Optimal weekly releases from a multireservoir hydropower system

The operation of a multi-unit electric energy generating system is studied under certain and uncertain future inflow conditions. The generating units include thermoplants, hydroplants with regulating reservoir and run-of-river hydroplants. The objective is to minimize the expected cost of the operation of the system while meeting a previously defined energy demand. A case study is formulated based on the electric energy generating system of the South of Brazil. The system is composed of 6 hydroplants with regulating reservoirs, 2 run-of-river hydroplants, and 8 thermoplants. In order to obtain a better insight into the nature and peculiarities of the system's operation it is initially studied considering the future to be deterministic. An aggregation-optimization-disaggregation procedure is proposed to identify a near optimal solution while reducing substantially the computational effort. This consists of the development of an aggregated representation of the system composed of a hypothetical and unique reservoir with overall energy inflows and releases. Optimal operation of the aggregated system is determined by a new and efficient optimization technique specifically developed for this problem. A disaggregation procedure defines the operation of each system's unit given the operation of the aggregated system. The procedure is based on a heuristic approach that has as a main objective to minimize water spills. An aggregated representation of the system is again adopted for the definition of optimal strategy of operation when the future inflows are uncertain. The characteristics of operation of each reservoir are introduced into the aggregated formulation utilizing the peculiarities of the optimal deterministic operation. A modification of Massé's Chain of Marginal Expectations is used in the computations. The resultant strategy of operation can be presented as a function of aggregated values of energy storage and inflow. The strategy explicitly considers the autocorrelation of aggregated energy inflows. The strategy also implicitly accounts for the cross-correlations among the energy storages and inflows to each reservoir. Finally, a substantial part of the autocorrelation of the energy inflows and storages in each reservoir is indirectly considered in the strategy. Theoretical significance of the strategy is obtained without burdensome computational effort

Geração de escoamentos mensais através de modelo estocástico que utiliza precipitações

Um Modelo Estocástico de Geração de Séries Sintéticas de Escoamentos Mensais é desenvolvido, sendo utilizado como componente determinístico uma regressão linear múltipla que inclui escoamento e precipitação. São determinadas transformações que ajustam as distribuições de frequência de precipitação e escoamento à distribuição de frequência normal. É apresentado um Modelo Estocástico de Geração de Séries de Precipitações Mensais. No Modelo Estocástico de Geração de Séries de Escoamentos Mensais, diversas combinações para o componente determinístico do modelo de geração de escoamentos mensais devem ser testadas, considerando-se como variável endógena o escoamento médio mensal e como variáveis exógenas o escoamento médio mensal do mês antecedente e/ou a precipitação total mensal e/ou a precipitação total mensal do mês antecedente. É considerada como a combinação ótima em cada mês aquela cuja estimativa apresentar menor variança, maior coeficiente de determinação e resultados aceitáveis para os testes de significância dos coeficientes de regressão e da análise da variança. Os modelos matemáticos desenvolvidos são aplicados à bacia do Rio Benedito em Timbó e as séries de precipitações e escoamentos geradas são comparadas com as séries históricas e considerações são realizadas a respeito de problemas teóricos e operacionais.A Stochastic Generation Model of Synthetic Series of Monthly Flows is developed by means of using, as a deterministic component, a multiple linear regression which includes flow and precipitation. Transformations that adjust distributions of frequency of precipitation and flow, to the distribution of normal standard frequency, are determined. A Stochastic Generation Model of Monthly Precipitation Series is presented. In the Stochastic Generation Model of Monthly Flow Series, various combinations for the deterministic component of the generation a model of monthly flows should be tested, considering as an endogen variable the monthly average flow and, as exogen variables, the monthly average flow of the precedent month, and/or the total monthly precipitation, and/or the total monthly precipitation of the precedent month. It is considered as an optimal combination in each month, the one in which the estimation presents least variance, largest coefficient of determination and acceptable results for the significance tests of the regression coefficients and of the analises of variance. The mathematical models developed are applied to the Rio Benedito’s basin, in Timbo, and the series of precipitation and flow generated, are compared to the historic series and considerations are made over theoric and operational problems

A economia dos recursos hídricos : os desafios da alocação eficiente de um recurso (cada vez mais) escasso

O artigo apresenta e analisa os cenários prospectivos de recursos hídricos com base nos quais foram estabelecidas as diretrizes, as metas e os programas do Plano Nacional de Recursos Hídricos (PNRH). Em razão das informações, são analisadas as perspectivas futuras dos quatro setores usuários de água com maiores dinâmicas e possibilidades de conflito: agricultura irrigada, geração de energia, navegação e saneamento básico. Uma questão que não pode ser desconsiderada é a das mudanças climáticas e como poderão afetar as disponibilidades e os usos da água. Dessa análise, algumas conclusões e recomendações vão ser enunciadas, tendo por objetivo a antecipação do futuro e o preparo dos agentes públicos, privados e do terceiro setor para essa tarefa de promoção do uso racional da água, tendo em vista o desenvolvimento sustentável. Ou, como dizem economistas, de alocação ótima de um recurso escasso.This paper presents and analyzes water resource prospective scenarios from which the National Water Resources Plan has established its strategies, goals and programs. Based on these data the future tendencies for 4 water user sectors with greatest dynamic and conflict potential are analyzed: irrigated agriculture, energy generation, navigation and basic sanitation. Issues which cannot be ignored are the climate changes and how they can affect water supply and demands. From these analyses some conclusions and recommendations are proposed, aiming the anticipation of the future and to prepare public, private and third sector actors to promote rational use of water, focusing on the sustained development. Or, as economist used to say: the optimal allocation of a scarce resource

A economia dos recursos hídricos : os desafios da alocação eficiente de um recurso (cada vez mais) escasso

O artigo apresenta e analisa os cenários prospectivos de recursos hídricos com base nos quais foram estabelecidas as diretrizes, as metas e os programas do Plano Nacional de Recursos Hídricos (PNRH). Em razão das informações, são analisadas as perspectivas futuras dos quatro setores usuários de água com maiores dinâmicas e possibilidades de conflito: agricultura irrigada, geração de energia, navegação e saneamento básico. Uma questão que não pode ser desconsiderada é a das mudanças climáticas e como poderão afetar as disponibilidades e os usos da água. Dessa análise, algumas conclusões e recomendações vão ser enunciadas, tendo por objetivo a antecipação do futuro e o preparo dos agentes públicos, privados e do terceiro setor para essa tarefa de promoção do uso racional da água, tendo em vista o desenvolvimento sustentável. Ou, como dizem economistas, de alocação ótima de um recurso escasso.This paper presents and analyzes water resource prospective scenarios from which the National Water Resources Plan has established its strategies, goals and programs. Based on these data the future tendencies for 4 water user sectors with greatest dynamic and conflict potential are analyzed: irrigated agriculture, energy generation, navigation and basic sanitation. Issues which cannot be ignored are the climate changes and how they can affect water supply and demands. From these analyses some conclusions and recommendations are proposed, aiming the anticipation of the future and to prepare public, private and third sector actors to promote rational use of water, focusing on the sustained development. Or, as economist used to say: the optimal allocation of a scarce resource

Self-evaluation of a River Basin Management Committee : the case of Santa Maria River (RS, Brazil)

Terceiro comitê de bacia a ser instituído no Estado do Rio Grande do Sul, no ano de 1994, o Comitê de Gerenciamento da Bacia Hidrográfica do Rio Santa Maria abrange uma região com graves problemas de disponibilidade de água, situação que provoca frequentes conflitos pelo uso deste recurso entre produtores rurais e entre produtores e a companhia estadual de abastecimento público. Este artigo discute as avaliações dos membros do Comitê do Santa Maria e de seus respectivos segmentos sociais quanto a diferentes aspectos do funcionamento do Comitê desde a sua criação, visando subsidiá-lo com informações úteis ao aperfeiçoamento de seus trabalhos.The Santa Maria River Basin Management Committee was the third basin committee created in the State of Rio Grande do Sul, in 1994. It comprises a region with serious problems concerning water availability. Consequently, water use conflicts are very common among farmers and between farmers and the state water supply company. This article discusses the evaluations of the Committee’s representatives and their respective social segments with respect to the Committee’s operation in order to provide the Committee itself with useful information to improve its work

Planning an unregulated water resources system by linear optimization : the Paracatu River Basin

As águas são escassas, tanto sob uma ótica quantitativa como qualitativa, e as obras necessárias para aproveitá-las são geralmente caras. Como os recursos hídricos, e também os econômicos e financeiros, são limitados, os esforços no sentido de um planejamento hídrico racional apresentam um interesse real para a sociedade. Neste trabalho são analisados vários modelos para o planejamento do uso dos recursos hídricos de bacias hidrográficas cujos rios não são regularizados por reservatórios. São utilizadas técnicas simples de otimização linear e apresentados os resultados da aplicação destes modelos à bacia do rio Paracatú, onde preponderam projetos de irrigação.Water is scarce both from the quantitative and qualitative points of view. Hydraulic works needed to use it are usually expensive. Therefore, the efforts at rational planning of water resources are highly relevant for society, as economic and financial resources are often limited. This paper presents several models to plan the use of river basins without reservoir regulation using linear optimization techniques. Simple Linear Programming techniques applied. The application of these models to Paracatu River basin, in Brazil, is presented

Real-Time flood forecasting using fuzzy expert systems

Previsões de níveis de inundação são sempre aproximações. Intervalos de confiança resultam maiores à medida que aumentam as incertezas, podendo ser problemáticos em situações práticas, com níveis fluviais extremos. Como alternativa, propõe-se metodologias para as previsões de níveis de cheia, tanto na forma numérica tradicional quanto na forma de categorias. Utiliza-se um sistema especialista baseado em regras e inferências difusas. Procedimentos computacionais para aprendizado, simulação e consulta são idealizados, e então desenvolvidos para a pesquisa e operação. As metodologias desenvolvidas são aplicadas para previsão na bacia do rio Camaquã (15543 km 2), para alcances de 1 e 2 dias. Os efeitos da variação da densidade da rede são também analisados, verificando-se que sistemas de previsão hidrológica em tempo atual são possíveis, mesmo com pequeno número de postos de aquisição de dados de chuva, para previsões sob forma de categorias difusas.Flood level forecasts are always approximations, and confidence intervals are not always suitable, particularly with low confidence probabilities, which result in excessively wide intervals. These intervals are therefore troublesome when river levels are very low and very high. Flood level forecasts are proposed as alternatives, both in the traditional numerical form, and in the form of vague categories. This is accomplished using an expert system based on fuzzy rules and fuzzy inference. The methodologies are applied to real time river level forecasts in the Camaquã river basin (15543 km2), for lead times of one and two days. Practical difficulties related to the use of fuzzy systems are identified and explored. The effects of raingauge network density are analyzed, and it is found that forecasting systems may be operated even where network density is sparse, given that fuzzy expert systems are available for symbolic predictions

Economic analysis of a low cost alternative for the irrigation of smallholdings in hilly areas

É realizada a análise econômica de uma alternativa de baixo custo para a irrigação de pequenas propriedades rurais.Duas unidades demonstrativas foram utilizadas, em anos agrícolas diferentes, para cultivo de feijão. Na primeira unidade foram avaliados os dados econômicos e de produtividade agrícola. Na segunda unidade foram testadas metodologias para controle de oferta e demanda da água no reservatório de irrigação. É apresentado um desenvolvimento metodológico para o ordenamento territorial, com baixo custo, aplicável em municípios ou regiões com vocação para a agricultura irrigada. O uso de Sistema Geográfico de Informações, alimentado com dados pedológicos, hidrológicos, agronômicos e econômicos, muitos deles obtidos com técnicas de Sensoreamento Remoto, permitiu identificar e classificar áreas aptas para utilizar técnicas de irrigação de baixo custo, na Região da Encosta da Serra do Estado do Rio Grande do Sul, ocupada por inúmeras economias minifundiárias. O modelo foi aplicado no município de Santa Cruz do Sul, através da sobreposição de mapas temáticos de potencial de solos, recursos hídricos, topografia e cobertura florestal. Como resultado obteve-se, para uma área total de 759 Km2 correspondente ao município, 512,45 Km2 de áreas aptas para desenvolver atividades com irrigação, sendo que 9% desta área, apresenta projetos economicamente atrativos, com baixo custo de investimentos.This study deals with a set of methods for classifying land regarding its potential use in coop irrigation with low operational and investment costs applicable in regions with an irregular relief. The use of a Geographic Information System and Remote Sensing techniques together with soil data and classification, hydrological, agricultural and economic information, allowed the identification and classification of areas suitable for irrigation techniques based on gravity flow at the scarp of the Rio Grande do Sul Plateau, occupied by a large number of agricultural smallholdings. The model was applied to the Santa Cruz do Sul region in Rio Grande do Sul, Brazil, superposing thematic maps of water resources, soil production potentials, relief and native forest cover. In this 759 km2 area, comprising the municipality of Santa Cruz do Sul, an area totaling 512.45 km2 suitable for the use of irrigation techniques based on gravity flow, was identified; 9% of this area presents conditions for economically feasible irrigation projects with low investment costs. In two of them experimental tests were applied for production cost and benefit analysis, and information collected which allowed the determination of areas where irrigation is economically feasible

Optimization of a multireservoir water resources system supplying multiple sses in Brazilian Northeast

A eficiente operação de um sistema de recursos hídricos visando a otimização das descargas a serem liberadas para atendimento de diversas demandas é de grande interesse em regiões como o Nordeste brasileiro, onde a água é escassa e a evaporação muito elevada. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de regras de operação para um sistema composto por cinco reservatórios para abastecimento de demandas urbanas e de irrigação na bacia do rio Acaraú, no estado do Ceará. O objetivo é a maximização do valor presente dos benefícios líquidos da operação, sujeita a restrições de balanço hídrico nos reservatórios e de umidade do solo na área cultivada. Alguns artifícios de linearização foram empregados para permitir o uso de otimização linear na solução do problema. Duas formulações foram consideradas: 1) a área irrigada é fixa e a lâmina de rega variável e 2) a área irrigada é variável e a lâmina de rega é fixa, ao longo do tempo. Na primeira formulação regras operacionais foram derivadas para a irrigação de uma área cultivada ótima, a ser computada. A dotação da irrigação poderá atender parcialmente as demandas hídricas das culturas, estabelecendo déficit hidroagrícola e reduções na produtividade. Diversas relações funcionais para as regras operacionais foram testadas. Na segunda formulação a área irrigada pode variar ao longo do tempo em função das condições hidrológicas. Neste caso, a dotação da irrigação deve ser igual à demanda hidroagrícola. Constatou-se que o sistema tem capacidade de irrigar áreas maiores que a originalmente definida no projeto. Nas duas formulações ficou demonstrado que técnicas de otimização podem incrementar a eficiência econômica dos investimentos na infraestrutura hídrica regional e fornecer importantes informações para o dimensionamento e operação ótimos de sistemas de recursos hídricos.Efficient operation of water resources systems, optimizing water discharges to supply several demands, is very relevant in regions like the Brazilian Northeast, where water is scarce and evaporation is high. This paper presents the development of operation rules for a system with 5 reservoirs used to supply urban and irrigation demands in Acaraú River basin, State of Ceará. The objective is the maximization of the present value of the operational net benefits, subject to reservoir and soil water balance constraints. Some linearization artifices was applied to solve the problem using linear optimization. Two formulations were considered: 1) constant irrigated area and variable water supply; 2) variable irrigated area and contant water supply. The first formulation derives operation rules to irrigate an optimal area , to be computed. The irrigation may partially supply crop water demands, establishing water stress and productivity decreases. Several functional relationships for operation rules were tested. In the second formulation irrigated area may vary along the time, according to the hydrologic conditions. The water supply must be equal to the crop water demand. It was concluded that the system under analysis could irrigate greater areas than the projected one. The two formulations showed that optimization techniques may increase economic efficiency of regional water resources investments and present relevant informations to optimal sizing and operation of water resources system

Current practices for establishing environmental flows in Brazil

This paper addresses current practices adopted by Brazilian states for establishing environmental flows. At the national level, the newly created National Water Agency has not yet recommended a standard practice. Confronted with the requirement to grant or deny water rights to users, states have set minimum instream flows using low flow frequency analysis. However, efforts are currently being made to include ecological variables in the decision-making process. One difficulty with the process is the dearth of information regarding instream flow needs for Brazilian species and recreation. International experience on setting environmental flows is valuable, but care must be taken in its application to the Brazilian reality. Finally the authors express their views on the directions that Brazilian regulatory agencies are likely to adopt in the near future for setting environmental flows