Αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας υδρολογικής προσομοίωσης ενός κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου με χρήση δορυφορικών δεδομένων, στη λεκάνη απορροής της Λίμνης Καστοριάς

Abstract

The subject of this doctoral thesis, is to investigate the possibility of distributed hydrological models for simulating the water balance of our country's lakes, in combination with the use of spatially distributed satellite input data. The above investigation was done for the simulation of the water balance of Lake Kastoria. In the last decades, the development and use of distributed hydrological models is constantly gaining ground over the lumped models. This fact, is mainly related, to the possibility of the former, to integrate the variability of both climatic and physiographic parameters of a basin, which differentiates both spatially and temporally, the hydrological behavior of the basin. In this thesis, for the hydrological simulation of the basin of Lake Kastoria, one of the most modern hydrological simulation systems, the distributed hydrological model of the cοupled MIKE SHE/MIKE HYDRO River simulation system, was used. MIKE SHE/MIKE HYDRO River is a physically based – spatially distributed hydrological simulation system, which is able to simulate the main processes of the hydrological cycle. The spatial distribution of basin parameters (relief, soil, vegetation), rainfall and hydrological response is achieved, in the horizontal dimension, by discretizing the basin, in a rectangular canvas and in the vertical dimension, with one column, for each cell of the canvas, consisting of soil horizons. The hydrographic network is represented tangent to the cell boundaries. In this thesis, the water level of Lake Kastoria was a parameter, for calibrating, the distributed hydrological model of its basin. Prediction with the calibrated distributed hydrological model of the MIKE SHE/MIKE HYDRO River simulation system, of the Lake Kastoria basin, was performed with both, measured data of model input variables and spatially distributed satellite data of precipitation, and LAI. Taking into account the above, the hydrological model of the Kastoria Lake basin was developed using MIKE SHE /MIKE HYDRO River and measured input variable data from ground stations (e.g. meteorological) or literature sources (e.g. LAI ). A sensitivity analysis of the model was carried out in terms of specific parameters, while its calibration was achieved, for a period of 7 years (2013-2019), based on measured values of the lake water level. The verification (prediction) of the model was carried out for the period, immediately following the calibration period, three years (2020-2022). Both measured data from ground stations (or literature) and satellite data of precipitation and LAI, spatially distributed over the basin, were used as input parameters. The evaluation of the suitability of the satellite data was achieved by comparing the components of the water balance of the lake as derived using measured and satellite data. The evaluation of the suitability of the model was based on the results of prediction of both, lake level and the components of the lake's water balance, as they computed, using both, conventional and satellite data, precipitation and LAI, spatially distributed. From the above evaluation, useful conclusions, related to: a) the sensitivity of the methods and parameters of the MIKE SHE/MIKE HYDRO River simulation system, under the climatic, soil and hydrological conditions in Greece, b) the possibility of simulating the water balance of the lakes, under the existing dry-thermal conditions in our country and c) the possibility of reliable simulation of the water balance of the lakes, using satellite input data, in cases of absence of measured input data, of the distributed hydrological models, which is almost the norm for the Greek area.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι, η διερεύνηση της δυνατότητας των κατανεμημένων υδρολογικών μοντέλων, για την προσομοίωση του υδατικού ισοζυγίου λιμνών της χώρας μας, σε συνδυασμό με χρήση δορυφορικών δεδομένων εισόδου, χωρικά κατανεμημένων. Η παραπάνω διερεύνηση έγινε για την προσομοίωση του υδατικού ισοζυγίου της λίμνης Καστοριάς. Τις τελευταίες δεκαετίες η ανάπτυξη και χρήση των κατανεμημένων υδρολογικών μοντέλων κερδίζει συνεχώς έδαφος έναντι των αντίστοιχων ενιαίων. Το γεγονός αυτό σχετίζεται κυρίως με τη δυνατότητα των πρώτων, να ενσωματώνουν τη μεταβλητότητα τόσο των κλιματικών όσο και των φυσιογραφικών παραμέτρων μιας λεκάνης απορροής, η οποία διαφοροποιεί, τόσο χωρικά, όσο και χρονικά ,την υδρολογική συμπεριφορά της λεκάνης. Στην παρούσα διατριβή, για την υδρολογική προσομοίωση της λεκάνης απορροής της λίμνης Καστοριάς, χρησιμοποιήθηκε ένα από τα πλέον σύγχρονα συστήματα υδρολογικής προσομοίωσης, το κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο του συστήματος προσομοίωσης MIKE SHE/MIKE HYDRO River. Το MIKE SHE/MIKE HYDRO River είναι ένα χωρικά κατανεμημένο σύστημα υδρολογικής προσομοίωσης, το οποίο, είναι σε θέση να προσομοιώσει τις κύριες διεργασίες του υδρολογικού κύκλου. Η χωρική κατανομή των παραμέτρων της λεκάνης (ανάγλυφο, έδαφος, φυτοκάλυψη), της βροχής καθώς και της υδρολογικής απόκρισης, επιτυγχάνεται κατά την οριζόντια διάσταση με τη διακριτοποίηση της λεκάνης, σε έναν ορθογωνικό κάναβο και κατά την κατακόρυφο, με μια στήλη για κάθε κελί του κανάβου, αποτελούμενη από εδαφικούς ορίζοντες. Το υδρογραφικό δίκτυο αναπαρίσταται εφαπτόμενο των ορίων των κελιών. Στην παρούσα διατριβή, η στάθμη της λίμνης Καστοριάς, αποτέλεσε παράμετρο ρύθμισης, του υδρολογικού ομοιώματος της λεκάνης απορροής της. Η πρόβλεψη, με το βαθμονομημένο κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο, του συστήματος προσομοίωσης MIKE SHE/MIKE HYDRO River, της απορροής της λεκάνης της λίμνης Καστοριάς, έγινε τόσο με μετρημένα δεδομένα μεταβλητών εισόδου του μοντέλου, όσο και με δορυφορικά δεδομένα κατακρήμνισης και LAI, χωρικά κατανεμημένα. Λαμβάνοντας υπόψη τα ανωτέρω, αναπτύχθηκε το υδρολογικό ομοίωμα της λεκάνης απορροής της λίμνης Καστοριάς, με τη χρήση του MIKE SHE /MIKE HYDRO River και μετρημένα δεδομένα μεταβλητών εισόδου προερχόμενα, από επίγειους σταθμούς (π.χ. μετεωρολογικούς) ή βιβλιογραφικές πηγές (π.χ. LAI). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας του ομοιώματος, ως προς συγκεκριμένες παραμέτρους, ενώ η ρύθμισή του επιτεύχθηκε, για ένα χρονικό διάστημα 7 ετών (2013-2019), με βάση μετρημένες τιμές της στάθμης της λίμνης. Η επαλήθευση (πρόβλεψη) του ομοιώματος, πραγματοποιήθηκε για το χρονικό διάστημα των αμέσως επόμενων, της περιόδου ρύθμισης, τριών ετών (2020-2022). Ως παράμετροι εισόδου χρησιμοποιήθηκαν τόσο μετρημένα δεδομένα από επίγειους σταθμούς, όσο και δορυφορικά δεδομένα βροχόπτωσης και LAI, χωρικά κατανεμημένα, στη λεκάνη. Η αξιολόγηση της καταλληλότητας του ομοιώματος, βασίσθηκε στα αποτελέσματα πρόβλεψης, τόσο των τιμών της στάθμης της λίμνης, όσο και των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου της λίμνης, όπως αυτές προέκυπταν, με χρήση τόσο συμβατικών, όσο και δορυφορικών δεδομένων, βροχόπτωσης και LAI, χωρικά κατανεμημένων. Από την παραπάνω αξιολόγηση, προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα που σχετίζονται: α) με την ευαισθησία των μεθόδων και των παραμέτρων του συστήματος προσομοίωσης MIKE SHE/MIKE HYDRO River, υπό τις κλιματικές, εδαφολογικές και υδρολογικές συνθήκες, οι οποίες επικρατούν στον Ελλαδικό χώρο, β) με τη δυνατότητα προσομοίωσης του υδατικού ισοζυγίου των λιμνών, υπό τις υφιστάμενες ξηροθερμικές συνθήκες της χώρας μας και γ) με τη δυνατότητα αξιόπιστης προσομοίωσης του υδατικού ισοζυγίου των λιμνών, με χρήση δορυφορικών δεδομένων, σε περιπτώσεις απουσίας μετρημένων δεδομένων εισόδου, των κατανεμημένων υδρολογικών μοντέλων, που είναι σχεδόν ο κανόνας για τον Ελλαδικό χώρο.