Σύγκριση μεθόδων υδρογραφίας και δορυφορικής βαθυμετρίας στη μελέτη της γεωμορφολογίας ταμιευτήρων: εφαρμογή στον ταμιευτήρα της λίμνης Κερκίνης

Abstract

The management of water resources for irrigation and flood protection purposes has played an important role in the development of older and modern civilizations. The ever-increasing population growth, especially after the nineteenth century, with the simultaneous industrial revolution, led to the demand for optimal and more effective water resource management. The role of reservoirs in the water resource management has been decisive, despite the negative effects it might have on the natural environment. Today, with the development of computational techniques, instruments and systems, the design of a reservoir system is even more optimal. Along with the design and operation of the reservoirs, there are also developing monitoring systems, for estimation of physicochemical quality of the water, level fluctuation and the storage capacity of the reservoir. The latter, is particularly critical in the operation of hydroelectric power plants. In the present thesis, modern methods of monitoring important parameters of reservoir operation are examined, with emphasis on the control of geomorphology. In particular, is investigated the calculation of depths, at Kerkini reservoir, through satellite bathymetry, utilizing the spectral information of the eight channels of the multi-spectral image of the Worldview-2 satellite, with spatial resolution of 2m. The results of the method are compared with a bathymetric reference model, which is calculated through hydrography of the Kerkini reservoir, using modern mapping techniques, such as the real-time kinematic technique (RTK GNSS) and sonar. The precision of the two methods is examined, the sedimentation process of the reservoir, as well as the ability of the new bands of Worldview-2, Coastal, Blue and Green, to capture the radiation enters the water and the percentage of irradiation absorbed by water in these spectra. For this purpose, the theoretical basis of all these methods is analyzed. In addition, at the last part of the thesis, a numerical simulation of the hydrodynamic circulation of Lake Kerkini, is been made, with the use of two-dimensional fundamental equations, determining the velocity field (u,v), as well as other dynamic variables, of the reservoir system. The success or failure of the model consists on the correct selection of the input parameters and the data, while the results of the simulation are compared with the available data from the optical gauge, at the Kerkini reservoir. As mentioned above, the thesis examines the geomorphology of the reservoir system, exploring specific issues. In order to fully understand that system, there are many researches (physical, chemical and biological) that need to be done, while the results of this thesis can contribute to that.

Η διαχείριση των υδάτινων πόρων για σκοπούς άρδευσης και αντιπλημμυρικής προστασίας, κατείχε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη παλαιότερων αλλά και σύγχρονων πολιτισμών. Η ολοένα και μεγαλύτερη αύξηση του πληθυσμού, ειδικότερα μετά τον δέκατο ένατο αιώνα, με την ταυτόχρονη βιομηχανική επανάσταση, οδήγησε στη απαίτηση για βέλτιστη και αποτελεσματικότερη διαχείριση των υδάτινων πόρων. Ο ρόλος των ταμιευτήρων στο πρόβλημα της διαχείρισης υπήρξε καθοριστικός, παρ’ όλες τις αρνητικές επιδράσεις που μπορεί να έχει στο φυσικό περιβάλλον. Σήμερα με την ανάπτυξη των υπολογιστικών τεχνικών, οργάνων και συστημάτων, ο σχεδιασμός ενός συστήματος ταμιευτήρα είναι ακόμη πιο βέλτιστος. Παράλληλα με τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των ταμιευτήρων, σχεδιάζονται και διαδικασίες παρακολούθησης των συστημάτων αυτών, που αφορούν στην εκτίμηση της φυσικοχημικής κατάστασης των υδάτων, της διακύμανσης της στάθμης αλλά και της αποθηκευτικής ικανότητας του ταμιευτήρα. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα κρίσιμο, κατά την λειτουργία υδροηλεκτρικών σταθμών. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζονται σύγχρονες μέθοδοι παρακολούθησης σημαντικών παραμέτρων λειτουργίας των ταμιευτήρων, με έμφαση στον έλεγχο της γεωμορφολογίας τους. Συγκεκριμένα, διερευνάται η δυνατότητα υπολογισμού των βαθών, με εφαρμογή τον ταμιευτήρα της Κερκίνης, δια μέσω μεθόδων δορυφορικής βαθυμετρίας, αξιοποιώντας τη φασματική πληροφορία των οκτώ διαύλων της πολυφασματικής εικόνας του δορυφόρου Worldview-2, χωρικής διακριτότητας 2m. Τα αποτελέσματα της μεθόδου συγκρίνονται με βαθυμετρικό μοντέλο αναφοράς, το οποίο παράγεται μέσω της υδρογράφησης που διενεργείται στον ταμιευτήρα, με τη χρήση σύγχρονων τεχνικών αποτύπωσης, όπως την κινηματική τεχνική σε πραγματικό χρόνο (RTK GNSS), καθώς και τη χρήση ηχοβολιστή. Εξετάζονται ζητήματα όπως η ακρίβεια των δύο μεθόδων, η τάση πρόσχωσης του ταμιευτήρα από φερτές ύλες, καθώς και η ικανότητα των νέων διαύλων του δορυφόρου Worldview-2, του Παράκτιου, του Μπλε και του Πράσινου, στην καταγραφή της ακτινοβολίας που διαπερνά το υγρό στοιχείο και της διερεύνησης του ποσοστού ακτινοβολίας που απορροφάται από το νερό σε αυτά τα φάσματα. Για το σκοπό αυτό αναλύεται η θεωρητική βάση όλων αυτών των μεθόδων, στο πλαίσιο της έρευνας. Επιπλέον, στο τελευταίο τμήμα της διατριβής, γίνεται αριθμητική προσομοίωση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας της λίμνης Κερκίνης, με τη χρήση των θεμελιωδών εξισώσεων σε δύο διαστάσεις και τον προσδιορισμό μεταβλητών όπως οι συνιστώσες ταχύτητας u και v, καθώς και άλλες δυναμικές μεταβλητές, ώστε να ολοκληρωθεί, όσο είναι δυνατό, η πληροφορία για το σύστημα του ταμιευτήρα. Η επιτυχία ή μη του μοντέλου, συνίσταται στην ορθή επιλογή των παραμέτρων εισαγωγής και των δεδομένων, ενώ τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, συγκρίνονται με τα διαθέσιμα στοιχεία από το οπτικό σταθμήμετρο, στο φράγμα του ταμιευτήρα Κερκίνης. Όπως αναφέρθηκε, η διατριβή εξετάζει το σύστημα του ταμιευτήρα, ως προς τη γεωμορφολογία του, διερευνώντας ειδικά θέματα. Για να κατανοηθεί πλήρως, αυτό το τόσο δυναμικό σύστημα, είναι πολλές οι επί μέρους εργασίες και έρευνες που πρέπει να γίνουν, σε φυσικό, χημικό και βιολογικό επίπεδο, ενώ τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, μπορούν να αποτελέσουν το υπόβαθρο, όλων των παραπάνω εργασιών.