Λαμβάνοντας υπόψη θέματα διαχείρισης νερού στην υδρολογική προσομοίωση: Εναλλακτικές επιλογές μοντέλων και μια προσέγγιση δικτυακής βελτιστοποίησης

Σε μικτές (φυσικές και τεχνητές) λεκάνες απορροής, προκύπτουν ποικίλες πολυπλοκότητες εξαιτίας των ανθρωπογενών παρεμβάσεων στον υδρολογικό κύκλο, στις οποίες περιλαμβάνονται απολήψεις από επιφανειακά υδάτινα σώματα, αντλήσεις από υπόγεια νερά και επιστροφές νερού μέσω των αποστραγγιστικών συστημάτων. Οι τυπικές προσεγγίσεις των μηχανικών υιοθετούν μια διαδικασία πολλαπλών μοντέλων στη σειρά, ώστε να χειριστούν την πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων των διεργασιών και την έλλειψη δεδομένων απολήψεων. Στο πλαίσιο αυτό, το ενιαίο υδροσύστημα χωρίζεται σε φυσικά και τεχνητά υποσυστήματα ή συνιστώσες. Οι φυσικές συνιστώσες μοντελοποιούνται ξεχωριστά, και οι προβλέψεις τους (ήτοι οι υδρολογικές ροές) μεταφέρονται στις τεχνητές συνιστώσες ως είσοδοι σε σχήματα διαχείρισης νερού. Προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων συνιστωσών, απαιτείται μια επαναληπτική διαδικασία, όπου οι έξοδοι των τεχνητών υποσυστημάτων (δηλαδή οι απολήψεις) γίνονται είσοδοι των αντίστοιχων τεχνητών. Ωστόσο, η στρατηγική αυτή υποφέρει από διάφορες αδυναμίες, καθώς προϋποθέτει ότι μπορούν να εντοπιστούν καθαρά φυσικά συστήματα και ότι διατίθεται επαρκής πληροφορία για κάθε υποσύστημα που μοντελοποιείται, περιλαμβανομένων κατάλληλων, ήτοι «μη τροποποιημένων», δεδομένων για τη βαθμονόμηση της υδρολογικής συνιστώσας. Επιπλέον, η εφαρμογή της εν λόγω στρατηγικής είναι αναποτελεσματική σε καθεστώς στοχαστικής προσομοίωσης του πλήρους σχήματος. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι παραπάνω δυσχέρειες, αναπτύξαμε ένα γενικό μαθηματικό πλαίσιο, ακολουθώντας μια προσέγγιση δικτυακής βελτιστοποίησης. Αυτή προέρχεται από τη θεωρία γράφων, η οποία έχει υλοποιηθεί με επιτυχία σε ορισμένα εξελιγμένα υπολογιστικά πακέτα ανάλυσης συστημάτων υδατικών πόρων. Ο χρήστης διαμορφώνει ένα ενιαίο σύστημα, το οποίο αποτελείται από το υδρογραφικό δίκτυο και τα τυπικά στοιχεία ενός δικτύου διαχείρισης υδατικών πόρων (υδραγωγεία, αντλιοστάσια, κόμβοι, σημεία ζήτησης, κτλ.). Τα δεδομένα εισόδου των τελευταίων περιλαμβάνουν υδραυλικά μεγέθη, περιορισμούς, στόχους, προτεραιότητες και λειτουργικά κόστη. Το πραγματικό σύστημα περιγράφεται μέσω ενός εννοιολογικού γράφου, οι εικονικές ιδιότητες του οποίου είναι η μεταφορική ικανότητα και το μοναδιαίο κόστος κάθε κλάδου. Τα μοναδιαία κόστη είναι είτε πραγματικά ή τεχνητά, και είτε θετικά ή αρνητικά. Τα θετικά κόστη εισάγονται για να αποτρέψουν μη επιθυμητές ροές, και τα αρνητικά για να εξαναγκάσουν στην ικανοποίηση των ζητήσεων για τις διάφορες χρήσεις νερού. Ο προσδιορισμός των τιμών κόστους βασίζεται σε έναν αναδρομικό αλγόριθμο που υλοποιεί τους φυσικούς περιορισμούς και την ιεραρχία που ορίζει ο χρήστης για τις υδατικές χρήσεις. Όσον αφορά στην επιθυμητή διαχειριστική πολιτική, επιτυγχάνεται μια βέλτιστη κατανομή των άγνωστων ροών του υδροσυστήματος (παροχές, απολήψεις, απώλειες νερού), ελαχιστοποιώντας το συνολικό κόστος μεταφοράς νερού διαμέσου του γράφου. Η μαθηματική δομή του προβλήματος επιτρέπει τη χρήση υψηλής ακρίβειας και ταχύτητας επιλυτών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι αποτελεσματική, αποδοτική και εύκολη στην υλοποίησή της, με σκοπό τη δυναμική σύζευξη πολλαπλών συνιστωσών μοντέλων, εξασφαλίζοντας έτσι μια ολιστική θεώρηση των αλληλεπιδράσεων των διεργασιών σε πολύπλοκα και ισχυρά τροποποιημένα υδροσυστήματα. Μπορεί να εφαρμοστεί σε υδρολογικούς προσομοιωτές ημι-κατανεμημένης δομής, επιτρέποντας ακόμη την ολοκλήρωση μοντέλων υπόγειων νερών και σχημάτων διόδευσης πλημμυρών σε συστήματα υποστήριξης αποφάσεων. Η μεθοδολογία έχει υλοποιηθεί στο υπολογιστικό σύστημα ΥΔΡΟΓΕΙΟΣ, και επιδεικνύεται μέσω μιας σειράς παραδειγμάτων από τροποποιημένες λεκάνες στην Ελλάδα.