Επίδραση χωρικής διακριτοποίησης υδρολογικών μοντέλων στα χαρακτηριστικά της πλημμύρας – Εφαρμογή στη λεκάνη του Νέδοντα

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έξαρση ακραίων καιρικών φαινομένων, με την εκδήλωση βροχοπτώσεων ασυνήθιστα υψηλής έντασης να συγκαταλέγεται μεταξύ αυτών. Ακόμα και σήμερα, που είναι πιο εμπεδωμένη σε σχέση με το παρελθόν η κουλτούρα του αντιπλημμυρικού σχεδιασμού, οι ακραίες βροχοπτώσεις προκαλούν πλημμυρικά επεισόδια, τα οποία έχουν πολλές φορές καταστροφικές συνέπειες για την ανθρώπινη ζωή και την οικονομία. Αυτό σημαίνει ότι είναι επιτακτική η ανάγκη διεύρυνσης του αντιπλημμυρικού σχεδιασμού, ώστε να διασφαλιστεί η ανθεκτικότητα των υφιστάμενων και νέων έργων και σχεδίων. Για να επιτευχθεί αυτός ο σκοπός, είναι απαραίτητη η χρήση υδρολογικών και υδραυλικών εργαλείων που παρέχουν ικανοποιητική ακρίβεια στην εκτίμηση των σημαντικών πλημμυρικών μεγεθών, δηλαδή της παροχής αιχμής και του πλημμυρικού όγκου. Η υδρολογική προσομοίωση είναι ιδιαίτερα κρίσιμη, καθώς τα αποτελέσματά της αποτελούν δεδομένο εισόδου του σχεδιασμού των αντιπλημμυρικών έργων. Ο μηχανικός, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής, τις απαιτήσεις του έργου, τα διαθέσιμα δεδομένα και την εμπειρία του, καλείται κάθε φορά να χρησιμοποιήσει εκείνο το υδρολογικό μοντέλο που θα του εξασφαλίσει τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Τα μοντέλα αυτά χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες, αλλά αυτό που εξετάζεται στην παρούσα εργασία είναι η χωρική κλίμακα. Ως προς αυτή, τα υδρολογικά μοντέλα διακρίνονται σε αδιαμέριστα, όπου η λεκάνη απορροής αντιμετωπίζεται ενιαία, σε ημικατανεμημένα, όπου η λεκάνη απορροής διακριτοποιείται σε υπολεκάνες, και σε κατανεμημένα, όπου η λεκάνη απορροής διακριτοποιείται σε φατνία. Τα ημικατανεμημένα και τα κατανεμημένα μοντέλα είναι πιο προηγμένα, καθώς κάθε υπολεκάνη και φατνίο, αντίστοιχα, αντιμετωπίζεται ανεξάρτητα, άρα λαμβάνεται έτσι υπόψη η χωρική ετερογένεια των χαρακτηριστικών της λεκάνης και της βροχόπτωσης. Η απορροή κάθε στοιχείου διοδεύεται στην έξοδο της λεκάνης με κάποιο μοντέλο διόδευσης, το οποίο, ανεξαρτήτως του είδους του, χαρακτηρίζεται από μεγάλη αβεβαιότητα. Πιο παλιά, λόγω ανεπαρκών υπολογιστικών συστημάτων, η χρήση τέτοιων μεθόδων ήταν περιορισμένη. Ωστόσο, σήμερα, ο μηχανικός έχει στη διάθεσή του και τα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (ΣΓΠ), που αποτελούν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο κατά την υδρολογική ανάλυση, αλλά και προηγμένα λογισμικά υδρολογικής προσομοίωσης, όπως το HEC-HMS, που μπορούν να επιλύσουν σύνθετα προβλήματα. Ωστόσο, το ενδιαφέρον έχει στραφεί στα κατανεμημένα μοντέλα και τα ενδιάμεσης πολυπλοκότητας ημικατανεμημένα μοντέλα, τα οποία, αν και χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως, δεν έχουν μελετηθεί όσο θα έπρεπε ως προς όλες τις πτυχές τους. Πιο συγκεκριμένα, δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς η επίδραση του επιπέδου της διακριτοποίησης μιας λεκάνης απορροής σε υπολεκάνες. Η αύξηση της διακριτοποίησης έχει εσφαλμένα ταυτιστεί με την αύξηση της παροχής αιχμής και την απόδοση ακριβέστερων εκτιμήσεων. Σε κάποιες μελέτες οι θεωρήσεις αυτές επαληθεύονται, ενώ σε άλλες όχι, συνεπώς κάθε λεκάνη αποτελεί ξεχωριστή περίπτωση και δεν έχει προκύψει κάποιο γενικό συμπέρασμα μέχρι σήμερα. Μάλιστα, εγείρονται σοβαροί προβληματισμοί σχετικά με τις περισσότερες πηγές αβεβαιότητας που χαρακτηρίζουν τα πιο λεπτομερή μοντέλα, με αποτέλεσμα να αμφισβητείται η αξιοπιστία τους σε περίπτωση που δεν είναι διαθέσιμα δεδομένα για βαθμονόμηση. Το πεδίο αυτό είναι, λοιπόν, γενικά ανεξερεύνητο και σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να διερευνηθεί σε θεωρητικό και πρακτικό επίπεδο η επίδραση του επιπέδου της διακριτοποίησης μιας λεκάνης σε υπολεκάνες, λαμβάνοντας υπόψη προχωρημένες μεθόδους για την εκτίμηση υδρολογικών παραμέτρων των μοντέλων. Η εργασία περιλαμβάνει αναλυτική βιβλιογραφική παρουσίαση του προβλήματος και λεπτομερή κατάρτιση των βροχοπτώσεων σχεδιασμού και του μοντέλου διόδευσης. Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των χωρικών δεδομένων με το λογισμικό ArcMap 10.5.1 και η υδρολογική προσομοίωση έγινε με το λογισμικό HEC-HMS 4.9. Αρχικά, εξετάζεται η επίδραση του επιπέδου διακριτοποίησης ενός τυχαίου πεδίου (θεωρητική λεκάνη) στην παραγόμενη απορροή. Η λεκάνη διακριτοποιείται σε 5, 10, 20, 40 και 80 υπολεκάνες και εφαρμόζονται διαφορετικά ύψη βροχής και διαφορετικά σενάρια ετερογένειας του αριθμού καμπύλης CN. Στη συνέχεια, διερευνάται και μια πραγματική λεκάνη απορροής. Επιλέγεται η λεκάνη του Νέδοντα, στην Καλαμάτα, η οποία είναι μεσαίου μεγέθους, έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και έχει βρεθεί πολλές φορές στο ερευνητικό και μελετητικό επίκεντρο. Η λεκάνη διακριτοποιείται σε 4, 7, 10 και 21 υπολεκάνες, ενώ εξετάζεται και ως ενιαία. Σε κάθε μοντέλο εφαρμόζονται διαφορετικά ύψη βροχής και τέλος πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας των μοντέλων μεταβάλλοντας παραμέτρους, των οποίων η εκτίμηση ενέχει μεγάλο βαθμό αβεβαιότητας. Επισημαίνεται ότι στόχος της παρούσας εργασίας δεν είναι η βαθμονόμηση των μοντέλων, αλλά η καταγραφή των διαφορών τους. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης αναδεικνύεται ο υψηλός βαθμός συσχέτισης τη χωρικής κατανομής του αριθμού καμπύλης CN με το επίπεδο διακριτοποίησης της θεωρητικής λεκάνης και με την παραγόμενη απορροή. Το επίπεδο διακριτοποίησης της λεκάνης του Νέδοντα έχει σημαντική επίδραση στην παροχή αιχμής και στον πλημμυρικό όγκο και από την ανάλυση ευαισθησίας αποδεικνύεται ότι τα πιο λεπτομερή μοντέλα είναι περισσότερο ευαίσθητα. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι πολύ σημαντικά και μπορούν να αποτελέσουν το έναυσμα για λεπτομερέστερη διερεύνηση του ζητήματος της διακριτοποίησης των λεκανών απορροής σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας.