Ανάπτυξη στρατηγικών για την ποσοτική εκτίμηση της στερεοαπορροής από την υδατική διάβρωση με τη χρήση συστημάτων υποστήριξης αποφάσεων σε ορεινές υδρολογικές λεκάνες

Abstract

Τhe main objective of this PhD dissertation was the improvement of soil loss estimation at mountainous Mediterranean type catchments, as well as the identification of the most susceptible to erosion areas.Study area included the catchments of Venetikos (Grevena Bridge sub-catchment), Kalamas (Soulopoulo Bridge and Kioteki sub-catchments) Arachthos (Arta; Plaka; Tsimovo; Gogo Bridge sub-catchments) and Acheloos (Avlaki Dam sub-catchment) Rivers.The methodology followed was initially comprised by the implementation of twelve different empirical soil erosion models at each sub-catchment, both annually and inter-annually. Subsequently, the models’ performance was evaluated {qualitatively (as far as their specific characteristics and capabilities is concerned) and quantitatively [their numeric results were cross-evaluated with the sub-catchment’s measured sediment yield (PPC)]}, in order to select the one corresponding best to the region’s specific conditions. The prevalent one (RUSLE), taking under consideration its annual numeric results as long as the corresponding measured sediment yield ones, was modified (its individual factors were assigned with a weighing coefficient) using statistical procedures, in order to improve its predicting ability {minimizing the numeric value of the Σ(SYsim-SYobs)2 error term, between observed and simulated results}. Concerning the modification process, the sediment yield values estimated by the corresponding sediment discharge measurements (PPC) were initially considered as measured. Their questionable reliability along with their lack at the Kalamas River sub-catchments, led to their replacement by the ones calculated by the representative suspended sediment discharge rating curve construction method of each sub-catchment. All models were anew cross-evaluated considering the new dataset, with the RUSLE remaining prevalent. The estimated error term Σ(SYsim-SYobs)2 was gradually reduced from 40,213.06t/ha (no weighing coefficients) to 25,937.07t/ha (weighing coefficients attributed considering the PPC results) to 5,834.78t/ha (weighing coefficients attributed considering the rating curve methods results/ selected equation).The selected equation was anew implemented to all sub-catchments at both time scales. The results were compared to the ones attributed by the original equation, as well as the simulated sediment yield values (based on the sediment discharge rating curve methods), in order to evaluate its performance and credibility. The model performed exceptionally well at some sub-catchments (Kioteki, Soulopoulo Bridge, Gogo Bridge), while not so well at others (Venetikos River, Plaka Bridge). At the remaining sub-catchments there was a slight predominance of the original equation (more vague annually), but there is no marked differentiation leading effortlessly to the rejection of the methodology.This irregular behavior was mainly attributed to the relatively small dataset taken into account in order to determine the weighing coefficient of each factor, their specific characteristics (hydrological regime, climate, soil types, morphology, soil cover) as well as other extrinsic elements (model implementation errors, field measurements errors, shortcomings in measurement methodologies and model’s construction).

Βασικό στόχο της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής αποτέλεσε η βελτίωση της ακρίβειας εκτίμησης της εδαφικής απώλειας σε ορεινές υδρολογικές λεκάνες μεσογειακού τύπου, καθώς και ο εντοπισμός των πλέον επιρρεπών στο φαινόμενο περιοχών.Πεδίο έρευνας αποτέλεσαν οι λεκάνες απορροής των π. Βενέτικου (υπολεκάνη γ. Γρεβενών), Καλαμά (υπολεκάνες γ. Σουλόπουλο, Κιοτέκι), Αράχθου (υπολεκάνες γ. Άρτα, γ. Πλάκα, γ. Τσίμοβο, γ. Γκόγκο), Άνω Ρου Αχελώου (υπολεκάνη φρ. Αυλάκι).Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιέλαβε αρχικά την εφαρμογή δώδεκα διαφορετικών εμπειρικών ομοιωμάτων διάβρωσης σε κάθε υπολεκάνη, σε ετήσιο και υπέρ-ετήσιο χρονικό βήμα. Ακολούθησε η ποιοτική (χαρακτηριστικά, δυνατότητες) και η ποσοτική {σύγκριση αποτελεσμάτων με τις παρατηρημένες τιμές στερεοαπορροής (ΔΕΗ)} τους αξιολόγηση, προκείμενου να διαπιστωθεί ποιο εξ αυτών είναι καταλληλότερο για εφαρμογή στο σύνολο του δείγματος. Εν συνεχεία, το επιλεγέν ομοίωμα (RUSLE), χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της υπέρ-ετήσιας εφαρμογής του και λαμβάνοντας υπόψη τις αντίστοιχες παρατηρημένες τιμές στερεοαπορροής, τροποποιήθηκε κατάλληλα (απόδοση συντελεστή βάρους ανά παράγοντα) μέσω στατιστικών διαδικασιών, προκειμένου να βελτιωθεί η προβλεπτική του ικανότητα {ελαχιστοποίηση της αριθμητικής τιμής του όρου σφάλματος Σ(SYsim-SYobs)2 μεταξύ παρατηρημένων και προσομοιωμένων τιμών στερεοαπορροής}. Κατά τη διαδικασία τροποποίησης, ως παρατηρημένες θεωρήθηκαν αρχικά οι τιμές που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις στερεοπαροχής (ΔΕΗ) στην έξοδο κάθε υπολεκάνης. Η ελεγχόμενη αξιοπιστία τους σε συνδυασμό με την απουσία τους στις υπολεκάνες του π. Καλαμά, οδήγησε στην αντικατάσταση τους από τις τιμές που προέκυψαν από την εφαρμογή της αντιπροσωπευτικής μεθοδολογίας κατασκευής καμπυλών παροχής-στερεοπαροχής κάθε υπολεκάνης. Το ομοίωμα RUSLE παρέμεινε και στην περίπτωση αυτή το επικρατέστερο έναντι των υπολοίπων. Ο όρος σφάλματος Σ(SYsim-SYobs)2 μειώθηκε σταδιακά από 40,213.06t/ha (χωρίς συντελεστές βάρους) σε 25,937.07t/ha (ως προς ΔΕΗ) σε 5,834.78t/ha (ως προς καμπύλες παροχής-στερεοπαροχής/ επιλεχθείσα εξίσωση).Η επιλεχθείσα εξίσωση εφαρμόστηκε εκ νέου στο σύνολο του δείγματος και στις δύο χρονικές κλίμακες. Τα αποτελέσματα αντιπαρατέθηκαν με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του «μητρικού» ομοιώματος, καθώς και με τις προσομοιωμένες (καμπύλες παροχής-στερεοπαροχής) τιμές στερεοαπορροής, προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση του. Παρουσίασε πολύ καλή συμπεριφορά σε κάποιες εκ των υπολεκανών ενώ σε κάποιες άλλες όχι. Ειδικότερα η αρχική μορφή υπερείχε σημαντικά στις υπολεκάνες λεκάνες γ. Γρεβενών και γ. Πλάκα. Αντίθετα η τροποποιημένη μορφή επικράτησε σαφώς στις υπολεκάνες Κιοτέκι, γ. Σουλόπουλο και γ. Γκόγκο. Στις υπόλοιπες υπολεκάνες υπήρξε μια μικρή υπεροχή της αρχικής μορφής (περισσότερο ασαφής κατά την ανά έτος θεώρηση), χωρίς όμως αισθητή διαφοροποίηση, η οποία να οδηγεί αβίαστα στην απόρριψη της μεθοδολογίας. Η ακανόνιστη συμπεριφορά αποδόθηκε κυρίως στο σχετικά μικρό δείγμα υδρολογικών λεκανών που χρησιμοποιήθηκε, στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους (υδρολογικό καθεστώς, κλιματικές συνθήκες, εδαφικός τύπος, μορφολογία, φυτοκάλυψη) καθώς επίσης και σε άλλους εξωγενείς παράγοντες (σφάλματα εφαρμογής, λάθη στις μετρήσεις πεδίου, εγγενή σφάλματα και ατέλειες μεθοδολογιών μέτρησης και ομοιωμάτων).