بخشی از مقاله
چکیده
به علت افزایش روزافزون تقاضای آب آبیاری در جهان بخصوص در مناطقی با منابع آب محدود، بهرهوری آب آبیاری باید افزایش یابد. استفاده از روشهای بهینهسازی جهت توزیع و تحویل آب در کانالهای آبیاری در این شرایط ضروری است. در این پژوهش از الگوریتم جامعه مورچگان در تعیین دستورالعمل بهرهبرداری بهینه کانال BP14 شبکه آبیاری فومنات استفاده شده است. مدل تهیه شده برای گزینههای مختلف بهرهبرداری اجرا شد و نتایج با یکدیگر مقایسه گردید.
مقدمه
محدودیت منابع آب و ضرورت ارتقاء کارایی مصرف آب، استفاده از روشهای مؤثرتر انتقال، توزیع و کاربرد آب در مزرعه را ایجاب میکند. منظور از روش توزیع و تحویل آب عبارت است روشی که در آن، سه عامل اساسی توزیع و تحویل آب یعنی دبی، زمان و تناوب تحویل جریان در دورههای زمانی مختلف مشخص میگردند .[4] بهترین راه برای جلوگیری از این مسائل و مشکلات اجتماعی بهرهبرداری، تهیه برنامهریزی توزیع بهینه آب بر اساس شرایط خاص هر کانال میباشد .
روشهای بهینهسازی که شامل الگوریتم ژنتیک، الگوریتم SA، بهینهسازی PSO، بهینهسازی جامعه مورچگان و ... میباشند در تصمیمگیری برای انتخاب جهت حرکت و میزان حرکت با هم تفاوت دارند. این گونه روشها نقاط جدیدی را در فضای جستجو با بکارگیری عملگرهایی بر روی نقاط فعلی و حرکت به سمت فضاهای بهینه ایجاد می کنند. الگوریتمهای فوق نیاز به مشتقگیری از تابع ندارند. آنها نمادی از فرآیندهایی هستند که در طبیعت برای بهینهسازی پدیدههای طبیعی صورت میگیرند.
سوریوانشی و ردی برای اولین بار در سال 1986 با استفاده از مدل برنامهریزی خطی مدل ریاضی به منظور برنامهریزی توزیع آب در کانال را معرفی نمودند .[13] وانگ و همکاران با توسعه مدل برنامهریزی صفر و یک آنرا بر روی کانال فنگجیاشان در چین بکار بردند .[14] مادر و همکاران با استفاده از الگوریتم ژنتیک برنامه بهینه توزیع آب را در کانال فنگجیاشان چین ارائه دادند و نتایج کار خود را با مدل وانگ مقایسه نمودند .
منعم و نوری از روش بهینهسازی PSO برای توزیع بهینه آب در کانال amx از شبکه ورامین استفاده کردند و آن را با SA مقایسه نمودند 1ACO .[6] به عنوان یک روش فراکاوشی در اوایل دهه 1990 توسط دوریگو پیشنهاد شد .[9] عباسپور و همکاران از الگوریتمهای ACO برای تخمین پارامترهای هیدرولیکی خاکهای غیراشباع استفاده نمودند .[7] شوجولی و همکاران برای تخمین پارامترهای مدل جریان آب زیرزمینی، از سیستم جامعه مورچگان در ترکیب شبیهسازی بازپخت استفاده نمودند .
جلالی و همکاران از این الگوریتم در طراحی و بهرهبرداری بهینه از هیدروسیستمها استفاده نمودند .
قدوسی برای بهرهبرداری بهینه از کانالهای آبیاری با توجه به انواع جریانهای غیرماندگار از دیدگاه بهرهبرداری از این الگوریتم استفاده نمود .[3] افشار به منظور بهینهسازی طراحی شبکههای فاضلاب از الگوریتم جامعه مورچههای پیوسته استفاده نمود .[8] در این تحقیق دستورالعمل بهره-برداری بهینه تحویل آب به آبگیرهای کانال BP14 از شبکه آبیاری فومنات با استفاده از الگوریتم بهینهسازی جامعه مورچگان با اهداف متفاوت بدست آمد.
مواد و روشها
الگوریتم بهینهسازی جامعه مورچگان
برای استفاده از الگوریتم مورچگان در مسایل بهینهسازی باید مساله به صورت گراف - D, L,C - G تعریف شود
مجموعه هزینههای هر یک از انتخابهای Lij میباشد. یک مسیر موجه تعریفشده برای گراف را یک جواب و مسیری که کمترین هزینه را داشته باشد یک جواب بهینه مینامند .[4] در ACS، وقتی مورچه K در موقعیت i به سمت j حرکت میکند این انتخاب را بر مبنای قانون تناسب شبه تصادفی انجام میدهد.
که در آن q متغیر تصادفی است که بطور یکنواخت بین 0,1 توزیع شده و q0 هم پارامتری در محدودهی 0,1 است، ij فرامان2 مصنوعی مسیر i, j ، ij هدایتکننده کاوشی، و پارامترهای تنظیم وزن فرامان و اطلاعات کاوشی میباشد. j یک متغیر تصادفی میباشد که بر طبق توزیع احتمالاتی معادله 2 بدست میآید. به عبارت دیگر با احتمال q0 مورچه بهترین حرکت ممکن را که از مسیر فرمون و اطلاعات ابتکاری بدستآمده است را انجام میدهد در حالیکه با احتمال - - 1 q0 به سمت جستجوی یالها تمایل خواهد یافت، کاری که در احتمال q0 اطلاعات کامل انجام میگیرد .
آب در کانال مقدار جریان تحویلی و مدت زمان تحویل آب میباشد. همچنین قیدهای این مسئله مجموع دبی قابل انتقال در هر بلوک آبیاری - حداکثر تعداد آبگیرهایی که همزمان آبیاری میکنند - و مجموع زمان بهرهبرداری در هر بلوک میباشد که به ترتیب نباید از حداکثر ظرفیت کانال و دور آبیاری تجاوز نماید. توابع هدف در این مسئله در دو گزینه تعریف شده است.
که در آن Q حداکثر ظرفیت کانال، dv اختلاف حجم مورد نیاز و حجم تحویلی و dt زمان مازاد یعنی کسر دور آبیاری از مجموع زمان تجمعی و تکمیل آبیاری کلیه انشعابات میباشند. بر اساس اصول حاکم بر الگوریتم جامعه مورچگان و مسئله توزیع و تحویل آب در کانال، مدل ACS به زبان فرترن تهیه شد.
مطالعه موردی: کانال BP14 از شبکه آبیاری فومنات
کانال BP14 از شبکه آبیاری فومنات در غرب گیلان واقع شدهاست. وسعت کشتزارهای منطقه فومنات 145 هزار هکتار بوده و منبع اصلی تامین آب این منطقه سد سفیدرود است. سد انحرافی تاریک در پاییندست سد سفیدرود وظیفه انحراف آب رودخانه سفیدرود به این منطقه را به عهده داشته و آب منحرف شده توسط تونل و کانال فومن به واحدهای عمرانی شبکه آبیاری فومنات منتقل میشود. طول کانال 6852 متر با مقطع ذوزنقه بوده و ظرفیت آن در ابتدا 3 مترمکعب بر ثانیه و در انتها 1/8 مترمکعب بر ثانیه و تنظیمکنندههای جریان از نوع سرریزهای نوک اردکی به تعداد 7 عدد و آبگیرهای فرعی آن 12 عدد، از نوع نیرپیک XX2 است .
نتایج و بحث
به منظور تعیین مقادیر مناسب پارامترهای الگوریتم جامعه مورچگان برای مسئله توزیع و تحویل آب تحلیل حساسیت صورت گرفت. برای تعیین هر پارامتر، پارامترهای دیگر ثابت منظور شده و تغییرات عامل موردنظر تحلیل گردیده است. نحوه تغییرات تابع هدف بر اساس تعداد مورچهها و تعداد تکرارها در شکل 1 نمایش داده شده است. همانگونه که مشاهده میگردد با افزایش تعداد تکرارها از300 و همچنین افزایش تعداد مورچه از 100، مقادیر تابع هدف تغییرات چندانی پیدا نمیکند. مقادیر مناسب پارامترهای الگوریتم جامعه مورچگان در جدول 1 ارائه شده است.
شکل -1 نحوه همگرایی مقادیر متوسط تابع هدف بر حسب تعداد مورچهها در ده اجرا
