An interactive multiobjective dam management optimization methodology for flood risk protection [Modello interattivo per l’ottimizzazione multiobiettivo della gestione delle dighe ai fini della mitigazione del rischio idraulico]

Dam management optimization is a complex multiobjective problem, whose current solutions struggle to become standard practice. Here, an interactive evolutionary multiobjective optimization method is proposed, which involves stakeholders by using multi-criteria decision analysis to embed an elicitation of their preferences and expertise in the optimization process. Specifically: i) one or more decision-makers are asked to rank a set of representative dam management strategies in order of preference; ii) the ranking is used to build a preference model; and iii) the preference model is used by an evolutionary multiobjective optimization algorithm to converge to the part of the Pareto front most preferred by the decision makers. The inclusion of an interactive phase in the optimization methodology makes the process more understandable for stakeholders and policy-makers, and it allows to address some of the key obstacles to the practical implementation of multiobjective dam management optimization, even when a large number of objectives is considered. Here, a methodology was first developed to identify dams in need of a flood control plan (i.e., according to Italian laws, a “Piano di Laminazione”). One of such dams (Pozzillo Lake, Sicily, Italy) was then chosen to test the proposed optimization methodology considering five objectives, where flood control was in contrast with irrigation water demand and hydropower production. Twenty decision-makers, including both academics and professionals, were interviewed, and five simple and easy to implement optimal strategies were obtained. These strategies were compared with each other, with a strategy obtained using a singleobjective optimization method unaided by preference information, and with a hypothesis of the management strategy currently in use at the dam. The results show that the proposed methodology significantly simplifies the multiobjective problem formulation and is capable of designing optimal flood control plans that meet water demands while greatly improving the current flood attenuation performance.

L’ottimizzazione gestionale delle dighe è un complesso problema multiobiettivo, le cui attuali soluzioni faticano a diffondersi nella pratica operativa. La presente tesi propone una nuova metodologia di ottimizzazione evolutiva multi-obiettivo, capace di coinvolgere interattivamente i portatori di interesse nel processo di ottimizzazione, al fine di incorporare, tramite l’analisi multi-criteriale, la loro esperienza e le loro preferenze all’interno del modello. In particolare: i) ad uno o più decisori è richiesto di classificare un insieme rappresentativo di strategie gestionali in ordine di preferenza; ii) la classificazione è utilizzata per costruire un modello di preferenza; e iii) il modello di preferenza è utilizzato da un algoritmo di ottimizzazione per convergere verso la parte del fronte di Pareto preferita dai decisori. L’interazione con i decisori rende la procedura più comprensibile per i portatori di interesse, e consente di affrontare alcuni ostacoli chiave all’implementazione dell’ottimizzazione gestionale delle dighe nella pratica operativa, persino nei casi in cui è necessario considerare un gran numero di obiettivi. Nel presente lavoro, si è dapprima sviluppata una metodologia per identificare le dighe che necessitano di un piano di gestione delle piene (i.e., secondo la normativa italiana, “Piano di Laminazione”). Una di tali dighe (Lago Pozzillo, Sicilia) è quindi stata scelta per testare la metodologia di ottimizzazione proposta. In particolare, sono stati considerati cinque obiettivi, che vedono la laminazione delle piene in contrasto con le esigenze di fornitura irrigua e di produzione idroelettrica. Sono stati intervistati venti decisori, includendo accademici e professionisti del settore, e sono state ottenute cinque strategie di gestione ottimale di facile implementazione. Tali strategie sono state confrontate sia tra loro, sia con una strategia ottenuta utilizzando un metodo di ottimizzazione mono-obiettivo privo delle preferenze dei decisori, sia con un’ipotesi della strategia attualmente in uso presso la diga. I risultati hanno mostrato che la metodologia proposta è in grado di semplificare considerevolmente la formulazione del problema di ottimizzazione multiobiettivo, nonché di definire delle strategie di gestione ottimale capaci di soddisfare la domanda idrica migliorando al contempo notevolmente l’effetto di laminazione delle piene rispetto alla strategia attualmente in uso.