Ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου παραμετροποίησης και βαθμονόμησης για εκτίμηση της απορροής σε λεκάνες με περιορισμένη διαθεσιμότητα δεδομένων και εφαρμογή σε τρεις ελληνικές λεκάνες

Η υδρολογική μοντελοποίηση παρέχει ένα μαθηματικό πλαίσιο που υποστηρίζει, μεταξύ άλλων εφαρμογών, την διαχείριση υδατικών πόρων, την πρόβλεψη των αποκρίσεων σε ακραία υδροκλιματικά γεγονότα, τον σχεδιασμό αποδοτικών υποδομών και την κατανόηση περιβαλλοντικών διεργασιών. Η αποτελεσματική εφαρμογή των υδρολογικών μοντέλων βασιζόταν συμβατικά στη διαθεσιμότητα αξιόπιστων, συνεχών και επαρκούς διάρκειας χρονοσειρών απορροής στην έξοδο της εξεταζόμενης λεκάνης απορροής, οι οποίες χρησιμοποιούνταν ως δεδομένα αναφοράς για τη βαθμονόμηση των παραμέτρων. Ωστόσο, η διαθεσιμότητα αξιόπιστων επιτόπιων μετρήσεων απορροής συχνά περιορίζεται από την ανεπαρκή χωρική κάλυψη των δικτύων υδρομετρικών σταθμών, τις ασυνέχειές στις καταγραφές, καθώς και των αβεβαιοτήτων που σχετίζονται με τις μετρήσεις και τις καμπύλες στάθμης–παροχής. Για την αντιμετώπιση των περιορισμών που επιβάλλονται από τη διαθεσιμότητα δεδομένων απορροής, μπορούν να αξιοποιηθούν εναλλακτικές προσεγγίσεις που βασίζονται στην ολοένα αυξανόμενη διαθεσιμότητα δεδομένων τηλεπισκόπησης και reanalysis. Στην παρούσα εργασία, προτείνεται και αξιολογείται ένα πλαίσιο παραμετροποίησης και βαθμονόμησης που λαμβάνει υπόψιν την αβεβαιότητα και την ευαισθησία των αποκρίσεων του μοντέλου, το οποίο εφαρμόστηκε στις λεκάνες απορροής ανάντη του φράγματος Ευήνου και Μόρνου καθώς και στη λεκάνη απορροής του Βοιωτικού Κηφισού. Η παραμετροποίηση του μοντέλου βασίστηκε σε εκτενή ανάλυση αβεβαιότητας και ευαισθησίας των αποτελεσμάτων του εννοιολογικού μοντέλου Ζυγός, χρησιμοποιώντας την μέθοδο Morris, την μέθοδο Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test (eFAST) και Regional Sensitivity Analysis (RSA). Στην τελευταία, χρησιμοποιήθηκε κατώφλι της τιμής του δείκτη Kling-Gupta Efficiency (KGE) για την ταξινόμηση των συνόλων παραμέτρων σε αποδεκτά (behavioral) ή μη-αποδεκτά (non-behavioral). Η διαδικασία επαναλήφθηκε για τις προσομοιωμένες χρονοσειρές απορροής (Q), εδαφικής υγρασίας (SM) και συνολικής εξατμισοδιαπνοής (ET) για έξι διαφορετικές μορφές του μοντέλου. Τα αποτελέσματα για την SM και ET αξιοποιήθηκαν για την επιλογή της κατάλληλης διαμόρφωσης του μοντέλου για κάθε λεκάνη απορροής και για τον περιορισμό του εφικτού χώρου των παραμέτρων προς βαθμονόμηση, ενώ τα αποτελέσματα Q διατηρήθηκαν ως αναφορά για τη μετέπειτα επαλήθευση. Η βαθμονόμηση των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε υπό 10 διαφορετικά σενάρια, με τη βαθμονόμηση βάσει της Q να αποτελεί το σενάριο αναφοράς και τα υπόλοιπα εννέα σενάρια να χρησιμοποιούν την SM ή/και την ET ως μεταβλητές-στόχους της βαθμονόμησης. Ως στοχικές συναρτήσεις χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες KGE, unbiased root mean square error (ubRMSE), normalized root mean square error (NRMSE), και ο συντελεστής συσχέτισης Pearson (𝑟). Για έξι από τα σενάρια πραγματοποιήθηκε μονοκριτηριακή βελτιστοποίηση με την χρήση του αλγορίθμου Shuffled Complex Evolution-University of Arizona (SCE-UA), ενώ για τα υπόλοιπα τέσσερα σενάρια εφαρμόστηκε πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση με την χρήση του ε-dominance Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (ε-NSGA II). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανομή της ευαισθησίας και αβεβαιότητας των αποτελεσμάτων για SM και ET δεν αναπαρήγαγε πάντα πλήρως εκείνη της Q, υποδηλώνοντας έτσι πως οι δυο αυτές μεταβλητές δεν ήταν ικανές να αναγνωρίσουν και να περιορίσουν επαρκώς τις παραμέτρους που ελέγχουν τους μηχανισμούς δημιουργίας Q. Η μεθοδολογία παραμετροποίησης υποστήριξε την επιλογή των δομών 7P και 5P για τον Εύηνο και τον Μόρνο ενώ η απουσία αποδεκτών (behavioral) λύσεων ως προς SM και ET για τον Βοιωτικό Κηφισό δεν επέτρεψε την αναγνώριση κατάλληλης μορφής μοντέλου και του περιορισμού των παραμέτρων του, οδηγώντας έτσι στην επιλογή της πιο πλήρης μορφής του μοντέλου 9P. Τα μοντέλα που βαθμονομήθηκαν σε μεταβλητές από δεδομένα τηλεπισκόπησης είχαν τιμές KGE στην περίοδο βαθμονόμησης για Q ίσες με 0.708, 0.310 και 0.419 για τις τρείς λεκάνες αντίστοιχα. Συγκριτικά, τα μοντέλα αναφοράς (βαθμονομημένα για Q) είχαν τιμές 0.812, 0.776 και 0.802 για τις ίδιες περιόδους. Αν και ορισμένα χαρακτηριστικά της Q αναπαράχθηκαν ικανοποιητικά, υπήρξαν κάποιες σημαντικές αποκλίσεις στις περιγραφές όσον αφορά την περιγραφή αιχμών, την χρονική αλληλουχία και την συμπεριφορά σε καθεστώτα χαμηλών ροών. Τα αποτελέσματα επίσης έδειξαν πως η αποδεκτή βαθμονόμηση των μοντέλων ως προς SM και ET δεν συνεπάγεται απαραίτητα με αποδεκτές προβλέψεις για Q. Επιπλέον, η επιλογή των στοχικών συναρτήσεων για βαθμονόμηση επηρέασε σημαντικές τις αποκρίσεις των μοντέλων. Συνολικά, η εφαρμογή της προτεινόμενής μεθοδολογίας έδειξε πως τα δεδομένα SM και ET τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικές μεταβλητές ελέγχου κατά την βαθμονόμηση ωστόσο απαιτούνται ακόμη βελτιώσεις ώστε οι προβλέψεις Q που παράγουν να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν επιχειρησιακά σε λεκάνες με ελλιπή δεδομένα ή χωρίς μετρήσεις.