Βελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
Γενικές έννοιες Σύστημα (system) (1) Σύνολο συνδεδεμένων τμημάτων που αποτελούν μια ολότητα (Chow et al., 1988, σ. 5). (2) Μια φυσική (ή και μαθηματική) οντότητα που μετασχηματίζει μια ή περισσότερες εισόδους σε μια ή περισσότερες εξόδους (συμφωνεί με τη χρήση που γίνεται π.χ. από τους Dingman, 1994, σ. 382, O Donnell, 1986). (3) Ένα σύνολο ανεξάρτητων μεταξύ τους στοιχείων που αλληλεπιδρούν, το οποίο χαρακτηρίζεται από (α) ένα σύνορο που καθορίζει αν ένα στοιχείο ανήκει στο σύστημα ή το περιβάλλον, (β) αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον (είσοδοι έξοδοι), και (γ) σχέσεις μεταξύ των στοιχείων του και των εισόδων και εξόδων (Mays and Tung, 1992, σ. 8). Συστημική προσέγγιση (systems approach) Μια μεθοδολογική αντιμετώπιση πολύπλοκων δομών ή φαινομένων χωρίς λεπτομερειακή θεώρηση των σχέσεων ή φυσικών διεργασιών που τα διέπουν (Dingman, 1994, σ. 382). Ανάλυση συστημάτων (systems analysis) (1) Μελέτη που αποσκοπεί στην αναγνώριση του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα στοιχεία του συστήματος μεταξύ τους και με το περιβάλλον (Grigg, 1996, σ. 115) (2) Αναλυτική μελέτη που εξυπηρετεί την αναγνώριση και επιλογή μιας προτιμητέας δράσης μεταξύ πολλών εφικτών εναλλακτικών δράσεων (Biswas, 1976, σ. 6). (3) Η επιστημονική περιοχή με αντικείμενο τη λήψη βέλτιστων αποφάσεων όρος πρακτικώς συνώνυμος με τους τεχνολογία συστημάτων (systems engineering), επιχειρησιακή έρευνα (operations research) και επιστήμη διοίκησης (management science) (Loucks et. al. 1981, σ. 14). Βελτιστοποίηση (optimisation) Η διαδικασία εύρεσης της βέλτιστης δράσης σε ένα σύνολο εφικτών δράσεων. Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 1
Γενικές έννοιες (2) Yδροσύστημα (hydrosystem): Σύστημα που αποτελείται από φυσικά υδάτινα σώματα και τεχνικά έργα, που συνεργαζόμενα εξυπηρετούν ένα ή περισσότερους σκοπούς, οι οποίοι αναφέρονται τόσο στην αξιοποίηση του νερού ως φυσικού πόρου, όσο και στην προστασία από την καταστροφική δράση του νερού ως φυσικού κινδύνου (Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 1998, σ. 4). Σύστημα υδατικών πόρων (water resources system): (1) Όρος συνώνυμος του υδροσυστήματος (π.χ. Grigg, 1996, σ. 115). (2) Όρος με περιεχόμενο στενότερο του υδροσυστήματος δεν περιλαμβάνει τα συστήματα ελέγχου πλημμυρών (π.χ. Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 1998, σ. 33 Mays and Tung, 1992, σ. 3). Σχεδιασμός - Λειτουργία υδροσυστήματος Παραδοσιακή αντιμετώπιση: Συνιστώσες Υδροσύστημα Σύγχρονη αντιμετώπιση: Υδροσύστημα Συνιστώσες Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 2
Τ1 Η1 Ε1 Τ2 Η2 Ε2 Κ Χ1 Η3 Τ3 Υ1 Η4 Α1 Υδροφορέας Ποταμός Αγωγός Γραμμή μεταφοράς ενέργειας Σημείο ελέγχου Υδροηλεκτρικό έργο Αντλιοστάσιο Κέντρο διανομής ενέργειας Κατανάλωση νερού Ε3 Ε4 Χ2 Σχηματική παράσταση συστήματος υδατικών πόρων Στόχοι ή/και δεσμεύσεις Καταναλωτικές χρήσεις Ενέργεια Προστασία από πλημμύρες Οικονομική ωφέλεια Περιβαλλοντική διατήρηση Περιορισμοί Φυσικοί Λειτουργικοί Σε καθεστώς υδρολογικής αβεβαιότητας Επίτευξη ικανοποιητικής αξιοπιστίας Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 3
Σχηματική παράσταση αστικού υδροσυστήματος Στόχοι ή/και δεσμεύσεις Κάλυψη καταναλωτικών αναγκών Περιβαλλοντική διατήρηση Προστασία από πλημμύρες Οικονομικές δεσμεύσεις Περιορισμοί Φυσικοί Λειτουργικοί Σε καθεστώς υδρολογικής αβεβαιότητας Επίτευξη ικανοποιητικής αξιοπιστίας ασφάλειας ποιότητας ζωής Αστική περιοχή Υδροφορέας Ποταμός Χείμαρρος Αγωγός ανεπεξέργαστου νερού Αγωγός ύδρευσης Αγωγός λυμάτων Αγωγός επεξεργασμένων λυμάτων Αγωγός ομβρίων Αντλιοστάσιο Εγκατάσταση επεξεργασίας νερού Εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 4
Παράδειγμα 1: Το σύστημα υδροδότησης της Αθήνας 0 10 20 30 km Ευήνου Σήραγγα Μόρνου - Ευήνου Εύηνος π. Μόρνος π. Μόρνου Β. Κηφισός π. Υδαταγωγός Μόρνου Κωπαΐδα Υλίκη λ. Υδραγωγείο Υλίκης Ασωπός π. 4 ταμιευτήρες Υπόγεια νερά Σύστημα υδραγωγείων Κύρια χρήση: Ύδρευση Αθήνας Δευτερεύουσα χρήση: άρδευση Μαραθώνα ΑΘΗΝΑ Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 5
Σχηματική παράσταση του συστήματος υδροδότησης της Αθήνας Εύηνος 350 km 2 322 hm 3 Ευήνου +455 έως +500 m 104 hm 3 Έξοδος σήραγγας +440 m Μόρνος (557 km 2 319 hm 3 ) Συνδετήρια σήραγγα 29 km 0 έως 27 m 3 /s Βοιωτικός Κηφισός 2400 km 2 353 hm 3 Υδραγωγείο Υλίκης 60 km 7.5 m 3 /s Χάραδρος 120 km 2 10 hm 3 Μόρνου (+382 έως +435 m 643 hm 3 ) Λίμνη Υλίκη +45 έως +78 m 587 hm 3 Υπερχείλιση/διαφυγή προς Παραλίμνη/Ευβοϊκό Μαραθώνα +186 έως +223 m 41 hm 3 Υδαταγωγός Μόρνου 188 km 14 m 3 /s Διυλιστήρια Μενιδίου +232 m Προς κατανάλωση Διυλιστήρια Γαλατσίου +155 m Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 6
Μεσοχώρας Πύλης Μουζακίου Συκιάς Πλαστήρα Παράδειγμα 2: Το υδροσύστημα Αχελώου Καστρακίου Στράτου Κρεμαστών 0 10 20 30 km 5 ταμιευτήρες στον Αχελώο (+Πλαστήρα) Σενάριο εκτροπής στη Θεσσαλία με 2 επιπλέον ταμιευτήρες 7 υδροηλεκτρικοί σταθμοί (κατά μέγιστο) Σύστημα αγωγών εκτροπής Κύρια χρήση: Υδροηλεκτρική ενέργεια Δευτερεύουσα χρήση: άρδευση Περιβαλλοντικές δεσμεύσεις Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 7
Μεσοχώρα 731-770 m ΗΥΣ Γλύστρας Συκιά 485-550 m Σήραγγα Γλύστρας 160 MW Έξοδος Γλύστρας (550 m) Πύλη 310-355 m Πορταϊκός Συνδετήρια σήραγγα Πύλης- Μουζακίου Μουζάκι 250-290 m Πάμισος Σχηματική παράσταση του υδροσυστήματος Αχελώου 260 MW 270 MW ΗΥΣ Συκιάς Κρεμαστά 227-282 m ΗΥΣ Κρεμαστών 120 MW Έξοδος Συκιάς (396 m) 436 MW ΗΥΣ Πευκοφύτου Σήραγγα εκτροπής Αχελώου ΗΥΣ Μουζακίου Έξοδος Μουζακίου (156 m) (ανάχωμα Μαυροματίου ) ΗΥΣ Μαυροματίου Έξοδος Μαυροματίου (132 m) Καστράκι 142-144.2 m ΗΥΣ Καστρακίου 320 MW Στράτος 67-68.6 m ΗΥΣ Στράτου 156 MW Έξοδος Στράτου Αχελώος Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 8
Γενική διαδικασία κατασκευής μοντέλου υδροσυστήματος Δεδομένα προβλήματος Συλλογή δεδομένων Οργάνωση δεδομένων Ανάλυση δεδομένων Διατύπωση προβλήματος Αναγνώριση μεταβλητών Διατύπωση στόχων Διατύπωση περιορισμών Ανάπτυξη μοντέλου Μαθηματική περιγραφή Κατάρτιση αλγορίθμου Ανάπτυξη λογισμικού Εφαρμογή μοντέλου Ερμηνεία αποτελεσμάτων Επαλήθευση και αξιολόγηση μοντέλου Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 9
Τυπικές κατηγορίες δεδομένων για την ανάλυση υδροσυστημάτων Γεωγραφικά δεδομένα Υδρολογικά δεδομένα Υδρογεωλογικά δεδομένα Δεδομένα ποιότητας Δεδομένα έργων αξιοποίησης Διαχειριστικά δεδομένα Ανάγλυφο (Ισοϋψείς καμπύλες) Υδρογραφικό δίκτυο Οικισμοί Οδικό δίκτυο Γεωλογικά & τεκτονικά στοιχεία Διοικητικές πληροφορίες Δημογραφικά δεδομένα Υδρολογικές λεκάνες Χαρακτηριστικά σταθμών μέτρησης Χρονοσειρές Βροχής Στάθμης ποταμών Παροχής ποταμών Στάθμης λιμνών Μετεωρολογικών δεδομένων Υδρολιθολογικοί σχηματισμοί Σημεία εμφάνισης νερού (πηγές, γεωτρήσεις) Χρονοσειρές παροχής Πηγών Γεωτρήσεων Χάρτες πιεζομετρίας Σημειακές πηγές ρύπανσης Κατανεμημένες πηγές ρύπανσης Ζώνες με προβλήματα ρύπανσης Χρονοσειρές μετρήσεων ποιότητας Ποταμών Λιμνών Υπόγειων νερών Σημεία απαίτησης ελάχιστης παροχής Ταμιευτήρες Αγωγοί μεταφοράς Δίκτυα διανομής Αντλιοστάσια Υδροηλεκτρικοί σταθμοί Διυλιστήρια Εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων Θέσεις κατανάλωσης νερού Αρδευόμενες περιοχές Φορείς διαχείρισης Όρια ευθύνης Χαρακτηριστικά αγροτικής παραγωγής Τιμές μονάδας Υδρευτικού νερού Ενέργειας Γεωργικών προϊόντων Άλλα οικονομικά στοιχεία Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 10
Ιστορικά υδρολογικά δεδομένα Απορροή λεκανών Βροχή ταμιευτήρων Εξάτμιση ταμιευτήρων (εκτίμηση) Στατιστική επεξεργασία Τυπικές μεθοδολογίες μονομεταβλητής και πολυμεταβλητής ανάλυσης χρονοσειρών Στατιστικές παράμετροι Στατιστικά χαρακτηριστικά μεμονωμένων χρονοσειρών Συναρτήσεις κατανομής μεμονωμένων χρονοσειρών Συσχετίσεις χρονοσειρών Συνιστώσα υδρολογικής προσομοίωσης Πολυμεταβλητό μοντέλο προσομοίωσης ετήσιων χρονοσειρών Πολυμεταβλητό μοντέλο επιμερισμού ετήσιων χρονοσειρών σε μηνιαίες Συνιστώσα προσομοίωσης υδροσυστήματος Δυναμική υδροσυστήματος Χαρακτηριστικά συνιστωσών Εσωτερικοί (φυσικοί και λειτουργικοί) περιορισμοί Μη παραμετρικοί κανόνες λειτουργίας Παραμετρικοί κανόνες λειτουργίας Προσομοιωμένες λειτουργικές χρονοσειρές (2000 χρόνια) Όγκοι εισροών στους ταμιευτήρες Όγκοι απωλειών ταμιευτήρων Όγκοι απολήψεων ταμιευτήρων Μεταβλητές κατάστασης ταμιευτήρων Συνιστώσα αξιολόγησης - βελτιστοποίησης Κανόνες αξιολόγησης Αλγόριθμος βελτιστοποίησης Δείκτης επίδοσης Απολήψιμος όγκος συστήματος Μεταβλητή σχεδιασμού Ωφέλιμη χωρητικότητα Παράμετροι συστήματος Στόχος ετήσιας απόληψης Τιμές κατωφλίων αλλαγής προτεραιότητας απόληψης Εξωτερικοί περιορισμοί Ανεκτό επίπεδο αξιοπιστίας Διάρθρωση ενός συνολικού μοντέλου του συστήματος υδροδότησης της Αθήνας Στόχος του μοντέλου: Σχεδιασμός του ταμιευτήρα Ευήνου (ρυθμιστικός όγκος) Προσομοιωμένες υδρολογικές χρονοσειρές (2000 χρόνια) Ύψη απορροής λεκανών Ύψη βροχής ταμιευτήρων Ύψη εξάτμισης ταμιευτήρων Επιλογή τελικής λύσης Οικονομικά κριτήρια Άλλα κριτήρια Πηγές: Κουτσογιάννης κ.ά. (1991) Κουτσογιάννης (1997). Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 11
Υδρολογικές είσοδοι Ύψη απορροής λεκανών Ύψη καθαρής βροχής ταμιευτήρων Συνιστώσα προσομοίωσης Δυναμική συστήματος Χαρακτηριστικά συνιστωσών Εσωτερικοί (φυσικοί και λειτουργικοί) περιορισμοί Μη παραμετρικοί κανόνες λειτουργίας Παραμετρικοί κανόνες λειτουργίας Προσομοιωμένες χρονοσειρές Όγκοι εισροών στους ταμιευτήρες Μεταβλητές κατάστασης ταμιευτήρων Όγκοι εκροών και αντλήσεων Ποσότητες ενέργειας Διάταξη έργων Ταμιευτήρες υδροσυστήματος και χωρητικότητές τους Αγωγοί διασύνδεσης και παροχετευτικότητές τους Σταθμοί παραγωγής και χαρακτηριστικά τους Παράμετροι συστήματος Στόχοι παραγωγής πρωτεύουσας ενέργειας Στόχοι μεταφοράς νερού στους αγωγούς διασύνδεσης Διάρθρωση ενός συνολικού μοντέλου του υδροσυστήματος Αχελώου Συνιστώσα αξιολόγησης - βελτιστοποίησης Κανόνες αξιολόγησης Τιμές μονάδας Αλγόριθμος βελτιστοποίησης Δείκτης επίδοσης Οικονομικό όφελος ενέργειας Οικονομικό όφελος αρδεύσεων Μικτό οικονομικό όφελος Επιλογή τελικής λύσης Οικονομικά κριτήρια Άλλα κριτήρια Εξωτερικοί περιορισμοί Ανεκτά επίπεδα αξιοπιστίας Μέσες διακινούμενες ποσότητες Μέσες αρδευτικές απολήψεις Στόχος του μοντέλου: Επαναθεώρηση της Γενικής Διάταξης των Έργων Εκτροπής του Αχελώου προς τη Θεσσαλία (Ρυθμιστικοί όγκοι, υδροηλεκτρικοί σταθμοί). Πηγές: Κουτσογιάννης (1996, 1997). Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 12
Τα μοντέλα δεν λύνουν όλα τα προβλήματα Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 13
Βασική βιβλιογραφία Biswas, A. K., Systems Approach to Water Management, McGraw-Hill, New York, 1976. Grigg, N. S., Water Resources Management, McGraw-Hill, New York, 1996. Loucks, D. P., Stedinger, J. R., and Haith, D. A., Water Resource System Planning and Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1981. Mays, L. W., and Y.-K. Tung, Hydrosystems Engineering and Management McGraw-Hill, New York, 1992. Mays, L. W., and Y.-K. Tung, Systems analysis, in Water Resources Handbook, edited by L. W. Mays, McGraw-Hill, New York, 1996. Winston, W, L., Operations Research, Applications and Algorithms, 3rd ed., Duxbury, Belmont, 1994. Winston, W, L., and S. C. Albright, Practical Management Science, Spreadsheet modeling and Applications, Duxbury, Belmont, 1997. Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 14
Αναφορές Κουτσογιάννης, Δ., Μελέτη λειτουργίας των ταμιευτήρων, στα πλαίσια της Γενικής Διάταξης Έργων Εκτροπής Αχελώου προς τη Θεσσαλία, ΥΠΕΧΩΔΕ/ΕΥΔΕ Αχελώου, Αθήνα, 1996. Κουτσογιάννης, Δ., Από το μεμονωμένο υδραυλικό έργο στο υδροσύστημα: Το παράδειγμα του υδρολογικού σχεδιασμού των έργων Ευήνου, Πρακτικά του Πανελληνίου Συνεδρίου των Τμημάτων Πολιτικών Μηχανικών, Θεσσαλονίκη, 14-17 Μαΐου 1997, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη, 1997. Κουτσογιάννης, Δ., και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Έκδοση 2, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1997. Κουτσογιάννης, Δ., Ι. Ναλμπάντης και Ν. Μαμάσης, Υδρολογική διερεύνηση, Έκθεση, Προμελέτη ενίσχυσης του υδατικού δυναμικού του ταμιευτήρα Μόρνου από τη λεκάνη του ποταμού Ευήνου, Εισαγωγικό μέρος, Υπουργείο Χωροταξίας, Περιβάλλονος και Δημοσίων Έργων, Αθήνα, 1991. Chow, V. T., D. R. Maidment, and L. W. Mays, Applied Hydrology, McGraw-Hill, 1988. Dingman, S. L., Physical Hydrology, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1994. O Donnell, T., Deterministic catchment modelling, in River flow modelling and forecasting, edited by D. A. Kraijenhoff, and J. R. Moll, D.Reidel Publishing Company, Dordrecht, 1986. Δ. Κουτσογιάννης, Bελτιστοποίηση συστημάτων υδατικών πόρων Εισαγωγή 15