Εργαλεία Υδρολογικής Ανάλυσης

Οι εφαρμογές εξειδικευμένης υδρολογικής ανάλυσης είναι αυτές που ενδιαφέρουν κατά κύριο λόγο τον υδρολόγο.
Πρόκειται για εφαρμογές που μοντελοποιούν τις διάφορες υδρολογικές διεργασίες και βοηθούν στην κατανόηση και στην αποτελεσματική εξαγωγή συμπερασμάτων για την κατάσταση των υδατικών πόρων σε μία περιοχή ή και σε ολόκληρα διαμερίσματα. Τα εργαλεία αυτά υλοποιήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν κατά την φάση της υδρολογικής επεξεργασίας των χρονοσειρών της ΕΤΥΜΠ. Η εκτεταμένη αξιοποίηση τους κατά την διάρκεια του έργου δείχνει πως είναι μιά δέσμη εφαρμογών που μπορεί να βοηθήσει αποτελεσματικά τον μελετητή υδρολόγο στην διαδικασία αξιολόγησης του υδατικού δυναμικού είτε τοπικά είτε σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Ανάλυση διπλών αθροιστικών καμπυλών / Έλεγχος ομογένειας

Ο πιό συνηθισμένος τρόπος για έλεγχο ομογένειας στις χρονοσειρές βροχοπτώσεων είναι η κατασκευή της διπλής αθροιστικής καμπύλης. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε ετήσια δείγματα δύο ή περισσοτέρων χρονοσειρών όπου η μία είναι η χρονοσειρά προς έλεγχο ομογένειας ενώ οι υπόλοιπες θεωρούνται ομογενείς. Σύμφωνα με την μεθοδολογία σχεδιάζονται σε διάγραμμα τα σημεία με συντεταγμένες στον άξονα Χ το αθροιστικό ύψος βροχής του εξαρτημένου σταθμού ενώ στον Υ το αθροιστικό ύψος βροχής του μέσου όρου των ανεξάρτητων χρονοσειρών. "Σπάσιμο" της ευθείας των σημείων υποδυκνείει πιθανή ανομοιογένεια των δειγμάτων. Προκειμένου να εφαρμοσθεί σωστά η μέθοδος υπάρχουν διάφορες προϋποθέσεις που πρέπει να ικανοποιούνται όπως η στατιστική ανεξαρτησία των χρονοσειρών καθώς και η ικανοποιητική συσχέτιση των χρονοσειρών.

Συμπληρώσεις / επεκτάσεις χρονοσειρών - ανάλυση συσχέτισης

Πρόκειται για δέσμη επεξεργασιών με στόχο τον έλεγχο της στατιστικής συσχέτισης των χρονοσειρών και στην συνέχεια την συμπλήρωση τυχόν ελλειπουσών τιμών των χρονοσειρών από άλλες πλήρεις.
Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση της πληρότητας των χρονοσειρών. Στα πλαίσια της ΕΤΥΜΠ αναπτύχθηκε εξειδικευμένος αλγόριθμος για την αυτόματη ανάλυση συσχέτισης χρονοσειρών και στη συνέχεια ημιαυτόματη συμπλήρωση των κενών των χρονοσειρών με βάση κριτήρια απόστασης και υψομετρικής διαφοράς σταθμών καθώς και κριτήρια συντελεστή συσχέτισης, πληρότητας δεδομένων χρονοσειράς κλπ.

Υπολογισμός ομβρίων καμπυλών

Οι όμβριες καμπύλες αποτελούν το κύριο εργαλείο υδρολογικού σχεδιασμού, προκειμένου στην κατασκευή δικτύων αποχέτευσης, στον έλεγχο επάρκειας αγωγών, στην κατασκευή ταμιευτήρων κλπ. Πρόκειται για μαθηματικές παραστάσεις που εκφράζουν την σχέση της έντασης, της διάρκειας και της περιόδου επαναφοράς της βροχόπτωσης. Η κατάρτιση των όμβριων καμπυλών γίνεται σε τρία στάδια: εξαγωγή χρονοσειράς μεγίστων για διάφορες διάρκειες βροχόπτωσης, προσαρμογή κατανομής σε κάθε χρονοσειρά μεγίστων, και τέλος εκτίμηση των παραμέτρων της σχέσης της όμβριας καμπύλης.

Υπολογισμός καμπυλών στάθμης - παροχής

Το πιο ενδιαφέρον μέγεθος στα ποτάμια είναι οι παροχές. Η μελέτη των παροχών είναι χρήσιμη και για την πρόβλεψη ακραίων γεγονότων (π.χ. εκτίμηση της μέγιστης παροχής που θα κληθεί να διοχετεύσει ένας υπερχειλιστής φράγματος ή μια διευθετημένη κοίτη) αλλά επιπλέον χρησιμοποιείται στον υπολογισμό υδατικών ισοζυγίων. Ωστόσο, η μέτρηση της παροχής είναι πολύπλοκη και πολυδάπανη διαδικασία. Αντίθετα, η μέτρηση της στάθμης του ποταμού είναι απλή διαδικασία, και γίνεται αφενός με επίσκεψη του παρατηρητή και καταγραφή των ενδείξεων των σταθμημέτρων σε έντυπα, συνήθως άπαξ ημερησίως, και αφετέρου με χρήση σταθμηγράφων, που συνήθως χρησιμοποιούν ταινίες μιας εβδομάδας, παρέ-χοντας ανάγνωση με διακριτότητα περίπου μιας ώρας. Έτσι, γίνονται σποραδικά υδρομετρήσεις (ταυτόχρονες μετρήσεις στάθμης και παροχής), και τακτικές ημερήσιες ή ωριαίες) καταγραφές στάθμης. Με τις μετρήσεις παροχής υπολογίζεται η σχέση της στάθμης με την παροχή. Γνωρίζοντας αυτή τη σχέση, υπολογίζεται η σειρά παροχών από τη σειρά από στάθμες. Στα πλαίσια της ΕΤΥΜΠ αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό που μοντελοποιεί όλα τα βήματα της διαδικασίας εκτίμησης των σχέσεων στάθμης - παροχής για κάθε δεδομένη θέση.

Υπολογισμός καμπυλών παροχής - στερεοπαροχής

Το νερό των ποταμών μεταφέρει κατά τη ροή του φερτές ύλες που προέρχονται κυρίως από τη διάβρωση. Το φαινόμενο λέγεται στερεομεταφορά και η μελέτη του έχει σημασία, γιατί τελικά οι φερτές ύλες εναποτίθενται και μετά από χρόνια μπορεί να συγκεντρωθούν σημαντικές ποσότητες φερτών π.χ. πίσω από ένα φράγμα μειώνοντας τον ωφέλιμο όγκο του. Το μέγεθος που χρησιμοποιείται κυρίως κατά τη μελέτη της στερεομεταφοράς είναι η στερεοπαροχή, το βάρος των στερεών υλών που διέρχονται από τη διατομή του ποταμού στη μονάδα του χρόνου. Η κατάρτιση χρονοσειρών στερεοπαροχής γίνεται με τρόπο αντίστοιχο με την κατάρτιση χρονοσειρών παροχής. Στη διάρκεια των μετρήσεων παροχής γίνονται και ταυτόχρονες μετρήσεις στερεοπαροχής. Από το σύνολο των μετρήσεων στερεοπαροχής καταρτίζονται καμπύλες παροχής-στερεοπαροχής. Από τη χρονοσειρά παροχών προκύπτει, με παρεμβολή στις καμπύλες, η χρονοσειρά στερεοπαροχών. Στα πλαίσια της ΕΤΥΜΠ αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό που μοντελοποιεί όλα τα βήματα της διαδικασίας εκτίμησης των σχέσεων παροχής - στερεοπαροχής για κάθε δεδομένη θέση.

Επιφανειακή ολοκλήρωση υδρομετεωρολογικών παραμέτρων

Πρόκειται για μεθόδους αναγωγής σημειακών μετρήσεων σε αντίστοιχες επιφανειακές. Οι επιφανειακές ολοκληρώσεις βροχοπτώσεων και θερμοκρασιών για όλη την Ελλάδα αποτέλεσαν ίσως την βασικότερη υδρολογική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του έργου. Ειδικό λογισμικό σχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε προκειμένου να παραχθούν οι επιφανειακές τιμές των μεταβλητών σε επίπεδα λεκανών απορροής και υδατικών διαμερισμάτων. Η εφαρμογή καλύπτει τόσο τις κλασσικές μεθόδους εκτίμησης επιφανειακών τιμών όπως τα πολύγωνα Thiessen και η μέθοδος IDW όσο και πιο σύγχρονες όπως οι διάφορες παραλλαγές της μεθόδου Kriging.

Προσαρμογή στατιστικών κατανομών / Στατιστική ανάλυση χρονοσειρών

Οι στατιστικές κατανομές αποτελούν το βασικό εργαλείο της υδρολογικής ανάλυσης όσον αφορά στην μελέτη διασποράς των υδάτινων πόρων στην φύση. Συνήθως συγκεκριμένες στατιστικές κατανομές χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες εφαρμογές προκειμένου να μοντελοποιήσουν δείγματα μετρήσεων και να εκφράσουν την αβεβαιότητα που είναι συνειφασμένη με αυτές. Οι παράμετροι των κατανομών υπολογίζονται με διάφορες μεθόδους, από τις οποίες οι πιο συνηθι-σμένες είναι η μέθοδος των ροπών και η μέθοδος της μέγιστης πιθανοφάνειας και είναι αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στην ΕΤΥΜΠ.
Παράλληλα με την προσαρμογή της κάθε κατανομής στα δείγματα των μετρήσεων είναι απαραίτητος και ο έλεγχος της ορθότητας αυτής της προσαρμογής ο οποίος πραγματοποιείται συνήθως με το τέστ Χ2.
Η εφαρμογή προσαρμογής και ελέγχου των κατανομών διαχειρίζεται τις παρακάτω κατανομές :

• Κανονική κατανομή
• Λογαριθμοκανονική (LogNormal distribution)
• Gumbel ελαχίστων
• Gumbel μεγίστων
• Weibull
• Γάμμα
• Εκθετική
• Pearson III
• Log-Pearson III

Εκτίμηση υδρογεωλογικών παραμέτρων

Οι βασικές παράμετροι των υπόγειων υδροφορέων όσον αφορά στην υδραυλική τους συμπεριφορά είναι η παροχετευτικότητα και ο συντελεστής εναποθήκευσης.
Η εκτίμηση αυτών των παραμέτρων στην γειτονική περιοχή των γεωτρήσεων γίνεται μέσω των δοκιμών άντλησης και στην συνέχεια προκύπτουν χάρτες με την κατανομή των παραμέτρων στους υδροφορείς με κατάλληλες μεθόδους ολοκλήρωσης των σημειακών μετρήσεων. Ανάλογα με τη φύση του τεστ και τα στοιχεία που συλλέγονται είναι δυνατόν να εκτιμηθούν και άλλες παράμετροι π.χ. συντελεστής διαρροής (leakage factor) λ, πληροφορίες για τις οριακές συνθήκες (boundary conditions) κ.λ.π.
Στα πλαίσια της ΕΤΥΜΠ διερευνήθηκαν τρείς διαφορετικές μέθοδοι (Theis, Cooper - Jacob και Chow) για την εκτίμηση των υδρογεωλογικών παραμέτρων και τελικά επελέγη η μέθοδος Theis για την επαναφορά και η μέθοδος Cooper - Jacob για την άντληση.

Εφαρμογή Υδρολογικών μοντέλων / Εκτίμηση υδατικών ισοζυγίων

Η γνώση της κατάστασης, του μεγέθους, της αποδοτικότητας και της χωροχρονικής διαθεσιμότητας των υδατικών πόρων συγκεντρώνει τεράστιο επιστημονικό ενδιαφέρον. Παράλληλα το ενδιαφέρον φυσικά επικεντρώνεται και στα τεχνικά υδραυλικά έργα αξιοποίησης των υδατικών πόρων και πιο συγκεκριμένα στον βέλτιστο και οικονομικό σχεδιασμό τους αλλά και τη βέλτιστη και αξιόπιστη λειτουργίας τους.
Η εκτίμηση των μελλοντικών υδρολογικών σεναρίων σε μια περιοχή απαιτεί τη γνώση του μηχανισμού γένεσης (generating mechanism) της μορφής του υδατικού πόρου που ερευνάται. Στην προκειμένη περίπτωση η έρευνα επικεντρώνει το ενδιαφέρον της κυρίως στις παροχές των ποταμών (με τα μέγιστα και τα ελάχιστα τους) και στις κατακρημνίσεις των λεκανών απορροής. Τα μοντέλα που προσομοιώνουν τον μηχανισμό γένεσης των υδατικών πόρων χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την κατασκευή υδρολογικών σεναρίων στις θέσεις αξιοποίησης της περιοχής ενδιαφέροντος, δηλαδή για την εκτίμηση των ανακατανομών - αλλαγών των υδατικών πόρων της περιοχής. Στα πλαίσια της ΕΤΥΜΠ αναπτύχθηκαν διάφορα υδρολογικά μοντέλα και εφαρμόσθηκαν σε λεκάνες απορροής της χώρας όπου υπήρχαν διαθέσιμα δεδομένα.