούρλα να παροχετεύσει την παροχή σχεδιασμού αλλά και εξάρσεις του εδάφους στο ρέμα Ροδιά. Για την τελική οριοθέτηση των ρεμάτων Τούρλα και Ροδιά, επαναλήφθηκε η παραπάνω διαδικασία στα χρησιμοποιούμενα προγράμματα, λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των πλημμύρων, αλλά και τα απαραίτητα αντιπλημμυρικά έργα. Συγκεκριμένα, τα μέτρα που επιλέχθηκαν αφορούν στις διαπλατύνσεις των διατομών των ρεμάτων, στις διευθετήσεις των κοιτών, στις διαμορφώσεις των διατομών, στις επενδύσεις των πρανών, στις διαμορφώσεις των μηκοτομών με περισσότερο ήπιες και ενιαίες κλίσεις και στην κατασκευή αναχωμάτων Εκτός από την απαίτηση για την ύπαρξη υδρολογικών και υδρομετρικών στοιχείων για την οριοθέτηση ενός υδατορρέματος, το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την παρούσα μελέτη είναι ότι σε μια μελέτη οριοθέτησης υδατορρέματος θα πρέπει να λαμβάνει χώρα πλήρης μελέτη διευθέτησης και όχι απλή οριοθέτηση, όπως προβλέπουν ο ν. 880/79 (άρθρο 6 παρ. 1, 2, 3) και ο ν. 2052/92 (άρθρο 6 παρ. 1 εδ(γ)), όπως τροποποιήθηκαν με το ν. 3010/2002 (άρθρο 5 παρ. 3 εδ. β).
description: The present thesis was realized during the Post-Graduate Studies, in the Department of Agriculture, Faculty of Geotechnical Sciences, Aristotle University of Thessaloniki, specialized in Agricultural Engineering and Water Resources. The title is «Bounding of a river of small watershed without rainfall records using the programs ArcGIS, HEC-GeoRAS and HEC-RAS» and was elaborated under the supervision of the Professor of the same Department Mr. Stavros Yannopoulos. The subject of the present thesis is the river’s bounding of a small watershed without rainfall records, regarding the frequently observed floods so as the contemporary planning of flood preventing works results to a balance between the broadly acceptable as environmentally friendly and realness. Towards this, measures that make possible not only the harmonic incorporation at the environment, but also ensure satisfying flood preventing protection seems demanded. This hydraulic case is being approached using modern programs which sustain the technology of the Geographical Information Systems (ArcGIS and HEC-GeoRAS) and contribute to the later hydraulic simulation in the environment of the program HEC-RAS. The application was realized on the Tourla and Rodia river watersheds of the municipality Toroni at Xalikidiki, which belong to the same greater watershed, are ruled by common conditions and flow characteristics and was judged, for this, intentional their common examination. The bounding of the Tourla and Rodia rivers was made according to the current technical specifications for the hydraulic works, as they are determined at part D! of the 696/1974 Greek-law and outlined at the articles 177-194. It is remarkable to underline that these specifications regard the land reclamation works (article 177, par. 1), fact that demonstrate, despite the ability of their implementation with particularizations, completions and curtailments and in whichever occasion under conditions (article 194), the existing void. During the first stage of the elaboration the learning of the programs took place. Sequently, followed the collection of the necessary elements for the elaboration of the present thesis, while it was attempted the planning out of the process of its expediting. The cartographic setting included six maps of the Hellenic Military Geographical Service on a scale of 1:5.000 (4446_6, 4447_5, 4446_8, 4447_7, 4456_2 και 4457_1) each of whom was georeferenced in the environment of the program ArcGIS. The next stage included the editing of the basic characteristics of the rivers watersheds (watershed, river, contour lines, coastline) with reference to achieve formation of the Digital Terrain Models (DTM) using the extension 3D Analyst of the program ArcGIS initially in a TIN form and afterwards in a GRID form. After the formation of the Digital Terrain Models (DTM), the implementation of the program Arc Hydro took place, where the terrain preprocessing and the processing of the examined river watersheds were completed. The purpose of terrain preprocessing is to perform an initial analysis of the terrain and to prepare the dataset for further processing. Also, during the processing, potential problems with the terrain representation can be identified, thus preventing the DEM errors from propagating to the later stages of the analysis. When it comes to the processing of the river watersheds, is about a procedure that allows the user a quick watershed delineation and also topographic characteristics extraction. In succession, the extraction of the geomorphological parameters of the examined river watersheds took place. Particularly, the rivers’ classification according to Strahler, the calculation of the lengths of the main rivers and of the river watersheds, the mean slopes of the main rivers, the density of the river nets, the maximum, minimum and mean elevations of the river watersheds, the indices of cycloid, compact and lengthening were completed. Moreover, the hypsometric curves and the effective widths of the basins, the lengths to go from their centroids, the centroidal flow paths, the maximum flow paths and the sinuosity factor of the main streams were computed. Considering the lack of rainfall records, valuable bibliography (lows and articles) was collected and decided that in order to calculate the design flow for the bounding of the two rivers to implement not only the current technical specifications for the hydraulic works that regard the use of experiential equations, but the formation of synthetic rains too. For the computations of the peak charges of the rivers Tourla and Rodia, the equations I-D-F for flood planning return period equal to 50 years was used, according to corresponding guidelines given by PWA. Also, from the well known in bibliography equations of intension-duration-frequency (I-D-F) the one of Gumbel was used, as specified at the equation (8.13), which reports significant determination’s coefficient (R2=0,9636). In particular, peak charges were computed as well with the rational method, as with experiential equations such as the equation of Fuller. Also, the flood’s hydrographs were investigated, following for the computation of the planning rain as well the S.C.S. method, as the one of the alternate rainfalls and sheer rain was computed. In the end, the synthetic determination of unit hydrographs was done applying the S.C.S. method and the method of Sierra Nevada. Particularly, it was implemented the combination of the S.C.S. method and the method of alternate rainfalls and the planning rain was computed with the help of the method of CN. In the end, the determination of the synthetic unit hydrographs of the S.C.S. method and the method of Sierra Nevada took place. Thereafter, the design flood hydrographs for rain times t=6, 12 και 24 hrs were calculated, with the help of the synthetic unit hydrographs. Concerning the input of uncertainties at the computations in virtue of the differences on the basic acceptances of the methods examined, in conjunction with the lack of charges’ records at the examined rivers, it was estimated that the results for the rain time of 24 hrs (Qp=24,83 m3/s with tp=13,45 hrs and Qp=17,88 m3/s with tp=13,20 hrs for Tourla and Rodia river respectively) are satisfying for the bounding of the two rivers. Trying the bounding of the rivers Tourla and Rodia, firstly, the respective DTMs were used, the precision of whom concerning the representation of the ground’s surface, was amplified with the points coming from the survey of the field and are part of the Final Study For The Bounding Of The Rivers contractor of which is the study office «METRISIS». Despite this fact, the inability of the HEC-RAS program to depict the ground’s form at the examined cross sections, using the DTMs mentioned before, was noticed. For this reason, it was decided the use of the cross sections’ coordinates, as they come from the survey and their direct input at the hydraulic program HEC-RAS, where the simulation of the examined rivers’ water flow was achieved. In succession, followed the export of HEC-RAS files and their conversion in xml form so as their thereafter input at the HEC-GeoRAS program to be able. In the environment of the HEC-GeoRAS program, flood delineations of the examined rivers achieved too because of the observed inability of Tourla river to receive the planning charge and the prominences’ of the ground at Rodia river. For the final bounding of Tourla and Rodia rivers, the procedure mentioned above at the programs used was repeated, taking into consideration as much the floods’ characteristics, as the needed flood protection works. In particular, the decided measures regard the widening of rivers’ cross sections, the arrangement of the riverbeds, the encompassments of their banks, the configuration of the length sections with milder and uniform inclinations, the construction of levees and the regular clean of the river’s banks. Apart from the need for existence of hydrological and hydrometrical elements in order for the bounding of a river to take place, the most important conclusion that arise from the present thesis is that a study for the bounding of a river should include a full study of its arrangement and not just a simple bounding, according to the 880/79 (article 6 paragraphs 1, 2, 3) and 2052/92 (article 6 paragraph 1) laws as modified by the law 3010/2002 (article 5 paragraph 3).