Ολοκληρωμένη διαχείριση - πρόβλεψη και αντιμετώπιση πλημμυρικών φαινομένων σε σύνθετες γεωμορφολογικά περιοχές με χρήση μαθηματικών μοντέλων και GIS

Abstract

The goal of the research presented in this PhD dissertation is the development of an integrated flood management – forecast and mitigation strategy in river basins with complex geomorphology, based on the European Directive (2007/60). A GIS based methodology that evaluates the benefits of a flood warning system and a method to estimate the spatial distribution of flood hazardous areas are proposed as the first steps towards a reliable flood management strategy. They constitute useful tools in the identification of areas and settlements with high flood risk. A successful prediction system depends on the accurate knowledge of the geomorphological characteristics of the river basin. Thus, in order to simulate the surface and groundwater flow in a karstic river basin where flood phenomena occur, a unified modeling framework was developed that combines four distinct models: a) a two part Maillet Karstic model used to determine the spring discharge, b) a GIS based Energy Budget Snow Melt model and a matlab code incorporates the previous two models, c) an empirical karstic channel model that simulates flow, and d) the Hydrological Simulation Program - FORTRAN (HSPF) model in the frame of the BASINS 4 model. The main steps of this part of the dissertation included the calibration, validation and sensitivity analysis of the HSPF model. The obtained simulated results were in very good agreement with the observed field data.Additionally, a joint flash flood prediction model was developed based on the specific geomorphological characteristics of the river basin such as the rainfall cumulative and intensity, the concentration time, the season during which the rainfall takes place and the time intervals between rainstorms that affect the soil moisture conditions. The verification of this model was performed using observed flow data peaks measured downstream.The final step of the work presented herein is the development of an Integrated Flood Risk-impact Analysis System (IFRAS) at the river basin level. This system is based on the dynamical interaction of a physically-based, distributed, integrated hydrological modeling system (MIKE SHE – MIKE 11) with a model that estimates flood losses. A combination of the approaches presented above can be applied in any river basin of simple or complex geomorphology. The river basin chosen for this study is the Koiliaris River basin, located east of the City of Chania, Crete, (Greece). This basin has a complex hydro-geology that consists of temporary rivers (tributaries), high mountainous karstic areas, springs, downstream karstic areas and karstic channel parts. Thus, the construction of a telemetric hydrological network (funded by the European Program ‘FLOODMED’) that provides hourly real-time data was of great importance for the success of this study.

H παρούσα Διδακτορική διατριβή, στόχο έχει την ολοκληρωμένη διαχείριση - πρόβλεψη και αντιμετώπιση πλημμυρικών φαινομένων σε σύνθετες γεωμορφολογικά λεκάνες απορροής, με βάση τις αρχές της νέας Ευρωπαϊκής Οδηγίας σχετικά με την αντιμετώπιση των πλημμυρών (2007/60/ΕC). Ένα αξιόπιστο πλημμυρικό διαχειριστικό πλάνο, έχει δύο συνιστώσες: α) Τη σωστή στρατηγική διαχείρισης πλυμμηρικών φαινομένων και β) Τη χωρική εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου, σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Επίσης περιγράφεται η αναγκαιότητα ύπαρξης ενός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης του πλημμυρικού κινδύνου σε επίπεδο λεκάνης και ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε να εκτιμήσουμε τα οφέλη από ένα τέτοιο σύστημα. Αναλυτικότερα περιγράφεται η αναγκαιότητα ύπαρξης ενός αξιόπιστου τηλεμετρικού δικτύου αποθήκευσης κα μετάδοσης σε πραγματικό χρόνο των υδρομετεωρολογικών παραμέτρων της λεκάνης απορροής.Σε μικρές λεκάνες απορροής, όπου ο διαθέσιμος χρόνος προειδοποίησης πλημμυρικού κινδύνου είναι μικρός, η εκ των προτέρων γνώση των περιοχών εκείνων που δύναται να πληγούν άμεσα από ένα ενδεχόμενο πλημμυρικό φαινόμενο είναι ιδιαιτέρως σημαντική. Έτσι με τη δημιουργία μιας απλής μεθοδολογίας, που βασίζεται στη χρήση του GIS, προσδιορίζουμε χωρικά τις περιοχές εκείνες που έχουν αυξημένη επικινδυνότητα σε πλημμυρικά φαινόμενα. Συγκεκριμένα, από τους παράγοντες εκείνους που εμπλέκονται άμεσα στη δημιουργία ενός πλημμυρικού φαινομένου προκύπτουν θεματικοί χάρτες που περιγράφουν το βαθμό του πλημμυρικού κινδύνου. Η πλημμυρική επικινδυνότητα κατηγοριοποιείται σε πέντε κλάσεις: Πολύ Υψηλή, Υψηλή, Μέτρια, Χαμηλή και Πολύ Χαμηλή. Προκειμένου να συνδυαστούν οι παραπάνω θεματικοί χάρτες προσδιορίζονται διάφοροι συντελεστές βαρύτητας. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένας χωρικός χάρτης εκτίμησης του βαθμού επικινδυνότητας σε πλημμυρικά φαινόμενα και ο προσδιορισμός των περιοχών – οικισμών άμεσου πλημμυρικού κινδύνου (επιρρεπείς). Η ανωτέρω προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε λεκάνη απορροής. Η αποτελεσματικότητα ενός συστήματος πρόβλεψης έχει άμεση σχέση με τη βαθιά γνώση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών της κάθε λεκάνης απορροής και τη δυνατότητα της ακριβούς προσομοίωσης των ιδιαίτερων υδρογεωλογικών συνθηκών που επικρατούν μέσα σε αυτή. Μια σύνθετη γεωμορφολογικά λεκάνη απορροής μπορεί να αποτελείται από παραποτάμους διαλείπουσας και μόνιμης ροής, υψηλές ορεινές αλλά και πεδινές καρστικές περιοχές, πηγές και καρστικά κανάλια. Προκειμένου να προσομοιώσουμε με ακρίβεια τα παραπάνω υδρολογικά χαρακτηριστικά και τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε τέτοιες λεκάνες απορροής, δημιουργήσαμε ένα συνδυασμό τεσσάρων μοντέλων: α) Το καρστικό μοντέλου του Maillet, προκειμένου να προσδιορίσουμε την εκφόρτιση των πηγών, β) Ένα μοντέλο χωρικού προσδιορισμού ρυθμού τήξης χιονιού με βάση το ενεργειακό ισοζύγιο (A GIS based Energy Budget Snow Melt model), το οποίο δημιουργήθηκε προκειμένου να προσδιοριστεί με ακρίβεια ο ρυθμός τήξης του χιονιού στους ορεινούς καρστικούς όγκους και η παροχή εισόδου (τήξη χιονιού, βροχή) στο καρστικό σύστημα της περιοχής μελέτης. Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε ένας κώδικας σε γλώσσα προγραμματισμού (matlab) προκειμένου να ενσωματώσει τα παραπάνω δύο ανεξάρτητα μοντέλα, γ) Ένα εμπειρικό μοντέλο υδρολογικών απωλειών κατά μήκος καρστικών καναλιών, και δ) Το υδρολογικό μοντέλο HSPF. Στα στάδια δημιουργίας του παραπάνω ολοκληρωμένου πλαίσιου μοντελοποίησης, περιλαμβάνονται επίσης οι διαδικασίες της βαθμονόμησης, της επαλήθευσης, της ανάλυσης ευαισθησίας και της εκτίμησης αβεβαιότητας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του παραπάνω πακέτου μοντελοποίησης έδειξαν πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα σε σχέση με τις μετρήσεις του πεδίου. Σε συνθέτες γεωμορφολογικά λεκάνες απορροής, που χαρακτηρίζονται από καρστικούς γεωλογικούς σχηματισμούς, εμφανίζονται συχνά καρστικές και μη καρστικές στιγμιαίες πλημμυρικές αιχμές, με πολύ καταστροφικές συνέπειες. Η λεπτομερής υδρολογική ανάλυση των παραπάνω πλημμυρικών αιχμών μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση της γένεσης αυτών αλλά και στον έλεγχο τους, μέσω της δημιουργίας ενός μοντέλου πρόβλεψης. Για το λόγο αυτό, η ανάλυση των βροχομετρικών και υδρομετρικών παραμέτρων είναι απαραίτητο να είναι τουλάχιστο σε ωριαία βάση. Ειδικότερα, ο χρόνος συγκέντρωσης, είναι μια ιδιαίτερα σημαντική παράμετρος που επηρεάζει το χρόνο απόκρισης ενός επερχόμενου στιγμιαίου πλημμυρικού γεγονότος. Στην περίπτωση που ο παραπάνω χρόνος είναι επαρκής για τη γρήγορη ενημέρωση των αρμόδιων φορέων και τη λήψη άμεσων και βασικών μέτρων προστασίας των πολιτών και των περιουσιών τους, προτείνεται ένα μοντέλο πρόβλεψης πλημμυρικών αιχμών. Το συγκεκριμένο μοντέλο πρόβλεψης πλημμυρικών αιχμών λαμβάνει υπόψη του σε πραγματικό χρόνο παραμέτρους όπως είναι α) η ποσότητα της συσσωρευμένης βροχόπτωσης, β) η διάρκεια του γεγονότος βροχής, γ) η εποχή που το γεγονός βροχής λαμβάνει χώρα, και δ) το χρονικό διάστημα που μεσολάβησε μεταξύ του μελετούμενου γεγονότος βροχόπτωσης και του αμέσως προηγούμενο αυτής. Το συγκεκριμένο μοντέλο πρόβλεψης πλημμυρικών αιχμών επαληθεύτηκε από 12 καταγραφόμενα στιγμιαία πλημμυρικά γεγονότα.Επίσης στην παρούσα Διδακτορική διατριβή, σύμφωνα και με τη φιλοσοφία της οδηγίας 2007/60/ΕC, δημιουργήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ανάλυσης πλημμυρικού κινδύνου – επιπτώσεων (Integrated Flood Risk-impact Analysis System - IFRAS) σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Το συγκεκριμένο σύστημα ανάλυσης πλημμυρικού κινδύνου αποτελείται από δύο κύριες συνιστώσες: α) Ένα κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο με φυσική σημασία για πλημμυρικά φαινόμενα, το οποίο είναι πλεγματικό και προσομοιώνει τις πλημμυρικές παραμέτρους στο χώρο και στο χρόνο (MIKE SHE – MIKE 11), και β) Ένα μοντέλο εκτίμησης πλημμυρικών απωλειών. Οι δυο παραπάνω συνιστώσες του IFRAS έχουν τη δυνατότητα της δυναμικής αλληλεπίδρασης. Το προτεινόμενο σύστημα ανάλυσης πλημμυρικού κινδύνου μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε λεκάνη απορροής και αποτελεί ένα απλό, αλλά χρήσιμο εργαλείο για την εκτίμηση των επακόλουθων οικονομικών ζημιών ενός επερχόμενου πλημμυρικού κύματος.Ο συνδυασμός όλων των παραπάνω προσεγγίσεων, μπορεί να έχει ευρεία εφαρμογή σε οποιαδήποτε λεκάνη απορροής (τόσο απλής όσο και σύνθετης γεωμορφολογίας). Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής διατριβής και του Ευρωπαϊκού Προγράμματος «FLOODMED», ως περιοχή μελέτης επιλέχτηκε η λεκάνη απορροής του ποταμού Κοιλιάρη στο Ν. Χανίων – Κρήτη. Έτσι στη συγκεκριμένη λεκάνη απορροής, προκειμένου να προσεγγίσουμε τις απαιτήσεις της παρούσας Διδακτορικής διατριβής, ήταν απαραίτητη η εγκατάσταση ενός τηλεμετρικού υδρομετεωρολογικού δικτύου, για την παρατήρηση των αντίστοιχων παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο. Η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής έγκειται στο ότι:1)Προτείνεται ένα ολοκληρωμένο διαχειριστικό πλάνο για την αντιμετώπιση πλημμυρικών φαινομένων, σε σύνθετες γεωμορφολογικά περιοχές και στα πλαίσια της νέας Ευρωπαϊκής Οδηγίας για τις πλημμύρες (2007/60/ΕC).2)Αναπτύχθηκε μεθοδολογία, που βασίζεται στη χρήση του GIS, για τη χωρική κατηγοριοποίηση του πλημμυρικού κινδύνου. Έτσι δημιουργήθηκε ένα χρήσιμο εργαλείο για την πρότερη γνώση των περιοχών και των αντίστοιχων οικισμών που εμφανίζουν μεγαλύτερη επικινδυνότητα (επιρρεπείς) σε πλημμυρικά φαινόμενα.3)Δημιουργήθηκε ένα ενιαίο πλαίσιο μοντελοποίησης των υδρολογικών διαδικασιών σε σύνθετες γεωμορφολογικά λεκάνες απορροής. Παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα ταυτόχρονης προσομοίωσης των υδρολογικών διαδικασιών σε παραποτάμους διαλείπουσας και μόνιμης ροής, υψηλές ορεινές αλλά και πεδινές καρστικές περιοχές, πηγές και καρστικά κανάλια.4)Επιπρόσθετα αναπτύχθηκε μοντέλο χωρικού προσδιορισμού ρυθμού τήξης χιονιού με βάση το ενεργειακό ισοζύγιο (A GIS based Energy Budget Snow Melt model), το οποίο δημιουργήθηκε προκειμένου να προσδιοριστεί με ακρίβεια ο ρυθμός τήξης του χιονιού στους ορεινούς όγκους.5)Δημιουργήθηκε επίσης ένα μοντέλο πρόβλεψης στιγμιαίων πλημμυρικών αιχμών, το οποίο βασίζεται στη λεπτομερή ανάλυση των υδρογραφημάτων της περιοχής μελέτης και τη γνώση σε πραγματικό χρόνο: α) της ποσότητας της συσσωρευμένης βροχόπτωσης, β) της διάρκειας του γεγονός βροχής, γ) της εποχής που το μελετούμενο γεγονός λαμβάνει χώρα, και δ) το χρονικό διάστημα που μεσολάβησε μεταξύ του μελετούμενου γεγονότος βροχόπτωσης και του αμέσως προηγούμενο γεγονότος βροχής.6)Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ανάλυσης πλημμυρικού κινδύνου – επιπτώσεων (Integrated Flood Risk-impact Analysis System - IFRAS) σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Το συγκεκριμένο σύστημα βασίζεται στη δυναμική αλληλεπίδραση, ενός κατανεμημένου – πλεγματικού υδρολογικού μοντέλου και ενός μοντέλου εκτίμησης πλημμυρικών απωλειών.7)Όλες οι παραπάνω προσεγγίσεις μπορούν να εφαρμοστούν συνολικά ή η κάθε μία ξεχωριστά, σε οποιαδήποτε λεκάνη απορροής (τόσο απλής όσο και σύνθετης γεωμορφολογίας).