Modellbasierte Mehrzieloptimierung zur operationellen Bewirtschaftung von Talsperrenverbundsystemen

Die optimale Bewirtschaftung von Talsperrenverbundsystemen stellt aufgrund ihrer Dimension und den zum Teil widersprüchlichen Bewirtschaftungszielen eine besondere Herausforderung dar. Die strategische Aufgabe der Talsperren ist dabei der kurz bzw. langfristige Ausgleich zwischen dem natürlich schwankenden Wasserdargebot und den vielseitigen Nutzungsformen. Mit dem Ziel allen Bewirtschaftungszielen gerecht zu werden und den Gesamtnutzen eines Verbundsystems zu erhöhen, bedarf es einer koordinierten und dynamischen Betriebsstrategie. Der Einsatz von Simulations und Optimierungsverfahren sowie von Vorhersagedaten hilft dabei, die gegebenen Wasserressourcen effektiv und nachhaltig zu nutzen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Modellstrategie vorgestellt, die es erlaubt, die Abgaben aus den Talsperren an die variablen Randbedingungen und Bewirtschaftungsziele kontinuierlich und bedarfsgerecht anzupassen. Die dafür angewandte Methode der modellbasierten prädiktiven Regelung (MPR) kombiniert die Vorteile der Simulation sowie der mathematischen Optimierung zur Lösung eines multikriteriellen Entscheidungsproblems. Während die Optimierung Steuerungsalternativen für die Wasserabgaben aus den Talsperren identifiziert, ist es Aufgabe der Simulation, die zeitlichen Zusammenhänge zwischen Steuerungseingriff und den zugehörigen Auswirkungen auf relevante Systemgrößen in einem regelbaren Talsperrenverbundsystem adäquat abzubilden. Vor dem Hintergrund der Echtzeitbewirtschaftung orientiert sich die Optimierung hierzu an den prognostizierten Randbedingungen hinsichtlich Hydrologie und Wasserbedarf. Ausgehend von einem Konzept zur Entwicklung eines Entscheidungsmodells liegt der Fokus der Arbeit auf der mathematischen Abstraktion von Bewirtschaftungszielen in Form einer Zielfunktion. Die behandelten Anwendungsbeispiele geben dabei Anhaltspunkte, um komplexe und praxisrelevante Problemstellungen der operationellen Talsperrenbewirtschaftung in einem Optimierungsmodell abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass die MPR ein robustes Verfahren zur Lösung dynamischer, multikriterieller Entscheidungsprobleme ist. Sowohl die optimierten Talsperrenabgaben als auch die berechneten Bewertungskriterien stellen eine gute Entscheidungsgrundlage dar und unterstützen den Anwender bei einer bedarfsorientierten und koordinierten Abgabenplanung. Die interaktive Festlegung und Priorisierung von Zielvorgaben gewährleistet zudem eine Anpassung an die aktuelle Bedarfssituation. Letztendlich ist das Modellkonzept durch eine ausreichende Flexibilität gekennzeichnet, so dass dieses auf unterschiedlich strukturierte Talsperrensysteme übertragbar ist.