Εκτίμηση απολήψιμου δυναμικού για την ύδρευση της Αθήνας με εφαρμογή του λογισμικού "ΥΔΡΟΝΟΜΕΑΣ"

Abstract

Η διαχείριση και προστασία των υδατικών πόρων είναι στενά συνδεδεμένη με τη βιωσιμότητα της κοινωνίας και του περιβάλλοντος, όπως επίσης και με την οικονομική ανάπτυξη και ευημερία. Η Αθήνα, έχει αναπτύξει σήμερα ένα αξιόπιστο, εκτενές και σύνθετο σύστημα υδατικών πόρων που περιλαμβάνει επιφανειακά νερά (πόροι τεσσάρων ταμιευτήρων), υπόγειους υδατικούς πόρους, 310 km κύριων υδραγωγείων, 13 αντλητικούς σταθμούς, περισσότερες από 100 γεωτρήσεις και τέσσερις μονάδες επεξεργασίας νερού (ΜΕΝ). Το σύστημα των υδατικών πόρων εξυπηρετεί και δευτερεύουσες χρήσεις, όπως την άρδευση αγροτικών περιοχών και την ύδρευση γειτονικών πόλεων, ενώ καλύπτει και τη διατήρηση μόνιμης ροής 1 m3/s στα κατάντη του φράγματος Ευήνου για περιβαλλοντικούς σκοπούς. Υπεύθυνη για τη λειτουργία του συστήματος είναι η Εταιρεία Ύδρευσης και Αποχέτευσης Πρωτεύουσας (ΕΥΔΑΠ). Tα συστήματα υποστήριξης αποφάσεων (ΣΥΑ), σε συνδυασμό με την ανθρώπινη κρίση και εμπειρία, μπορούν να συμβάλλουν στη λήψη ορθολογικών αποφάσεων σε ευρύ φάσμα ασθενώς δομημένων τεχνολογικών προβλημάτων. Η βέλτιστη διαχείριση συστημάτων υδατικών πόρων αποτελεί ένα από τα τυπικά πεδία εφαρμογής των ΣΥΑ. Από το 2000, η διαχείριση του υδροδοτικού συστήματος της Αθήνας γίνεται με τη βοήθεια ενός εξελιγμένου ΣΥΑ, βασική συνιστώσα του οποίου είναι το μοντέλο προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διαχείρισης υδατικών συστημάτων «Υδρονομέας». Το μαθηματικό υπόβαθρο του Υδρονομέα ακολουθεί το σχήμα παραμετροποίηση-προσομοίωση-βελτιστοποίηση. Η προσομοίωση εφαρμόζεται για την πιστή αναπαράσταση της λειτουργίας του συστήματος, που εκφράζεται με τη μορφή παραμετρικών κανόνων διαχείρισης, ενώ η βελτιστοποίηση εφαρμόζεται για να εντοπίσει τη βέλτιστη διαχειριστική πολιτική, η οποία ελαχιστοποιεί ταυτόχρονα τη διακινδύνευση και το κόστος κατά τη λήψη αποφάσεων. Στην παρούσα εργασία, μέσω του λογισμικού «Υδρονομέας», γίνεται μια προσπάθεια εκτίμησης του ασφαλούς απολήψιμου δυναμικού για την ύδρευση της Αθήνας για αποδεκτό επίπεδο αξιοπιστίας ίσο με 99% σε ετήσια βάση, που σημαίνει ότι είναι ανεκτή μία αστοχία κατά μέσο όρο την εκατονταετία. Η μεθοδολογία διαχείρισης που ακολουθείται διακρίνεται σε επιμέρους βήματα. Πρώτο βήμα είναι η σχηματοποίηση, δηλαδή ο μετασχηματισμός των συνιστωσών του πραγματικού συστήματος της Αθήνας σε συνιστώσες του μοντέλου «Υδρονομέας» που αναπαριστά το εν λόγω σύστημα και ακολουθεί η εισαγωγή των δεδομένων εισόδου. Στοιχεία εισόδου του μοντέλου είναι α) η δομή του δικτύου, ήτοι οι συνιστώσες του και τα χαρακτηριστικά τους, και η τοπολογία και β) οι χρονοσειρές εισροών και απωλειών των ταμιευτήρων, οι οποίες παράγονται συνθετικά με το λογισμικό Κασταλία. Ο καθορισμός των στόχων και λειτουργικών προσδιορισμών ολοκληρώνει την ανάπτυξη του μοντέλου. Κατόπιν, εξετάζεται μια σειρά σεναρίων αναφορικά με την υδροδότηση της Αθήνας για διάφορες υποθετικές καταστάσεις λειτουργίας του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, εκτιμάται το ασφαλές δυναμικό, ώστε η αξιοπιστία του συστήματος να ανέρχεται ακριβώς στο 99%, για τιμή ζήτησης που κυμαίνεται από 400 hm3 έως 610 hm3 ετησίως και για πέντε διαφορετικές πολιτικές χρήσης γεωτρήσεων (εντατική, συντηρητική, περιορισμένη, απαγόρευση χρήσης και τρέχουσα). Αντικείμενο των σεναρίων είναι ο προσδιορισμός του θεωρητικού δυναμικού του υδροσυστήματος για τις παραπάνω πέντε πολιτικές χρήσης γεωτρήσεων, με άρση των περιορισμών παροχετευτικότητας των υδραγωγείων και ανεξαρτήτως οικονομικών όρων. Ως προς τη μοντελοποίηση τους, οι γεωτρήσεις, οι οποίες θεωρούνται εφεδρικοί υδατικοί πόροι, ομαδοποιούνται ώστε να αναπαριστούν τη συνολική απόληψη (άντληση) νερού από κάθε υδραυλικά ανεξάρτητο υπόγειο σύστημα (υδροφορέα). Ανά ομάδα γεωτρήσεων εισάγονται δύο παράμετροι τύπου κατωφλίου, που εκφράζουν τα κρίσιμα όρια του ποσοστού πλήρωσης των ταμιευτήρων. Σε περίπτωση που το ποσοστό ολικό απόθεμα/ολική χωρητικότητα υπερβαίνει το άνω όριο, τότε απαγορεύεται η χρήση της συγκεκριμένης ομάδας και οι απολήψεις νερού πραγματοποιούνται αποκλειστικά από τους ταμιευτήρες, ενώ αν το ποσοστό είναι μικρότερο από το κάτω όριο, τότε επιβάλλεται η χρήση της συγκεκριμένης ομάδας, ανεξαρτήτως κόστους. Σε ενδιάμεσες τιμές, η ομάδα γεωτρήσεων ενεργοποιείται ή όχι με βάση οικονομικά κριτήρια (κατανάλωση ενέργειας). Οι παράμετροι των κανόνων λειτουργίας των ταμιευτήρων αποτελούν τις μεταβλητές ελέγχου του προβλήματος, οι οποίες εκτιμώνται μέσω βελτιστοποίησης και η μέση ετήσια πιθανότητα αστοχίας των στόχων ύδρευσης που έχουν τεθεί στις τέσσερις ΜΕΝ, στις οποίες επιμερίζεται η συνολική ζήτηση νερού στην Αθήνα, τις προς βελτιστοποίηση μεταβλητές (κριτήρια) της στοχικής συνάρτησης. Η εκτέλεση βελτιστοποίησης υπό συνθήκες σταθερής ζήτησης και για χρονικό ορίζοντα 2000 ετών υπολογίζει ότι, σε ετήσια βάση, το ασφαλές απολήψιμο δυναμικό στα διυλιστήρια, ανέρχεται σε 608 hm3 για εντατική χρήση των γεωτρήσεων, σε 575 hm3 για συντηρητική και σε 535 hm3 για περιορισμένη, ενώ αν αγνοηθεί η δυνατότητα αξιοποίησης των υπόγειων υδατικών πόρων, η ασφαλής απόδοση του συστήματος είναι 450 hm3/έτος. Αντίστοιχα, με την τρέχουσα πολιτική χρήσης γεωτρήσεων που εφαρμόζει η ΕΥΔΑΠ, η μέγιστη ασφαλής ποσότητα νερού στα διυλιστήρια υπολογίζεται στα 570 hm3/έτος. Στη συνέχεια, επιχειρείται εκτίμηση του ασφαλούς απολήψιμου δυναμικού για την ύδρευση της Αθήνας σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Θεωρώντας το επίπεδο αξιοπιστίας του συστήματος στο 99% και πολιτική χρήσης γεωτρήσεων την πολιτική που εφαρμόζει η ΕΥΔΑΠ επί του παρόντος, με τις επίκαιρες τιμές παροχετευτικότητας των υδραγωγείων, η βελτιστοποίηση περιορίζει το ασφαλές ετήσιο απολήψιμο δυναμικό στα διυλιστήρια στα 480 hm3. Τέλος, διερευνάται αν και με ποιο τρόπο οι λειτουργικοί περιορισμοί μεγίστου αποθέματος που έχουν τεθεί στους ταμιευτήρες Μόρνου και Ευήνου επιδρούν στην αξιοπιστία του συστήματος. Σε αυτή την περίπτωση, καταργώντας τους συγκεκριμένους περιορισμούς και με θεώρηση απεριόριστης παροχετευτικότητας στα υδραγωγεία και χρήσης μόνο των επιφανειακών υδάτων, για ετήσια ζήτηση 450 hm3 νερού, η εκτέλεση βελτιστοποίησης καταδεικνύει ότι δεν υπάρχει καμία αλλαγή στην αξιοπιστία του συστήματος (η μέση ετήσια πιθανότητα αστοχίας του στόχου ύδρευσης της Αθήνας διατηρείται όπως και στην περίπτωση της ύπαρξης των λειτουργικών περιορισμών στο 1%). Η εργασία ολοκληρώνεται με μια σύνοψη των κυριοτέρων συμπερασμάτων και τη διατύπωση ορισμένων προτάσεων στην κατεύθυνση της βελτίωσης της λειτουργίας του συστήματος υδροδότησης της Αθήνας, καθώς επίσης και για τον περιορισμό της υδατικής κατανάλωσης και την ορθολογική χρήση του νερού.

Management and protection of water resources is closely related to the sustainability of the society and the environment as well as to the economical development and prosperity. Athens has developed today a reliable, extensive and complex water resource system that includes surface water (resources four reservoirs), groundwater resources, 310 km of main aqueducts, 13 pumping stations, more than 100 boreholes and four water treatment plants (WTPs). The water resource system also serves secondary uses such as irrigation and water supply of nearby towns and also provides an environmental preservation flow of 1 m3/s in the Evinos River. The system is run by the Athens Water Supply and Sewerage Company (EYDAP). Decision support systems (DSS), in combination with human judgment and experience, may guide to rational decisions in a variety of ill-structured technological problems. Optimal management of water recourse systems constitutes a typical field for the application of DSS. Since 2000, an advanced DSS has been developed for the management of the Athens water resource system. In particular, the model for simulating and optimising the management of water resources "Hydronomeas", is in operation for the management of the hydrosystem. The mathematical framework of Hydronomeas follows the parameterisation-simulation-optimisation scheme. Simulation is applied to faithfully represent the system operation, expressed in the form of parametric management rules, whereas optimisation is applied to derive the optimal management policy, which simultaneously minimises the risk and cost of decision-making. The case study of thesis is to allocate the safe yield of the Athens water resource system (AWRS), via the use of Hydronomeas, for an adopted reliability level equal to 99% on an annual basis, which means that only one failure of the system to meet the target in 100 simulated years would be acceptable. Hence a step-by-step flow allocation methodology is applied to allocate the available water resources through the hydrosystem. The first step is to schematise real-world components of the AWRS into a model representation. A network optimisation model is formulated and the input data are inserted. Τhe input data include a) the hydrosystem structure, namely the system components and their attributes and the topology and b) the hydrologic data series, namely long-term synthetic time series of runoff, rainfall and evaporation, statistically consistent with the historical ones and generated by the Castalia model. The definition of system’s targets and physical constraints complete the development of the hydrosystem model. Afterwards, many scenarios of several hypothetical situations for the water supply system of Athens are examined. These scenarios cover different assumptions for the future annual water demand between 400 and 610 hm3, as well as five different management policies concerning groundwater resources (intensive, moderate, limited, no use and current). The objective of the above scenarios is to calculate the theoretical potential of the water resources system regardless of any restrictions imposed by conveyance capacity limits of aqueducts and regardless of any costs due to the conveyance of the water through the network. Special rules regulate the operation of boreholes, which are clustered in borehole groups, in order to simulate the real use of underground water as auxiliary resource. More specifically, groundwater releases are regulated according to the ratio V/K, where V is the estimated active storage of the reservoir system and K is its total active capacity. For each borehole group two thresholds are defined, the upper one to forbid the usage of groundwater if the active storage of the system exceeds this upper threshold (to avoid unnecessary exploitation of aquifers when there is abundance of surface water), and the lower one to enforce their usage if the storage falls below it. Between these thresholds, the usage of groundwater depends on economic criteria. Parameters a and b of the reservoir operating rules are considered as control variables of the problem to be determined by optimization, and the four water supply targets that correspond to the water demand in the four main districts of the Athens metropolitan area, each served by one of the four water treatment plants of Athens, constitute the objective function criteria. After optimisation based on steady state simulations with synthetic time series of 2000 years length, the safe yield of the system, estimated at the location of water treatment plants, is 608 hm3 per year for the intensive policy of groundwater use, 575 hm3 for the moderate policy, 535 hm3 for the limited policy and 450 hm3 when the boreholes are not in use. Respectively, the safe yield at the WTPs, according to the current policy of groundwater use implemented for the present by EYDAP, amounts to 570 hm3. Then, it is attempted to evaluate the safe yied of the water resource system at the actual conditions. Having considered the average annual reliability level equal to 99%, for the current policy of groundwater use, the discharge capacity values of the aqueducts are set to their actual values. In this case, the execution of optimisation reduces the safe yield of the system, estimated at the location of WTPs, to 480 hm3 per year. Finally, it is examined whether the operational constraints of maximun water storage volume, which have been set in the Mornos and Evinos reservoirs, affect the adopted reliability level. Having aborted the previous two targets and having considered unlimited discharge capacity of aqueducts and no use of groundwater resources, for constant annual water demand equal to 450 hm3, the execution of optimisation demonstrates that there is no change concerning the adopted reliability level. The thesis concludes with a summary of most important points and a list of some proposals for the improvement of the Athens water resource system operation, as well as for the restriction of water consumption and the rational water use.