Προσομοίωση φυσικών διεργασιών σε επίπεδο πειραματικής υδρολογικής λεκάνης σε αστικό και περιαστικό περιβάλλον: η περίπτωση του άνω ρου του Αττικού Κηφισού

Abstract

This doctoral dissertation investigates the hydrological processes taking place at the experimental catchment of the Kifissos river basin, located in Athens, Greece and analyzes the mechanisms governing surface runoff. For this purpose, the semi-distributed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) was implemented within a Geographic Information Systems (GIS) environment. The model enables the discretization of the watershed into sub-basins and Hydrologic Response Units (HRUs), taking into account the spatial heterogeneity of physical characteristics. The input data included topographic, soil, land use, and hydro-meteorological data for the period 2017–2019. Model calibration and validation were carried out using the SWAT-CUP software based on streamflow data, while field measurements were also conducted to improve model parameterization. Furthermore, the use of remotely sensed actual evapotranspiration data in the calibration process was investigated. The results demonstrated that the combined use of streamflow and remote sensing data significantly improves model performance and reduces uncertainty. The study area, as a peri-urban system, was affected by a major wildfire in 2021. Fire severity was assessed using Landsat 8 satellite data through the NBR and ΔNBR indices, while post-fire vegetation recovery was evaluated using the NDVI and MSAVI2 indices. The results revealed differentiated responses among land use types, with faster recovery observed in agricultural and shrubland areas. For the analysis and prediction of vegetation dynamics, the stochastic Vector Autoregression (VAR) model was applied, using time series of vegetation indices. In parallel, the impact of the wildfire on the hydrological balance was investigated through two simulation scenarios (pre-fire and post-fire conditions). The results indicated an increase in surface runoff and a decrease in evapotranspiration during the post-fire period, attributed to changes in soil properties and land use. Overall, the study highlights the importance of an integrated approach that combines in situ data, remote sensing, and hydrological modeling for understanding and predicting hydrological processes in complex environments. The proposed methodology can be applied to watersheds with similar characteristics, supporting sustainable water resources management and the assessment of the impacts of extreme natural events.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τις υδρολογικές διεργασίες στη λεκάνη απορροής του άνω ρου του Αττικού Κηφισού, με έμφαση στον σχηματισμό της επιφανειακής απορροής. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκε το ημι-κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο SWAT (Soil and Water Assessment Tool) σε περιβάλλον Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών, το οποίο επιτρέπει τη διακριτοποίηση της λεκάνης σε υπολεκάνες και Μονάδες Υδρολογικής Απόκρισης (HRUs), λαμβάνοντας υπόψη τη χωρική ετερογένεια των φυσικών χαρακτηριστικών. Ως δεδομένα εισόδου χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικά, εδαφολογικά, δεδομένα χρήσεων γης και υδρομετεωρολογικά στοιχεία για την περίοδο 2017–2019. Η ρύθμιση και επαλήθευση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό SWAT-CUP, με χρήση δεδομένων παροχής ενώ πραγματοποιήθηκαν και μετρήσεις υπαίθρου για τη βελτίωση της παραμετροποίησης. Επιπλέον, διερευνήθηκε η αξιοποίηση δορυφορικών δεδομένων πραγματικής εξατμισοδιαπνοής στη διαδικασία της βαθμονόμησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συνδυαστική χρήση δεδομένων παροχής και τηλεπισκόπησης βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του μοντέλου και συμβάλλει στη μείωση της αβεβαιότητας. Η περιοχή μελέτης, ως περιαστικό σύστημα, επηρεάστηκε από τη δασική πυρκαγιά του 2021. Η δριμύτητα της πυρκαγιάς εκτιμήθηκε μέσω δορυφορικών δεδομένων Landsat 8, με χρήση των δεικτών NBR και ΔNBR, ενώ η μεταπυρική αναγέννηση της βλάστησης αξιολογήθηκε με τους δείκτες NDVI και MSAVI2. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν διαφοροποιημένη απόκριση μεταξύ χρήσεων γης, με ταχύτερη ανάκαμψη σε αγροτικές και θαμνώδεις εκτάσεις. Για την ανάλυση και πρόβλεψη της εξέλιξης της βλάστησης εφαρμόστηκε το στοχαστικό μοντέλο Vector Autoregression (VAR), αξιοποιώντας χρονοσειρές δεικτών βλάστησης. Παράλληλα, διερευνήθηκε η επίδραση της πυρκαγιάς στο υδρολογικό ισοζύγιο μέσω δύο σεναρίων προσομοίωσης (πριν και μετά την πυρκαγιά). Τα αποτελέσματα κατέδειξαν αύξηση της επιφανειακής απορροής και μείωση της εξατμισοδιαπνοής στη μεταπυρική περίοδο, αποδιδόμενες σε μεταβολές των ιδιοτήτων του εδάφους και των χρήσεων γης. Συνολικά, η μελέτη καταδεικνύει τη σημασία της ολοκληρωμένης προσέγγισης που συνδυάζει επίγεια δεδομένα, τηλεπισκόπηση και υδρολογική προσομοίωση για την κατανόηση και πρόβλεψη υδρολογικών διεργασιών σε σύνθετα περιβάλλοντα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε λεκάνες απορροής με παρόμοια χαρακτηριστικά, υποστηρίζοντας τη βιώσιμη διαχείριση υδατικών πόρων και την αξιολόγηση των επιπτώσεων ακραίων φυσικών φαινομένων.