Προσδιορισμός του κινδύνου πλημμυρών στα χειμαρρικά ρεύματα του Στρυμονικού κόλπου, με τη χρήση αντίστοιχων μοντέλων και νέων τεχνολογιών

Abstract

The impact of floods in many parts of the world is manifold, in terms of human lives, socio-economic and ecological level. The factors that influence the occurrence and evolution of floods are well known (climate, topography, geological background, land use, anthropogenic interventions), but their identification is not always an easy task. Although full prediction and prevention of floods is difficult, their devastating consequences can be mitigated by the construction of appropriate works. However, reliable data over a long period of time, such as flood peaks, total runoff volume, estimation of various variables in the watershed scale, field measurements, etc. are required to proceed with the effective design of economically viable flood control systems. This PhD thesis focuses on the study of streams located in small and medium sized catchments and aims to create flood risk maps for the worst-case flood events. The analysis was carried out using return periods of 50, 100, 200, 500 and 1000 years for the greater Strymonikos Gulf region and for rainfall durations of 1, 2, 3, 4, 6, 12 and 24 hours. In particular, terms, definitions and issues relating to floods and their influencing factors were clarified. Upon completion of the literature review, the conceptual and methodological framework and applications to be used in this thesis were investigated. The applications of HEC-HMS and HEC-RAS, were selected and used for the hydrological and hydraulic simulation of the flood scenarios. Then, the precipitation data from the meteorological stations of the study area (Olympiada - Asprovalta - Eleftheroupoli) were collected and processed appropriately for the creation of the IDF curves. From these curves, the design storms were identified, where appropriate, and using the HEC-HMS software, the calculation of the flood peaks and maximum flood peaks was performed. The next step was the mapping of the floodplain by defining the study area and creating the cross-sections to be studied using ArcGIS software and the HEC-GeoRAS add-in. Then, the hydraulic flood simulation was performed using the HEC-RAS program for the highest flood peaks calculated in each floodplain at critical points of the streams in the study area and the final flood hazard maps were created using ArcGIS. The results obtained from the above models were verified by recording the high water marks of the flooding episodes that occurred in the torrent Mpasdekis (Olympiada Halkidiki) on November 21-22, 2019 and in the torrents Dytikos Stavros and Vrasna Thessaloniki on June 27-28, 2018. In this thesis, the objective set from the outset was to investigate the flood risk in small and medium sized catchments of torrents discharging into the Strymonikos Gulf. Based on the hydrological and hydraulic simulation during the thesis development, the points of highest flood risk and the corresponding flood extent and depth were identified. Subsequently, using geographic information systems, all areas of high flood risk were identified, which are located in close proximity to man-made activities (settlements, road network, tourist facilities, crops, sports facilities, etc.).

Οι επιπτώσεις των πλημμυρών σε πολλές περιοχές του κόσμου είναι πολλαπλές, σε ανθρώπινες ζωές, σε κοινωνικοοικονομικό επίπεδο και σε οικολογικό επίπεδο. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την εμφάνιση και την εξέλιξη των πλημμυρών είναι γνωστοί (κλίμα, ανάγλυφο, γεωλογικό υπόθεμα, χρήσεις γης, ανθρωπογενείς επεμβάσεις), αλλά ο προσδιορισμός τους δεν είναι πάντα εύκολος. Αν και η πλήρης πρόβλεψη και αποτροπή των πλημμυρών είναι δύσκολη, οι καταστροφικές τους συνέπειες μπορούν να μετριαστούν με την κατασκευή κατάλληλων έργων. Όμως, απαιτούνται αξιόπιστα δεδομένα για μεγάλη χρονική περίοδο, όπως είναι οι πλημμυρικές αιχμές, ο συνολικός όγκος απορροής, η εκτίμηση διαφόρων μεταβλητών στη λεκάνη απορροής, μετρήσεις πεδίου κ.α. προκειμένου να προχωρήσει ο αποτελεσματικός σχεδιασμός, οικονομικά βιώσιμων συστημάτων ανάσχεσης των πλημμυρών. Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη χειμάρρων που βρίσκονται σε μικρού και μετρίου μεγέθους λεκάνες απορροής και αποσκοπεί στη δημιουργία χαρτών πλημμυρικού κινδύνου για τις πιο δυσμενείς περιπτώσεις πλημμυρών σχεδιασμού. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ως περιόδους επαναφοράς τα 50, 100, 200, 500 και 1000 έτη, για την ευρύτερη περιοχή του Στρυμονικού Κόλπου και για βροχοπτώσεις διάρκειας 1, 2, 3, 4, 6, 12 και 24 ωρών. Ειδικότερα, αποσαφηνίστηκαν όροι, ορισμοί και ζητήματα σχετικά με τις πλημμύρες και τους παράγοντες που τις επηρεάζουν. Με την ολοκλήρωση της ανασκόπησης βιβλιογραφίας ερευνήθηκε το εννοιολογικό και μεθοδολογικό πλαίσιο καθώς και οι εφαρμογές που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής. Οι εφαρμογές HEC-HMS και HEC-RAS, επιλέχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την υδρολογική και υδραυλική προσομοίωση των πεδινών κοιτών των χειμάρρων. Στη συνέχεια, συγκεντρώθηκαν τα βροχομετρικά δεδομένα από σταθμούς της περιοχής (Ολυμπιάδα – Ασπροβάλτα – Ελευθερούπολη) και επεξεργάστηκαν κατάλληλα για τη δημιουργία των όμβριων καμπυλών. Από αυτές προσδιορίστηκαν οι καταιγίδες σχεδιασμού, κατά περίπτωση, και με τη χρήση του λογισμικού HEC-HMS έγινε ο υπολογισμός των πλημμυρογραφημάτων και των μεγίστων πλημμυρικών αιχμών. Το επόμενο βήμα ήταν η αποτύπωση της κοίτης με τον καθορισμό της υπό μελέτης περιοχής και δημιουργία των διατομών που θα μελετηθούν με τη χρήση του προγράμματος ArcGIS και του προσθέτου HEC-GeoRAS. Έπειτα, έγινε η υδραυλική προσομοίωση των πλημμυρών με τη χρήση του προγράμματος HEC-RAS, για τις μεγαλύτερες πλημμυρικές αιχμές που υπολογίστηκαν σε κάθε κοίτη, σε κρίσιμα σημεία των χειμάρρων της περιοχής έρευνας και δημιουργήθηκαν οι τελικοί χάρτες πλημμυρικού κινδύνου χρησιμοποιώντας το ArcGIS. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα παραπάνω μοντέλα επαληθεύτηκαν με καταγραφή των ιχνών απορροής των πλημμυρικών επεισοδίων που συνέβησαν στο χείμαρρο Μπασδέκη (Ολυμπιάδα Χαλκιδικής) την 21η-22η Νοεμβρίου 2019 και στους χείμαρρους Δυτικού Σταυρού και Βρασνών Θεσσαλονίκης την 27η-28η Ιουνίου 2018. Στην παρούσα διατριβή, το ζητούμενο που τέθηκε εξαρχής ήταν η διερεύνηση του πλημμυρικού κινδύνου στις μικρές και μέτριες λεκάνες απορροής χειμάρρων που εκβάλλουν στο Στρυμονικό Κόλπο. Με βάση την υδρολογική και υδραυλική προσομοίωση κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής εντοπίστηκαν τα σημεία του μεγαλύτερου πλημμυρικού κινδύνου και της αντίστοιχης πλημμυρικής έκτασης και βάθους. Ακολούθως, με τη χρήση γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών, εντοπίστηκαν όλες οι περιοχές με μεγάλο πλημμυρικό κίνδυνο, οι οποίες βρίσκονται σε κοντινή απόσταση από ανθρωπογενείς δραστηριότητες (οικισμοί, οδικό δίκτυο, τουριστικές εγκαταστάσεις, καλλιέργειες, αθλητικές εγκαταστάσεις κ.α.).