Διαχείριση υδατικών πόρων σε περιβάλλον ασαφούς λογικής: εύρεση της βέλτιστης θέσης εγκατάστασης μικρού υδροηλεκτρικού σταθμού

Abstract

The aim of the present thesis was the choice of the optimal site for locating a small hydropower plant among eight alternative sites. These sites are located in the western area of the prefecture of Karditsa. The abundance of water resources, due to the significant rainfall, in conjunction with the elevation differences available from intake to the power station building, ensure feasibility and sustainability of the project. Hydrological analysis of the river basins, the dimensioning of the required projects and their economic and technical analysis were carried out for these sites. In the past, various methods have been developed in order to find the optimal location for constructing a small hydropower plant, based mainly on cost-benefit analysis. Additionally, environmental and social criteria were taken into consideration in this thesis. These criteria play an important role in project locating, as the optimal location of the project depends on many conflicting criteria, which may also have qualitative character. Thus, the problem transforming into a multi-criteria decision-making (MCDM) problem. The best site for locating the hydropower plant was considered to be the one that satisfied as many as possible the selected criteria, while the sites of hydropower plants were the alternatives. In the present thesis, the method of the Analytic Hierarchy Process (AHP) was applied, which was introduced in 1980 by Saaty. This method was applied for the alternative proposals, as well as for the determination of the weights, in order to objectify the weights as much as possible. In addition to the AHP method, weights were calculated based on Shannon's entropy method. The multi-criteria method used for this problem is the relative ratio method, which is a relatively recent (2009), but also a prototype method. This method, proposed by Li, is an extension of the Vikor method and is part of the general methods of compromise programming. In this method by calculating the index ξ, both the distance of the alternative from the ideal solution and the negative-ideal solution is taken into account at the same time. Since much of the problem data presented uncertainties, fuzzy logic was utilized, eventually applying an adapted fuzzified relative ratio method. Thus, from the application of this method the ranking of alternatives was determined utilizing an algorithm created in Visual Fortran for this purpose. This algorithm defined the hierarchy of eight alternatives and allowed the optimal decision.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής υπήρξε η επιλογή της βέλτιστης τοποθεσίας κατασκευής ενός μικρού υδροηλεκτρικού σταθμού μεταξύ οχτώ υποψήφιων εναλλακτικών θέσεων. Οι περιοχές αυτές βρίσκονται στο δυτικό τμήμα του νομού Καρδίτσας, αφού εκεί η ύπαρξη του φυσικού πόρου (νερό) λόγω των αξιόλογων βροχοπτώσεων, σε συνδυασμό με την υψομετρική διαφορά που επιτυγχάνεται από την υδροληψία μέχρι το σταθμό παραγωγής ενέργειας λόγω του ορεινού αναγλύφου, εξασφαλίζουν τη σκοπιμότητα και βιωσιμότητα του έργου. Για τις συγκεκριμένες θέσεις πραγματοποιήθηκε η υδρολογική ανάλυση των λεκανών απορροής, η διαστασιολόγηση των απαιτούμενων έργων και η οικονομοτεχνική ανάλυσή τους. Κατά το παρελθόν έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι εύρεσης της βέλτιστης θέσης εγκατάστασης μιας μικρής υδροηλεκτρικής μονάδας βασιζόμενες, κυρίως, στην ανάλυση κόστους-οφέλους. Στην προκειμένη περίπτωση, στην παρούσα δηλαδή διδακτορική διατριβή, λήφθηκαν υπόψιν και άλλα κριτήρια, όπως περιβαλλοντικά και κοινωνικά, τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο στη χωροθέτηση του έργου, καθώς η βέλτιστη θέση ενός σταθμού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες-κριτήρια, με πολλά από αυτά να έχουν ποιοτικό χαρακτήρα, μετατρέποντας έτσι το πρόβλημα σε πρόβλημα πολυκριτηριακής ανάλυσης. Ως βέλτιστη τοποθεσία κατασκευής του σταθμού θεωρήθηκε εκείνη που ικανοποιούσε με τον καλύτερο τρόπο μια ομάδα επιλεγμένων κριτηρίων, ενώ οι θέσεις των υδροηλεκτρικών σταθμών αποτελούσαν τις εναλλακτικές δραστηριότητες ή προτάσεις. Για τη βαθμολόγηση τόσο των εναλλακτικών προτάσεων ως προς τα κριτήρια όσο και για την εύρεση των βαρών των κριτηρίων, εφαρμόστηκε η μέθοδος του Saaty, Analytic Hierarchy Process (AHP), ώστε να αντικειμενικοποιηθούν όσο το δυνατόν η βαθμολόγηση των εναλλακτικών προτάσεων και τα σταθμιστικά βάρη. Επιπλέον της μεθόδου ΑΗΡ, εξετάστηκε η εύρεση των σταθμιστικών βαρών και με βάση τη μέθοδο της εντροπίας του Shannon. Η πολυκριτηριακή μέθοδος η οποία χρησιμοποιήθηκε για το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι η μέθοδος της σχετικής αναλογίας, η οποία αποτελεί μία σχετικά πρόσφατη (2009), αλλά και πρωτότυπη μέθοδο. Η μέθοδος αυτή προτάθηκε από τον Li, αποτελεί επέκταση της μεθόδου Vikor και εντάσσεται στις γενικές μεθόδους του συμβιβαστικού προγραμματισμού. Στη συγκεκριμένη μέθοδο μέσω του υπολογισμού του δείκτη ξ, λαμβάνεται ταυτόχρονα υπόψιν τόσο η απόσταση της εναλλακτικής πρότασης από την ιδεατή λύση όσο και από την αντι-ιδεατή. Εξαιτίας του γεγονότος ότι πολλά από τα δεδομένα του προβλήματος παρουσιάζουν ασάφειες και αβεβαιότητες οδηγηθήκαμε στη χρήση της ασαφούς λογικής, εφαρμόζοντας τελικά την προσαρμοσμένη μέθοδο της ασαφούς σχετικής αναλογίας. Έτσι, η χρήση της συγκεκριμένης μεθόδου καθόρισε την κατάταξη των εναλλακτικών προτάσεων και την επίλυση του προβλήματος με τη βοήθεια ενός αλγορίθμου που δημιουργήθηκε σε περιβάλλον Visual Fortran για το σκοπό αυτό. Ο αλγόριθμος αυτός καθόρισε την ιεράρχηση των οκτώ εναλλακτικών θέσεων και επέτρεψε τη λήψη της βέλτιστης απόφασης.