Development of mathematical model for calculating continuous hydrographs and sediment graphs in a basin due to rainfall

Abstract

In this thesis, three different models aiming at continuous simulations of hydromorphological processes at the basin scale, are presented. More specifically, continuous hydrologic simulations, as well as continuous simulations of soil and streambed erosion processes are performed in two neighboring basins in northeastern Greece: Kosynthos River basin (district of Xanthi, Thrace, northeastern Greece) and Nestos River basin (Macedonia-Thrace border, northeastern Greece). Both basins are mountainous and covered by forested and bushy areas in their greatest part. Kosynthos River basin extends to an area of 237 km2, whilst Nestos River basin is quite bigger, covering an area of approximately 840 km2. The characteristic of Nestos River basin is the presence of a dam at its northwestern boundary, which largely affects the discharge, as well as the sediment transport in Nestos River. Along with this, two irrigation canals slightly upstream of the basin outlet (Egnatia bridge of Nestos River) are culpable of a recession of water, during the irrigation period, disrupting the final discharge at the basin outlet. The two first models are two Composite Mathematical Models (CMMs), which were developed by combining several known physically-based and empirical methods together. The CMMs consist of three submodels: a rainfall-runoff submodel, a soil erosion submodel and a sediment transport submodel for streams. The two models only differ in the soil erosion submodel. The rainfall-runoff submodel that is used for the computation of the surface runoff and the streamflow in the sub-basins, is the deterministic semi-distributed hydrologic model HEC-HMS 4.2. The first soil erosion submodel, utilized for the estimation of soil erosion in a sub-basin, is based on the relationships of Poesen (1985), Nielsen (1986), Engelund and Hansen (1967), while the second is the widely known Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE). The estimation of sediment yield at the outlet of a sub-basin, and finally at the outlet of the whole basin, is achieved by means of the stream sediment transport model of Yang and Stall (1976). The third model is the GIS version of the, well known, Soil and Water Assessment Tool, SWAT. SWAT is applied in its finest temporal scale available (30-minute time step simulations), whilst the application of the two Composite Mathematical Models (CMMs) is performed at an hourly time step. The application of all three models results to continuous hydrographs and sediment graphs at the basin outlet. The computed stream discharge and sediment discharge values are compared with field measurements and all models are evaluated as to their competence of simulating the hydromorphological processes in a basin. Annual water and sediment yields are also computed for the two basins. The statistic efficiency criteria utilized for the comparison between computed and measured values at the basin outlet, provide satisfactory results. Therefore, it is concluded that the continuous hydromorphologic modeling can be successfully applied to Kosynthos and Nestos River basin.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται τρία διαφορετικά μοντέλα με στόχο τις συνεχείς προσομοιώσεις των υδρομορφολογικών διεργασιών σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Πιο συγκεκριμένα, εκτελούνται συνεχείς υδρολογικές προσομοιώσεις, καθώς και συνεχείς προσομοιώσεις των διεργασιών εδαφικής διάβρωσης και διάβρωσης κοίτης υδατορευμάτων σε δύο γειτονικές λεκάνες στη βορειοανατολική Ελλάδα: στη λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου (περιοχή Ξάνθης) και στη λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου (σύνορα Μακεδονίας-Θράκης). Και οι δύο λεκάνες είναι ορεινές και καλύπτονται από δασικές και θαμνώδεις περιοχές, στο μεγαλύτερο τους μέρος. Η λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου καλύπτει μια έκταση 237 km2, ενώ η λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου είναι αρκετά μεγαλύτερη, καλύπτοντας μια έκταση περίπου 840 km2. Το χαρακτηριστικό της λεκάνης του ποταμού Νέστου είναι η παρουσία ενός φράγματος στο βορειοδυτικό όριό της, το οποίο επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την παροχή, καθώς και τη μεταφορά φερτών υλών στον ποταμό Νέστο. Επιπρόσθετα, δύο αρδευτικά κανάλια πολύ κοντά στην έξοδο της λεκάνης (γέφυρα Εγνατίας του ποταμού Νέστου) ευθύνονται για μια ύφεση στην παροχή του ποταμού, κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου, διαταράσσοντας έτσι την τελική απορροή στην έξοδο της λεκάνης. Τα δύο πρώτα μοντέλα είναι δύο σύνθετα μαθηματικά μοντέλα (Composite Mathematical Models/CMMs), τα οποία αναπτύχθηκαν συνδυάζοντας διάφορες γνωστές φυσικές και εμπειρικές μεθόδους. Τα σύνθετα μαθηματικά μοντέλα αποτελούνται από τρία υπομοντέλα: ένα υπομοντέλο βροχής-απορροής, ένα υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης και ένα υπομοντέλο στερεομεταφοράς για υδατορεύματα. Τα δύο μοντέλα διαφέρουν μόνο στο υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης. Το υπομοντέλο βροχής-απορροής που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της επιφανειακής απορροής και της απορροής των υδατορευμάτων στις υπολεκάνες, είναι το ντετερμινιστικό, ημι-κατανεμημένο, υδρολογικό μοντέλο HEC-HMS 4.2. Το πρώτο υπομοντέλο εδαφικής διάβρωσης, που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της διάβρωσης του εδάφους σε μια υπολεκάνη, βασίζεται στις σχέσεις των Poesen (1985), Nielsen (1986), Engelund και Hansen (1967), ενώ το δεύτερο είναι η Τροποποιημένη Παγκόσμια Εξίσωση Απωλειών Εδάφους (MUSLE) (Williams, 1975). Η εκτίμηση του στερεοφορτίου στην έξοδο μιας υπολεκάνης, και τελικά, στην έξοδο της όλης λεκάνης, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του μοντέλου μεταφοράς φερτών υλών των Yang και Stall (1976). Το τρίτο μοντέλο είναι η GIS έκδοση του ευρέως γνωστού μοντέλου Soil and Water Assessment Tool, SWAT. Το SWAT εφαρμόζεται στη μικρότερη χρονική κλίμακα που διαθέτει (ημίωρο χρονικό βήμα προσομοίωσης), ενώ η εφαρμογή των δύο σύνθετων μαθηματικών μοντέλων εκτελείται σε ωριαίο χρονικό βήμα. Η εφαρμογή και των τριών μοντέλων έχει ως αποτέλεσμα την κατασκευή συνεχών υδρογραφημάτων και στερεογραφημάτων στην έξοδο της λεκάνης. Οι υπολογισμένες τιμές παροχής και στερεοπαροχής συγκρίνονται με μετρήσεις πεδίου και όλα τα μοντέλα αξιολογούνται ως προς την ικανότητά τους να προσομοιώνουν τις υδρομορφολογικές διεργασίες σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Επίσης, ετήσιοι όγκοι νερού και ετήσια στερεοφορτία υπολογίζονται για τις δύο λεκάνες. Τα στατιστικά κριτήρια απόδοσης που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση μεταξύ υπολογισμένων και μετρημένων τιμών στην έξοδο της λεκάνης, παρέχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ως εκ τούτου, συνάγεται το συμπέρασμα ότι η συνεχής υδρομορφολογική μοντελοποίηση μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία στη λεκάνη απορροής του ποταμού Κόσυνθου και στη λεκάνη απορροής του ποταμού Νέστου.