Optimiser le fonctionnement d'un réservoir

La gestion d’un réservoir est un problème complexe qui comprend des objectifs souvent contradictoires, tels que le contrôle du risque d’inondation, la production d’hydro-électricité, l’approvisionnement en eau pour différents utilisateurs et la navigation. Traditionnellement, des courbes de remplissage de réservoirs sont utilisées pour guider et contrôler l’opération du réservoir. Ces courbes indiquent les lâchers de réservoir selon le niveau de l’eau, les conditions hydrologiques, les demandes en eau et la période de l’année.

Cependant ces courbes ne sont souvent pas efficaces pour représenter les demandes des différents utilisateurs. De plus, le fonctionnement du réservoir est souvent basé sur des jugements subjectifs par les opérateurs. Ainsi, il existe un potentiel pour l’amélioration du fonctionnement de réservoir, sachant que même des améliorations mineures peuvent apporter des avantages conséquents.

Le modèle mathématique MIKE 11 développé par DHI (DHI, 2006a) a été choisi pour simuler l’écoulement dans les rivières.

[Figure : Figure 1.]

et le fonctionnement de réservoirs sur plusieurs projets d’optimisation de gestion de barrage. Le module de gestion d’ouvrages de MIKE 11 permet l’exécution de contrôles complexes, dans lesquels le fonctionnement des réservoirs peut être géré en définissant différentes stratégies pour plusieurs conditions.

Le modèle MIKE 11 est combiné avec l’outil d’optimisation AUTOCAL (DHI, 2006b) qui est utilisé pour l’optimisation des différentes variables de contrôle définies dans les stratégies de fonctionnement des réservoirs.

Cette méthode de simulation-optimisation est utilisée en mode off-line pour l’optimisation des courbes de remplissage de réservoirs sur la base de données historiques. L’utilisation des courbes optimisées avec MIKE 11 fournit alors un système de référence du fonctionnement du réservoir. Ce système peut être encore amélioré en temps réel par ajustement des rejets du réservoir en se basant sur les données en temps réel ainsi que sur des prévisions. Dans ce cas, la modélisation sous MIKE 11 et le système de gestion du réservoir utilisent des prévisions météorologiques afin d’estimer les apports au réservoir. Le tout est combiné avec l’outil d’optimisation pour proposer des stratégies de fonctionnement à court terme basées sur le modèle de l’optimum de Pareto.

Méthode d’optimisation des simulations

La méthode d’optimisation utilisée est décrite dans la figure 1.

Les variables de contrôle à optimiser sont généralement des courbes de niveaux d’eau en fonction du temps (à l’échelle de l’année) : niveaux dans les réservoirs, niveaux aux points de contrôle (débordements, inondations…). Dans le cadre d’une optimisation en temps réel, ces variables de contrôle doivent prendre en compte la production hydroélectrique et autres usages de l’eau, mais également la gestion des inondations. Des fonctions « objectifs » sont utilisées pour traduire ces critères d’optimisation (gestion des inondations, hydroélectricité, irrigation…).

Le logiciel d’optimisation AUTOCAL inclut une procédure automatique qui transforme les fonctions « objectifs » en données quantifiables et comparables entre elles. Cette méthode facilite le choix de la pondération à appliquer et ainsi représente le poids de chaque critère dans l’optimisation.

Retenue de Hoa Binh

L’approche de simulation-optimisation a été appliquée pour l’optimisation du fonctionnement du réservoir de Hoa Binh au Vietnam. Hoa Binh est la plus grande retenue d’eau du Vietnam avec un volume actif de 5,6 milliards de m³. Elle est utilisée pour fournir de l’énergie hydroélectrique, pour l’approvisionnement en eau et pour la protection contre les inondations. Le réservoir est équipé de huit turbines d’une capacité maximale de 240 MW correspondant à une puissance totale de 1 920 MW. Il produit en moyenne 7 800 GWh par an.

Le réservoir de Hoa Binh est situé sur le fleuve Da, qui est le plus grand affluent de la rivière Rouge. Le bassin-versant de la rivière Rouge est situé dans la région au nord-est du Vietnam et a une superficie de 169 000 km². Le débit moyen annuel à Hanoï est d’environ 3 700 m³/s, dont plus de 50 % proviennent du fleuve Da. La variabilité saisonnière est significative avec environ 80 % des précipitations annuelles concentrées durant la saison des pluies, de mai à octobre.

Dans l’analyse, l’interaction entre le contrôle du risque d’inondation et la production d’hydro-électricité durant la saison des pluies est spécifiquement étudiée. Le schéma du modèle est donné dans la figure 2.

Le modèle MIKE 11 est établi pour la partie aval du bassin-versant de la rivière Rouge afin de simuler le débit entrant dans le réservoir de Hoa Binh et l’écoulement dans la partie aval.

Pour simuler les lâchers du réservoir de Hoa Binh, des ouvrages opérationnels comprenant des vannes, des déversoirs et des turbines sont spécifiés comme ouvrages de contrôle dans MIKE 11. Les ouvrages de contrôle sont gérés avec des stratégies de commande qui déterminent le fonctionnement des ouvrages en fonction du niveau de l’eau dans le réservoir et du niveau de la rivière en aval.

[Figure : Figure 2.]

L’eau en aval est un point critique en ce qui concerne le risque d’inondation à Hanoi. Le fonctionnement consiste à définir les débits à travers les turbines ainsi que dans les vannes et les évacuateurs.

Afin d’évaluer la performance des courbes optimisées, des données historiques sur une période de 20 ans ont été utilisées comme données d’entrée dans MIKE 11. Ce modèle a permis d’augmenter la production électrique annuelle d’en moyenne 80 GWh dans la saison des pluies et de 130 GWh dans la période sèche.

Mise en place du système en Afrique du Sud (Rivières Great Fish, Sundays et Orange)

Les rivières Great Fish, Sundays et Orange sont situées dans la province Eastern Cape d’Afrique du Sud. L’eau retenue par le barrage de Gariep dans le bassin-versant de la rivière Orange est acheminée vers le bassin de la rivière Great Fish par l’intermédiaire du tunnel Orange-Fish.

L’écoulement se propage alors vers la retenue de Grassridge et ensuite vers le déversoir d’Elandsdrift, où une partie de l’écoulement est bifurquée vers la rivière Little Fish, dont une partie est utilisée pour l’approvisionnement en eau potable.

L’objectif de ce projet est de minimiser les pertes d’eau dans ce réseau, de s’assurer que les besoins en eau pour l’irrigation soient maintenus, de maintenir un niveau d’eau dans les retenues et de diminuer les risques d’inondation.

Un modèle hydrodynamique MIKE 11 a été mis en place pour représenter 850 kilomètres de rivières. La salinité a aussi été intégrée dans le modèle de manière spatiale et temporelle.

Le procédé d’optimisation a permis d’améliorer la gestion du système. Ainsi les résultats du modèle ont indiqué qu’une économie d’eau d’environ 50 millions de m³ serait envisageable en moyenne chaque année.