Κατανεμημένο Υδρολογικό Μοντέλο Με Ημι-Ακανόνιστη Τριγωνοποίηση Εδάφους Μικρών Λεκανών Απορροής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία ενός νέου κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου για την ακριβή προσομοίωση της συμπεριφοράς μικρών λεκανών απορροής πολύπλοκης τοπογραφίας με ημι-ακανόνιστη τριγωνοποίηση εδάφους. Το μοντέλο DELTA/HYDRO που αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου στο πλαίσιο της διατριβής αποτελείται από δύο κλάδους: τον γεωμετρικό, για τον ακριβή γεωμετρικό καθορισμό των επιφανειακών διαδρομών νερού και τον υδρολογικό, ο οποίος περιλαμβάνει τα συζευγμένα μοντέλα εδαφικής διήθησης - επιφανειακής απορροής. Με την προτεινόμενη μεθοδολογία που εφαρμόζεται για πρώτη φορά στην ανάπτυξη του γεωμετρικού μοντέλου, ο ακριβής γεωμετρικός προσδιορισμός των επιφανειακών διαδρομών νερού βασίζεται στην παραδοχή ότι σε μια δεδομένη τοπογραφία η οποία έχει προσομοιωθεί με χρήση ημι-ακανόνιστων τριγωνικών στοιχείων (Triangular semi-Irregular Network, semi-TIN), μία μεμονωμένη διαδρομή νερού μπορεί να ξεκινήσει από οποιοδήποτε κεκλιμένο τρίγωνο στο οποίο σημειώνεται βροχόπτωση. Μια αλληλουχία διαδοχικών διαβρεχόμενων τριγωνικών ή τραπεζοειδών επιφανειών οριοθετεί μια διαδρομή επίγειας ροής ενώ μια αντίστοιχη τριγωνικών ακμών ένα υδατόρευμα. Το νέο μοντέλο, πλεονεκτεί έναντι άλλων TIN προσεγγίσεων αφού με την προτεινόμενη μέθοδο, η επίγεια ροή και η ροή σε υδατόρευμα μελετώνται σε πλήρη σύζευξη και όχι ξεχωριστά ή μόνο σε τριγωνικές ακμές, αποτυπώνοντας με ακρίβεια την οποιαδήποτε παράμετρο στο επίπεδο της πιο μικρής υπολογιστικής μονάδας επιφάνειας. Η προσομοίωση που προκύπτει έχει «φυσική» σημασία ενώ κάθε γεωμετρική διαδρομή ροής μπορεί να «μεταφέρει» εκτός από νερό, κάθε άλλη παράμετρο που κινείται ακολουθώντας την λογική της βαρύτητας (π.χ. ρύπο ή ίζημα) Πιο αναλυτικά, στο πλαίσιο της διατριβής κατ’ αρχήν σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε ο γεωμετρικός κλάδος του μοντέλου ο οποίος αποτελείται από μια σειρά συζευγμένων μοντέλων, αρχικά για την οριοθέτηση της λεκάνης απορροής, τον καθορισμό των διαδρομών επίγειας ροής και ροής σε υδατόρευμα και στη συνέχεια το συνολικό υδρογραφικό δίκτυο. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε το υδρολογικό μοντέλο το οποίο αποτελείται από τα συζευγμένα μοντέλα (α) εδαφικής διήθησης και (β) επιφανειακής απορροής (επίγεια ροή και ροή σε υδατόρευμα). Το μοντέλο διήθησης, περιγράφει την διήθηση σε συνθήκες επιφανειακής κατάκλυσης ή μη, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση των Green και Ampt σε συνδυασμό με την τροποποίηση των Mein και Larson και την κατακόρυφη κίνηση του εδαφικού νερού με την εξίσωση Richards. Το μοντέλο είναι σε σύζευξη με αυτό της κίνησης του επιφανειακού νερού ως επίγεια ροή, η οποία περιγράφεται όπως και η ροή σε υδατόρευμα, με τη χρήση της μονοδιάστατης εξίσωσης της συνέχειας και της προσέγγισης κινηματικού κύματος.Οι διαδικασίες σύζευξης των μοντέλων διήθησης και επιφανειακής απορροής ξεκινούν μόλις μια επιφανειακή μονάδα κορεσθεί, αλλά δεν υπάρχει επίγεια ροή πριν πληρωθούν με νερό όλες οι μικρο-κοιλότητες του εδάφους από το πλεόνασμα βροχόπτωσης (Χορτόνεια ροή). Το μοντέλο που προέκυψε βαθμονομήθηκε και επαληθεύτηκε για τις μικρές αλλά πολύπλοκης τοπογραφίας λεκάνες απορροής Lucky Hills (LH 104, 4.4 εκτάρια) που βρίσκονται στην Arizona (Η.Π.Α) χρησιμοποιώντας δέκα επεισόδια θερμικής καταιγίδας με διαφορετικά χαρακτηριστικά.Αρχικά, το μοντέλο προσομοίωσε την τοπογραφία των λεκανών με τρία διαφορετικής γεωμετρικής ανάλυσης πλέγματα τριγωνικών στοιχείων και η βέλτιστη από τις προσομοιώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια κατά την εφαρμογή του υδρολογικού κλάδου του μοντέλου.Η συνολική απόδοση του μοντέλου εκτιμήθηκε με σύγκριση των χαρακτηριστικών των μετρημένων και των προσομοιωμένων υδρογραφημάτων (όγκος απορροής, μέγιστος ρυθμός απορροής και χρόνο επίτευξής του) για όλα τα επεισόδια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι το μοντέλο δίνει την δυνατότητα πολύ αξιόπιστης αναπαράστασης των μετρημένων απορροών. Η μελέτη της ευαισθησίας του μοντέλου DELTA/HYDRO που ακολούθησε, έδειξε ότι η αβεβαιότητα στις τιμές της παραμέτρου της βροχόπτωσης έχει μεγαλύτερη επίδραση στα αποτελέσματα του μοντέλου από αυτή άλλων παραμέτρων εισόδου, όπως αυτών της βαθμονόμησης.Επιπλέον φάνηκε ότι κατ’ αρχάς ότι το μοντέλο διήθησης που χρησιμοποιήθηκε εχει φυσική συνέπεια, ανακατανέμοντας σωστά στο εσωτερικό του εδάφους τα ποσά βροχής που δέχονται τα επιφανειακά στρώματα ενώ η μελέτη της εσωτερικής συνοχής του μοντέλου έδειξε ότι αυτό μπορεί να προσομοιώσει ικανοποιητικά ροές και σε εσωτερικά σημεία των λεκανών.Τέλος, το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε χωρίς προηγούμενη βαθμονόμηση στη μελέτη της υδρολογικής συμπεριφοράς μιας μικρής λεκάνης απορροής με διαφορετικά χαρακτηριστικά στο Arkansas (Η.Π.Α.), προσομοιώνοντας πολύ ικανοποιητικά ένα 24ωρο πολύπλοκο επεισόδιο βροχόπτωσης-απορροής.Συμπερασματικά, από τη συνολική μελέτη των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο DELTA/HYDRO παρέχει την δυνατότητα πολύ ικανοποιητικής προσομοίωσης της υδρολογικής συμπεριφοράς μικρών λεκανών απορροής. Παρόλα αυτά, περαιτέρω αξιολόγησή του είναι απαραίτητη με την μελέτη μεγαλύτερου αριθμού λεκανών απορροής παρόμοιου ή μεγαλύτερου μεγέθους και για επεισόδια βροχόπτωσης-απορροής διαφορετικών χαρακτηριστικών, με στόχο την πιστοποίηση της αξιοπιστίας του ως εργαλείου προγνωστικής ανάλυσης, πιο εξειδικευμένων επεισοδίων όπως αυτών της ξαφνικής πλημμύρας (flash flood).