Nieuwe overzichtspaper optimalisatiemodellen voor waterbeheer

In watermanagement komen steeds meer maatschappelijke vraagstukken bij elkaar: waterveiligheid, de energietransitie, natuurherstel, drinkwaterkwaliteit en economische vooruitgang. Dit betekent voor beheerders van poldergemalen en sluizen dat zij in hun dagelijks werk veel belangen tegen elkaar moeten afwegen. Water wegpompen gaat bijvoorbeeld in veenweidegebieden gepaard met CO2-uitstoot, maar is wel noodzakelijk voor droge voeten. In andere landen wordt energie opgewekt met stromend water, hoe is energieopbrengst van een waterkrachtcentrale te vergroten en tegelijkertijd aan milieueisen zoals doorgang voor vissen te voldoen?

Bernhard Becker, expert stuwmeerbeheer en product owner RTC-Tools software: "Vaak moeten waterbeheerders balanceren tussen verschillende en soms conflicterende belangen, zoals bescherming tegen overstromingen en het opslaan van water voor drinkwatervoorzienning in de zomer. Optimalisatiemodellen helpen bij het prioriteren en oplossen van conflicterende doeleinden en bij het beter benutten van onze bestaande waterinfrastructuur."

Toekomstige uitdagingen

Hydraulische modellen worden al lang door waterbeheerders gebruikt in ontwerpstudies en voor het ondersteunen van operationele beslissingen. Deze modellen laten vooral de effecten van een bepaalde sturing op het watersysteem zien. Optimalisatiemodellen gaan een stap verder, omdat ze precies aangeven hoe je moet sturen om bepaalde doelen te bereiken, zoals: droge voeten door optimaal gebruik van spuimiddelen, minimale energiekosten (of minimale CO2-uitstoot) voor gemalen, maximale energieopwekking uit waterkracht of ‘visvriendelijke’ sturing van gemalen of turbines.

Optimalisatietechnieken helpen bij het toekomstbestendig gebruiken van bestaande waterinfrastructuur, door bijvoorbeeld een lager energieverbruik voor waterbeheer met een positief effect op de energietransitie, een hoger waterveiligheidsniveau door beter gebruik van de bergingsruimte in stuwmeren en het samenbrengen van verschillende gebruiksfuncties door slimme sturing van poldergemalen.

Beter benutten

Door optimalisatietechnieken op een rij te zetten en aan te geven wanneer welke techniek wanneer het beste te gebruiken is, gebaseerd op praktijkervaringen, willen de auteurs van de paper ‘Optimisation methods in water system operation' kennis samenbrengen voor huidige en toekomstige waterbeheerders. Inmiddels is speciaal ontwikkelde software beschikbaar waarmee modelleurs zelf optimalisatiemodellen kunnen bouwen, zodat de kennis uit de paper ook gaat landen in de praktijk. Ook Deltares biedt software aan voor het ontwikkelen van optimalisatiemodellen: RTC-Tools. RTC-Tools-modellen zijn al bij meerdere waterbeheerders dagelijks in gebruik.

Doel van de auteurs is bijdragen aan het beter benutten van bestaande waterinfrastructuur. Nieuwe sluizen, gemalen of pompen zijn kostbaar en bovendien zorgt klimaatverandering voor steeds grilligere omstandigheden en vaker voor hoogwater. Onder die condities moeten watermanagers de waterveiligheid kunnen blijven borgen.

Klaudia Horváth, optimisation modeller model predictive control bij Deltares: "Modelgebaseerde regeltechniek met gebruik van optimalisatiemodellen is dagelijkse praktijk in de industrie. Operationeel waterbeheer brengt echter specifieke uitdagingen met zich mee: een groot systeem met meerdere hydraulische kunstwerken, veranderende hydrologische omstandigheden met extremen zoals overstromingen of droogte, en zowel lineaire als niet-lineaire vergelijkingen met continue en discrete elementen, om er maar een paar te noemen."

Onzekerheden

Bij hoogwater is het nodig om te anticiperen op toekomstige gebeurtenissen en er spelen veel onzekerheden bij watermanagement. Om de onzekerheiden mee te nemen, zijn dan weer andere optimalisatietechnieken nodig.

Wij hebben technieken die er klaar voor zijn om hydrologische onzekerheid aan te pakken, maar er zijn meer bronnen van onzekerheid in operationeel waterbeheer. Energieprijzen en energie- en watervraag brengen bijvoorbeeld ook onzekerheid met zich mee.

Jesús Andrés Rodríguez-Sarasty, operations research expert stochastic optimization bij Deltares

Lineair

Om kunstwerken optimaal aan te sturen moeten we de vergelijkingen, die we ook in onze hydraulische modellen zetten, in de optimalisatiemodellen integreren. Deze vergelijkingen zijn vaak niet-lineair.

Een kernelement van een optimalisatiemodel is de zogeheten optimalisatiesolver. Voor verschillende types van optimalisatieproblemen (lineair, niet-lineair, continu, discreet) zijn er ook verschillende solvers. Met de paper willen de auteurs ontwikkelaars van optimalisatie-solvers duidelijk maken waar de uitdagingen liggen in het ontwerpen van optimalisatiemodellen voor het waterbeheer en hen uitnodigen daar oplossingen voor te vinden.

Als we kunnen laten zien dat het nodig is om niet-lineaire vergelijkingen in optimalisatiemodellen op te lossen, ben ik ervan overtuigd dat de operations research community de uitdaging zal aangaan en ook solvers voor niet-lineaire optimalisatieproblemen doorontwikkelen.

Ailbhe Mitchell, operations research expert mathematical optimisation bij Deltares

In de paper staan praktijkervaringen met de nieuwste ontwikkelingen rondom optimalisatietechnieken zoals niet-lineaire optimalisatie, optimalisatie onder onzekerheid en het gebruik van optimalisatiemodellen in beslissingsondersteunende systemen.

Wiskundige optimalisatie zou standaard op het academisch onderwijsprogramma moeten staan van modelbouwers en bij de gebruikers van optimalisatiemodellen.

Co-auteur Caroline Jagtenberg, Ass. Prof. operations research at VU Amsterdam