Intelligente sturing ter beheersing van overstromingen langs de Demer

Natte voeten of niet: Intelligente sturing maakt het verschil

Tussen 1980 en 2009 werden wereldwijd 2,8 miljard mensen getroffen door watersnood. Intelligente sturing via Model Predictive Control (MPC) is een innovatieve sturingstechniek voor het beheersen van overstromingen. Bert Van den Zegel en Evert Vermuyten maakten voor hun scriptie in de ingenieurswetenschappen gebruik van deze techniek om de sturing van hydraulische regelstructuren zoals stuwen langs waterlopen te optimaliseren. Als gevalsstudie werd het Demerbekken gebruikt, maar de techniek is universeel toepasbaar en bovendien haast direct operationeel bruikbaar. Deze zal binnenkort dan ook in de praktijk toegepast worden om wateroverlast in belangrijke mate te verminderen.

Huidige aanpak ontoereikend
Waterschade is wereldwijd een zeer actuele problematiek. Bij de overstromingen van november 2010 vielen in België vier doden. De schade hierbij bedroeg 180 miljoen euro. De overheid treft verschillende maatregelen om de overstromingsproblematiek aan te pakken. Een belangrijk voorbeeld is de bouw van wachtbekkens. Dit zijn grote onbebouwde gebieden die bij hevige regenval onder water gezet kunnen worden. Beweegbare stuwen regelen het vullen en ledigen van de wachtbekkens. De timing is hierbij van cruciaal belang om overstromingen optimaal te beheersen. De stuwen bewegen vandaag de dag volgens vooraf opgestelde vaste regels. Deze regels houden echter alleen rekening met de toestand in de onmiddellijke omgeving van de stuw. Daarnaast beschouwen ze geen neerslagvoorspellingen waardoor ze niet kunnen anticiperen op aankomende neerslag. Bert Van den Zegel en Evert Vermuyten maakten in hun onderzoek gebruik van voorspellings- en schademodellen om aan deze problemen tegemoet te komen.

Intelligente sturing: Model Predictive Control
Voor het bepalen van het beste verloop van de klepstanden van de stuwen maakte het onderzoek gebruik van de Model Predictive Control (MPC) techniek. Deze techniek beschouwt verschillende toekomstscenario’s en selecteert het beste resultaat. Concreet houdt dit het uitvoeren van heel wat voorspellingssimulaties in. Hierbij verschillen de configuraties van de klepstanden telkens. Een schademodel bepaalt het beste scenario op basis van de in de toekomst te verwachten schade. De bijhorende klepstanden worden in werkelijkheid aangelegd tijdens de volgende optimalisatie. Deze optimalisatie gebeurt in real-time en herhaalt zich wanneer nieuwe meetgegevens beschikbaar zijn.

“Totaal overstroomd volume met bijna 50% beperkt.”

Voor de toepassing van real-time sturing is het nodig om binnen een beperkte tijd veel scenario’s te beschouwen. Hiertoe is er nood aan snelle computermodellen. De waterbeheerders hebben van de meeste Vlaamse rivierbekkens gedetailleerde modellen opgesteld. Deze geven een zeer accuraat beeld van het riviernetwerk, maar simulaties duren enorm lang. Het is daarom aangewezen om te werken met vereenvoudigde of conceptuele modellen. Dit zijn ruwere schematiseringen van het riviernetwerk, met een veel kleinere rekentijd. Een dergelijk model werd in dit onderzoek gebruikt. Het berekent de waterstanden op verschillende locaties op basis van de bewegingen van de stuwen en neerslagvoorspellingen.

Simulatieresultaten tonen grote verbeteringen aan
Het ontwikkelde MPC-instrument werd toegepast op het Demerbekken. Uit de simulatieresultaten blijkt dat de intelligente sturing enorme verbeteringen verwezenlijkt ten opzichte van de huidige vaste regels. Door de stuwen intelligenter te sturen wordt het totaal overstroomd volume met bijna 50% beperkt voor de historische overstroming van september 1998. Deze overstroming is de grootste van de laatste decennia in Vlaanderen en veroorzaakte een schade van 16 miljoen euro. De intelligente sturing had dus veel leed en vele miljoenen euro kunnen besparen.

Zolang er geen gevaar voor overstroming is, zorgt de MPC-techniek er voor dat al het water wordt afgevoerd via de rivier. Bij dreigende wateroverlast voert het zoveel mogelijk water af via de rivier en schakelt het de wachtbekkens in om overtollig water te bergen. Bij uitzonderlijke regenval is de capaciteit van de wachtbekkens echter onvoldoende en zijn overstromingen onvermijdelijk. MPC probeert in die gevallen de schade zo veel mogelijk te beperken en stedelijke gebieden te vrijwaren. Dit doet het door eerst weilanden en onbebouwde gebieden te laten overstromen. Dit is mogelijk door bij de optimalisatie rekening te houden met de toestand in het hele netwerk. Door bovendien niet alleen naar de huidige situatie, maar ook naar de toekomst te kijken, wordt de schade over een hele periode geminimaliseerd. Zo kan het bijvoorbeeld beter zijn om nu een kleine overstroming toe te laten als daardoor een overstroming met veel schade in de toekomst vermeden kan worden. Door de timing van het vullen en ledigen te optimaliseren maakt de nieuwe techniek efficiënter gebruik van de capaciteit van de wachtbekkens.

Extra stuwen in het Demerbekken en verhoogde intelligentie
Tijdens het onderzoek werd vastgesteld dat een bepaald deel van de wachtbekkens niet helemaal gevuld werd. Dit deel stroomt leeg in de aangrenzende rivieren, omdat er geen stuw tussen staat. Door twee extra stuwen te plaatsen is dit probleem van de baan. Meer nog, uit simulatieresultaten met dit aangepaste netwerk in combinatie met MPC blijkt dat de overstroming van september 1998 met deze maatregelen bijna volledig vermeden had kunnen worden. Het plaatsen van dergelijke stuwen kost echter enkele miljoenen euro. Gezien de hoge kost die met deze overstroming gepaard ging, lijkt het op het eerste gezicht aangewezen deze stuwen te plaatsen. Doch is het bij investeringen van dergelijke omvang aangewezen een meer gedetailleerde afweging te maken van de kosten en baten.

Met het oog op de toepassing van MPC op grotere riviernetwerken en het uitvoeren van statistisch onderzoek zijn verschillende methoden onderzocht om de intelligentie van de sturing verder te verbeteren. De bedoeling hiervan is om doelgerichter te werk te gaan en bijgevolg de efficiëntie van de optimalisaties te verhogen. Een optimalisatietechniek waarbij stuwen gegroepeerd worden en opgedeeld in verschillende niveaus blijkt veelbelovend en zal in de toekomst verder onderzocht worden.

Toekomstmuziek
Tijdens deze scriptie werd een intelligente sturingsmethode uitgewerkt en getest die overstromingen in belangrijke mate beperkt door rekening te houden met neerslagvoorspellingen. Bert Van den Zegel en Evert Vermuyten zullen deze software de komende jaren verder verfijnen en uitbreiden. De verbeteringen zijn echter op dit moment reeds dermate significant dat de techniek binnen een korte tijdspanne in de praktijk geïmplementeerd zal worden door de Vlaamse Overheid. Dit zal gebeuren in een samenwerking tussen de Vlaamse Milieumaatschappij, ingenieursbureaus Antea en IMDC, het bedrijf Ipcos en de KU Leuven.