بخشی از مقاله
چکيده
با توجه به خشکسالي هاي اخير وتلفات ۳۰درصدي در بخش توزيع آب شهري ، ضروري است مديران مرتبط به بهره برداري ازشبکه هاي توزيع آب نگرش سيستمي مطلوبي را جهت افزايش راندمان بهره بـرداري بـا توجه به هزينه هاي بازسازي و نوسازي اتخاذ نمايند. از آنجائيکه ميزان بودجه تخصيص به اين امـرصـرفا بخـش اندکي از هزينه کل مورد نياز براي بهبود وضعيت بهره برداري از شبکه هاي را فراهم مي سازد.لذاضروري است با توجه به محدوديت بودجه ، هزينه ها به گونه اي مديريت شوند تا عملکرد شبکه به سطح مطلوبي دست يابد. در اين تحقيق شيوه جديد براي برنامه زمانبندي بهينه جهت بازسازي و نوسازي لوله هاي شبکه توزيع آب شهري با استفاده از تلفيق مدل هيدروليکي مبتني بر فشار، الگوريتم هاي ژنتيک ومـدل شـبيه سـازي شـبکه عصـبي ارائـه مي گردد. تابع هدف مورد نظر در اين تحقيق حداقل نمودن هزينه بازسازي و نوسازي لولـه هـا در طـول دوره برنامه ريزي به نحوي که عملکرد هيدروليکي شبکه در شرايط بهره برداري نرمـال حـداکثر گـردد.نتـايج مـدل تلفيقي تدوين شده بيانگر کارآيي قابل توجهه مدل پيشنهادي در ارائه دستورالعمل هاي بهـره بـرداري از شـبکه مي باشد.
کليد واژه ها:برنامه زمان بندي بهينه ، نوسازي و بازسازي ، بودجـه ،الگـوريتم ژنتيـک ، شـبکه عصـبي مصـنوعي ، شبکه هاي توزيع آب شهري
۱-مقدمه
همه سيستم هاي تامين و توزيع آب همانند ساير تاسيسات شهري در طي سالهاي بهره برداري در معرض مسائل و مشکلاتي قرار دارند، که اين مشکلات مي توانند علل محيط زيستي و يا انساني داشته باشند و باعـث افـزايش پوسـيدگي و زوال لوله ها و خراب شدنشان شوند. بنابراين يک راهبرد نوسازي و بازسازي لازم است تا امکـان تصـميم گيـري در مـورد اقدامات سرمايه اي ضروري را جهت کاستن اين مسائل و مشکلات را فراهم سازد. ايـن راهبـرد از يـک طـرف بايـد بطـور دقيق نشان دهنده ويژگي ها و مشخصات فيزيکي و هيدروليکي سيستم باشد و از طرف ديگر پيش بيني کند کـه در آينـده چگونه اين سيستم بايد بازسازي و نوسازي گردد. در اين مقاله ، با استفاده از تلفيق مدل هاي شبيه ساز هيدروليکي مبتني بـر فشار، پيش بيني هوشمند و بهينه سازي نوين يک مدل تصميم گيري براي زمـان بنـدي بهينـه و مطلـوب جهـت تعيـين نـوع عمليات بازسازي و نوسازي لوله هاي شبکه توزيع آب شهري ايجاد خواهد گرديد. و در آينده سعي بر ايـن اسـت تـا ايـن مدل تصميم گيري براي يک سيستم واقعي بکار گرفته شود. بدين گونه تضمين مي گردد کـه مقتضـيات داده اي موردنيـاز براي استقرار و بکارگيري چنين رويکرد کل نگري مورد تحقيق قرار گرفته است .
اين مقاله بر روي تحقيقات در خصوص استفاده از مدل تلفيقي HDSM،ANNs وGAs براي معيارهـاي نظيرعملکـرد هيدروليکي و اقتصادي متمرکز شده است . بر اساس اين معيار ها مي توان مطمئن شد که سيستم توزيع آب به بهترين شـيوه مديريت شده ، به طوريکه پول و هزينه اي که در خصوص کارهاي سرمايه اي صـرف مـي شـود در حـد مطلـوب بـوده تـا عملکرد هيدروليکي شبکه در شرايط بهره برداري نرمال در شرايط حداکثر راندمان باشد.
(١٩٧٩) Shamir and Howard از يک فرمولاسيون مدل تصميم گيري اقتصادي براي فراهم نمودن زمان مطلوب و بهينه جهت تعويض يک لوله استفاده کردند. اين زمان بهينه تعويض ميتوان استفاده کرد براي در اولويت قرار دادن لوله هايي که بايد در خصوص تعيين زمانبندي نهايي براي ترميم و نوسازي بيشتر مورد توجه قرار بگيرند. مدل پيش بيني شکستگي لوله در مورد همه لوله هايي که داراي مشخصات و ويژگي هاي مشابه بودند بکار گرفته شده است و فرض بر اين است که با نرخ مشابه دچار پوسيدگي و يا فرسودگي ميشوند.
(١٩٨٢) Walski and Pelicia معيار اقتصادي کمي متفاوت را ارائه کردند، مبني بر اينکه زماني يک لوله بايد تعويض شود که نرخ شکست آن بيش از يک مقدار بحراني باشد. معادله هاي شکست آنها شامل دو فاکتور، يکي مربوط به اندازه لوله و ديگري مربوط به تاريخچه شکست قبلي آن مي باشد.
(١٩٨٥ ,١٩٨٢) Walski بـراي مشـخص کـردن اينکـه کـدام لولـه بايـد بازسـازي و نوسـازي گـردد، مقايسـه اي را در خصوص صرفه جويي در هزينه اقتصادي که بوسيله انجام پوشش داخلي لوله حاصل شـده و صـرفه جـويي در هزينـه هـاي مربوط به انرژي که به واسطه انجام پوشش داخلي لوله به دست آمده و استفاده از يک لوله موازي را ارائه داده است .
(١٩٨٥) Ramos تحليلهايي را از يک نسبت سود به هزينه که ممکن است براي تعيين اينکه آيا يک لوله بايد تعـويض و جايگزين گردد را ارائه داد. اگر اين نسبت براي لوله اي بالاتر از يک سطح که از پيش تنظيم شده باشد در اين صورت آن لوله بايد تعويض گردد.
(١٩٩٠) Male et al از يک تحليل ارزش کنوني خالص براي تحقيق و بررسي در مورد بهترين سياست براي تعويض و همچنين تعداد شکست هاي که براي يک لوله مجاز است ، قبل از اينکه لوله اي نياز به تعويض داشته باشد، استفاده نمود.
(١٩٩٢) .Lansey at al يک برنامه زمانبندي بهينه اي را براي کارهاي بازسازي و نوسازي در رابطه با حصـول اطمينـان از رضايت مندي عملکرد هيدروليکي سيستم در حال حاضر و در طي يک دوره زماني ۱۰ ساله با افزايش پـيش بينـي شـده مورد انتظار براي تقاضا بدست آوردند. آن ها از تکنيک گراديان بهينه سازي کاهشي استفاده کردنـد. دو گزينـه تعـويض و انجام پوشش داخلي لوله ها را براي بازسازي و نوسازي به منظور بهبود و اصـلاح عملکـرد هيـدروليکي مـورد توجـه قـرار گرفتند.
(١٩٩٨) .De Schaetzen et al از GAs براي اصلاح و بهينه سازي يک فرمولاسيون مشابه استفاده کردنـد، اگـر چـه اين مدل عملکرد هيدروليکي آينده را در نظر نگرفت .
(١٩٩٤) Kim and Mays يک متدلوژي را ارائه دادند که تصميم گيري جهت تعويض يا بازسـازي بـراي هـر لولـه در شبکه را بر مبناي هزينه هاي تعويض کردن لوله و يا انجام پوشش داخلي لوله ميسر مي ساخت بطوريکـه افـزايش در پمپـاژ براي بر آوردن تقاضاها در همه گره ها را مقدور مي کرد.
(٢٠٠١) .Dandy et. Al يک مدل تلفيقي Epanet، رگراسيون ساده براي محاسبه احتمال شکست لوله ها و GAs را براي بازسازي و نوسازي بخشي از شبکه توزيع آب شهري Adelaide در استراليا مورد استفاده قرار داد.
بطور کلي بررسي مقالات منتشره در اين زمينه نشان دهنده عدم مطلوبيت مدل ها در ارائـه سياسـتهاي بازسـازي و نوسـازي شبکه هاي توزيع آب شهري مي باشد.
مواردي که در اين مطالعات جهت تدوين مدل بهينه مديريت بهره برداري از شبکه ها مورد توجه واقع نشـده اسـت را مـي توان بصورت زير ارائه نمود:
در نظر گرفتن شاخصي که از مطلوبيت مناسبي جهت نمايش بهبود عملکرد هيدروليکي سيستم باشد.
استفاده از مدل هيدروليکي مبتني بر فشار که در آن شرايط جريان واقعي در مدلسازي مورد توجه قرار گيرد.
توجه به پارامترهاي مستقل مؤثر مرتبط با نرخ شکست لوله ها که از اهميت بالاتري در پيش بيني احتمال شکست برخوردار مي باشند.
يکپارچه نگري در توابع هدف مدل هاي بهينه سازي ارائه شده که به عنوان نمونه مي توان به تحقيق Dandy et (٢٠٠١) .al اشاره نمود.
در اين تحقيق جهت بهبود وضعيت مدلسازي و در نظر گرفتن نکات ارائه شده در بنـدهاي فـوق ، فعاليـت هـاي زيـر مـورد توجه واقع شده است :
تدوين مدل هيدروليکي مبتني بر فشار (HDSM)
ارائه مدل شبيه سازي نرخ شکست لوله ها با استفاده از مدل شبيه سازي شبکه عصبي (ANNs)
تلفيق مدل هاي HDSM،ANNs وGAs جهت ارائه راهکارهاي بهينه مديريت بهره برداري از شـبکه هـاي توزيع آب شهري
ارائه مدل بهينه سازي با قابليت هاي در نظر گرفته شده فوق کـه در آن پارامترهـاي مدلسـازي بـه نحـوه مطلـوبي شبيه سازي شده اند مي تواند منجر شود به اتخاذ تصميمات مناسب جهت مديريت بهينه از شبکه هاي توزيع آب شهري ، به گونه اي که تأمين نيازهاي آبي سيستم با توجه به هزينه هاي شبکه حداکثر گردد.
۲-مطالعه موردي
جهت تدوين مدل پيش بيني شکست لوله ها و اسـتفاده از آن در مـدل بهينـه سـازي تـدوين شـده ، از تاريخچـه اطلاعـاتي شکست لوله ها (جدول ۱) در ناحيه چهار شهر مشهد استفاده شده است [تابش و سلطاني ۱۳۸۵]. شبکه مورد مطالعه جهـت شبيه سازي هيدروليکي مشتمل بر ۸ لوله مي باشد که با استفاده از يک مخزن تغذيه مي گردد (شکل ۱) [١٩٩٨ ,Tabesh].
جدول ۱-توزيع اندازه و تعداد شکست هاي اتفاق افتاده بر روي لوله هاي آزبست تامين آب درناحيه ۴شهر مشهد(۱۳۸۴)
شکل ۱-شبکه توزيع آب شهري مورد مطالعه در مدل شبيه سازي هيدروليکي [١٩٩٨ ,Tabesh]
جدول ۲-مشخصات هيدروليکي و فيزيکي شبکه توزيع آب شهري مورد مطالعه در مدل شبيه سازي هيدروليکي
