بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه با توجه به نیاز روزافزون به منابع آب که در اثر رشد جمعیت کره ي زمین ,محدودیت منابع آب و پدیده هایی نظیر گرمایش زمین ایجاد شده است, در اکثر کشورهاي جهان مدیریت و استفاده ي بهینه از منابع آب در دستور کار قرار گرفته است.
این مقوله بویژه در کشورهایی که همچون ایران با توجه به موقعیت جغرافیایی در مناطق نسبتا کم آب قرار دارند ضرورت پیگیري بیشتري دارد. مدیریت منابع آب در چند دهه ي اخیر به شدت نظر پژوهشگران , دانشگاهها و حتی دولتها را به سمت خود کشانده است و در این میان بهینه سازي استفاده از منابع آب با ترمیم , بازسازي و بهینه سازي شبکه هاي آب بعنوان یکی از راهکارهاي فراروي پژوهشگران حجم قابل ملاحظه اي از تلاشهاي آنان را به خود اختصاص داده است. یکی از علاقه مندیها در این زمینه بهینه سازي شبکه هاي توزیع است که از حدود سه دهه ي گذشته آغاز شده و تا کنون ادامه دارد.
معمولا در طی این سالها بهینه سازي شبکه هاي توزیع بر روي شبکه هاي فرضی یا شبکه هاي نمادینی که کم کم بعنوان مسئله ي تیپیک در علم انتقال آب تبدیل شده اند انجام گرفته است, گرچه در مواردي هم شبکه هایی در مقیاس واقعی مورد مطالعه قرار گرفته است. دلیل استفاده ي اندك از شبکه هاي واقعی آنست که معمولا تعداد شاه لوله هاي این شبکه ها زیاد است و بهمین جهت نیازمند حجم سنگینی از محاسبات کامپیوتریست.
بعلاوه بسیاري از شبکه هاي آبرسانی حقیقی بویژه در کشورهاي توسعه نیافته معمولا یا بصورت سنتی و غیر مهندسی طراحی شده اند و یا حتی پس از طراحی مهندسی بر اساس نیازهایی نظیر گسترش فضاي شهري , افزایش جمعیت و تغییر الگوهاي مصرف بگونه اي غیر مهندسی توسعه پیدا کرده اند. افزون بر همه ي اینها اغلب این شبکه ها بسیار قدیمی اند و اطلاعات دقیقی از وضعیت شبکه در دست نیست بهمین جهت تهیه ي یک مدل هیدرولیکی دقیق از این شبکه ها بسیار دشوار می باشد.
در راستاي این هدف یکی از مهمترین مراحل کار کالیبراسیون شبکه ي مورد نظر به جهت تدقیق هر چه بهتر اطلاعات است. در مقاله ي حاضر روشی نوین به جهت تخصیص مقدار نسبتا دقیقی از دبی به هر یک از نودهاي اصلی شبکه ي آبرسانی شهرستان لنگرود ارائه می شود . این رویکرد چه به جهت روش و چه به جهت اعمال روش براي یک شبکه ي آبرسانی واقعی مطالعه اي نو و ابتکاري به شمار می رود.
مقدمه
استفاده از شبکه هاي آبرسانی از دیرباز مرسوم بوده و امروزه نیز یکی از حیاتی ترین تاسیسات یک شهر شبکه ي آبرسانی آن است. علم مهندسی آب و انتقال آب امروزه پیشرفت به سزایی داشته است اما تاسیسات موجود در شهرها بویژه در کشورهاي در حال توسعه نتوانسته اند همگام با این دستاورد ها به لحاظ کیفی و اجرایی به روز شوند. علت عمده ي این عدم تطابق همزمان علاوه بر مسائل اقتصادي و مدیریت نادرست, عدم دسترسی به اطلاعات صحیح شبکه می باشد. در چنین شبکه هایی معمولا وضعیت شبکه بطور کامل و دقیق موجود نیست.
علاوه بر این آنچه که از این شبکه ها بدست می آید نیز چندان قطعی و قابل اطمینان نمی باشد بهمین علت کمتر بر روي شبکه هاي واقعی مطالعات کالیبراسیون انجام می شود.
یکی از مهمترین اطلاعاتی که حتی براي مدلسازي اولیه ي شبکه نیز حائز اهمیت است تعیین میزان دبی در نقاط اصلی شبکه است. این مورد در کنار تخمین ضرایب زبري لوله هاي شبکه از مهمترین موارد کالیبراسیون است. در سابقه ي کالیبراسیون شبکه هاي توزیع گاهی این دو مورد را با هم کالیبره می کنند
البته حجم اصلی مطالعات در زمینه ي کالیبراسیون شبکه هاي توزیع بر تخمین و تدقیق ضرایب زبري استوار بوده است و گرچه این نابرابري در میزان مطالعات عمدتا به علت ویژگی ذاتی ضرایب زبري یعنی عدم قابلیت اندازه گیري آنها بصورت فیزیکی بر می گردد اما باید اذعان داشت که خلاء مطالعاتی در کالیبراسیون دبی شبکه هاي توزیع به چشم می خورد.
بطور کلی رویکردي که به کالیبراسیون شبکه ها وجود داشته عمدتا به این صورت بوده است که با فرض یکی از مجهولات مسئله ي تحلیل یا بهینه سازي شبکه هاي توزیع اطلاعات ناقص شبکه را کالیبره کرد. براي مثال با حدس زدن یا اندازه گیري فشار در نقاط گوناگون شبکه دبی را با تحلیل یا بهینه سازي شبکه کالیبره کرد. به این معنا سه نوع رویکرد کلی به کالیبراسیون شبکه هاي توزیع داریم:
- روش تکراري یا آزمون و خطا
- روش صریح یا شبیه سازي هیدرولیکی
- روش ضمنی یا استفاده از الگوریتمهاي بهینه سازي
که در این مورد آخر می توان از الگوریتمهاي فراکاوشی نظیر الگوریتم ژنتیک[4] استفاده کرد. البته این راهکار روشی نسبتا تازه و نوین است و در حدود یک تا دو دهه ي اخیر بعنوان گزینه مورد استفاده قرار گرفته است. اما در مورد دبی بر خلاف ضرایب زبري با توجه به امکانات اندازه گیري فیزیکی این پارامتر می توان بدون نیاز به حدس زدن یا معلوم فرض کردن مجهولات از اطلاعات ناقص موجود درباره ي دبی جهت کالیبراسیون استفاده کرد. در سابقه اي که از مطالعات پیشین در ادامه خواهد آمد ملاحظه می شود که تقریبا اکثر پژوهندگان ترجیح داده اند تا با اندازه گیري پارامترهاي مجهول نهایی نظیر فشار به نیازهاي کالیبراسیون شبکه پاسخ گویند.
والسکی - 1983 - 1 پیشنهاد کرد که لوله ها ي شبکه را بصورت انباشته2 یا دسته دسته با لوله هایی معادل جایگزین کنیم و ضرایب زبري لوله هاي معادل را به روش تحلیلی و براي یک الگوي مصرف تعیین کنیم. سپس هنگامی که تعداد پارامترهاي مجهول برابر تعداد نودها و لوله ها شد آنگاه می شود با یک روش تکراري معادلات بازنویسی شده ي انرژي و پیوستگی را حل کرد.
شمیر - 1974 - 1 نخستین کسی بود که با یک الگوریتم بهینه سازي روشی براي کالیبراسیون شبکه ها ارائه کرد. این روش نیز براي یک الگوي مصرف قابلیت اجرا داشت.
بعدتر کولبک - 1985 - 2 با ترکیب روش والسکی و با مدل بهینه سازي و خطی کردن دستگاه معادلات روشی تازه را پایه نهاد.
اورمزبی و وود - 1986 - 3 هم با یک روش تکراري سعی در حل این مسئله نمودند
در 1991 لنسی و باسنت4 طی مقاله اي از یک روش برنامه نویسی غیر خطی5 که با یک مدل شبیه ساز شبکه عمل می کند جهت کالیبراسیون شبکه ها براي دبی و ضرایب زبري استفاده کردند. در مدل آنها مجموع مربعات دبی نودها منهاي دبی هاي اندازه گیري شده باید به صفر می رسید. در حقیقت سایز و پیچیدگی شبکه را با مدل شبیه ساز کوچک و ساده تر می کردند. در این روش یک مدل بهینه سازي نهایی جهت حل دستگاه خطی حاصل از مدل شبیه سازي بکار رفته بود.
کندي و گروه همکارانش - 1991 - 6 با استفاده از مدلهاي کیفیت آب مدل هیدرولیکی را کالیبره نمودند. استفاده از مدل کیفی تعداد پارامترهاي مجهول را کاهش می دهد.
بوش و اوبر - 1998 - 7 طی مقاله اي به بررسی نقاطی پرداختند در یک شبکه که داشتن اندازه ي فشار در آن نقاط به فرآیند کالیبراسیون بویژه تخمین صرایب زبري دقیقتر کمک می کند. این روش گرچه یک پاسخ نیمه بهینه را ارائه می کند اما این پاسخ کاربردي است.
در 1998 همچنین در ایتالیا برزي و گربینو8 با استفاده از الگوریتم ژنتیک شبکه ي آبرسانی شهر پارما را کالیبره کردند. روشی که آنها مورد استفاده قرار دادند یک روش کاربردي بود و در 5 مرحله انجام گرفت. جمع آوري اطلاعات شبکه از مدل شبکه و مدل موجود در , GIS ایجاد شاکله ي نخستین مدل و وارد کردن داده هاي موجود , تحلیل حساسیت مدل , اندازه گیري فشار و جریان در نقاطی از شبکه و نهایتا کالیبراسیون شبکه با استفاده از الگوریتم ژنتیک مراحل این فرآیند بودند. در مرحله ي پایانی کار که مهمترین مرحله است کالیبراسیون خود در دو گام پیش می رود که گام نخست آن تلاش براي کاهش اختلاف داده هاي محاسباتی و اندازه گیري شده با حدس زدن یک سري از داده هاي مجهول ورودي است و گام دوم کالیبراسیون اتوماتیک شبکه جهت بدست آوردن ضرایب زبري و ضریب تلفات با ترکیبی از الگوریتم ژنتیک و نرم افزاري تحلیلگر به نام اراکلیتو اي پی اس سالور9می باشد
گرکو و دل گویدیس - 1999 - 10 در مقاله اي روشی نوین مبتنی بر بهینه سازي را جهت کالیبراسیون ضرایب زبري پیشنهاد کردند. این روش همانند روش شمیر چنانکه ذکر شد از یک الگوریتم برنامه نویسی غیرخطی سود می برد . در این روش از یک برنامه تحلیل شبکه در کنار این الگوریتم استفاده می شد.
تابع هدف در اینجا بر خلاف روشهاي گذشته که بر اساس اختلاف فشارهاي اندازه گیري شده و فشارهاي محاسباتی طرح می شد ,مجموع مربعات تفاضلات ضرایب زبري بدست آمده و ضرایب فرضی اولیه بود که می بایست کمینه می گشت و همچنین این فرآیند می بایست تحت یک سري از قیود که در یک ماتریس حساسیت تعریف شده بود رخ می داد که این قیود همان فشارهاي اندازه گیري شده را در بر می گرفت
