بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین اقدامات در مدیریت بهینه منابع آب سطحی، تعیین قواعد و سیاستهاي بهره برداري دقیق و مدون از مخازن سدهاست. این قواعد میزان رهاسازي یا حجم ذخیره سازي بهینه مخزن را در شرایط مختلف بهره برداري و بصورت مدون به بهره بردار ارائه میکنند. در این تحقیق قواعد بهرهبرداري از سد مخزنی سفیدرود با استفاده از روش هاي برنامهریزي غیرخطی و شبکه عصبی مصنوعی استاتیکی تعیین شده و نتایج حاصل مورد تجزیه و تحلیل میگیرد.
بدین منظور دو رویکرد پیشنهاد میشود که در رویکرد اول ضرایب ماهیانه منحنی فرمان به کمک یک مدل بهینه سازي تعیین میشوند و سپس از یک مدل شبکه عصبی پرسپترون براي برآورد این ضرایب بهره گرفته میشود. اما در رویکرد دوم، مستقیما از یک مدل شبکه عصبی به منظور برآورد مقادیر رهاسازي بهینه از مخزن و بر اساس جریان ورودي به مخزن استفاده میشود.
سپس، به کمک روش رگرسیون، یک رابطه خطی بین خروجی مدل شبکه عصبی مصنوعی و جریان ورودي به مخزن سد، به منظور تعیین قواعد بهرهبرداري از مخزن، برازش میشود. مقایسه نتایج نشاندهنده آنست که با استفاده از روشهاي پیشنهادي قواعد بهرهبرداري مناسب براي سد سفیدرود حاصل می گردد که نتایج حاصل از رویکرد اول مناسبتر است.
-1 مقدمه
محدودیت کمی و کیفی منابع آبی از یکسو و افزایش جمعیت و بهبود سطح زندگی و به تبع آن افزایش تقاضا از سوي دیگر، تامین آب در بسیاري از مناطق کشورمان را با چالش مواجه کرده است. استان گیلان علی رغم داشتن منابع آبی گسترده و میانگین بارندگی بالا با مشکلات عدیدهاي در زمینه تامین آب مواجه است. کاهش شدید منابع آب زیرزمینی، آلودگی آبهاي سطحی، کمبود زیرساختهاي لازم براي مهار آبهاي سطحی و نهایتا تمرکز حجم بارندگی در فصول غیر زراعی از جمله این مشکلات هستند
سد سفیدرود با تامین بخش بزرگی از نیاز کشاورزي و شرب استان گیلان و همچنین تولید انرژي برقابی نقش مهمی در اقتصاد این استان دارد. در سالیان اخیر با اجراي طرح هاي توسعه منابع آب در بالادست، جریان ورودي به این سد به شدت کاهش یافته است
از سوي دیگر انباشته شدن حجم مخزن از رسوب، از حجم مفید مخزن سد کاسته است. جرم رسوبات ورودي به مخزن سد سفیدرود هر ساله 48 میلیون تن و جرم رسوبات خروجی از مخزن 14 میلیون تن برآورد میشود که در صورت عدم تخلیه رسوبات، هر سال 2/3 درصد از حجم مخزن کاسته میشود
با توجه به موارد مذکور، تعیین سیاستهاي بهره برداري بهینه میتواند گام مهمی در جهت برنامهریزي بلندمدت براي بهرهبرداري ازسدباشد.
یکی از مهمترین و تاثیرگذارترین اقدامات در مدیریت بهینه منابع آب سطحی، تعیین قواعد و سیاستهاي بهره برداري دقیق و مدون از مخازن سدهاست. در حالت کلی، این قواعد میزان رهاسازي یا حجم ذخیره سازي بهینه مخزن را در شرایط مختلف بهره برداري تعیین میکنند و پس از تعیین، به صورت جدول یا نمودار به بهره بردار ارائه میشوند. در این زمینه تحقیقات متعددي صورت گرفته است که در ادامه به برخی از مهمترین آنها اشاره میشود. به عنوان نمونه، یه1در سال 1985 بسیاري از مدلهاي ریاضی توسعه یافته تا آن زمان را، براي بهره برداري از مخازن، تشریح نمود
نتایج تحقیق وي نشاندهنده این بود که هیچ الگوریتم مشخصی براي یافتن جواب بهینه براي مساله بهره برداري مخزن وجود ندارد و انتخاب روش مناسب به عوامل مختلفی از جمله مشخصات سیستم، دادههاي موجود و تابع هدف مساله وابسته است. روشهاي مورد استفاده در این تحقیق را میتوان به 4 دسته برنامه ریزي خطی - LP - 2، برنامه ریزي غیرخطی 3 - NLP - و برنامه ریزي پویا - DP - 4 و روشهاي ترکیبی تقسیم بندي نمود. در ادامه، چانگ5و همکاران به منظور کاهش فاصله بین تحقیقات علمی و بهرهبرداري عملیاتی در سیستم مخازن سدها، یک مدل کنترل هوشمند پیشنهاد دادند
در این مدل پیشنهادي، ابتدا به کمک الگوریتم ژنتیک - GA - 6 و فازي قاعده محور - FRB - 7 دادههاي جریان ورودي به مخزن سد تحلیل شده و منحنیهاي فرمان بهرهبرداري از مخزن تعیین میشوند. سپس، نتایج تحلیل به منظور تخمین مقادیر بهرهبرداري بهینه از مخزن، به مدل انفیس - ANFIS - 8 اعمال میشوند. در نهایت، به منظور بررسی کارایی و عملکرد مدل مذکور، از یک سیستم مخزن در کشور تایوان به عنوان مطالعه موردي استفاده شد. نتایج حاصل، نشاندهنده کارایی بالاي مدل فوق در بهرهبرداري هوشمند از مخازن است. عمادي و خادمی، ابتدا مدلهاي آبدهی9و سیاست بهرهبرداري استاندارد 10 - SOP - را تشریح نمودند و سپس منحنی فرمان سد مخزنی درودزن را با استفاده از روشهاي فوق تعیین کردند
نتایج حاصله نشاندهنده برتري محسوس مدل آبدهی نسبت به روش سیاست بهرهبرداري استاندارد بود. این محققین، مدل آبدهی را با توجه به انعطاف پذیري، توانایی در کاهش کلی مقدار کمبودها و جلوگیري از وقوع کمبودهاي شدید به عنوان مدلی مناسب جهت تهیه منحنی فرمان پیشنهاد نمودند. مهديپور و بزرگ حداد با استفاده از برنامهریزي ژنتیک،11 منحنی فرمان بهره برداري مخازن سدهاي کرج و بازفت را با هدف تامین نیاز پاییندست و تولید انرژي برقابی محاسبه کردند و نتایج بدست آمده را با منحنی فرمان حاصل از روشهاي برنامه ریزي خطی و غیرخطی مقایسه نمودند
روش برنامهریزي ژنتیک توانایی تعیین منحنیهاي فرمان بهره برداري بدون استفاده از الگوي بهرهبرداري از پیش تعیین شده را داشت. در این تحقیق، انرژي برقابی تولید شده از این روش حدود 50 درصد بیشتر از انرژي برقابی تولید شده توسط مدلهاي برنامهریزي خطی و غیرخطی بود. در نهایت، بزرگ حداد براي استخراج قواعد بهرهبرداري سد کرخه از روش هاي شبکه عصبی مصنوعی و رگرسیونی استفاده نمود
درکار تحقیقاتی ایشان، ابتدا قواعد بهره برداري بهینه از مخزن به کمک برنامهریزي پویا تعیین گردید و سپس از نتایج حاصله به منظور آموزش شبکه عصبی استفاده شد. نتایج حاصل نشانگر دقت نسبتا مطلوب شبکه عصبی در برآورد منحنی فرمان سد کرخه بود.
در این تحقیق سعی بر آن است تا با استفاده از مدلهاي برنامهریزي ریاضی و شبکه عصبی مصنوعی و با منظور نمودن رویکردهاي مختلف، روشهاي جدیدي براي استخراج قواعد بهرهبرداري بهینه از مخازن سدها ارائه شود. همچنین، به منظور مطالعه موردي و بررسی عملکرد رویکردهاي پیشنهادي از دادههايمخزن سد سفیدرود استفادهمیشود.
-2 دادهها و محدوده مطالعاتی
در این تحقیق، به منظور بررسی کارایی روشهاي پیشنهادي، از دادههاي جریان ورودي و نیاز ماهیانه مخزن سد سفیدرود واقع در شمال ایران استفاده شده است. سد سفیدرود با ارتفاع 106 متر از پی و طول تاج 425 متر، از نوع سدهاي بتنی پشت بند دار است. حداکثر و حداقل حجم مخزن این سد به ترتیب 1756 و 600 میلیون متر مکعب است و حداکثر ظرفیت سرریزي سد سفیدرود 6145 متر مکعب بر ثانیه است. این سد در سال 1341 و با هدف تامین نیاز کشاورزي دشت گیلان و تولید انرژي برقابی، در محل تلاقی دو رودخانه شاهرود و قزل اوزن ساخته شده است
لذا حوزه آبخیز سد سفیدرود را میتوان به دو زیر حوزه فرعی قزلاوزن با مساحت تقریبی 49500 کیلومتر مربع و شاهرود با مساحت تقریبی 5000 کیلومتر مربع تقسیم نمود. حوزه آبخیز سفیدرود در شمال ایران و در بین مختصات جغرافیایی طولی 46 درجه و 31 دقیقه تا 51 درجه و 40 دقیقه شرقی و مختصات جغرافیایی عرضی 34 درجه و 54 دقیقه تا 37 درجه و 56 دقیقه شمالی واقع شده است و با مساحتی بالغ بر 50000 کیلومتر مربع یکی از وسیع ترین حوزه هاي آبریز کشور محسوب می شود. اقلیم حوزه آبریز سفیدرود، به طور کلی معتدل و نیمه خشک است.شکل - 1 - جانمایی حوزه سد سفیدرود را نشان میدهد.
شکل – 1 جانمایی حوزه آبریز سفیدرود در تقسیمات هیدرولوژیک کشور
