Balancing hydropower production and river bed incision

Water management through dams and reservoirs is worldwide necessary to support key human-related activities ranging from hydropower production to water allocation, and flood risk mitigation. Reservoir operations are commonly planned in order to maximize these objectives. However reservoirs strongly influence river geomorphic processes causing sediment deficit downstream, altering the flow regime, leading, often, to process of river bed incision. Hydropower plants should be re-operated in such a way to balance energy production and downstream river bed incision, the aim of our research is to investigate the outcomes of this new Multi-Objective (MO) Optimization framework and to assess if the trade-off can be sustainable for the power company. MO optimization methods of natural complex systems suffer from computational limits, to overcome this shortcoming we propose a framework combining a Parameterization-Simulation-Optimization (PSO) problem together with a global Interactive Response Surface (IRS) approach. Our case study analyzes the management of Isola Serafini hydropower plant located on the main Po river course. The plant has a major impact on the geomorphic river processes downstream, affecting sediment supply, connectivity and transport capacity. The new reservoir operations are designed through two different approaches: a feed-forward control law and a feed-forward and feedback control law scheme; the 2-objective PSO problem is solved for the two cases through IRS methodology. The results provided by both control techniques are finally discussed and critically compared.

Il presente studio analizza le possibilità di gestire il conflitto tra produzione idroelettrica e riduzione del relativo processo di incisione a valle della diga attraverso strategie di controllo ottimale. Le dighe sono strumenti importanti nella gestione delle acque ed essenziali a diverse attività umane quali la produzione idroelettrica, la minimizzazione del deficit idrico e il controllo delle piene. La gestione di queste strutture è quindi generalmente progettata per soddisfare questi obiettivi; tuttavia la loro azione ha un forte impatto sull’ambiente circostante e in particolare sui processi di geomorfologia fluviale quali erosione, trasporto solido e sedimentazione. La diga infatti rappresenta un’interruzione della naturale continuità tra monte e valle ed è quindi causa di alterazione nei regimi di portata del fiume e disconnessione del naturale trasporto di sedimenti. Per queste ragioni la legge di controllo che regola i rilasci di una diga andrebbe riprogettata tenendo conto anche degli impatti sulla geomorfologia fluviale attraverso la risoluzione di un problema di ottimizzazione a multi-obiettivo. Uno dei principali ostacoli all’applicazione di questo approccio è rappresentato dalla difficoltà di combinare i modelli fisicamente distribuiti, necessari a descrivere le dinamiche di geomorfologia fluviale, con le tecniche di ottimizzazione multi-obiettivo i cui costi computazionali diventerebbero insostenibili. Per superare queste limitazioni è qui proposto un approccio risolutivo che affronta il problema di ottimizzazione con l’applicazione del metodo Response Surface (RS). Il caso di studio preso in esame analizza la gestione dalla centrale idroelettrica ad acqua fluente di Isola Serafini, situata sul corso del fiume Po alle porte di Cremona. Le operazioni di rilascio della diga hanno un considerevole impatto sull’afflusso di sedimenti e sulla capacità di trasporto solido a valle rilevabile in numerosi danni alle infrastrutture e all’ecosistema. La gestione della diga di Isola Serafini è riprogettata risolvendo il problema a multi-obiettivo tramite il metodo della RS all’interno di due differenti schemi di approccio che esplorano diverse implementazioni della legge di controllo.