Ανάπτυξη δέσμης μαθηματικών μοντέλων για την ανάλυση, εκτίμηση και προσομοίωση των συνιστωσών διαχείρισης των υδατικών πόρων

Θα υλοποιηθεί μία δέσμη από μαθηματικά μοντέλα για την ανάλυση, εκτίμηση και προσομοίωση των διαφόρων συνιστωσών που σχετίζονται με την προσφορά, τη ζήτηση και εν γένει τη διαχείριση των υδατικών πόρων. Τα εν λόγω μοντέλα θα είναι υποστηρικτικά του μοντέλου προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διαχείρισης υδροσυστημάτων (βλ. ενότητα εργασίας 4), καθώς είτε θα το τροφοδοτούν με διάφορες κατηγορίες δεδομένων εισόδου (π.χ., υδατικές ανάγκες, συνθετικές χρονοσειρές εισροών) είτε θα χρησιμοποιούνται για περαιτέρω διερεύνηση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων (π.χ., οικονομική ανάλυση). Η συμβατότητα μεταξύ των επιμέρους εφαρμογών θα εξασφαλίζεται μέσω της βάσης δεδομένων, η οποία αποτελεί τον πυρήνα του όλου συστήματος.

Συγκεκριμένα, προβλέπονται έξι τέτοια μοντέλα, τα οποία θα βασίζονται είτε σε προσαρμογή ευρέως διαδεδομένων διεθνών βιβλιοθηκών είτε σε εξ αρχής ανάπτυξη πρωτότυπων μεθοδολογιών, ανάλογα με τις ιδιαίτερες απαιτήσεις του έργου.

1. Μοντέλο στοχαστικής προσομοίωσης υδρολογικών μεταβλητών

Πρόκειται για ένα μαθηματικό μοντέλο γέννησης συνθετικών υδρολογικών χρονοσειρών, οι οποίες θα αποτελούν είσοδο του μοντέλου διαχείρισης. Το μοντέλο θα υποστηρίζει ένα στοχαστικό σχήμα πολλών μεταβλητών και δύο χρονικών επιπέδων, ετήσιου και μηνιαίου. Η πολυμεταβλητή ανάλυση εξασφαλίζει την ταυτόχρονη προσομοίωση υδρολογικών διεργασιών, οι οποίες εμφανίζουν σημαντική στοχαστική εξάρτηση λόγω της προφανούς συγγένειας της ταυτόχρονης υδρολογικής δίαιτας σε γειτονικές θέσεις ή λεκάνες. Από την άλλη πλευρά, η ανάλυση δύο χρονικών επιπέδων επιτρέπει τη χρήση διαφορετικών μοντέλων στοχαστικής ανάλυσης των ετήσιων και μηνιαίων υδρολογικών διεργασιών, με στόχο την ακριβέστερη περιγραφή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους, που είναι η εμμονή και η περιοδικότητα αντίστοιχα. Το μοντέλο θα αναπαράγει όλα τα ουσιώδη στατιστικά χαρακτηριστικά των ιστορικών δειγμάτων (περιθώριες και από κοινού συναρτήσεις κατανομής) καθώς και το ιδιαίτερα κρίσιμο φαινόμενο της υδρολογικής εμμονής, το οποίο συνδέεται με τις παρατεταμένες ξηρασίες και την κλιματική μεταβλητότητα.

2. Μοντέλο προσομοίωσης υδρολογικών-υδρογεωλογικών διεργασιών λεκάνης απορροής

Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο υδρολογικό-υδρογεωλογικό μοντέλο υδατικού ισοζυγίου, το οποίο θα αναπαριστά το σύνολο των φυσικών διεργασιών μιας λεκάνης απορροής, με στόχο την εκτίμηση και πρόγνωση του διαθέσιμου υδατικού δυναμικού της, επιφανειακού και υπόγειου. Τα δεδομένα εισόδου (κατακρημνίσματα, θερμοκρασία) και εξόδου (εξατμοδιαπνοή, επιφανειακή και πηγαία απορροή, υπόγεια αποθήκευση) θα δίνονται σε κατανεμημένη μορφή, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα γεωγραφικής πληροφορίας. Οι μεθοδολογίες προσομοίωσης που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι κατάλληλες τόσο για κοκκώδεις όσο και για καρστικούς υδροφορείς, οι οποίοι αναπτύσσονται σε μεγάλες εκτάσεις στον ελληνικό χώρο και των οποίων η αντιμετώπιση- μοντελοποίηση είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Θα ενσωματωθούν ακόμη τεχνικές προσομοίωσης των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού για τις υφάλμυρες ζώνες, αλλά και τις περιοχές που δέχονται έντονες πιέσεις από ρυπαντικά φορτία. Για το λόγο αυτό, η χωροχρονική κλίμακα του μοντέλου θα προσαρμόζεται ανάλογα με τις απαιτήσεις της ανάλυσης. Επιπλέον, για τη βαθμονόμηση των παραμέτρων του μοντέλου, θα χρησιμοποιηθούν εξελικτικοί αλγόριθμοι μη γραμμικής βελτιστοποίησης, κατάλληλοι για την επίλυση του λεγόμενου "αντίστροφου προβλήματος", με ικανοποιητική ακρίβεια και ταχύτητα, και με δυνατότητα χρήσης πολλαπλών μέτρων καλής προσαρμογής.

3. Μοντέλο εκτίμησης υδατικών αναγκών

Πρόκειται για ένα μοντέλο εκτίμησης των υδατικών αναγκών για άρδευση, ύδρευση, βιομηχανική και κτηνοτροφική χρήση. Ειδικότερα, οι αρδευτικές ανάγκες θα εκτιμώνται ανά είδος καλλιέργειας, λαμβάνοντας ως είσοδο τις αρδευόμενες εκτάσεις και κατάλληλες μετεωρολογικές παραμέτρους. Οι υδρευτικές ανάγκες, οι οποίες θα επιμερίζονται για διάφορες κατηγορίες χρήσεων, θα εκτιμώνται συναρτήσει μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης της εξέλιξης του πληθυσμού και άλλων καταναλωτών. Τέλος, οι βιομηχανικές και λοιπές ανάγκες θα εκτιμώνται βάσει παραμέτρων, των οποίων θα διατίθενται τυπικές τιμές της βιβλιογραφίας.

4. Μοντέλο οικονομικής ανάλυσης σεναρίων διαχείρισης υδροσυστημάτων

Πρόκειται για ένα οικονομικό μοντέλο, το οποίο θα εκτιμά τα οφέλη και κόστη που προκύπτουν για συγκεκριμένο σενάριο διαχείρισης του υπό μελέτη υδροσυστήματος. Στο μοντέλο θα ενσωματώνονται τόσο τα πάγια (π.χ., κόστη επένδυσης) όσο και τα μεταβλητά οικονομικά στοιχεία της διαχείρισης ενός συστήματος υδατικών πόρων, καθώς και μη οικονομικά στοιχεία, όπως το περιβαλλοντικό και κοινωνικό κόστος.

5. Μοντέλο εκτίμησης ρυπαντικών φορτίων

Πρόκειται για ένα μοντέλο εκτίμησης των ρυπαντικών φορτίων από σημειακές αστικές και βιομηχανικές πηγές, το οποίο θα λαμβάνει υπόψη καθοριστικές παραμέτρους, όπως τον πληθυσμό, τον κλάδο και το μέγεθος της βιομηχανίας, ενδεχόμενες εγκαταστάσεις προεπεξεργασίας, κλπ., και θα βασίζεται στην υιοθέτηση καταλλήλων συντελεστών εκπομπής. Ένα δεύτερο μοντέλο για την εκτίμηση ρυπαντικών φορτίων από μη σημειακές πηγές θα αναπτυχθεί με βάση κατάλληλους συντελεστές εκπομπής που θα λαμβάνουν υπόψη, μεταξύ άλλων, τις γεωμορφολογικές συνθήκες, τις χρήσεις γης, τις αγροτικές δραστηριότητες και τα υδρολογική δίαιτα.

6. Μοντέλο δίαιτας ρύπων

Πρόκειται για μοντέλα μελέτης της δίαιτας κρίσιμων ρύπων σε υδατορεύματα και λίμνες. Τα αποτελέσματα της μαθηματικής προσομοίωσης θα δίνουν την δυνατότητα για εκτιμήσεις τόσο των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υδάτων που καλύπτουν τις ανάγκες διαφόρων χρήσεων, όσο και της ποιοτικής κατάστασης του επιφανειακού υδάτινου σώματος, βάσει της οποίας θα μπορούν να αποφασίζονται οι απαιτούμενες ρυθμίσεις (π.χ., ελάχιστη διατηρητέα παροχή, ελάχιστη στάθμη), με κριτήριο την επιθυμητή κατηγοριοποίηση του υδάτινου σώματος (ενότητα εργασίας 6).

ΝΑΜΑ Σύμβουλοι Μηχανικοί και Μελετητές Α.Ε.

ΕΜΠ - Τομέας Υδατικών Πόρων Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων

Δηµοτική Επιχείρηση Ύδρευσης και Αποχέτευσης Καρδίτσας

Αειφορική ∆ωδεκανήσου Α.Ε.

Marathon Data Systems (MDS)