Επίδραση της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογία και υδραυλική δυο λεκανών απορροής μικρού και μεσαίου μεγέθους

Abstract

Climate change will have a greater impact on the severity of flash floods, because of the expected intensification of heavy precipitation, both in areas where rainfall may increase, such as in eastern Canada, as well as in areas where rainfall is likely to decrease on average, such as in the Southeast Mediterranean. The changing climate is expected to increase flood depths, flood wave velocities and floodplains, which necessitates the updating of flood risk management plans.The present PhD thesis focuses on: (i) the hydrological simulation of single storm events-mainly of high precipitation intensity-through historical data, but also of projected strongest extreme rainfall events through climate scenarios’ data, in two watersheds located on the island of Crete and in southern Ontario of Canada, as well as (ii) on the flood impacts of the above events on the downstream parts of the watersheds.Parameter calibration and validation of the flow hydrograph of a heavy precipitation event is performed for the small ungauged hydrological basin in Crete, to verify the hydrological model with post-flood indirect field data. Adjacent meteorological stations have recorded increased daily precipitation from severe storms known as Medicanes. For this reason, the impact of hypothetical climate change scenarios with higher precipitation intensity-for the same cumulative precipitation-on the peak runoff magnitude is studied, as well as on flood depths and inundated areas of the downstream segment of the hydrological basin, as simulated by two hydraulic models. The effect of different time intervals of rainfall data on peak runoff is examined. Sensitivity analysis of hydraulic coefficients is performed. A comparison of flood wave evolution between simulations based on two high-resolution digital elevation models (DEMs) is carried out for the historical event as well as for the projected event from a climate model.For the medium-sized watershed in Ontario, Canada, at the exit of six included gauged sub-basins, parameter calibration and validation of flow hydrographs are performed for six individual precipitation events, grouped into pairs with similar hydrometeorological characteristics (high rainfall intensity, two hydrological peaks, and various antecedent soil moisture conditions) to verify the results of two hydrological models through the Nash–Sutcliffe efficiency coefficient and the total rain volume % error index. The effect of projected daily precipitation from 24 climate models on the peak runoff of the six sub-basins is studied. For this reason, for the twenty-year periods 1995-2014, 2021-2040, 2041-2060, and 2081-2100, the mean values-from the 24 climate models-of the maximum daily precipitation events, as well as of the daily precipitation events corresponding to the 99.9th percentile are examined, for the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. A comparison of the flood impacts on the downstream area from the projected events is performed with two hydraulic models and a high-resolution digital terrain model (DTM).The results of the simulations aim to assist in predicting the runoff of future events, in flood hazard mapping of the considered basins, and in updating flood management plans for a successful adaptation to the changing climate. The results from the followed approach, for both watersheds, are useful at a preliminary flood risk management level. In order to reduce the parameter uncertainties in space and time, and derive satisfactory and detailed results needed for the final design against flood risk, future research with spatial and temporal climate data and field measurements of even higher resolution is necessary.

Η κλιματική αλλαγή θα έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στη δριμύτητα των αιφνίδιων πλημμυρών, καθώς αναμένεται εντατικοποίηση των ισχυρών βροχοπτώσεων, τόσο σε περιοχές όπου είναι πιθανό να αυξηθούν οι βροχοπτώσεις, όπως στον ανατολικό Καναδά, αλλά και σε περιοχές όπου, κατά μέσο όρο, δύναται να μειωθούν οι βροχοπτώσεις, όπως στη νοτιοανατολική Μεσόγειο. Η αλλαγή του κλίματος αναμένεται να αυξήσει τα πλημμυρικά βάθη, την ταχύτητα των πλημμυρικών κυμάτων και τις εκτάσεις κατάκλισης, γεγονός που υπαγορεύει την επικαιροποίηση των σχεδίων διαχείρισης κινδύνων πλημμύρας.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται: (i) στην υδρολογική προσομοίωση μεμονωμένων καταιγιδοφόρων γεγονότων-κυρίως υψηλής έντασης βροχής-από ιστορικά δεδομένα, αλλά και προβαλλόμενων ισχυρότερα ακραίων βροχοπτωτικών γεγονότων από δεδομένα κλιματικών σεναρίων, σε δύο λεκάνες απορροής που χωροθετούνται στο νησί της Κρήτης και στο νότιο Οντάριο του Καναδά, καθώς και (ii) στις πλημμυρικές επιπτώσεις των παραπάνω γεγονότων στα κατάντη τμήματα των λεκανών απορροής.Για τη μικρής έκτασης υδρολογική λεκάνη στην Κρήτη χωρίς καταγεγραμμένη απορροή, γίνεται βαθμονόμηση παραμέτρων και επικύρωση του υδρογραφήματος ενός ισχυρού βροχοπτωτικού γεγονότος, ώστε να επαληθευθεί το υδρολογικό μοντέλο με έμμεσα στοιχεία πεδίου μετά το πέρας της πλημμύρας. Παρακείμενοι μετεωρολογικοί σταθμοί έχουν καταγράψει αυξημένη ημερήσια βροχόπτωση από ισχυρές καταιγίδες γνωστές ως Medicanes. Για το λόγο αυτό, μελετάται η επίδραση υποθετικών σεναρίων κλιματικής αλλαγής με υψηλότερη ένταση βροχής-για ίδια αθροιστική βροχόπτωση-στο μέγεθος της απορροής αιχμής και στα πλημμυρικά βάθη και εκτάσεις κατάκλισης του κάταντες τμήματος της υδρολογικής λεκάνης, όπως προσομοιώνονται από δύο υδραυλικά μοντέλα. Εξετάζεται η επίδραση διαφορετικών χρονικών βημάτων δεδομένων βροχόπτωσης στην απορροή αιχμής. Διενεργείται ανάλυση ευαισθησίας υδραυλικών συντελεστών. Πραγματοποιείται σύγκριση της εξέλιξης του πλημμυρικού κύματος μεταξύ προσομοιώσεων με βάση δύο ψηφιακών μοντέλων υψομετρίας (DEMs) υψηλής ανάλυσης για το ιστορικό γεγονός και για προβαλλόμενο γεγονός από κλιματικό μοντέλο.Για τη μεσαίου μεγέθους υδρολογική λεκάνη στο Οντάριο του Καναδά, που διαθέτει μετρήσεις απορροής στην έξοδο έξι υπολεκανών της, γίνεται βαθμονόμηση παραμέτρων και επικύρωση υδρογραφημάτων για έξι μεμονωμένα βροχοπτωτικά γεγονότα, ομαδοποιημένα σε ζεύγη με παρόμοια υδρομετεωρολογικά χαρακτηριστικά (υψηλή ένταση βροχόπτωσης, δύο υδρολογικές αιχμές, και πολλαπλές συνθήκες πρότερης εδαφικής υγρασίας) ώστε να επαληθευτούν τα αποτελέσματα από δύο υδρολογικά μοντέλα μέσω του συντελεστή συνέπειας Nash–Sutcliffe και του δείκτη % σφάλματος του συνολικού όγκου βροχής. Μελετάται η επίδραση προβαλλόμενων ημερήσιων βροχοπτώσεων από 24 κλιματικά μοντέλα στην απορροή αιχμής των έξι υπολεκανών. Για το λόγο αυτό, για τις εικοσαετίες 1995-2014, 2021-2040, 2041-2060, και 2081-2100, εξετάζονται οι μέσες τιμές-από τα 24 κλιματικά μοντέλα-των μέγιστων ημερήσιων γεγονότων βροχόπτωσης, καθώς και των ημερήσιων γεγονότων βροχόπτωσης που αντιστοιχούν στο 99.9 εκατοστημόριο, για τα σενάρια RCP4.5 και RCP8.5. Πραγματοποιείται σύγκριση των πλημμυρικών επιπτώσεων στην κατάντη περιοχή από τα προβαλλόμενα γεγονότα με δύο υδραυλικά μοντέλα και ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DTM) υψηλής ανάλυσης.Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στοχεύουν να ωφελήσουν στην πρόβλεψη απορροών μελλοντικών γεγονότων, στη χαρτογράφηση της πλημμυρικής επικινδυνότητας των εξεταζόμενων λεκανών, και στην επικαιροποίηση του προγραμματισμού για τη διαχείριση πλημμυρών, για μια επιτυχημένη προσαρμογή στο μεταβαλλόμενο κλίμα. Τα αποτελέσματα της προσέγγισης που ακολουθήθηκε, για τις δύο λεκάνες απορροής, είναι χρήσιμα σε προκαταρκτικό επίπεδο διαχείρισης της πλημμυρικής επικινδυνότητας. Για τη μείωση των αβεβαιοτήτων στις τιμές των παραμέτρων στο χώρο και στο χρόνο, και την εξαγωγή ικανοποιητικών και λεπτομερών αποτελεσμάτων που απαιτούνται για τον τελικό σχεδιασμό έναντι πλημμυρικού κινδύνου, είναι απαραίτητη η μελλοντική έρευνα με κλιματικά δεδομένα και μετρήσεις πεδίου ακόμη υψηλότερης ανάλυσης, χωρικά και χρονικά.