Προσομοίωση Πλημμύρας Σε Φυσικό Ανάγλυφο Για Την Εκτίμηση Του Πλημμυρικού Κινδύνου

Abstract

Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε το αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης πλημμυρικής ροής FLOW-R2D, το οποίο επιλύει τις δισδιάστατες Εξισώσεις Αβαθών Υδάτων με την αριθμητική μέθοδο των Πεπερασμένων Διαφορών και τροποποίηση του αριθμητικού σχήματος McCormack. Κύριος στόχος της διατριβής ήταν η παρουσίαση μίας ολοκληρωμένης και πρωτότυπης μεθοδολογίας για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου, καθώς και μία ενδελεχής επισκόπηση όλων των θεμάτων που αφορούν στη δισδιάστατη προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκαν εννιά πρότυποι έλεγχοι με στόχο τη διερεύνηση της επιστημονικής αρτιότητας του μοντέλου. Έγινε προσπάθεια να καλυφθεί ένα ευρύ φάσμα ελέγχων που να περιλαμβάνει τη σύγκριση των δεδομένων που προέκυψαν με την αριθμητική επίλυση, με αντίστοιχα δεδομένα από αναλυτικές λύσεις, από πειράματα, καθώς και από πραγματικές μετρήσεις. Το πρόγραμμα των ελέγχων ολοκληρώθηκε με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Διερευνήθηκε επίσης σειρά θεμάτων που αφορούν στην προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες. Η πλημμύρα σε αστικό περιβάλλον είναι ένα από τα πιο κρίσιμα θέματα και κυρίως αφορά στον τρόπο αναπαράστασης της επίδρασης των κτιρίων στην πλημμυρική ροή. Οι διάφοροι υφιστάμενοι τρόποι που υπάρχουν στη σχετική βιβλιογραφία ιεραρχήθηκαν με βάση την απόδοσή τους, συγκρίνοντας αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα, καθώς και με βάση τον υπολογιστικό χρόνο που απαιτήθηκε. Η βαθμονόμηση των διάφορων παραμέτρων που υπεισέρχονται στο αριθμητικό μοντέλο αποτελεί επίσης ένα κρίσιμο θέμα, καθώς δεν είναι δυνατόν να εφαρμοστούν κλασικές ή υβριδικές μέθοδοι βελτιστοποίησης, λόγω των μεγάλων υπολογιστικών απαιτήσεων κάθε προσομοίωσης. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής παρουσιάστηκαν τρόποι αντιμετώπισης τέτοιων δυσχερειών. Επίσης σημαντικό θέμα είναι η εισαγωγή αβεβαιότητας στην αριθμητική επίλυση από τις διάφορες παραμέτρους που απαιτούνται για την αριθμητική επίλυση, καθώς και η εξέλιξη αυτής ως προς το χρόνο. Έγινε προσπάθεια καταγραφής όλων αυτών των παραμέτρων, καθώς και διερεύνηση των πιο σημαντικών από αυτές, στην εισαγωγή αβεβαιότητας. Αναπτύχθηκε επίσης, πρωτότυπη σχέση προσδιορισμού του συντελεστή τραχύτητας για ροή με ελεύθερη επιφάνεια, η οποία ισχύει σε όλες τις περιοχές ροής (στρωτή ροή, τυρβώδης ροή και μεταβατικές περιοχές) και η οποία έχει φυσική βάση. Η σχέση αυτή είναι, κατάλληλη για τις περιπτώσεις, όπου είναι γνωστό το ύψος τραχύτητας. Παράλληλα, προτείνεται μοντέλο προσομοίωσης των τριβών πυθμένα με τρεις παραμέτρους, οι οποίες εκτιμώνται για μία σειρά υλικών. Τέλος, πραγματοποιείται εφαρμογή του μοντέλου σε πραγματικές συνθήκες για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου. Η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής αφορά στη δισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση της πλημμυρικής ροής σε πραγματικές συνθήκες και στην αντιμετώπιση των διάφορων ειδικών θεμάτων που προκύπτουν από την πολυπλοκότητα του φυσικού κόσμου. Η έλλειψη πραγματικών μετρήσεων είναι ένας αποθαρρυντικός παράγοντας για την ορθολογική βαθμονόμηση ή εκτίμηση των απαιτούμενων παραμέτρων στο αριθμητικό μοντέλο. Η μία προσέγγιση για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος είναι η πίεση σε διάφορους θεσμούς ή ακόμα και η πρωτοβουλία για τη δημιουργία βιβλιοθήκης δεδομένων πραγματικών μετρήσεων. Η άλλη προσέγγιση είναι η ανάπτυξη ορθολογικότερων μοντέλων που έχουν στοιχειώδη φυσική βάση για την προσομοίωση μίας σειράς φυσικών φαινομένων και οι παράμετροι των οποίων υπόκεινται σε φυσικούς περιορισμούς. Οι δύο αυτοί δρόμοι προσέγγισης δεν πρέπει να θεωρηθούν σε καμία περίπτωση αντιπαραθετικοί μεταξύ τους, αλλά αντιθέτως, θα πρέπει να τροφοδοτεί ο ένας τον άλλον.