Intelligente sturing ter beheersing van overstromingen langs de Demer

Evert Vermuyten Bert Van den Zegel
Natte voeten of niet: Intelligente sturing maakt het verschilTussen 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.

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 ontoereikendWaterschade 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 ControlVoor 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 aanHet 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 intelligentieTijdens 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.

ToekomstmuziekTijdens 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.

Bibliografie

Barjas-Blanco, T., Chian, P., Breckpot, M., Willems, P., Berlamont, J. & De Moor, B., 2009. Onderzoek naar intelligente sturingstechnieken voor operationeel oppervlaktewaterbeheer – Studie uitgevoerd voor Vlaamse Milieumaatschappij (Afdeling Operationeel Waterbeheer). 160p.

Barjas-Blanco, T., Chian, P., Breckpot, M., Willems, P., Berlamont, J. & De Moor, B., 2010. Flood regulation using nonlinear model predictive control. Control Engineering Practice, Vol 18, no. 10, p. 1147-1157

Barjas Blanco, T., Willems, P., Chiang, P-K., Cauwenberghs, K., De Moor, B., Berlamont, J. 2010. ‘Flood Regulation by means of Model Predictive Control’, In: “Intelligent Infrastructures” (Eds. R.R. Negenborn, Z. Lukszo, and H. Hellendoorn), Springer, Series: Intelligent Systems, Control and Automation: Science and Engineering, Vol. 42, 529 p., 407-437, doi: 10.1007/978-90-481-3598-1_16, ISBN: 978-90-481-3597-4

Berlamont, J., 2001. Overstromingen: waarom, waar, wanneer, hoe? Symposium ruimte voor water, de beste verzekering tegen wateroverlast. Brussel, 15 mei.

Berlamont, J., 2012. Stuwen cursustekst. Leuven: Acco (ISBN 978-90-334-6157-6)

Behrendt, M., 2009. A basic working principle of Model Predictive Control

Cant,P., 2013. Onderzoek naar de fysische sedimentkarakteristieken van de Demer en haar bijrivieren: Sedimentatieproeven in natuurlijk rivierwater,  beschikbaar op: http://www.scriptiebank.be/scriptie/onderzoek-naar-de-fysische-sediment…

Chiang, P.K., 2012. Note for MPCGA’s objective function

Chiang, P.K., 2013. Flood control combining optimization techniques with hydrological-hydraulic modeling. Doctoraattsstudie aan de KU Leuven – Afdeling Hydraulica, lopend.

Chiang, P-K., Willems, P., 2010. A conceptual river model to support real-time flood control (Demer river, Belgium), River Flow 2010 (eds. A. Dittrich, K. Koll, J. Aberle, P. Geisenhainer), Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Germany; Volume 2, 1407-1414; ISBN 978-3-939230-00-7

Hasel, 1991. Herk, beschikbaar op: http://www.hasel.be/nl/subjects/4991/herk.html

HIC, 2003. De digitale Demer, een nieuw en krachtig instrument voor waterpeilbeheer, beschikbaar op: http://www.lin.vlaanderen.be/awz/waterstanden/hydra/publicaties/demerbr…

Coördinatiecommissie Integraal Waterbeleid, 2013. Watertoets, beschikbaar op http://www.integraalwaterbeleid.be

Innovyze, 2012. InfoWorks River Simulation Help Documentation (version 12.5). Verenigd Koninkrijk, Wallingford Software

Integraal Waterbeleid Demerbekken, 2006. Vol van water… De waterbeheerplannen in openbaar onderzoek. Demerbekken.

Integraal Waterbeleid Demerbekken, 2008-2013. Het bekkenbeheerplan van het Demerbekken.

IPCC, 2007. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Summary for Policymakers, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC Secretariat, Geneva, Switzerland.

KMI, 2013. Meteo, beschikbaar op: http://www.meteo.be/meteo/view/nl/1103154-Neerslag.html

Malaterre, P.O., Rogers, D.C., Schuurmans, J., 1998. Classification of Canal Control Algorithms, Journal of irrigation and drainage engineering, Vol. 124., no. 1, p. 3-10, januari 1998.

MathWorks, 2013. SIMULINK, Simulation and Model-Based Design, beschikbaar op: http://www.mathworks.nl/products/simulink/index.html

Meert, P., 2012. Intelligente sturing van wachtbekkens ter voorkoming van overstromingen. Masterthesis Faculteit Ingenieurswetenschappen KULeuven.

Natuurpunt, 2008. Vallei van de Zwarte Beek, Hechtel-Eksel, beschikbaar op: http://www.natuurpunt.be/nl/de-natuur-in/natuurgebied-vallei-van-de-zwa…

Negenborn, R.R., van Overloop, P.-J., Keviczky, T., and De Schutter, B., 2009. Distributed model predictive control of irrigation canals, Networks and Heterogeneous Media, vol. 4, no. 2, p. 359–380, juni 2009.

OBM-Demer, 2003. Operationeel Bekken Model Demer, Technische Beschrijving v2.0, Wallingford Software – Soresma – IMDC, November 2003.

Oostbrabantse Werkgemeenschap, 2009. Oost 1967-1, beschikbaar op: http://www.oostbrabant.org/Tijdschriften/Oostbrabant/1967-1/div1.html

Rutz, V.M., Ruiz, C., Ramires, L., 1998. Predictive control in irrigation canal operation. IEEE, SMC98, Vol. 4, p. 3897-3901

Schafer, R.W., 2011. Differentiation of data by simplified least squares, IEEE Signal Processing Magazine, p. 111-117, juli 2011.

Van Overloop, P.-J., Weijs, S., Dijkstra, S., 2008. Multiple Model Predictive Control on a drainage canal system, Control Engineering Practice, vol. 16, no. 5, p. 531-540, mei 2008

Van Steenbergen, N., Ronsyn, J., Willems, P., 2012. Non-parametric data-based approach for probabilistic flood forecasting in support of uncertainty communication, Environmental Modelling & Software, 33, 92-105

Van Steenbergen, N., Ronsyn, J., Willems, P., Van Eerdenbrugh, K., 2011. ‘A data-based probabilistic approach to calculate and visualise the uncertainty of flood forecasts’, International Symposium on “Urban Flood Risk Management (UFRIM 2011) - Approaches to enhance resilience of communities”, 21-23 September 2011, Graz, Austria, Proceedings (Eds. Gerald Zenz, Rudolf Hornich), 177-182; ISBN 978-3-85125-173-9 (Verlag der Technischen Universitat Graz)

Van Steenbergen, N., Willems, P., 2012, ‘Assessment of model improvement actions in river hydrodynamic modelling.’, River Flow 2012 (Ed. R.M. Muñoz), International Conference on Fluvial Hydraulics, Costa Rica, 5-7 Sept. 2012; Volume 2, CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK, 1219-1225; ISBN 979-0-415-62129-8

Van Steenbergen, N., Willems, P., Deschamps, M., 2013. ‘Identification of uncertainty sources in flood forecasting’, International Conference on Flood Resilience (ICFR): Experiences in Asia and Europe, Exeter, UK, 5-7 September 2013, 7 p.

Velpeleven Boutersem, 1974. "Al wandelend langs de Velpe, delen 1 & 2, beschikbaar op: http://www.velpeleven.be/art1974_1_2_wandelendlangsdevelpe1.htm

Villazón, M.F., 2011. Modelling and conceptualization of hydrology and river hydraulics in flood conditions, for Belgian and Bolivian basins. Doctoraatsthesis Faculteit Ingenieurswetenschappen KU Leuven.

VMM, 2013. Overstromingsvoorspeller, beschikbaar op: www.overstromingsvoorspeller.be

Willems, P., Barjas Blanco, T., Chiang, P.-K., Cauwenberghs, K., Berlamont, J., De Moor, B., 2008. Evaluation of River Flood Regulation by means of Model Predictive Control, 4th International Symposium on Flood Defense: Managing Flood Risk, Reliability and Vulnerability, Toronto, Ontario, Canada, May 6-8.

Willems P., Barjas Blanco T., Chiang P-K., Cauwenberghs K., Berlamont J., De Moor B., 2008. Real-time control of urban flooding, In: Water & Urban Development Paradigms: Towards an integration of engineering, design and management approaches, J.Feyen, K.Shannon, M.Neville (ed.), CRC Press, Taylor & Francis Group, 265-270 (ISBN 978-0-415-48334-6 Hardback; 978-0-203-88410-2 eBook)

Wolfs, V., Van Steenbergen, N., Willems, P., 2012. ‘Flood probability mapping by means of conceptual modeling’, River Flow 2012 (Ed. R.M. Muñoz), International Conference on Fluvial Hydraulics, Costa Rica, 5-7 Sept. 2012; Volume 2, CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK, 1081-1085; ISBN 979-0-415-62129-8

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Deel deze scriptie