Multi-Objective Evolutionary Algorithm, dynamic and non-dynamic emulators in the design of optimal policies for water resources management

Dams and reservoirs are essential to satisfy human demand of water for a plurality of uses: irrigation, industrial and domestic supply, hydropower production, flood mitigation and recreation. The management of these multi-purposes systems is difficult since it has to deal with the relevant conflicts between those interests. The definition of a satisfactory and stable compromise requires the design of regulation policies of the reservoirs, which every day objectively establish the release to be operated from each reservoir, taking care of all the interests. The design of such policies requires to set up and solve a complex Multi-Objectives Control Problem, in which the interest of the Parties are quantified by indicators, the values of which are estimated with large, physically-based models that describe the effects of the water distribution in the downstream user systems (canals, hydropower plants, irrigation districts and municipalities). However, even more difficult and challenging problems are posed by dam management. The construction of large dams has a strong impacts on the hydrological regime of and the movement of sediments in the regulated river. Dams affect the hydrological regime primarily through changes in timing, magnitude and frequency of high and low flows; the peak discharge is generally and intentionally significantly reduced. The trapping of sediment in the reservoirs causes sediment deficit downstream, which in turn triggers not only erosion on the river banks but also incision in the river bed. This process can extend over hundreds of kilometers and last for decades. Starting from the pioneering Harvard Water Project in 1962, the research community has set a large effort on building more and more complex models to estimate the effects of different planning and management decisions. A vast amount of studies have been carried out on these effects and nowadays complex physically-based models are available to forecast and quantize them. Nowadays, very detailed and precise models can be easily set up, with which the evaluation of the effects, even subtle as the geomorphological ones, is possible. At the same time the art of defining and solving complex Mathematical or control Problems for policy design has reached an adult stage. However how to merge large physically-based models within a Design Problem is still an open issue. In the last years a possible solution approach was offered: the Emulation Modelling techniques, which gives the possibility of substituting the high-dimensional physically-based, distributed-parameters models with low-dimensional lumped-parameter ones. These techniques have been proposed in the Technological Sectors (like Aerospace Industry) and have up to now found just a series of application in the water world. The goal of this thesis is to explore the application of Dynamic and Non-dynamic Emulation Modelling techniques to design optimal policies of water management, considering the most important objectives of the considered case study.

Dighe e serbatoi sono essenziali per soddisfare la domanda d'acqua per una pluralit d'usi: irrigazione, fornitura industriale e civile, produzione idroelettrica, attenuazione delle piene e ricreazione. La gestione di questi sistemi multiuso non semplice, poich deve risolvere rilevanti conflitti tra i portatori di interesse. L'identificazione di un compromesso soddisfacente e duraturo richiede un accurato progetto di una politica di regolazione del sistema, che fornisca ogni giorno il rilascio da ogni serbatoio. Il suo progetto si formula come un Problema di Controllo a Molti Obiettivi, in cui gli interessi delle Parti sono espressi da indicatori, i cui valori sono stimati tramite modelli di grande dimensione, fisicamente basati che descrivono l'effetto della distribuzione dell'acqua nel sistema a valle dei serbatoi. Tuttavia, la costruzione di serbatoi pone anche altri, ancor pi difficili problemi. Essi infatti hanno un impatto rilevante sul regime idrologico e sul movimento dei sedimenti nel fiume regolato. Le dighe influenzano il regime idrologico perch innanzitutto modificano il tempo, la frequenza e l'intensit delle piene e delle magre; il picco di portata sempre significativamente ridotto. I serbatoi trattengono poi i sedimenti trasportati dall'immissario e provocano quindi deficit a valli. Questi deficit, a loro volta, producono non solo l'erosione delle sponde del fiume ma anche l'escavazione del suo letto. Il processo si pu estendere per centinaia di chilometri e dura decadi. A partire dal pionieristico Harvard Water Project nel 1962, la comunit scientifica ha dedicato un grande sforzo a costruire modelli sempre pi complessi per stimare gli effetti delle decisivi di pianificazione e gestione. Un gran numero di studi sono stati condotti su questi effetti e oggi sono disponibili modelli molto precisi, ma complessi perch fisicamente basati, per prevederli e quantificarli. Contemporaneamente le tecniche per la definizione e la soluzione di complessi Problemi di Controllo a Molti Obiettivi si sono raffinate e hanno raggiunto un stadio maturo. Tuttavia l'integrazione di grandi modelli fisicamente basati in problemi di Controllo Ottimo ancora un problema aperto. Negli ultimi anni si individuata una possibile soluzione: i cos detti Modelli Ridotti o Emulativi (Emulation Modelling), che, grazie alla loro bassa dimensionalit , possono vantaggiosamente essere sostituiti ai modelli fisicamente basati. Essi sono stati introdotti e applicati negli ambiti tecnologici, come l'industri spaziale, ma incominciano a trovare applicazione nel campo ambientale. Questa tesi esplora l'applicazione di modelli ridotti, dinamici e non dinamici, nel progetto delle politiche di regolazione di sistemi di serbatoi.