Ανάπτυξη κατανεμημένου υδρολογικού λογισμικού με εφαρμογή καινοτόμων κινηματικών τεχνικών

K. Risva, Development of a distributed hydrological software application employing novel velocity-based techniques, MSc thesis, 166 pages, Department of Water Resources and Environmental Engineering – National Technical University of Athens, Νοέμβριος 2018.

[Ανάπτυξη κατανεμημένου υδρολογικού λογισμικού με εφαρμογή καινοτόμων κινηματικών τεχνικών]

[doc_id=1915]

[Αγγλικά]

Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι η ανάπτυξη ενός κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου γεγονότος, που ενσωματώνει νέες μεθοδολογίες για την εκτίμηση της ενεργού βροχόπτωσης και την αναπαράσταση των διεργασιών διόδευσης. Αρχικά, διακρίνουμε την ενεργό από την ολική βροχόπτωση, σε κλίμακα κυττάρου, εξάγοντας έτσι τη χωρική κατανομή της επιφανειακής απορροής κατά την περίοδο προσομοίωσης. Το υποκείμενο μοντέλο βασίζεται σε ένα βελτιωμένο σχήμα NRCS-CN, το οποίο χρησιμοποιεί ένα χωρικά μεταβαλλόμενο αριθμό καμπύλης απορροής, CN (διαφορετικό για κάθε κύτταρο) και δύο αδιαμέριστες αδιάστατες παραμέτρους, ήτοι μία για την αναπαράσταση των προηγούμενων συνθηκών υγρασίας του εδάφους (AMC) της λεκάνης απορροής στην αρχή του γεγονότος της καταιγίδας και μία για την εκτίμηση των αρχικών ελλειμμάτων της βροχής. Βασική καινοτομία στη μοντελοποίηση είναι η προσαρμογή της λεγόμενης τιμής CN αναφοράς (δηλαδή της τιμής που αναφέρεται στις μέσες συνθήκες υγρασίας του εδάφους και σε ποσοστό αρχικών ελλειμμάτων 20%) έναντι των δύο προαναφερθέντων αδιαμέριστων παραμέτρων. Για τη διόδευση της απορροής στην έξοδο της λεκάνης εξετάζονται δύο τύποι ροής, ήτοι μια χερσαία ροή στο έδαφος της λεκάνης και μια ροή τύπου καναλιού κατά μήκος του υδρογραφικού δικτύου. Αυτά συντίθενται με τη χρήση μιας προσέγγισης που βασίζεται στην ταχύτητα ροής, για τον προσδιορισμό του πλημμυρογραφήματος. Αυτή η προσέγγιση εφαρμόζει μια πρωτότυπη μεθοδολογία για την αντιστοίχιση ρεαλιστικών τιμών ταχύτητας κατά μήκος του υδρογραφικού δικτύου. Αυτή χρησιμοποιεί μακροσκοπικές υδραυλικές πληροφορίες, καθώς και τον χρόνο συγκέντρωσης της λεκάνης, που θεωρείται συνάρτηση της έντασης απορροής. Η προτεινόμενη προσέγγιση εκμεταλλεύεται τις περιοχικές σχέσεις και τις βιβλιογραφικές τιμές για την εκχώρηση κατάλληλων τιμών σε όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη του μοντέλου, εκτός από τις δύο αδιαμέριστες παραμέτρους του μετασχηματισμού βροχής-απορροής, οι οποίες είτε εκχωρούνται χειροκίνητα είτε επάγονται μέσω βαθμονόμησης. Στην τελευταία περίπτωση, είναι απαραίτητο να εξαχθεί η συνιστώσα της υποδερμικής ροής από το συνολικό υδρογράφημα, κάτι που μπορεί να γίνει με διάφορες προσεγγίσεις ποικίλης πολυπλοκότητας. Εδώ προτείνουμε μια εμπειρική μέθοδο, που απαιτεί την προσαρμογή ενός αδιαμέριστου υδρολογικού μοντέλου στο παρατηρημένο υδρογράφημα, το οποίο εξηγεί ρητά τη συμβολή της υποδερμικής ροής στη συνολική απορροή. Μια εναλλακτική, πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση, στοχεύει στην εφαρμογή του κατανεμημένου μοντέλου με πρόσθετες λειτουργικότητες, προκειμένου να ληφθεί το πλήρες υδρογράφημα στην έξοδο της λεκάνης. Σε αυτό το πλαίσιο, έχουμε επίσης αναπτύξει μια πιο γενική εκδοχή του πλαισίου μοντελοποίησης, στην οποία η διαδικασία NRCS-CN συνδυάζεται με ένα σχήμα συνεχούς υπολογισμού της υγρασίας του εδάφους, παράγοντας έτσι τόσο την επιφανειακή (χερσαία) απορροή όσο και την υποδερμική ροή μέσω της ακόρεστης ζώνης. Προφανώς, αυτή η επαυξημένη έκδοση απαιτεί κάποιες πρόσθετες παραμέτρους, καθώς στη διαδικασία προσομοίωσης λαμβάνονται υπόψη περισσότερες διεργασίες. Για τη σχηματοποίηση του υπολογιστικού πεδίου του μοντέλου, ο χρήστης πρέπει να διαμορφώσει δύο χωρικά επίπεδα, ήτοι έναν κάναβο της λεκάνης αποτελούμενο από ισοδιάστατα τετραγωνικά κύτταρα, και μια διαμόρφωση μορφής γράφου του υδρογραφικού δικτύου, που περιλαμβάνει κόμβους και διασυνδεδεμένα ποτάμια τμήματα. Οι δύο εκδοχές του μοντέλου και το αντίστοιχο λογισμικό ελέγχονται με επιτυχία στην αναπαράσταση δύο πλημμυρικών γεγονότων στη λεκάνη του ποταμού Νέδοντα.

PDF Πλήρες κείμενο (9304 KB)

Εργασίες μας που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία:

1. K. Risva, D. Nikolopoulos, and A. Efstratiadis, Development of a distributed hydrological software application employing novel velocity-based techniques, 11th World Congress on Water Resources and Environment “Managing Water Resources for a Sustainable Future”, Madrid, European Water Resources Association, 2019.