بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به محدودیت شدید منابع آب و وقوع دوره های خشکسالی، توجه به مدیریت صحیحاز مخازن سدها در کشور کاملاً ضروری به حساب می آید. همچنین به دلیل ناکارآمدی روشهای کلاسیک در مسائل پیچیدهی مهندسی از جمله بهرهبرداری از مخازن سدها، میتوان از ابزارهای نوین همچون روشهای فراابتکاری در بهینهسازی این مسائل بهره جست. در این تحقیق از الگوریتم چرخه آب - WCA - به منظور بهیتهسازی سیستم مدیریت مخزن سد لتیان استفاده شد. نتایج گویای قدرت بالای الگوریتم در پیداکردن جوابهای بهینه حکایت داشت. مقدار تابع هدف و زمان پس اجرای برنامه به ترتیب به اعداد 35/5 و 246 ثانیه رسید.
مقدمه
وجود دورههای خشکسالی هیدرولوژیکی در دهه گذشته و وابستگی مناطقی از کشور به آب سطحی و سیستم مخازن سدها، باعث گردیده است که در اعمال برنامه مدیریتی بهرهبرداری از سدها دقت بیشتری شود تا سدها بتوانند در مواقع بحرانی پاسخگوی نیازها باشند. علیرغم وجود مستندات بسیار در مقالات و تحقیقات دانشگاهی در خصوص بهینهسازی منابع آب، میزان مشارکت آن در موارد عملی به دلیل پیچیدگی در رسیدن به جواب با استفاده از این مدل ها بسیار اندک میباشد.
در دهه اخیر کاربرد این مدلها بیشتر در رسیدن به جواب بهینه مطلق بوده که در بیشتر موارد با پیچیدهتر شدن سیستم، عملا" این مدلها کارایی خود را از دست میدادند. از آنجائیکه در بیشتر موارد تصمیم گیرندگان نیاز چندانی به رسیدن به جواب بهینه مطلق در یک مسئله دنیای واقعی ندارند و تنها با یک جواب خوب قادر به تصمیمگیری میباشند، استفاده از روش های تقریبی در حل مسائل بهینهسازی به طور چشمگیری افزایش یافت . در این میان روشهای فراکاوشی و تکاملی، در دو دهه اخیر به عنوان یک ابزار سودمند بهینهسازی سیستمهای پیچیده توسعه داده شده اند. بهرهبرداری از مخازن سدها از جمله موضوعاتی است که تا کنون با روشهای متوع بهینهسازی مورد ارزیابی قرار گرفتهاند.
در مطالعهای ایست و هال - 1994 - ، الگوریتم ژنتیک را برای مسأله چهار مخزنی بکار بردهاند. هدف آنها حداکثر کردن سود حاصل از تولید نیرو و تأمین آب کشاورزی تحت شرایط ثابت ذخیره و آزادسازی آب از مخزن بود. در مطالعهای دیگرا لیویرا و لوکاست - 1997 - ، از الگوریتم ژنتیک برای بررسی و ارزیابی قوانین بهرهبرداری از سیستمهای چند مخزنی استفاده کردند و نشان دادند که الگوریتم ژنتیک میتواند برای مشخص کردن سیاستهای بهرهبرداری مؤثر استفاده شود.
جلالی - 1384 - ، الگوریتم جامعه مورچهگان را برای حل مسائل طراحی و بهرهبرداری بهینه هیدروسیستمها به کار گرفت. کیم و همکاران - 2001 - ، الگوریتم فراکاوشی دیگری به نام جستجوی هارمونی را توسعه دادند، و از آن در مسائل مختلف مهندسی استفاده کردند. آنها با استفاده از این روش پارامترهای مدل غیرخطی ماسکینگهام را تخمین زدند، نتایج نشان داد که به دلیل اینکه در فرآیند بهینه سازی الگوریتم جستجوی هارمونی نیازی به فرض مقادیر اولیه پارامترها نیست، در مقایسه با بعضی از الگوریتمهای تکاملی از جمله الگوریتم ژنتیک روش مناسبی می باشد.
بزرگ حداد - 1384 - ، از الگوریتم جفتگیری زنبور عسل در بهینهسازی سامانههای منابع آب از جمله بهرهبرداری سیستم تک مخزنه استفاده نمود. سروری و همکاران - 1385 - به بررسی عملکرد بهینه سد دز با استفاده از الگوریتم PSO پرداختند. نتایج مطالعه آنها از عملکرد خوب این الگوریتم در جستجوی جوابهای بهینه در کنار سرعت بالا حکایت داشت. کومار و همکاران - 2005 - ، از الگوریتم PSO اصلاح شده، در حل مسئله بهرهبرداری چند هدفه از مخزن سد بهادرا در هند استفاده نمودند.
جعفرزاده و خاشعی - 1394 - به منظور بررسی توانمندی الگوریتمهای فرا ابتکاری مطالعات پیوستهای را این روشهای بهینهسازی انجام دادهاند. آنها در مطالعات خود به بررسی عملکرد الگوریتمهایی نظیر ازدحام ذرات - PSO - ، پرش غورباقه - SFLA - ، ژنتیک - GA - ، جستجوی هارمونی - HS - و رقابت استعماری - IWD - پرداختند.
در این مطالعه از الگوریتم WCA برای مدیریت بهرهبرداری از مخزن سد لتیان استفاده میشود. با توجه به کاربردهای موفق الگوریتمهای فراابتکاری در مسائل مختلف بهینهسازی و نظر به اهمیت بهینهسازی مخزن، هدف از انجام این تحقیق استفاده از الگوریتم WCA در مدیریت بهرهبرداری مخزن میباشد.
روابط ریاضی توصیف مدل بهره برداری از مخزن به روش جیره بندی
در این روش برای شروع جیرهبندی خروجیها، یک حجم آستانه معرفی شده که این حجم برای کلیه ماههایِ نیاز تعریف میگردد. زمانی که حاصل جمع ذخیره موجود مخزن و ورودی پیش بینی شده کمتر از این حجم آستانه باشد، سیاست جیره بندی آغاز میگردد. تابع هدف مدل مذکور عبارت از کمینه نمودن حداکثر کمبود میباشد
همانطور که بیان شد جهت شروع سیاست جیرهبندی، به یک حجم آستانه نیاز میباشد. با توجه به تعیین این حجم آستانه دو روش زیر تعریف میگردد:
-1 استفاده از ذخیره مخزن جهت شروع کاهش نیاز - جیرهبندی گسسته یا - S Type
-2 استفاده از مجموع ذخیره و جریان ورودی مخزن در بازه زمانی جاری - جیرهبندی پیوسته یا - SQ Type
بر اساس این سیاست، در زمان اعمال کاهش نیاز، نیاز و خروجی مخزن تابعی از حجم ذخیره مخزن در ابتدای دوره جاری بعلاوه ورودی پیش بینی شده در طول دوره جاری می شوند. متغیرهای سیاست مذکور که در حقیقت راهنمایی برای تعیین چگونگی تعدیل نیاز هستند، از حل یک مدل برنامه ریزی ریاضی حاصل میشود.
ایجاد یک قانون موثر و کارا جهت کاهش نیاز و لذا خروجی مخزن در طول دوره خشکی و شرایط پیش از آن، دست کم با دو سوال مهم زیر مواجه میگردد: -1 از چه زمانی و در چه سطحی از ذخیره و ورودی پیش بینی شده، میبایست جیرهبندی آغاز گردد؟ -2 میزان و اندازه کاهش خروجی در طول هر دوره جیرهبندی چه اندازه باید باشد؟
به منظور پاسخ به این دو سوال از یک مدل برنامه ریزی اعداد صحیح مختلط غیر خطی - MINLP - استفاده میشود. این مدل بر پایه تغییر شیب 1:1 منحنی S شکل خروجی مخزن- رهاسازی استوار است. شکل - 1 - منحنی مربوط به سیاست جیرهبندی را نشان میدهد.
شکل : - 1 - سیاست جیره بندی - جلالی، . - 1384
بر اساس این سیاست میزان خروجی برای مواقعی که حجم دخیره به علاوه مقدار پیش بینی جریان ورودی، کمتر از KP برابر نیاز باشد، از رابطه - 1 - محاسبه میشود:
که در آن R مقدار خرجی از مخزن، I ورودی پیشبینی شده به مخزن و S حجم ذخیره مخزن میباشد.
مدل بهینهسازی
در مدل بهینهسازی حداقل نمودن حداکثر کمبود به عنوان تابع هدف انتخاب میشود. حداقل نمودن کل کمبود ممکن است منجر به حداقلسازی خسارت نشود. مدل به منظور انجام فرآیند بهینهسازی از سازوکار شبیهسازی بیلان در مخزن با توجه به اصول جیرهبندی استفاده میکند. معادلات - 2 - تا - 10 - فرآیند شبیهسازی حجم مخزن در هر دوره را نشان میدهد.
در این مدل، سه قید اول قوانین بهرهبرداری را توصیف میکنند. اگر ذخیره به علاوه جریان ورودی - It - پیش بینی شده بزرگتر یا مساوی حجم آستانه Dt×KP باشد، به اندازهی کل نیاز رها - Rt - خواهد شد Dt - معادل نیاز پایین دست در دورهی t است - . در نتیجه مقدار کمبود Ut برابر صفر و متغیر مازاد Yt مقدار مثبتی میشود.
