Διαχείριση υδατικών πόρων: ανάπτυξη υδρολογικού μοντέλου με τη χρήση γεωγραφικών πληροφοριακών συστημάτων

Abstract

In the framework of this study a spatially distributed continuous hydrological model was developed on the basis of a Geographical Information System (GIS). The model was developed as an extension of the ArcGIS geographical information systems software functionality in order to facilitate the fully spatially distributed calculation of the hydrological balance components. The hydrological model was developed using object oriented programming techniques facilitating future improvements or further development. The Graphical User Interface of the model is very simple to use and it follows the standard ArcGIS software extensions form. An important prerequisite for the development and testing of the hydrological model was the instrumentation and the systematic surveillance and study of an experimental watershed. A significant characteristic of the hydrological model is its adaptation under the Greek conditions through the selection and analysis of the proper methods for the simulation of the various hydrological processes. Furthermore, the conceptual scheme of the model was designed to produce the required results in spatially distributed form based on simple but well established methods. Therefore, the surface runoff generation mechanism which plays a dominant role on the hydrological balance of the arid and semi-arid regions was thoroughly studied. In particular was studied the Curve Number method (SCS-CN) which has been chosen as the most suitable for the model development. The main conclusion was that the SCS-CN method is able to produce sufficient results under the condition that it is applied in spatial distributed form especially in heterogeneous watersheds. Throughout the development phase of the model several test applications were carried out in order to validate the soundness of the conceptual scheme in order to evaluate the affectivity and the efficiency of the model and in order to debug it. The final conclusion is that the model can produce valuable information concerning water resources management and especially agricultural water management. Additionally, further development of the model can result in an important tool for the assessment of climate change impacts and for the evaluation of various adaptation and mitigation strategies.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα κατανεμημένο, συνεχές, υδρολογικό μοντέλο, στο πλαίσιο ενός Γεωγραφικού Πληροφοριακού Συστήματος (GIS). Η ανάπτυξη του μοντέλου πραγματοποιήθηκε σαν επέκταση των δυνατοτήτων (extension) του λογισμικού Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων ArcGIS, ώστε να επιτευχθεί ο πλήρης κατανεμημένος υπολογισμός των συνιστωσών του υδρολογικού ισοζυγίου. Παράλληλα, παρέχεται η δυνατότητα χρήσης των εξελιγμένων δυνατοτήτων των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων στην εισαγωγή, επεξεργασία, αποθήκευση, διαχείριση και απεικόνιση χωρικών δεδομένων με γεωγραφική αναφορά. Η ανάπτυξη έγινε με τη χρήση τεχνικών αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού ώστε να διευκολυνθεί η μελλοντική εξέλιξη του υδρολογικού μοντέλου και ταυτόχρονα να εξασφαλιστεί η δυνατότητα σύνδεσής του με άλλες εφαρμογές ή η χρήση των επιμέρους δυνατοτήτων του στην ανάπτυξη νέων εφαρμογών. Η λειτουργικότητα του υδρολογικού μοντέλου εξασφαλίστηκε με τη δημιουργία ενός εύχρηστου και απλού γραφικού περιβάλλοντος διεπαφής με το χρήστη. Το γραφικό περιβάλλον διεπαφής (GUI) του λογισμικού είναι ιδιαίτερα απλό και ακολουθεί το πρότυπο των επεκτάσεων (extentions) του ArcGIS. Με αυτό τον τρόπο ο χρήστης αντιμετωπίζει ένα γνώριμο περιβάλλον και μπορεί να εξοικειωθεί με αυτό πολύ γρήγορα. Απαραίτητο υπόβαθρο για την ανάπτυξη και τη δοκιμή του υδρολογικού μοντέλου αποτέλεσε η συστηματική οργάνωση, μελέτη και παρακολούθηση μιας πειραματικής υδρολογικής λεκάνης. Για το σκοπό αυτό, οργανώθηκε μια πειραματική υδρολογική λεκάνη στον χείμαρρο Λυκόρρεμα, στην Ανατολική πλευρά του όρους Πεντέλη του νομού Αττικής με έκταση 7,8Km², η οποία εξοπλίστηκε και μελετήθηκε αναλυτικά σε ό,τι αφορά στα χαρακτηριστικά της και στην υδρολογική της συμπεριφορά. Σημαντικό χαρακτηριστικό του μοντέλου που αναπτύχθηκε είναι η προσαρμογή του στις ελληνικές συνθήκες, η οποία επιτεύχθηκε με την επιλογή και ανάλυση των κατάλληλων μεθόδων προσομοίωσης των διεργασιών του υδρολογικού κύκλου. Επιπρόσθετα, το εννοιολογικό σχήμα του μοντέλου σχεδιάστηκε κατάλληλα ώστε να επιτυγχάνει την εκτίμηση των απαιτούμενων αποτελεσμάτων σε χωρικά κατανεμημένη μορφή με τη χρήση απλοποιημένων αλλά τεκμηριωμένων μεθόδων, οι οποίες να βασίζονται σε όσο το δυνατό λιγότερες παραμέτρους και σε ευρέως διαθέσιμα δεδομένα εισόδου ή δεδομένα εισόδου που να είναι εύκολο να εκτιμηθούν. Σε αυτή τη διαδικασία μελετήθηκε διεξοδικά η διεργασία σχηματισμού της επιφανειακής απορροής, η οποία έχει καθοριστική επίδραση στο υδρολογικό ισοζύγιο των ξηρών και ημίξηρων περιοχών. Εκτενέστερα, μελετήθηκε η μέθοδος του Αριθμού Καμπύλης (SCS-CN), η οποία επιλέχθηκε ως η καταλληλότερη κατά την ανάπτυξη του υδρολογικού μοντέλου. Το κυριότερο συμπέρασμα που προέκυψε είναι ότι η μέθοδος SCS-CN μπορεί να παράσχει ικανοποιητικά αποτελέσματα με την προϋπόθεση ότι η εφαρμογή της σε ανομοιόμορφες υδρολογικές λεκάνες πραγματοποιείται σε κατανεμημένη μορφή. Κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του υδρολογικού μοντέλου, πραγματοποιήθηκαν δοκιμαστικές εφαρμογές με σκοπό την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του, της λειτουργικότητάς του, της καταλληλότητας του εννοιολογικού σχήματος που χρησιμοποιήθηκε και την αποσφαλμάτωσή του. Οι κυριότερες εφαρμογές πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική υδρολογική λεκάνη, στη νήσο Νάξο, και σε όλη την έκταση της Ελλάδας. Στις εφαρμογές αυτές το υδρολογικό μοντέλο έδειξε να προσαρμόζεται ικανοποιητικά στις ελληνικές συνθήκες και να εκτιμά με ικανοποιητική ακρίβεια τις συνιστώσες του υδρολογικού ισοζυγίου, ενώ ανταποκρίνεται ικανοποιητικά σε περιπτώσεις έλλειψης των απαιτούμενων δεδομένων για τη συστηματική του ρύθμιση. Από τις πρώτες εφαρμογές εμφανίστηκαν όμως και σημαντικά προβλήματα και αδυναμίες που φανερώνουν ότι απαιτείται ακόμα σημαντική προσπάθεια για την παραγωγή ενός αξιόπιστου και λειτουργικού πακέτου εργαλείων αγροϋδρολογικής ανάλυσης. Το τελικό συμπέρασμα είναι ότι η εφαρμογή του υδρολογικού μοντέλου μπορεί να προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες για την διαχείριση των υδατικών πόρων και ιδιαίτερα για τη διαχείριση του νερού στη γεωργία. Επιπρόσθετα, η περαιτέρω ανάπτυξή του μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ενός σημαντικού εργαλείου για την εκτίμηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής και την αξιολόγηση προτεινόμενων στρατηγικών αντιμετώπισης και προσαρμογής.