New modeling paradigms for assessing future irrigation storage requirements: a case study of the Western irrigation district in Alberta

Abstract

River basin planning in Alberta has relied on the use of computer modeling since the early 1980s. Typical modeling studies rely on a single time step operational framework, where water allocation decisions are made for individual model time steps, without taking into account seasonal forecasts or the corresponding demand hedging rules that are often implemented by farming communities. This kind of modeling often leads to premature depletion of reservoir storage during dry years, producing model results that represent worse decisions than those that irrigators would make by using the rule-of-thumb. This paper critically reviews the current modeling practice, and provides insight into possible improvements in modeling through the use of multiple time step optimization in combination with optimal demand hedging, which is found as part of the model solution. A case study focuses on potential storage expansions in the Western Irrigation District of Southern Alberta. Improvements with the multiple time step optimization approach also shed new light on important water management decisions made in the past and the value of a revised definition of irrigation failure criteria. Finally, the selected modeling approach reveals significant potential for capital cost savings related to future infrastructure development, and suggests that investing in digital infrastructure – better forecasting and reservoir management tools – may be more productive than investment in additional physical infrastructure.

RÉSUMÉ

La gestion des bassins versants en Alberta repose sur l’utilisation de la modélisation informatique depuis le début des années 1980. Les études de modélisation classiques reposent sur un cadre opérationnel à pas de temps unique, dans lequel les décisions d’allocation de l’eau sont prises pour chaque pas de temps de modélisation individuellement, sans tenir compte des prévisions saisonnières ni des règles de restriction de la demande correspondantes souvent appliquées par les communautés agricoles. Ce type de modélisation conduit souvent à l’épuisement prématuré du stockage en eau dans les réservoirs pendant les années sèches, produisant ainsi des résultats de modélisation qui représentent de moins bonnes décisions que celles que prendraient les exploitants agricoles par experience. Cet article examine de manière critique la pratique actuelle en matière de modélisation des ressources en eau et donne un aperçu des améliorations possibles grâce à l’optimisation par pas de temps multiples, à l’aide d’une étude de cas d’expansion potentielle du stockage disponible dans le District d’Irrigation Western situé dans le sud de l’Alberta. Une meilleure gestion des reservoirs pour l’irrigation par la méthode d’optimisation par pas de temps multiples permet également de jeter un nouveau regard sur les décisions importantes prises dans le passé en matière de gestion des ressources en eau et sur l’utilité de redéfinir les critères d’échec de l’approvisionnement en eau pour l’irrigation.. Enfin, l’approche de modélisation choisie révèle un potentiel important d’économies de capital liées au développement futur d’infrastructures de stockage et suggère plutôt qu’investir dans l’infrastructure numérique - de meilleurs outils de prévision et de gestion des réservoirs - pourrait être plus productif que l’investissement dans une infrastructure physique supplémentaire.

Keywords:

• Reservoir management
• irrigation supply
• multiple time step optimization

MOTS-CLÉS:

• Gestion des réservoirs
• approvisionnement en eau pour l’irrigation
• optimisation par pas de temps multiples

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

This work was supported by Alberta Innovates - Technology Futures; Mitacs, Optimal Solutions Ltd., City of Clagray and several Irrigation Districts in Alberta and is jointly funded by the Alberta Innovates Water Innovation Program, six of Alberta’s irrigation districts, the City of Calgary and Optimal Solutions Ltd.