Κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο με ημι-ακανόνιστη τριγωνοποίηση εδάφους μικρών λεκανών απορροής

Abstract

The main objective of this thesis is the development of a new distributed hydrological model for accurately simulating the behavior of small complex watersheds by using semi-irregular triangular facets (Triangular semi-Irregular Network, semi-TIN). The model developed, DELTA/HYDRO (Discretization with ELements of Triangles Approach/HYDROlogy) consists of a complex geometrical model for the accurate geometrical determination of surface water flow paths and a conjunctive hydrological model for infiltration-surface flow.More specifically, the new method proposed is based on the assumption that in a given topography, overland flow is initiated from every non-horizontal triangle experiencing precipitation towards the steepest slope direction and may flow through the common edge of two triangles following a triangular or trapezoidal path or converge towards a common edge of two triangles. A succession of consecutive triangular or trapezoidal paths forms an overland cascade while a succession of consecutive triangles’ edges a channel both schematizing the computational domain for the hydrological model. The simulation possesses «physical» meaning while each created geometrical path can «transfer» besides water, every parameter that can be transported following the logic of gravity (i.e. pollutant or sediment). The new model overcomes disadvantages of other TIN-based approaches by handling overland and channel flow in conjunction and not separately or exclusively along edges while at the same time has the capability to accurately “carry” all the region-dependent parameters down to the computational unit level. Initially, based on the semi-irregular terrain triangulation of a watershed, the geometrical module of the model for the simulation of surface water flow paths was developed, consisting of a number of conjunctive sub-models for the delineation of the basin, the determination of overland and channel flow trajectories and of the complete river network. Then, the hydrological module was developed, consisting of two conjunctive models; the infiltration model and the surface (overland and channel) flow model. The infiltration model, describes infiltration before and after surface ponding by employing the Green-Ampt approximation along with the Mein and Larson approximation in combination with the one-dimensional Richards equation. The model operates in conjunction with a one dimensional kinematic wave model for routing both overland and channel flow. Coupling procedure initiates as soon as ponding time conditions are reached on a unit’s surface and there will be no overland flow unless depression storage conditions are fulfilled by rainfall excess (Horton mechanism). The model performance was evaluated through simulations carried out for the small USDA-ARS experimental Lucky Hills watersheds (LH 104, 4.4ha) in Arizona (USA) by using ten air-mass thunderstorm episodes of different characteristics.Initially, three different topography simulations of the watersheds were performed, using variable resolution semi-irregular terrain triangulation and the best configuration was further used for the hydrological simulations. Then, the model performance was evaluated by analyzing the simulated and measured hydrographs for all ten episodes. The very satisfactorily calibration and validation results provide confidence in subsequent model interpretations regarding watershed response behavior.The sensitivity analysis performed for a variety of model input parameters (rainfall and calibration parameters) indicated that rainfall uncertainties had the more profound effect on model’s overall predictive capability.Moreover, the preliminary assessment of the infiltration model's subsurface flow component showed clear evidence of its good performance. Additionally, the model simulated satisfactorily flows at internal points of the watersheds indicating its nesting capabilities.In a further verification step, an un-calibrated (“blind”) simulation of a 24-hour complex rainfall-runoff episode was performed on another small watershed with different characteristics in Arkansas (USA). In this case also, the model adequately represented the hydrological response of the watershed.In conclusion, although further and more detailed validation is needed, the overall results are very promising. In this context, the methodology will be tested against episodes of various complexity for basins of similar and larger size, before the DELTA/HYDRO model could be considered as a useful and credible tool for the analysis of more specialized events such as flash flood episodes. Furthermore, the model will be additionally complimented with a pollutant transport module to address the interactions of soluble chemicals between soil surface and overland/channel flow, in the context of a fully integrated model.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία ενός νέου κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου για την ακριβή προσομοίωση της συμπεριφοράς μικρών λεκανών απορροής πολύπλοκης τοπογραφίας με ημι-ακανόνιστη τριγωνοποίηση εδάφους. Το μοντέλο DELTA/HYDRO που αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου στο πλαίσιο της διατριβής αποτελείται από δύο κλάδους: τον γεωμετρικό, για τον ακριβή γεωμετρικό καθορισμό των επιφανειακών διαδρομών νερού και τον υδρολογικό, ο οποίος περιλαμβάνει τα συζευγμένα μοντέλα εδαφικής διήθησης - επιφανειακής απορροής. Με την προτεινόμενη μεθοδολογία που εφαρμόζεται για πρώτη φορά στην ανάπτυξη του γεωμετρικού μοντέλου, ο ακριβής γεωμετρικός προσδιορισμός των επιφανειακών διαδρομών νερού βασίζεται στην παραδοχή ότι σε μια δεδομένη τοπογραφία η οποία έχει προσομοιωθεί με χρήση ημι-ακανόνιστων τριγωνικών στοιχείων (Triangular semi-Irregular Network, semi-TIN), μία μεμονωμένη διαδρομή νερού μπορεί να ξεκινήσει από οποιοδήποτε κεκλιμένο τρίγωνο στο οποίο σημειώνεται βροχόπτωση. Μια αλληλουχία διαδοχικών διαβρεχόμενων τριγωνικών ή τραπεζοειδών επιφανειών οριοθετεί μια διαδρομή επίγειας ροής ενώ μια αντίστοιχη τριγωνικών ακμών ένα υδατόρευμα. Το νέο μοντέλο, πλεονεκτεί έναντι άλλων TIN προσεγγίσεων αφού με την προτεινόμενη μέθοδο, η επίγεια ροή και η ροή σε υδατόρευμα μελετώνται σε πλήρη σύζευξη και όχι ξεχωριστά ή μόνο σε τριγωνικές ακμές, αποτυπώνοντας με ακρίβεια την οποιαδήποτε παράμετρο στο επίπεδο της πιο μικρής υπολογιστικής μονάδας επιφάνειας. Η προσομοίωση που προκύπτει έχει «φυσική» σημασία ενώ κάθε γεωμετρική διαδρομή ροής μπορεί να «μεταφέρει» εκτός από νερό, κάθε άλλη παράμετρο που κινείται ακολουθώντας την λογική της βαρύτητας (π.χ. ρύπο ή ίζημα) Πιο αναλυτικά, στο πλαίσιο της διατριβής κατ’ αρχήν σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε ο γεωμετρικός κλάδος του μοντέλου ο οποίος αποτελείται από μια σειρά συζευγμένων μοντέλων, αρχικά για την οριοθέτηση της λεκάνης απορροής, τον καθορισμό των διαδρομών επίγειας ροής και ροής σε υδατόρευμα και στη συνέχεια το συνολικό υδρογραφικό δίκτυο. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε το υδρολογικό μοντέλο το οποίο αποτελείται από τα συζευγμένα μοντέλα (α) εδαφικής διήθησης και (β) επιφανειακής απορροής (επίγεια ροή και ροή σε υδατόρευμα). Το μοντέλο διήθησης, περιγράφει την διήθηση σε συνθήκες επιφανειακής κατάκλυσης ή μη, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση των Green και Ampt σε συνδυασμό με την τροποποίηση των Mein και Larson και την κατακόρυφη κίνηση του εδαφικού νερού με την εξίσωση Richards. Το μοντέλο είναι σε σύζευξη με αυτό της κίνησης του επιφανειακού νερού ως επίγεια ροή, η οποία περιγράφεται όπως και η ροή σε υδατόρευμα, με τη χρήση της μονοδιάστατης εξίσωσης της συνέχειας και της προσέγγισης κινηματικού κύματος.Οι διαδικασίες σύζευξης των μοντέλων διήθησης και επιφανειακής απορροής ξεκινούν μόλις μια επιφανειακή μονάδα κορεσθεί, αλλά δεν υπάρχει επίγεια ροή πριν πληρωθούν με νερό όλες οι μικρο-κοιλότητες του εδάφους από το πλεόνασμα βροχόπτωσης (Χορτόνεια ροή). Το μοντέλο που προέκυψε βαθμονομήθηκε και επαληθεύτηκε για τις μικρές αλλά πολύπλοκης τοπογραφίας λεκάνες απορροής Lucky Hills (LH 104, 4.4 εκτάρια) που βρίσκονται στην Arizona (Η.Π.Α) χρησιμοποιώντας δέκα επεισόδια θερμικής καταιγίδας με διαφορετικά χαρακτηριστικά.Αρχικά, το μοντέλο προσομοίωσε την τοπογραφία των λεκανών με τρία διαφορετικής γεωμετρικής ανάλυσης πλέγματα τριγωνικών στοιχείων και η βέλτιστη από τις προσομοιώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια κατά την εφαρμογή του υδρολογικού κλάδου του μοντέλου.Η συνολική απόδοση του μοντέλου εκτιμήθηκε με σύγκριση των χαρακτηριστικών των μετρημένων και των προσομοιωμένων υδρογραφημάτων (όγκος απορροής, μέγιστος ρυθμός απορροής και χρόνο επίτευξής του) για όλα τα επεισόδια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι το μοντέλο δίνει την δυνατότητα πολύ αξιόπιστης αναπαράστασης των μετρημένων απορροών. Η μελέτη της ευαισθησίας του μοντέλου DELTA/HYDRO που ακολούθησε, έδειξε ότι η αβεβαιότητα στις τιμές της παραμέτρου της βροχόπτωσης έχει μεγαλύτερη επίδραση στα αποτελέσματα του μοντέλου από αυτή άλλων παραμέτρων εισόδου, όπως αυτών της βαθμονόμησης.Επιπλέον φάνηκε ότι κατ’ αρχάς ότι το μοντέλο διήθησης που χρησιμοποιήθηκε εχει φυσική συνέπεια, ανακατανέμοντας σωστά στο εσωτερικό του εδάφους τα ποσά βροχής που δέχονται τα επιφανειακά στρώματα ενώ η μελέτη της εσωτερικής συνοχής του μοντέλου έδειξε ότι αυτό μπορεί να προσομοιώσει ικανοποιητικά ροές και σε εσωτερικά σημεία των λεκανών.Τέλος, το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε χωρίς προηγούμενη βαθμονόμηση στη μελέτη της υδρολογικής συμπεριφοράς μιας μικρής λεκάνης απορροής με διαφορετικά χαρακτηριστικά στο Arkansas (Η.Π.Α.), προσομοιώνοντας πολύ ικανοποιητικά ένα 24ωρο πολύπλοκο επεισόδιο βροχόπτωσης-απορροής.Συμπερασματικά, από τη συνολική μελέτη των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο DELTA/HYDRO παρέχει την δυνατότητα πολύ ικανοποιητικής προσομοίωσης της υδρολογικής συμπεριφοράς μικρών λεκανών απορροής. Παρόλα αυτά, περαιτέρω αξιολόγησή του είναι απαραίτητη με την μελέτη μεγαλύτερου αριθμού λεκανών απορροής παρόμοιου ή μεγαλύτερου μεγέθους και για επεισόδια βροχόπτωσης-απορροής διαφορετικών χαρακτηριστικών, με στόχο την πιστοποίηση της αξιοπιστίας του ως εργαλείου προγνωστικής ανάλυσης, πιο εξειδικευμένων επεισοδίων όπως αυτών της ξαφνικής πλημμύρας (flash flood).