Como prever a operação futura de uma barragem para consideração em sistemas de previsão e alerta?

Tema: Gestão de Recursos Hídricos e Sistemas de Previsão e Alerta

Objetivo: Antecipar estratégias de operação de barragens para melhorar a resposta a eventos de cheia e otimizar o uso dos recursos.

Estratégias de Operação em Análise

São consideradas três abordagens distintas para a previsão da operação de barragens, com o objetivo de gerar previsões de caudais efluentes a integrar em sistemas de previsão e alerta:

1. Solução 1 - Regras Operativas Convencionais
   Baseadas em tabelas e curvas predefinidas, estas regras refletem a experiência acumulada dos operadores. Apesar de simples e robustas, não se adaptam facilmente a situações imprevistas ou variáveis em tempo real.
2. Solução 2 - Controlo Preditivo por Modelo (MPC – Model Predictive Control)
   Esta estratégia utiliza modelos matemáticos da albufeira e previsões de afluência para otimizar, em cada instante, a operação futura ao longo de um horizonte temporal. Permite equilibrar múltiplos objetivos (ex.: segurança, produção energética, reservas) de forma dinâmica e eficiente.
3. Solução 3 - Modelo de Inteligência Artificial (IA)
   Explora algoritmos de machine learning treinados com dados históricos e simulações para prever e recomendar estratégias de operação. Oferece elevada capacidade de generalização e adaptação a padrões complexos, podendo complementar ou reforçar as abordagens baseadas em modelos físicos.

Estas três estratégias são comparadas quanto à sua eficácia na operação da barragem do Lindoso, tendo em conta critérios como segurança hidráulica, eficiência energética e resposta a cheias.

Solução 1: Regras Operativas Convencionais

Figura 1 - Estrutura básica de um sistema de Controlo convencioanl através regras operativas aplicado à gestão de barragens.

Objetivo

Esta atividade simula a operação de uma barragem com base em regras operativas empíricas, avaliando o desempenho em cinco cenários de afluência.

Regras Consideradas

• Turbinação permitida apenas se o nível estiver acima de 336 m.
• Operação com 0, 1 ou 2 turbinas (125 m³/s cada).
• Descarga apenas se o nível ≥ 338.5 m ou se a média de afluências das últimas 24h > 300 m³/s (e nível > 336 m).
• Perfil diário de prioridade horária para turbinação.
• Atualização do nível e volume hora a hora, com equação de balanço.

Resultados da Simulação

Comparações entre Cenários

Volume Total por Cenário

Conclusão

O sistema baseado em regras demonstrou ser simples e funcional, permitindo uma operação segura em todos os cenários. No entanto, apresenta menor flexibilidade e eficiência energética quando comparado com estratégias mais avançadas como o controlo preditivo (MPC).

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How can future dam operation be predicted for integration into forecasting and warning systems?

General Theme: Water Resources Management and Forecasting Systems

Objective: Anticipate dam operation strategies to improve response to flood events and optimize resource use.

Operation Strategies Under Analysis

Three distinct approaches are considered for forecasting dam operations, with the goal of generating downstream flow forecasts to be integrated into forecasting and alert systems:

1. Solution 1 – Conventional Operating Rules
   Based on predefined tables and curves, these rules reflect the accumulated experience of operators. While simple and robust, they are not easily adaptable to unforeseen situations or real-time variables.
2. Solution 2 – Model Predictive Control (MPC)
   This strategy uses mathematical models of the reservoir and inflow forecasts to optimize, at each step, the future operation over a time horizon. It allows balancing multiple objectives (e.g., safety, energy production, water storage) dynamically and efficiently.
3. Solution 3 – Artificial Intelligence (AI) Model
   Explores machine learning algorithms trained on historical data and simulations to predict and recommend operating strategies. It offers high generalization capacity and adapts to complex patterns, complementing model-based approaches.

These strategies were compared regarding their effectiveness in operating the Lindoso dam, considering criteria such as hydraulic safety, energy efficiency, and flood response.

Solution 1: Conventional Operating Rules

Figure 1 - Basic structure of convetional operating rules system applied to dam management.

Objective

This activity simulates dam operation based on empirical rule-based strategies, evaluating performance across five inflow scenarios.

Rules Applied

• Turbination allowed only if the reservoir level is above 336 m.
• Operation using 0, 1, or 2 turbines (each 125 m³/s).
• Spill occurs only if level ≥ 338.5 m or if the average inflow over the last 24 hours > 300 m³/s (and level > 336 m).
• Daily priority profile for turbine operation.
• Hourly update of level and volume using a mass balance equation.

Simulation Results

Scenario Comparison

Total Volume per Scenario

Conclusion

The rule-based system proved to be simple and functional, allowing safe operation in all scenarios. However, it offers lower flexibility and energy efficiency compared to more advanced strategies such as Model Predictive Control (MPC).

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