ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΥΔΡΑΥΛΙΚΩΝ & ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΕΡΓΩΝ ΜΑΘΗΜΑ: ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3 ΚΕΜΕΡΙΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ Α.Μ

2 Εργασία 3: Πολυκριτηριακή ανάλυση ταμιευτήρα Πλαστήρα Ο υδροηλεκτρικός ταμιευτήρας Πλαστήρα είναι ένα έργο πολλαπλού σκοπού, καθώς εκτός από την παραγωγή ενέργειας, καλύπτει τις υδρευτικές ανάγκες ενός μεγάλου τμήματος του Νομού Καρδίτσας καθώς και μέρος των αρδευτικών αναγκών. Τα τελευταία χρόνια, το τοπίο της λίμνης αποτελεί σημαντικό πόλο έλξης τουριστών, συμβάλλοντας καθοριστικά στην οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Ωστόσο, λόγω της εντατικής χρήσης των υδατικών πόρων της λίμνης, παρατηρούνται προβλήματα ευτροφισμού που επιδρούν αρνητικά και στην ποιότητα του υδρευτικού νερού, όταν η στάθμη διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Ακόμη, η ταπείνωση της στάθμης οδηγεί σε υποβάθμιση της αισθητικής του τοπίου, καθώς αποκαλύπτεται μια περιοχή γυμνή από βλάστηση, που καταλαμβάνει μεγάλο τμήμα της παρόχθιας ζώνης. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος μελετάται η αλλαγή της διαχειριστικής πολιτικής, που ως τώρα δίνει έμφαση στη μεγιστοποίηση των απολήψεων, με συνέπεια την εμφάνιση έντονων διακυμάνσεων της στάθμης. Προκειμένου να περιοριστούν οι εν λόγω διακυμάνσεις και να προστατευτούν η ποιότητα τόσο του νερού της λίμνης όσο και του περιβάλλοντος τοπίου, αποφασίζεται η θεσμοθέτηση μιας σταθερής ετήσιας εκροής νερού για αρδευτικές χρήσεις και μιας ελάχιστης επιτρεπόμενης στάθμης αρδευτικών απολήψεων, υψηλότερης της στάθμης υδροληψίας. Η ετήσια υδρευτική κατανάλωση θεωρείται δεδομένη και ίση με 15 hm 3, ενώ η ετήσια αρδευτική ζήτηση αποτελεί μεταβλητή ελέγχου του προβλήματος. Οι δύο χρήσεις νερού ακολουθούν τη μηνιαία κατανομή του Πίνακα Καταστρώστε το μοντέλο προσομοίωσης της μηνιαίας λειτουργίας του ταμιευτήρα, που για δεδομένη ετήσια αρδευτική ζήτηση και δεδομένη ελάχιστη επιτρεπόμενη στάθμη αρδευτικών απολήψεων θα εκτιμά την ετήσια πιθανότητα αστοχίας για τις δύο χρήσεις νερού. 2. Θεωρώντας αποδεκτό επίπεδο αξιοπιστίας 95% για την ύδρευση και 80% για την άρδευση, εκτιμήστε την ασφαλή ετήσια απόληψη για άρδευση, με την υπόθεση ότι είναι δυνατή η εκμετάλλευση όλου του ρυθμιστικού όγκου του ταμιευτήρα (δηλαδή, χωρίς τη θέσπιση περιορισμού ελάχιστης στάθμης αρδευτικών απολήψεων). 3. Επαναλάβετε τους υπολογισμούς του ερωτήματος 2, εξετάζοντας εναλλακτικές τιμές ελάχιστης στάθμης αρδευτικών απολήψεων, και παραστήστε γραφικά τη σχέση μεταβολής της ασφαλούς αρδευτικής απόληψης συναρτήσει του περιορισμού ελάχιστης στάθμης. Τι εκφράζει το εν λόγω γράφημα; 2

3 4. Με βάση τις αναφορές που παρατίθενται στο τέλος και αφορούν σε συναφές ερευνητικό έργο που εκπονήθηκε στο ΕΜΠ, περιγράψτε συνοπτικά και σχολιάστε τη διαδικασία επιλογής της πλέον πρόσφορης διαχειριστικής πολιτικής, στην οποία ελήφθησαν ακόμα υπόψη η ποιότητα νερού και η αισθητική του τοπίου. 5. Στις προηγούμενες αναλύσεις δεν έχει ληφθεί καθόλου υπόψη η ενεργειακή συνιστώσα του έργου και αφορά στο κριτήριο μεγιστοποίησης της οικονομικής αξίας της παραγόμενης ενέργειας. Περιγράψτε ποιοτικά τις αλλαγές που εισάγει η εν λόγω συνιστώσα στο πρόβλημα πολυκριτηριακής λήψης αποφάσεων. 6. Ομοίως, περιγράψτε τις αλλαγές που προκύπτουν από τη θέσπιση ενός υποθετικού στόχου οικολογικής ροής κατάντη του φράγματος. Εφαρμόζοντας απλές υδρολογικές μεθόδους, εκτιμήστε τον εν λόγω στόχο, με βάση τη χρονοσειρά μηνιαίων παροχών. Δίνεται ότι η κατώτατη στάθμη υδροληψίας του ταμιευτήρα είναι στα m, ενώ η στάθμη υπερχείλισης στα m. Η σχέση στάθμης-αποθέματος προσεγγίζεται από την εξίσωση S = (Ζ 770) 1.211, όπου S το μικτό απόθεμα του ταμιευτήρα σε hm 3 και Ζ η απόλυτη στάθμη σε m. Η παροχετευτικότητα του αγωγού υδροληψίας είναι 55 hm 3 /μήνα. Στις αναλύσεις χρησιμοποιείστε τα μηνιαία ιστορικά δείγματα υδρολογικών εισροών που δίνονται σε αρχείο Excel. Πίνακας 1: Μηνιαία κατανομή ετήσιας υδρευτικής και αρδευτικής ζήτησης. Μήνας Ύδρευση (%) Άρδευση (%) Οκτώβριος 6.4 Νοέμβριος 6.4 Δεκέμβριος 6.4 Ιανουάριος 6.4 Φεβρουάριος 6.4 Μάρτιος 6.4 Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος

4 Ερώτημα 1 Σε αυτό το ερώτημα μας ζητηθηκε να γίνει η κατασκευή του μοντέλου λειτουργίας του ταμιευτήρα του Πλαστήρα. Για την κατασκευή του μοντέλου λειτουργίας θεώρησαμε: α. Το αρχικό απόθεμα μέσα στον ταμιευτήρα κατά τον μήνα Σεπτέμβριο του 1961 ήταν 290 hm 3 hm 3 ανά έτος β. Η ζήτηση νερού για αρδευτική χρήση είναι σταθερή και ίση με 150 γ. Λόγω της ανάγκης της κάλης αισθητικής του τοπίου θέσαμε σαν ελάχιστη στάθμη για τις αρδευτικές απολήψεις τα 782 m. Αυτή η κατώτατη στάθμη απόληψης μας οδηγεί στο ένα ωφέλιμο όγκο για αρδευτική χρήση ίσο με 187,88 hm 3. Τα απότελέσματα της μηνιαίας και της ετήσιας αξιοπιστίας για ύδρευση και για άρδευση πάρουσιαζονται στον πίνακα 2. ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΥΔΡΕΥΣΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΑΡΔΕΥΣΗΣ ΜΗΝΙΑΙΑ 100% 95% ΕΤΗΣΙΑ 100% 73% Πίνακας 2: Τα ετήσια και μηνιαία επίπεδα αξιοπιστίας για αρδευτική ζήτηση 150 hm 3 και στάθμη απόληψης 782 m Ερώτημα 2 Σε αυτό το ερωτήμα θέωρήσαμε σαν ελάχιστη στάθμη απόληψης τα 776 μετρα που είναι η κατωτατη στάθμη λειτουργιας. Με αυτη την πάραδοχη όλος ο ωφέλιμος όγκος του ταμίευτηρα είναι δυνατον να χρησιμόποιηθει για άρδευση. Θέτωντας επίσης σαν κατώτερο όριο για την αξιοπίστια στην ύδρευση το 95% και για την αρδευση το 80% με το εργάλειο solver του excel 4

5 έγινε ο προσδιορίσμος της ασφαλους απόλήψης για αρδευτική χρήση. Η οποία υπολογίστηκε 135,59 hm 3. Τα απότελέσματα για την ετήσια ατοχία πάρουσιαζονται στον πίνακα 3. ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΥΔΡΕΥΣΗ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΑΡΔΕΥΣΗΣ ΜΗΝΑΣ 100% 99% ΕΤΗΣΙΑ 96% 96% Πίνακας 3: Τα ποσοστά αξιοπιστίας για την ετήσια ασφαλή αρδευτική απόληψη 135,59 hm 3 Πρέπει να τονίσουμε οτι λόγο του γεγότος οτι ο ωφέλιμος όγκος για την υδρευση και την άρδευση είναι κοινός και λογω οτι οι δύο χρήσεις είναι ανταγωνίστηκες μέταξυ τους σε συνδοίασμο με το γεγονός οτι η αρδεύτικη ζήτηση είναι 10 φόρες περίπου μεγαλύτερη από την υδρευτίκη πάρατηρουμε οτι η ασφάλης αρδευτική απόληψη πέριοριζεται από το αξιοπιστία της υδρεύσης και όχι από την αξιπιστια της άρδευσης. Ερώτημα 3. Με επάναληψη της διαδικάσιας που ακόλουθηθηκε στο ερώτημα 2 άλλαζοντας κάθε φορά την ελάχιστη στάθμη απόληψης για τις αρδευτικές ανάγκες κάταλήξαμε στον πίνακα 4. Ο οπόιος πάρουσιαζει για κάθε πίθανη στάθμη ελάχιστη στάθμη αρδευτικής απόληψης ποιά είναι η ασφαλής απόληψη που μπορούμε να πάρουμε. ΕΣΑΑ ΑΣΦΑΛΗΣ ΑΠΟΛΗΨΗ

6 Πίνακας 4: Οι ελάχιστες στάθμες αρδευτικής απόληψης και οι αντίστοιχες ασφαλείς απόληψεις. Εάν σχεδιάσουμε τις τιμές του παραπάνω πίνακα σε μια γραφική παράσταση τότε έχουμε το μέτωπο paretto για δεδομένη αξιοπιστία του συστήματος μας. Η καμπύλη αυτηή απείκονιζει ενά σύνολο βέλτιστων λύσεων και μπόρει να χρησιμοπιήθει σαν εργαλείο για την υπόστηριξη λήψης άλλων απόφασεων σχέτικα με την αξιοποίηση της λίμνης. Λόγου χάρη εάν αποφασίσουμε να κρατήσουμε ψηλά της στάθμη της λίμνης στα 789 μ για να προωθήσουμε τον τουρισμό τότε βλέπουμε ότι μπορούμε να τραβήξουμε από την λίμνη μόνο 69,84 hm 3. Η καμπύλη αυτή πάρουσιαζεται στο σχήμα 1 6

7 Ασφαλής αρδευτική απόληψη (hm3) Μέτωπο Paretto Series Ελάχιστο ύψος αρδευτικής απόληψης (m) Σχήμα 1: Μέτωπο paretto της ασφαλούς αρδευτικής απόληψης σε σχέση με την ελάχιστη στάθμη αρδευτικής απόληψης για αξιοπιστία ύδρευσης 95% και αξιοπιστία άρδευσης 80% Ερώτημα 4. Ο ταμιευτήρας Πλαστήρα ως γνωστό είναι ένα έργο πολυστοχικό, δεδομένου ότι εξυπηρετεί πολλαπλές χρήσεις νερού όπως ύδρευση, άρδευση, παραγωγή ενέργειας και αναψυχή. Η διαχείριση του ταμιευτήρα, πέρα από την εξυπηρέτηση των παραπάνω χρήσεων, οφείλει να εξασφαλίζει ακόμη προστασία τόσο του τοπίου όσο και την ποιότητας του υδάτινου περιβάλλοντος. Στη διερεύνηση που έγινε στα πλαίσια της πολυκριτηριακής άναλυσης εξετάστηκαν τρεις συνιστώσες της λειτουργίας του ταμιευτήρα και συγκεκριμένα οι δυνατότητες ασφαλούς απόληψης, η ποιότητα του νερου και η αισθητική του τοπίου, συναρτήσειτης ελάχιστης επιτρεπόμενης στάθμης του. Στόχος της πολυκριτηριακής ανάλυσης είναι η επιλογή του κατάλληλου ορίου ελάχιστης στάθμης για κάθε μία από τις ακόλουθες παραδοχές: 7

8 α) τα τρία κριτήρια, δηλαδή η ασφαλής απόληψη, η ποιότητα του νερού και η αισθητική του τοπίου, θεωρούνται ισοδύναμα υπόλοιπα β) ένα από τα τρία κριτήρια υπερτερεί σημαντικά σε σχέση με τα υπόλοιπα γ) ένα από τα τρία κριτήρια υπερτερεί συντριπτικά σε σχέση με τα Βασικές μεταβλητές του προβλήματος ορίστηκαν η ασφαλής απόληψη, η ποιότητα του νερού και η αισθητική του τοπίου. Για τη μαθηματική έκφραση των παραπάνω, ορίστηκαν δείκτες μεταξύ 0-1, δηλαδή μια κλίμακα μεταξύ του πλέον ανεπιθύμητου και επιθυμητού, αντίστοιχα, αποτελέσματος. Για ελάχιστη στάθμη μεταξύ της κατώτερης Σ.Υ. (776 m) και των 790 m, τα αποτελέσματα της ανάλυσης παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Σχήμα 2: είκτες απόληψης, ποιότητας και αισθητικής συναρτήσει ελάχιστης στάθμης (πηγή: ιερεύνηση των δυνατοτήτων διαχείρισης και προστασίας της ποιότητας της Λίμνης Πλαστήρα, ΕΜΠ 2002) Η συναρτηση χρησιμότητας που χρησιμόποιηθηκε για την πόλυκριτηριακη ανάλυση εκφραστηκε σαν το αθροιμα με βάρη των τριων 8

9 πάραπανω δείκτων. Με κάταλληλη επίλογη βαρων έγινε η ανάλυση και για τα τρια σέναρια και τα απότελεσματα που προέκυψαν σύνοπτικα είναι: α. Για το σεναριο με τον κοινο συντελεστη βάρους η ελάχιστη στάθμη ορίζεται στα 785 μ β. Εαν δοθει μέγαλυτερη βαρυτητα στη απόληψη τότε η στάθμη μειώνεται στα 782 μ γ. Εαν δόθει μέγαυτερη βάρυτητα στο τοπίο και στην ποιότητα των υδάτων η στάθμη ορίζεται στα 787μ και 788μ δ. Η στάθμη 786 μ τελίκα θεωρείται η βέλτιστη. Ερώτημα 5 Για να πετύχουμε την μέγιστη πάραγωγη ηλέκτρικης ενέργειας ως γνωστό είναι απάραιτητο ο ταμιεύτηρας να είναι γεμάτος. Το γεγονός αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις απόληψεις για υδρεύση και για άρδευση αφού απαιτούν συνέχη απόληψη από τον ταμιεύτηρα οπότε και συνέχη πτώση στην στάθμη του νερού. Συνεπώς εαν λάβουμε υπ οψιν και την ενεργειακή συνιστώσα στο έργο τότε είτε θα εχούμε μειωσει στην αξιοπιστία για να μπορέσουμε να κα λυψουμε το ενέργειακο σκέλος είτε εαν θέλουμε να κρατήσουμε σταθέρη αξιοπιστια θα πρέπει να μειώσουμε τους όγκους ασφαλούς απόληψης. Η μεταβολή αυτή θα μετατοπίσει το προηγούμενο μέτωπο paretto προς τα κάτω. Ερωτημα 6. Εαν θεσπίσουμε οικολογική πάροχη αυτό που στην ουσία κάνουμε είναι προσθέτουμε μια ακόμα χρήση που αντάγωνιζεται τις άλλες δύο (για υδρεύση και για αρδευση). Συνεπώς αυτο που πέριμενουμε να συμβει είναι ότι και στο προηγουμενο έρωτημα. Δηλάδη είτε περιμένουμε για σταθέρη 9

10 ασφαλή απόληψη να μείωθει η αξιόπιστια του συστήματος είτε εαν θέωρησουμε σταθέρη αξιοπιστία θα πάρατηρησουμε σημαντική μείωση στον όγκο της ασφαλόυς απόληψης. Στο συγκέκριμενο ερώτημα ο ύπόλογισμος της οικόλογικης πάροχης έγινε με την μέθοδο του Tennant η οποία υπόθετη οικόλογικες πάροχες πόσοστα της ετήσιας είσροης. Ετσί υπόλογιστηκαν δυο οικόλογικες πάροχες μια για την ξηρή πέριοδο και μία για την υγρή. Ο υπόλογισμος για την ασφάλη απόληψη έγινε όπως και στο ερώτημα 3 και τα απότελεσματα πάρουσιαζονται στον πίνακα 5. ΕΣΑΑ ΑΣΦΑΛΗΣ ΑΠΟΛΗΨΗ

11 Ασφαλής αρδευτική απόληψη (hm3) Πίνακας 5: Οι ελάχιστες στάθμες αρδευτικής απόληψης και οι αντίστοιχες ασφαλείς απόληψεις με την θέσπιση της οικολογικής πάροχης 3. Το νέο μέτωπο paretto σε σχέση με το παλιό παρουσιάζεται στο σχήμα Μέτωπο Paretto με οικ. παροχή χωρίς οικ.παροχή Ελάχιστο ύψος αρδευτικής απόληψης (m) Σχήμα 3: Το νέο μέτωπο paretto μετά την θέσπιση της οικολογικής παροχής. 11