Ολοκληρωμένο μοντέλο για τη συνδυασμένη προσομοίωση των υδρολογικών διεργασιών και τη διαχείριση των υδατικών πόρων λεκάνης απορροής

Σε πολύπλοκα υδροσυστήματα, όπου οι φυσικές διεργασίες επηρεάζονται σημαντικά από τις ανθρώπινες επεμβάσεις, απαιτείται μοντελοποίηση με ολιστική αντίληψη, ώστε να εξασφαλιστεί πιο πιστή αναπαράσταση των μηχανισμών και, συνεπώς, πιο ορθολογική διαχείριση των υδατικών πόρων. Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο σχήμα, αποτελούμενο από ένα συνδυαστικό (επιφανειακό και υπόγειο) υδρολογικό μοντέλο και ένα μοντέλο διαχείρισης συστημικού προσανατολισμού, βασισμένο σε ημικατανεμημένη προσέγγιση. Τα γεωγραφικά δεδομένα εισόδου περιλαμβάνουν το υδρογραφικό δίκτυο, τις υπολεκάνες ανάντη κάθε κόμβου του δικτύου, και τη διακριτοποίηση του υδροφορέα με τη μορφή κυττάρων αυθαίρετης γεωμετρίας. Επιπλέον επίπεδα κατανεμημένης γεωγραφικής πληροφορίας, όπως η γεωλογία, η κάλυψη γης και οι κλίσεις του εδάφους, χρησιμοποιούνται για τον ορισμό των μονάδων υδρολογικής απόκρισης (ΜΥΑ). Οι τελευταίες είναι χωρικές συνιστώσες που αντιστοιχούν σε περιοχές ομογενών υδρολογικών χαρακτηριστικών. Από την άλλη πλευρά, τα δεδομένα εισόδου για τις τεχνητές συνιστώσες περιλαμβάνουν ταμιευτήρες, διατάξεις απόληψης νερού, υδραγωγεία και σημεία ζήτησης. Δυναμικά δεδομένα εισόδου αποτελούν οι χρονοσειρές κατακρήμνισης και δυνητικής εξατμοδιαπνοής, που δίνονται σε κλίμακα υπολεκάνης, και οι χρονοσειρές στόχων ζήτησης. Οι στόχοι αναφέρονται όχι μόνο στις υδατικές ανάγκες αλλά και σε πληθώρα περιορισμών σχετικών με τη διαχείριση του νερού, όπως η διατήρηση ελάχιστων ροών κατά μήκος του ποτάμιου δικτύου. Διάφορα υποσυστήματα συνδυάζονται ώστε να αναπαραστήσουν τις κύριες διεργασίες της λεκάνης, ήτοι: (α) ένα εννοιολογικό μοντέλο εδαφικής υγρασίας, με διαφορετικές παραμέτρους για κάθε ΜΥΑ, (β) ένα μοντέλο υπόγειων νερών, βασισμένο σε μια τροποποιημένη αριθμητική μέθοδο πεπερασμένων όγκων, (γ) ένα μοντέλο διόδευσης, που υλοποιεί τη μεταφορά του νερού κατά μήκος του υδρογραφικού δικτύου, και (δ) ένα μοντέλο διαχείρισης του νερού, εμπνευσμένο από τη θεωρία γράφων, το οποίο εκτιμά τις βέλτιστες ροές του υδροσυστήματος, ικανοποιώντας τόσο τους φυσικούς περιορισμούς όσο και τις προτεραιότητες των στόχων, και ταυτόχρονα ελαχιστοποιώντας τα κόστη. Οι έξοδοι του μοντέλου περιλαμβάνουν παροχές κατά μήκος του υδρογραφικού δικτύου, παροχές πηγών, στάθμες υδροφορέα και απολήψεις νερού. Η βαθμονόμηση χρησιμοποιεί αυτόματη διαδικασία, που βασίζεται σε πολλαπλά κριτήρια σφάλματος και έναν εύρωστο αλγόριθμο ολικής βελτιστοποίησης. Το μοντέλο εφαρμόστηκε σε μια μεσαίας κλίμακας (~2000 km2) λεκάνη της Ελλάδας, που χαρακτηρίζεται από πολύπλοκο φυσικό σύστημα (καρστικό υπόβαθρο, με εκτεταμένες απώλειες προς τη θάλασσα) και ανταγωνιστικές χρήσεις νερού. Για την αποτίμηση της επίδοσης του μοντέλου, χρησιμοποιήθηκαν δεκαετείς μηνιαίες χρονοσειρές παροχής επτά υδρομετρικών σταθμών. Εκτενής ανάλυση κατέδειξε ότι η εκμετάλλευση της κατανεμημένης πληροφορίας εισόδου, σε συνδυασμό με τη χρήση λογικού αριθμού μεταβλητών ελέγχου που προσαρμόζονται σε πολλαπλές παρατηρημένες αποκρίσεις, εξασφαλίζει πιο ρεαλιστικές τιμές των παραμέτρων του μοντέλου, και επιπλέον περιορίζει την προγνωστική αβεβαιότητα, σε σύγκριση με προηγούμενες (τόσο πλήρως εννοιολογικές όσο και πλήρως κατανεμημένες) προσεγγίσεις. Ακόμη, η ενσωμάτωση του σχήματος διαχείρισης υδατικών πόρων στον υδρολογικό προσομοιωτή, καθιστά το μοντέλο κατάλληλο για επιχειρησιακή χρήση.