بخشی از مقاله
چکیده
سد بوکان بر روی رودخانه زرینه رود قرار داشته و یکی از سدهای نسبتاً مهم حوضه آبریز دریاچه ارومیه میباشد. در شرایطی که بحران خشک شدن دریاچه ارومیه جدی است، ارائه سیاست بهرهبرداری بهینه از مخزن این سد با لحاظ تأمین نیاز زیستمحیطی بسیار ضروری است. در سالهای اخیر با پیشرفت در علوم رایانهای اقبال به کاربرد روشهای نوین بهینهسازی فراکاوشی در بهرهبرداری از مخازن سدها افزایش چشمگیری داشته است.
آزادنیا و زهرایی - 1389 - ، الگوریتم بهینه سازی PSO را برای حل مسائل چند هدفه بهره برداری از مخزن سد سفیدرود با در نظر گرفتن دو هدف یعنی تامین نیاز پای دست و تخلیه رسوبات بکار گرفتند. هدف هر دو تابع حداقل سازی خسارت ناشی از خروجی نامناسب از مخزن در طول دوره بهینه سازی بود. آذرافزا و همکاران - 1391 - ، در تحقیق خود سه الگوریتم فراابتکاری ازدحام ذرات - PSO - و الگوریتم ژنتیک - GA - و الگوریتم شبیهسازی بازپخت - SA - ، را برای استخراج منحنیهای فرمان بهرهبرداری مخزن سد شهرچای در ارومیه به کار گرفتند.
آنها به این نتیجه رسیدند که کمترین مقدار تابع هدف توسط الگوریتم PSO حاصل میشود. درنتیجه با استفاده از این الگوریتم و ایجاد یک رابطهی غیرخطی درجهدو بین متغیرها، توانستند مقادیر رهاسازی مخزن و حجم ذخیره در سالهای مختلف برای 5 سال آماری را استخراج کنند. عزیزپور و همکاران - 2016 - ، برای بهرهبرداری بهینه از مخزن برقآبی از الگوریتم بهینهسازی علفهای هرز - IWO - استفاده کردند.
هدف آنها حل مشکلات بهرهبرداری بهینه مخزن برقآبی در دو حالت تک مخزنه و چند مخزنه ، در طول دوره بهرهبرداری کوتاهمدت، میانمدت و بلندمدت بود. نتایج بهدستآمده با الگوریتمهای PSO و GA مورد ارزیابی قرار گرفت. الگوریتم علفهای هرز کارآمدتر و مؤثرتر از سایر روشهای موردبررسی برای هر دو حالت تک مخزنه و چند مخزنه بود. هدف از این تحقیق بررسی عملکرد الگوریتم بهینهسازی مجموعه ذرات در مقایسه با روش برنامهریزی غیرخطی در بهرهبرداری بهینه از مخزن سد بوکان با لحاظ تأمین کامل حق آبه زیستمحیطی دریاچه ارومیه میباشد.
مواد و روش ها منطقه مورد مطالعه
سد بوکان از جمله مهمترین سد های حوضه آبریز دریاچه اورمیه می باشد. حوضه آبریز سد مخزنی بوکان در 35 کیلومتری شهر بوکان، با مساحت 6890 کیلومتر مربع در طول جغرافیایی 45 45 تا 47 15 شرقی و عرض جغرافیایی 35 30' تا 36 45' شمالی در استان آذربایجان غربی واقع شده است. این سد آب مورد نیاز کشاورزی جلگه میاندوآب و بخشی از دشت های بناب و ملکان را تامین می کند. سطح ناخالص کشاورزی این شبکه برابر 64670 هکتار می باشد که از این مساحت 58171 هکتار قابل آبیاری می باشد. حجم مفید مخزن سد بوکان برابر 486 میلیون متر مکعب می باشد. با استفاده از منحنی سطح- حجم- ارتفاع سد رابطه ریاضی - 1 - حاصل گردید.
At = -0.0001ST2 + 0.1256ST + 2.6996 R2=0.9895 - 1 -
که در روابط بالا مساحت آب موجود در مخزن سد در دوره t و حجم ذخیرهی آب در مخزن سد به میلیون متر مکعب در دوره t را نشان میدهد. نمودار شکل 1 نشان میدهد که در ماه های سرد سال یعنی ماههای بهمن و اسفند به علت عدم فعالیت کشاورزی، آب موردنیاز برای این ماهها برابر مقدار صفر در نظر گرفته شده است. همچنین در فصل تابستان که فعالیت مربوط به بخش کشاورزی به اوج مصرف خود میرسد، نیاز آب در این ماهها نیز دارای بیشترین مقدار خود میباشد.
شکل :1 متوسط جریان ورودی ماهانه و توزیع نیاز بخش کشاورزی و شرب و صنعت در مقیاس ماهانه در مخزن سد بوکان در دوره 1370 تا 1394 روش ها الگوریتم مجموعه ذرات الگوریتم PSO یکی از اولین الگوریتم های فرا ابتکاری است که از مدل واقعی در طبیعت الهام گرفته شده است. این مدل از رفتار جمعی پرندگان در یافتن غذا بهره می گیرد، بدین ترتیب که جمعیتی متشکل از یک سری ذرات را تشکیل می دهد که هر ذره معرف یک پرنده در فضای جستجو است و PSO با بروز کردن موقعیت ذرات با توجه به میزان جمعیت، آنها را به سمت جواب بهینه هدایت می کند و همچنین اطلاعات یک یا چند ذره از بهترین ذرات موجود در جمع، جهتی را برای حرکت انتخاب می کنند و پس از انجام حرکت، یک مرحله از الگوریتم به پایان می رسد
مدل ریاضی بهره برداری از مخزن مقدار خروجی و حجم مخزن به ترتیب متغیر تصمیم و حالت میباشد. هدف مسئله در بهینهسازی، حداقل کردن مجذور شدت کمبودهای کشاورزی در طول دوره بهرهبرداری است. تابع هدف مدل بهینهسازی بهره برداری از مخزن سد بوکان به صورت معادله - 2 - ارائه گردیده است. تحقیق موردنظر دارای چندین متغیر تصمیم میباشد و تابع هدف از نوع غیرخطی میباشد و به همین دلیل برای حل تابع موردنظر بهترین روش استفاده از روش برنامه ریزی غیرخطی یا روشهای فراابتکاری می باشد.
در تمامی مراحل بهینهسازی بهره برداری از مخزن باید موازنه جرمی بین مقادیر ورودی و خروجی و حجم ذخیره مخزن برقرار باشد. رابطه پیوستگی مورداستفاده در این پژوهش به صورت رابطه - 3 - میباشد. میزان تبخیر از سطح مخزن و همچنین میزان بارش به سطح مخزن برای محاسبه میزان ذخیره ×مخزن، در هرماه طبق رابطه - 4 - بیانشده است.
در روابط بالا، میزان حجم آب رهاسازی ماهانه، میزان حجم آب موردنیاز کشاورزی در هرماه، حداکثر نیاز ماهانه کشاورزی در طول دوره بهره برداری، حداقل حجم مخزن، حداکثر حجم مخزن، مقدار حجم آب ذخیرهشده در مخزن در دوره t+1، مقدار حجم آب ذخیره شده در مخزن در دوره t، حجم جریان ورودی به مخزن در ماه t ام، حجم بارش به صورت مستقیم بر سطح دریاچه سد در ماه t ام، حجم آب تبخیر شده از سطح دریاچه در ماه t ام، حجم آب سرریز شده در ماه t ام و مجموع حجم نیاز شرب و صنعت در ماه t ام، DE - t - حداقل حجم حقابه زیستمحیطی رودخانه در ماه t ام، سطح مخزن که از رابطه - 1 - به دست میآید.
یافته ها و بحث با توجه به اینکه متغیرهای تصمیم در این تحقیق پیوسته می باشد و همچنین باوجود تابع هدف غیرخطی در مسئله موجود، یکی از جایگزینهای مناسب
روشهای فراکاوشی، روشهای برنامهریزی غیرخطی میباشند. بنابراین برای مقایسه روشهای مورد بررسی کدنویسی در محیط نرمافزار GAMS انجام و مدل با استفاده از حلکننده MINOS اجرا گردید. در این تحقیق مدل اجرا شده غیرخطی نتوانست به بهینه سراسری دست یابد و برای تابع هدف مقدار جواب محلی 65.44 حاصل گردید. جهت بهینهسازی بهره برداری از مخزن سد بوکان با استفاده از الگوریتم مجموعه ذرات - PSO - با تعداد جمعیت 500 در محیط نرم افزار متلب کد مربوطه نوشته شده و اجرا گردید.
شکل :2 مقادیر تقاضای کشاورزی و رهاسازی بهدست آمده از الگوریتم PSO برای سد بوکان در دوره آماری 1370 تا 1394 و مقادیر حجم کمبودآب ماهانه بهدست آمده از الگوریتم PSO برای سد بوکان در دوره آماری 1370 تا 1394 همانطور که از شکل 2 مشاهده می شود الگوریتم PSO توانسته است مقدار تقاضای پایین دست را به خوبی برآورده کند و حدود 88 درصد از نیازهای پایین دست سد را یرآورده سازد.
از شکل 2 می توان استنباط کرد که مقدار کمبود ها قابل توجه نبوده و در ماه های خاصی کمبود بیشتر می باشد. مجموع کل کمبود ها در طول کل دوره بهره برداری از 9336 میلیون متر مکعب برابر 1115 میلیون متر مکعب می باشد. همان طور که از شکل 4 مشاهده می شود، گرچه عملکرد هر دو روش NLP و PSO قابل قبول بوده ولی روش PSO توانسته نسبت به روش NLP با دقت مناسبی نیاز پایین دست سد را تامین کند.
شکل :4 مقادیر تقاضای کشاورزی و رهاسازی به دست آمده از روش های PSO و NLP برای سد بوکان
جدول :1 مقادیر تابع هدف و شاخص های عملکرد حاصل از اجرای روش های مورد بررسی
با توجه به نتایج جدول 1، مقدار تابع هدف برای الگوریتم PSO، 4.67 بهدست آمده است. در حالی که برای روش برنامه ریزی غیرخطی-GAMS MINOS برابر 65.44 میباشد. با توجه به شاخص های عملکرد مخزن الگوریتم PSO توانسته 88 درصد و روش 73/17 GAMS-MINOS درصد از تقاضای کشاورزی پایین دست سد بوکان را تامین کند. میزان کل کمبود ها برای الگوریتم PSO وNLP به ترتیب برابر 1115 و 2504/4 میلیون متر مکعب می باشد.
نتیجه گیری با توجه به نتایج بهدستآمده و ملاحظه وضع فعلی رهاسازی موجود در مخزن سد بوکان، میتوان دریافت که سیاست های بهره برداری کنونی موجود در مخزن سد بوکان مناسب نبوده و دارای یک سری ضعفها میباشد بر اساس مقادیر بهدستآمده برای شاخصهای عملکرد مخزن مشخص گردید که الگوریتم مجموعه ذرات نسبت به روش برنامه ریزی غیر خطی عملکرد بهتری ارائه میکند که توانسته است حداقل جریان زیستمحیطی رودخانه را نیز تأمین کند.
