Beslissingsondersteuning voor rivierwaterbeheer: Toewijzing van water en locatie van reservoirs

De beschikbaarheid van oppervlakte- en grondwater is variabel in ruimte en tijd en deze beschikbaarheidspatronen komen in vele gevallen niet overeen met de noden van maatschappelijke sectoren en individuele consumenten. Dit gebrek aan overeenkomst wordt problematisch wanneer de waterbeschikbaarheid daalt, bv. t.g.v. veranderend klimaat, en/of de competitie voor het beschikbare water tussen de gebruikers toeneemt. Het is in deze context dat de interesse in het concept WEF-nexus is gegroeid in onderzoek, bij maatschappelijke actoren en in het beleid. ‘WEF-nexus’ verwijst naar de situatie waarbij onvoldoende water beschikbaar is om ten allen tijde de vraag naar water voor energieproductie enerzijds en voor voedselproductie anderzijds te voldoen, en is vooral van toepassing in regio’s met meer aride klimaatcondities of met uitgesproken afwisseling van droge en natte seizoenen. In de nexus worden bovendien de vraag naar water door industrie, huishoudens en voor het duurzaam functioneren van ecosystemen meegenomen.

Het toewijzen van het schaarse beschikbare water doorheen ruimte en tijd aan diverse gebruikers is een uitdaging van formaat voor waterbeheerders. De typische ingenieurtechnische oplossing bestaat in het bouwen en beheren van reservoirs. In dit doctoraatsonderzoek behandelden we de toewijzing van water beschikbaar doorheen de tijd in een systeem van rivieren met reservoirs, aan concurrentiële gebruikers, als een optimalisatieprobleem van stroming in netwerken (NFO). De literatuur beschrijft twee groepen van methodes om dergelijk NFO-probleem aan te pakken. De eerste groep omvat de heuristische modellen terwijl de tweede gebaseerd is op wiskundige modellen. Heuristische modellen beogen het leveren van haalbare en aanvaardbare oplossingen binnen redelijke rekentijden. Wiskundige modellen kunnen optimale oplossingen leveren maar vergen dikwijls aanzienlijke rekentijden. Aangezien de rekentijd voor strategische beslissingen minder cruciaal is werd in dit onderzoek geopteerd voor de ontwikkeling van wiskundige modellen van het type ‘Lineaire Programmering (LP)’ en ‘Gemengde Geheeltallige Lineaire Programmering (MILP)’.

LP en MILP-modellen werden geformuleerd om de stroming en opslag van water in open waterdistributienetwerken (WSN) te optimaliseren waarbij de WSN beschreven werden o.b.v. geografische informatie over het bestudeerde stroombekken. Een WSN is geconcipiëerd als een verzameling van vectoren geconnecteerd in knooppunten waarbij de vectoren riviersegmenten voorstellen en de knooppunten reservoirs, natuurlijke waterlichamen als meren en inlaatpunten en uitvoerpunten. De inlaat- en uitvoerpunten worden gekarakteriseerd door tijdseries van inkomend en gevraagde watervolumes. De volumes water aanwezig in de riviersegmenten, reservoirs en de andere waterlichamen, die elk vooraf vastgestelde opslagcapaciteiten hebben, worden geactualiseerd doorheen de modellering.

De LP- en MILP-modellen werden eerst geformuleerd, geparameteriseerd en geëvalueerd voor hypothetische stroombekkens gekarakteriseerd door artificiële tijdseries. Vervolgens werden echte bekken beschouwd: het Machangarabekken gelegen in de Andes regio in Ecuador en het grotere Omo-bekken gelegen op het grondgebied van Ethiopië, Kenya en Zuid-Soedan. Omdat voor beide bekkens tijdseries van inkomende watervolumes niet beschikbaar zijn werden deze gesimuleerd via het semi-ruimtelijke gedistribueerde neerslag-afvoermodel ArcSWAT met tijdseries van geobserveerde meteorologische variabelen, een digitaal hoogtemodel en bodem- en landgebruik-geodatasets als input.

Het resulterende NFO-LP-model is bedoeld om de toewijzing van water aan de vraag-knooppunten te optimaliseren veronderstellend dat water van het ene naar het volgende knooppunt stroomt in één tijdstap en dat watervolumes die verloren gaan door evaporatie en infiltratie, overstroming van riviersegmenten en van reservoirs en door vertraging in de waterstroming, als vaste fracties beschreven kunnen worden. De –te minimaliseren- doelfunctie van het NFO-LP-model kwantificeert de som van de boetes die verband houden met het niet voldoen of overmatig voldoen aan de vraag van de vraagknooppunten, het niet voldoen van het minimum volume water dat geacht wordt in reservoirs en riviersegmenten aanwezig te zijn en met de volumes water die betrokken zijn bij overstromingen van segmenten en reservoirs.

Het LP-model werd vervolgens uitgebreid tot een NFO-MILP-model om de optimale locatie te vinden van reservoirs in de WSN. Hiertoe worden alle knooppunten aanwezig in de WSN beschouwd als kandidaat-reservoirs met een voorafbepaalde capaciteit. Met het MILP-model wordt elk kandidaat-reservoir geëvalueerd zowel apart als in combinatie met andere reservoirs wat betreft zijn bijdrage aan de doelfunctie, i.c. het minimaliseren van de som van de boetes. Vier scenario’s werden bestudeerd: Het toevoegen van reservoirs, hetzij leeg hetzij gevuld, aan de WSN met de bestaande reservoirs en het evalueren van alle knooppunten in de WSN m.i.v. deze waar een reservoir reeds aanwezig is, opnieuw veronderstellend dat de reservoirs leeg of reeds gevuld zijn.

Met het NFO-LP-model kan een snelle evaluatie gemaakt worden van elke WSN terwijl het met het NFO-MILP-model  mogelijk was te evalueren of bestaande reservoirs zich op de optimale locatie bevinden en of hun capaciteit voldoende groot is. Ook kunnen de potentiële locaties van nieuwe reservoirs gescreend worden. Hierbij domineren de zeer grote bouw- en onderhoudskosten de boetes die het gevolg zijn van de sub-adequate toewijzing van water. Zowel het LP- als het MILP-model kunnen uitgebreid worden met bijkomende beperkingen om hun gehalte aan realisme en toepassingsbereik te vergroten. De zeer grote spatio-temporele datavereisten blijven een obstakel voor toepassing.