Overstromingsbeheersing en de Demer: een verdronken kalf?
700 doden, een half miljoen daklozen, meer dan 25 miljard euro schade, ... Dat is de harde realiteit na meer dan 100 zware overstromingen in Europa tussen 1998 en 2004. Bovendien is het aantal overstromingen wereldwijd de laatste decennia significant toegenomen ondanks de huidige technologische mogelijkheden. Is het dan echt niet mogelijk om overstromingen te voorkomen?
De Rijn (1993), de Oder (1997), de Yangtze (1998), de Elbe (2002), de Donau (2006), ... Steeds weer tonen de media beelden van rivieren die bij zware regenval buiten hun oevers treden en een spoor van vernieling achterlaten. Ook bij ons in België heeft dit onheil zich al meermaals afgespeeld. Zo waren er zware overstromingen langs de Demer in 1965 en 1966 die Werchter blank zetten. Naar aanleiding van deze overstromingen heeft de overheid de Demer op meerdere manieren willen temmen. Zo is de rivier op verschillende plaatsen ingedijkt en werden er drie wachtbekkens aangelegd met een totale opvangcapaciteit van meer dan 18 miljoen kubieke meter. Daarnaast zijn kleppen geïnstalleerd voor het regelen van het debiet en het water dat van en naar de wachtbekkens stroomt. Een regelaar bepaalt de stand van deze kleppen via enkele eenvoudige regels rekening houdend met de waterstand van de rivier.
Dankzij deze maatregelen verbeterde de situatie, maar kon toch niet voorkomen worden dat de Demer nog buiten haar oevers trad in 1998 en 2002. Dit is onder meer te wijten aan de regelaar. Deze houdt immers geen rekening met de neerslagvoorspellingen en verwaarloost hierdoor belangrijke, beschikbare informatie. Hierdoor reageert de regelaar pas wanneer de hevige regenval zich manifesteert, maar dan is het onheil vaak reeds geschied.
Een oplossing voor dit probleem bestaat in het vervangen van de regelaar door een geavanceerd en intelligent regelsysteem zoals een model predictieve regelaar. Zoals de naam het zelf zegt, werkt deze regelaar met een model van het te regelen proces. Voor de Demer beschrijft het model de relaties tussen o.a. de klepstanden, de debieten en de waterstanden van de rivier en houdt het rekening met de invloed van de toekomstige neerslag op de waterstanden. Hierdoor houdt de regelaar rechtstreeks rekening met de weersvoorspellingen bij het bepalen van de klepstanden en kan hij preventief reageren.
Simulatieresultaten voor de historische data tijdens de overstroming van 1998 tonen een sterke verbetering bij het gebruik van de model predictieve regelaar tegenover de regelaar die vandaag gebruikt wordt. Doordat de regelaar de beschikbare buffercapaciteit optimaler gebruikt, worden het aantal en de grootte van de overstromingen sterk gereduceerd. Waar de Demer met de oude regelaar nog met 48 cm overstroomde, blijft het waterniveau nu 22 cm onder de overstromingsgrens. Belangrijk hierbij is dat deze sterk verbeterde resultaten bekomen worden door enkel de regelaar te vervangen. De bestaande infrastructuur wordt volledig hergebruikt zodat er geen extra investeringen nodig zijn.
Verder is het nog van belang om op te merken dat de gebruikte technologie toepasbaar is voor overstromingsbeheersing bij rivieren in het algemeen. De Demer is hier als studieobject gebruikt, maar deze techniek kan ook gebruikt worden bij andere rivieren wanneer een nauwkeurig model van deze rivieren voorhanden is.
Vooraleer de techniek ook in de praktijk toegepast kan worden, is verder onderzoek noodzakelijk. De eerste resultaten zijn alleszins zeer beloftevol en openen het perspectief dat overstromingsgevaar verkleind of zelfs vermeden kan worden.
Bibliografie
[1] (2007, december) Milieurapport Vlaanderen. De Vlaamse Milieu Maatschappij. [Online beschikbaar]: http://www.milieurapport.be/default.aspx?PageID=86&ChapID=2749&NodeID=8…
[2] Wat doet Europa? Stormen en overstromingen. Europese Commissie. [Online beschikbaar]: http://ec.europa.eu/research/leaflets/disasters/nl/storms.html
[3] Evolutie aantal zware overstromingen (mondiaal, Europa, België; 1970-2006). Vlaamse Milieu Maatschappij. Op basis van OFDA/CRED International Disaster Database UCL (www.em-dat.net). [Online beschikbaar]: http://www.milieurapport.be/default.aspx?PageID=86&ChapID=2749&NodeID=8…
[4] Toelichting bij de kaart met overstromingsgevoelige gebieden voor de watertoets. Watertoets. [Online beschikbaar]:
http://www.watertoets.be/richtlijnen-voor-toepassing/kaarten/Toelichtin…
[5] J. Berlamont. Overstromingen: waarom, waar, wanneer, hoe? Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen. [Online beschikbaar]: http://geo-vlaanderen.gisvlaanderen.be/Geo-Vlaanderen/overstromingskaar…
[6] Zijn er meer overstromingen dan vroeger? K.U.Leuven. [Online beschikbaar]: http://wet.kuleuven.be/leerkrachten/lessenpakket/geografie/geografie.PDF
[7] I. Terrens. In welke mate zijn overstromingen af te bakenen en te beheersen? Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen. [Online beschikbaar]: http://geo-vlaanderen.gisvlaanderen.be/Geo-Vlaanderen/overstromingskaar…
[8] P. Thomas. Ruimte voor water, de beste verzekering tegen wateroverlast: In welke mate zijn overstromingen af te bakenen en te beheersen, persconferentie. Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen. [Online beschikbaar]: http://geo-vlaanderen.gisvlaanderen.be/Geo-Vlaanderen/overstromingskaar…
[9] S. Qin en T. Badgwell, “A survey of industrial model predictive control technology,” Control Engineering Practice, vol. 11, nr. 7, pp. 733–764, 2003. [Online beschikbaar]: http://cepac.cheme.cmu.edu/pasilectures/darciodolak/Review_article_2.pdf
[10] J. Rossiter, Model-Based Predictive Control: A Practical Approach, R. Bishop, Ed. CRC Press, 2003.
[11] T. Barjas Blanco, P. Willems, B. De Moor, en J. Berlamont, “Flooding Prevention of the Demer River using Model Predictive Control,” in Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control, 2008. [Online beschikbaar]: ftp://ftp.esat.kuleuven.ac.be/sista/tbarjan/IFAC08.pdf
[12] T. Barjas Blanco, P. Willems, J. Berlamont, B. De Moor, K. Cauwenberghs, S. Rombauts, en F. Raymaekers, “Real-time sturing van wachtbekkens,” Water, vol. 25, 2006. [Online
beschikbaar]: http://www.tijdschriftwater.be/water25-11HI.pdf
[13] P.Willems, T. Barjas Blanco, P.-K. Chiang, K. Cauwenberghs, J. Berlamont, en B. De Moor,
“Evaluation of river flood regulation by means of model predictive control,” in 4th International
Symposium on Flood Defence: Managing Flood Risk, Reliability and Vulnerability, 2008.
[14] P. van Overloop, “Model Predictive Control of Open Water Systems,” Ph.D. dissertatie, Technische Universiteit Delft, 2006.
[15] V. Ruiz en J. Ramirez, “Predictive Control in Irrigation Canal Operation,” IEEE SMC98, vol. 4, pp. 3987–3901, 1998. [Online beschikbaar]: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=726696 isnumber=15672
[16] T. Thai, “Numerical Methods for Parameter Estimation and Optimal Control for the Red River Network,” Ph.D. dissertatie, Universität Heidelberg, 2005. [Online beschikbaar]: http://deposit.d-nb.de/cgi-bin/dokserv?idn=975808583&dok_var=d1&dok_ext…
[17] Het Demerbekken. Provincie Vlaams Brabant. [Online beschikbaar]: http://www.water4all.be/site/downloads/algemeen/demer.pdf
[18] De Digitale Demer. Een nieuw en krachtig instrument voor waterpeilbeheer, Ministerie
van de Vlaamse Gemeenschap Std., december 2003. [Online beschikbaar]: http: //www.lin.vlaanderen.be/awz/waterstanden/hydra/publicaties/demer-brochure…
[19] Coördinatiecommissie Integraal Waterbeleid Vlaanderen. Beschikbaar op 29 mei 2009.
[Online beschikbaar]: http://www.bekkenwerking.be/bekkens
[20] J. Heylen, “Verslag Hoge Waterstanden Demerbekken Sep 98,” Ministerie van de Vlaamse
Gemeenschap, Departement Leefmilieu en Infrastructuur, Administratie Waterwegen en
Zeewezen, Afd.Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek, Tech. Rep., 1999.
[21] Overstromingvoorspeller Vlaanderen. Vlaamse Milieu Maatschappij. [Online beschikbaar]: www.overstromingsvoorspeller.be
[22] T. Barjas Blanco, B. De Moor, P. Willems, en J. Berlamont, “Flood prevention combining model predictive control with expert knowledge,” in 26th Benelux Meeting on Systems and Control, 2007.
[23] D. C. Rogers en J. Goussard, “Canal control algorithms currently in use.” Journal of Irrigation
and Drainage Engineering, vol. 124, nr. 1, pp. 11–15, 1998.
[24] J. Nocedal en S. Wright, Numerical Optimization, T. Mikosch, S. Resnick, en S. Robinson, Eds. Springer Series in Operations Research and Financial Engineering, 2006.
[25] M. Diehl, “Numerieke Optimalisatie,” in Cursus aan de K.U.Leuven, H03E3A: Optimalisatie, 2007. [Online beschikbaar]: http://www.kuleuven.be/onderwijs/aanbod/
syllabi/H03E3AN.htm
[26] E. Camacho en C. Bordons, “Nonlinear Model Predictive Control: an Introductory Survey,” in Preprints International Workshop on Assessment and Future Directions of Nonlinear Predictive Control NMPC’05, R. F. F. A. L. Biegler, Ed., Augustus 2005, pp. 15–30.
[27] J. Vandewalle, J. Schoukens, en J. Suykens, “Systeemidentificatie en modellering,” in Cursus aan de K.U.Leuven, H03E1A: Systeemidentificatie en modellering, 2007. [Online beschikbaar]: http://www.kuleuven.be/onderwijs/aanbod/syllabi/H03E1AN.htm
[28] B. De Moor, K. Eneman, en Y. Cheng, “Computer Aided Control System Design,” in
Cursus aan de K.U.Leuven, H03E8A: Computergestuurde regeltechniek, 2007. [Online
beschikbaar]: http://www.kuleuven.be/onderwijs/aanbod/syllabi/H03E8AN.htm
[29] G. Vaes, P. Willems, en J. Berlamont, “Het gebruik van bakmodellen voor de voorspelling van de invoer in waterloopmodellen ter plaatse van riooloverstorten,” Water, vol. 4, 2002. [Online beschikbaar]: http://viwc.lin.vlaanderen.be/water/ts2002_04_bakmodellen.pdf
[30] R. Findeisen en F. Allgöwer, “An Introduction to Nonlinear Model Predictive Control,” in 21st Benelux Meeting on Systems and Control, 2002.
[31] M. Henson, “Nonlinear Model Predictive Control: Current Status and Future Directions,” Computers and Chemical Engineering, vol. 23, nr. 2, pp. 187–202, 1998.
[Online beschikbaar]: http://www-unix.ecs.umass.edu/che/henson_group/research/
hybrid/cce98h.pdf
[32] B. Kouvaritakis, M. Cannon, en J. Rossiter, “Non-linear model based predictive control,”
Int. J. Control, vol. 72, nr. 10, pp. 919–928, 1999.
[33] F. Allgöwer, T. Badgwell, J. Qin, J. Rawlings, en S. Wright, “Nonlinear Predictive Control and Moving Horizon Estimation - Introductory Overview,” in Advances in Control, Highlights of ECC’99, ser. Springer, 1999, pp. 391–449.
[34] W. Van Brempt, P. Van Overschee, T. Backx, J. Ludlage, P. Hayot, L. Oostvogels, en S. Rahman, “Grade-Change Control using inca Model Predictive Controller: Application on a dow Polysturene Process Model,” in Proceedings of the American
Control Conference, Denver, Colorado, June 2003. [Online beschikbaar]: http: //www.ipcos.com/cms/uploads/paper_PathFinder_PS2.pdf
[35] B. De Moor, “Advanced Process Control,” in Cursus aan de K.U.Leuven, H03E8A: Computergestuurde regeltechniek, 2007. [Online beschikbaar]: http://www.kuleuven.be/onderwijs/aanbod/syllabi/H03E8AN.htm
[36] J. Van Impe, “Geavanceerde procesregeling in de (bio)chemische industrie,” in Cursus aan de K.U.Leuven, H06J1A: Geavanceerde procesregeling in de (bio)chemische industrie, 2008. [Online beschikbaar]: http://www.kuleuven.be/onderwijs/aanbod/syllabi/H06J1AN.htm
[37] E. Dougherty, Random Processes for Image Signal Processing, E. Dougherty, Ed. Wiley-IEEE Press, 1998.
[38] P. van Overloop, S.Weijs, en S. Dijkstra, “Multiple Model Predictive Control on a drainage
canal system,” Control Engineering Practice, vol. 16, nr. 5, pp. 531–540, May 2008.
[39] N. Haverbeke, T. Van Herpe, M. Diehl, G. Van den Berghe, en B. De Moor, “Nonlinear model predictive control with moving horizon state and disturbance estimation - Application to the normalization of blood glucose in the critically ill,” in Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control, 2008.
[40] C. Rao, J. Rawlings, en J. Lee, “Constrained linear state estimation- a moving horizon approach,” Automatica, vol. 37, pp. 1619–1628, February 2001.
[41] C. Rao, J. Rawlings, en D. Mayne, “Constrained state estimation for nonlinear discrete-time systems: Stability and moving horizon approximations,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 48, pp. 246–258, 2003. [Online beschikbaar]: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1178905
