Πολυκυτταρικό μοντέλο υδροφορέα

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η σύνθεση και κατασκευή ενός ημι-κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου, το οποίο θα περιγράφει ταυτοχρόνως υπόγεια και επιφανειακά νερά, με κύρια έμφαση στα υπόγεια. Το μοντέλο εφαρμόζεται στην υδρολογική λεκάνη του Βοιωτικού Κηφισού ποταμού, προκειμένου να προσομοιώσει τις υδρολογικές διεργασίες και να δώσει στοιχεία για το υδατικό ισοζύγιο. Στην προσομοίωση υδρολογικών συστημάτων, κυριαρχούν δύο κύρια είδη μοντέλων. Τα αδιαμέριστα και τα πλήρως κατανεμημένα. Τα πρώτα, καταφέρνουν συνήθως χονδροειδείς προσεγγίσεις της λειτουργίας ενός συστήματος και αποφεύγονται ολοένα και περισσότερο. Στην βιβλιογραφία αναφέρονται συνήθως περιπτώσεις κατασκευής και χρήσεώς τους ως προσταδίων για την κατασκευή άλλων συνθετότερων μοντέλων. Από πλευράς μαθηματικών δεν είναι ουδόλως απαιτητικά, διότι κάνουν χρήση απλών ισοζυγίων. Επιπλέον δεν απαιτούν πληθώρα δεδομένων και χρονοσειρών για την ρύθμισή τους. Τα δεύτερα είναι ιδιαιτέρως διαδεδομένα στην προσομοίωση υπογείων υδροφορέων και τυγχάνουν της προτιμήσεως του επιστημονικού κοινού διεθνώς. Όσον αφορά το μαθηματικό τους μέρος, εφαρμόζουν μερικές διαφορικές εξισώσεις και χρησιμοποιούν αριθμητικές μεθόδους για την επίλυσή τους. Έχουν ανάγκη από λεπτομερείς πληροφορίες για το σύστημα που προσομοιώνουν και μεγάλου μήκους χρονοσειρές μετρήσεων, προκειμένου να ρυθμιστούν σωστά. Παρ' όλα αυτά, όταν ρυθμιστούν επαρκώς, είναι πολύ αποτελεσματικά και παρέχουν πληροφορία για κάθε σημείο του μελετώμενου χώρου. Το μοντέλο που κατασκευάσθηκε, με την ονομασία 4Xcell είχε σαν στόχο του να καλύψει την περιοχή μεταξύ των δύο παραπάνω ειδών μοντέλων. Είναι ένα ημι-κατανεμημένο μοντέλο που αφορά την προσομοίωση υδρολογικών λεκανών με καρστικό υπόγειο υδροφορέα και την ταυτόχρονη αντιμετώπιση των επιφανειακών και υπογείων υδάτων. Το υπό μελέτη σύστημα χωρίζεται σε μία σειρά ενοτήτων και καθεμία από αυτές αντιμετωπίζεται με αδιαμέριστο τρόπο. Έτσι, αφ' ενός επιτυγχάνεται μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα απ' ό,τι με ένα αδιαμέριστο μοντέλο, αφ' ετέρου δεν απαιτείται μεγάλη πυκνότητα πληροφορίας και δεν προκύπτουν πολύπλοκα μαθηματικά προβλήματα, όπως με ένα αριθμητικό, κατανεμημένο μοντέλο. Δεδομένα εισόδου στο 4Xcell είναι χρονοσειρές βροχοπτώσεως, δυνητικής εξατμοδιαπνοής και αντλήσεων από τον υπόγειο καρστικό υδροφορέα. Στην έξοδο λαμβάνονται οι χρονοσειρές της πραγματικής εξατμοδιαπνοής, της διακυμάνσεως της εδαφικής υγρασίας, της κατεισδύσεως, της παροχής του ποταμού σε διάφορα σημεία και των διακυμάνσεων στις στάθμες του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Ακόμα είναι δυνατή η σύνταξη υδατικών ισοζυγίων. Η κατάστρωση του μοντέλου είναι ιδιαιτέρως απλή και γίνεται σε λογιστικό φύλλο (spreadsheet) τύπου Excel, σε προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για την ρύθμιση του μοντέλου χρειάζονται χρονοσειρές υδρομετρήσεων σε κομβικά σημεία του ποταμού και χρονοσειρές αντίστοιχης περιόδου για τις στάθμες των υδροφόρων. Η επίλυση των μαθηματικών εξισώσεων, οι οποίες αποτελούν σχεδόν κατ' αποκλειστικότητα εφαρμογή του νόμου του Darcy, γίνεται με αλγόριθμο βελτιστοποίησης, που υλοποιείται με "επιλυτή" που είναι ενσωματωμένος στο Excel. Το 4Xcell ρυθμίστηκε στην λεκάνη του Βοιωτικού Κηφισού για την περίοδο 10/1984 - 9/1989, με μηνιαίες χρονοσειρές. Οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται έχουν φυσικό νόημα και οι τιμές που προέκυψαν ήταν απολύτως λογικές. Η απόκλιση στις στάθμες δεν ξεπέρασε το 0.3 m ενώ στις παροχές τα 3.5 hm3 ανά μήνα. Η προσαρμογή του μοντέλου ήταν ικανοποιητική. Η επαλήθευση του μοντέλου έγινε για διάφορες πενταετείς περιόδους μεταξύ 10/1967 - 9/1987 και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι παρά την περιορισμένη περίοδο ρυθμίσεως, το μοντέλο έχει την δυνατότητα να αναπαραγάγει τις μετρημένες χρονοσειρές με ικανοποιητική προσέγγιση. Σε γενικές γραμμές φαίνεται ότι το μοντέλο 4Xcell επιτυγχάνει την ικανοποιητική προσομοίωση των υδρολογικών διαδικασιών της λεκάνης. Μπορεί να ρυθμιστεί σχετικά εύκολα και, με μικρό υπολογιστικό κόπο και χρόνο, να δώσει επαληθεύσιμα ρεαλιστικά αποτελέσματα.