Optimal management of large-scale water resources systems under multi-stressor conditions in the Red River basin, Vietnam

Designing the operation of multi-reservoir, multi-purpose systems is a high dimensional decision making problem which must be solved with optimization algorithms. The ''ideal'' one would be Dynamic Programming (DP), which was extensively used in water resources management. However DP (and SDP) are affected by ''the curse of dimensionality'': the computing time increases exponentially with the dimension of state, control and disturbance vectors. Thus it cannot be adopted in large multi-reservoir systems. The alternative is Genetic Algorithms (GAs), which are nowadays are widely applied in many fields, due to the advantages they offer: the most significant one being the fact that they estimate the whole Pareto boundary in a single run. This study explore the use of GAs to design the management policy for a reservoirs system in Vietnam: the Red Thai Binh system where four strategic reservoirs are controlled in order to server a number of conflict objectives: water supply, flood mitigation and hydropower generation. Within the study, new ideas have been tested in order to make GAs applicable: i) it was shown that by adopting an universal RBF approximator for the control law the convergence of the algorithms are faster; ii) the large physically based model were replaced by emulator models; iii) a new form of the Design Problem was proposed in order to describe normal and extreme events in a simulation scenario while maintaining the running time of the algorithm within acceptable limits; iv) a new static model of a multi-turbine power plant was developed in order to mimic the within-day optimal operation of the plant; v) the potential of extra information was analyzed and the best performance was obtained with a fuzzy flood classifier that establish the current flood condition (critical, non-critical, or so and so) on the base of suitably chosen predecessors.

Progettare il funzionamento di un sistema multi-serbatoio a molti obiettivi, è un problema decisionale di elevate che deve essere risolto con algoritmi di ottimizzazione. Quello '' ideale '' sarebbe la Programmazione dinamica (DP), che è stata ampiamente utilizzata nella gestione delle risorse idriche. Tuttavia DP (e SDP) sono influenzati da '' la maledizione della dimensionalità '': il tempo di calcolo aumenta esponenzialmente con la dimensione dei vettori di stato, di controllo e di disturbo. Quindi non può essere adottata in grandi sistemi multi-serbatoio. L'alternativa è rappresentata dagli algoritmi genetici (GAs), che oggi sono ampiamente applicati in molti campi, per i vantaggi che offrono: il più significativo è il fatto che stimano l'intera frontiera di Pareto in un unico passaggio. Questo studio esplora l'uso dei GAs per progettare la politica di gestione per un sistema di serbatoi in Vietnam: il sistema dei fiume Hong - Thai Binh in Vietnam dove quattro serbatoi strategici sono controllati al fine di perseguire di una serie di obiettivi in conflitto: l'approvvigionamento idrico, la mitigazione delle inondazioni e la generazione di energia idroelettrica. All'interno dello studio, nuove idee sono state testate per rendere GAs applicabili: i) è stato dimostrato che, adottando un approssimatore RBF universale per la legge di controllo la convergenza degli algoritmi è più veloce; ii) i grandi modelli basati fisicamente sono stati sostituiti da modelli di emulazione più compatti; iii) è stata proposta una nuova forma del problema di progettazione per descrivere eventi normali ed estremi nello scenario di simulazione mantenendo il tempo di esecuzione dell'algoritmo entro limiti accettabili iv) è stato sviluppato un nuovo modello statico di allocazione ottimale della produzione negli impianti con molte turbine al fine di simulare il funzionamento giornaliero dell'impianto; v) è stato analizzato il potenziale miglioramento delle pressazioni grazie all uso di informazioni aggiuntive come adesempio un classificatore fuzzy per prevedere la condizione di portata corrente (critico, non critico, o intermedio) sulla base di precusori opportunamente scelti.