Ανάπτυξη μοντέλου λειτουργικής προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διαχείρισης υδατικών συστημάτων

Στόχος της ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός ανταγωνιστικού, ευέλικτου, ευρείας εφαρμογής μοντέλου λειτουργικής προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διαχείρισης υδατικών συστημάτων σε διάφορες κλίμακες. Το μοντέλο θα είναι σε θέση να δώσει απαντήσεις σε πλήθος ερωτημάτων σχετικών με τη διαχείριση των υδατικών πόρων, όπως:

• Ποια είναι η μακροπρόθεσμη απόδοση ενός υδροσυστήματος για δεδομένο επίπεδο αξιοπιστίας;
• Με ποια ελάχιστη πιθανότητα αστοχίας μπορούν να επιτευχθούν οι στόχοι και περιορισμοί (ποσοτικοί, ποιοτικοί, ενεργειακοί, οικονομικοί, περιβαλλοντικοί) στη χρήση νερού που προβλέπει ένα διαχειριστικό σενάριο και με ποια μέτρα και τρόπους διαχείρισης;
• Ποιο είναι το ελάχιστο κόστος λειτουργίας του συστήματος με το οποίο εξασφαλίζεται η επίτευξη των στόχων με δεδομένο επίπεδο αξιοπιστίας; Με ποια μέτρα και τρόπους διαχείρισης επιτυγχάνεται αυτός ο στόχος;
• Ποιες είναι οι επιπτώσεις υδροκλιματικών αλλαγών στο υδροσύστημα, κυρίως όσον αφορά τους στόχους χρήσης νερού που έχουν τεθεί καθώς και την οικονομική συνιστώσα;
• Ποιες θα είναι οι επιπτώσεις από την εφαρμογή μιας συγκεκριμένης διαχειριστικής πολιτικής στην ποιότητα νερού των φυσικών αποδεκτών και στα οικοσυστήματα;
• Ποιες θα είναι οι επιπτώσεις αλλαγών (π.χ., κατασκευή νέων έργων) ή έκτακτων περιστατικών (π.χ., βλάβες) στο υφιστάμενο δίκτυο διανομής υδατικών πόρων.

Το σύστημα που θα αναπτυχθεί θα χρησιμοποιεί τεχνολογία αιχμής για να εντοπίζει τη βέλτιστη πολιτική διαχείρισης υδροσυστημάτων, αναπαριστώντας με ακρίβεια τις φυσικές διεργασίες, χωρίς να χρειάζεται να καταφύγει σε υπερβολικές απλουστεύσεις του φυσικού συστήματος. Το μαθηματικό μοντέλο, το οποίο θα είναι εφαρμόσιμο σε υδροσυστήματα οποιασδήποτε τοπολογίας και πολυπλοκότητας, θα προσομοιώνει τη λειτουργία ενός μεγάλου φάσματος υδραυλικών έργων συλλογής, αξιοποίησης, μεταφοράς και επεξεργασίας του νερού, όπως ταμιευτήρων, λιμνοδεξαμενών, γεωτρήσεων, υδραγωγείων (ανοιχτών και κλειστών), αρδευτικών καναλιών, αντλιοστασίων, μονάδων παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας, μεριστών, θυροφραγμάτων, μονάδων επεξεργασίας νερού, κλπ. Η διαδικασία σχηματοποίησης του υδροσυστήματος θα γίνεται μέσω γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών, ενώ τα χαρακτηριστικά μεγέθη των έργων θα ανακτώνται από τη βάση δεδομένων.

Στο μοντέλο θα λαμβάνονται υπόψη επιφανειακοί και υπόγειοι υδατικοί πόροι, καθώς και άλλες πηγές υδροδότησης, όπως μονάδες αφαλάτωσης, επαναχρησιμοποίηση λυμάτων για συγκεκριμένες χρήσεις, κλπ.

Το μοντέλο θα υποστηρίζει ένα ευρύ πλήθος στόχων και περιορισμών σε σχέση με τη χρήση του νερού, όπως:

• ζήτηση νερού για ύδρευση, άρδευση ή άλλες χρήσεις
• διατήρηση των αποθεμάτων ταμιευτήρων ή υδροφορέων πάνω ή κάτω από κάποιο όριο
• ρύθμιση της παροχής ή επιβολή ορίων παροχής σε υδατορεύματα ή υδραγωγεία
• διατήρηση της ποιοτικής κατάστασης των υδροφορέων, των υδάτινων αποδεκτών και των οικοσυστημάτων, εκφρασμένης με όρους συγκέντρωσης συγκεκριμένων δεικτών
• παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας αιχμής.

Η πολιτική διαχείρισης του υδροσυστήματος θα εκφράζεται με τη μορφή κανόνων λειτουργίας, οι οποίοι είτε θα είναι προκαθορισμένοι ή θα αναζητώνται από το ίδιο το μοντέλο, μέσω υπολογιστικών διαδικασιών αυτόματης αναζήτησης. Για το λόγο αυτό, οι κανόνες λειτουργίας θα έχουν κατάλληλη μαθηματική δομή, ώστε να είναι εφικτή η βελτιστοποίησή τους. Ως κριτήρια βελτιστοποίησης θα μπορούν να τεθούν παράγοντες όπως η αξιοπιστία του συστήματος, η ασφαλής απόληψη, η οικονομικότητα της διαχείρισης (π.χ., λόγος οφέλους-κόστους), η ποιότητα των υδάτινων σωμάτων, η παραγωγή ενέργειας, κλπ. Η βελτιστοποίηση θα μπορεί να λάβει υπόψη της περισσότερα από ένα κριτήρια, με εφαρμογή εξελιγμένων τεχνικών πολυκριτηριακής ανάλυσης.

Η αποτίμηση μια συγκεκριμένης πολιτικής διαχείρισης θα γίνεται μέσω στοχαστικής προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας δηλαδή συνθετικές χρονοσειρές εισόδου. Κατά την προσομοίωση, θα λαμβάνονται υπόψη οι φυσικοί και λειτουργικοί περιορισμοί του υδροσυστήματος, καθώς και οι κανόνες λειτουργίας του. Σε κάθε χρονικό βήμα, το μοντέλο θα υπολογίζει και θα εφαρμόζει τον προσφορότερο τρόπο εξυπηρέτησης των στόχων, τηρώντας προκαθορισμένη σειρά προτεραιότητας και επιλέγοντας τόσο τη αποδοτικότερη κατανομή των απολήψεων από τους διαθέσιμους υδατικούς πόρους όσο και την βέλτιστη διαδρομή του νερού σε περίπτωση εναλλακτικών δυνατοτήτων. Η διάρκεια του βήματος προσομοίωσης θα μπορεί να προσαρμοστεί στο εκάστοτε υδατικό σύστημα και στο είδος του διαχειριστικού προβλήματος που πρόκειται να αντιμετωπιστεί.

Αντικατοπτρίζοντας με ρεαλιστικό τρόπο τη στοχαστική φύση βασικών συνιστωσών της διαχείρισης των υδατικών πόρων (π.χ., υδρολογικές εισροές), τα αποτελέσματα των αναλύσεων θα δίνονται με πιθανοτικούς όρους. Στα αποτελέσματα θα συμπεριλαμβάνονται τουλάχιστον τα εξής:

• οι βέλτιστοι κανόνες διαχείρισης του συστήματος
• αναλυτικά υδατικά, οικονομικά και ενεργειακά ισοζύγια
• διαχρονικές πιθανότητες αστοχίας των λειτουργικών στόχων και περιορισμών
• στατιστική πρόγνωση της εξέλιξης των διαφόρων υδρολογικών και διαχειριστικών μεγεθών, όπως αποθεμάτων ταμιευτήρων, στάθμης υδροφορέων, παροχής υδραγωγείων, ενεργειακής κατανάλωσης και υδροηλεκτρικής παραγωγής.

Το μοντέλο λειτουργικής προσομοίωσης και βελτιστοποίησης υδροσυστημάτων θα πλαισιώνεται από μια δέσμη εξειδικευμένων μαθηματικών μοντέλων για την ανάλυση, εκτίμηση και προσομοίωση διαφόρων συνιστωσών διαχείρισης των υδατικών πόρων, τα οποία περιγράφονται στην ενότητα εργασίας 3. Ειδικότερα, όσον αφορά τα μοντέλα υψηλών υπολογιστικών απαιτήσεων, όπως το υδρολογικό-υδρογεωλογικό μοντέλο, αυτά θα αναπτυχθούν και σε απλουστευμένη μορφή, ώστε να είναι εφικτή η σύζευξή τους με το μοντέλο λειτουργικής προσομοίωσης.

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)