بخشی از مقاله
چکیده
شبکه هاي خطوط لوله از زیرساختهاي مهم سیستمهاي آبیاري تحت فشار و طرحهاي آبیاري فضاي سبز شهري قلمداد میشوند. عموما هزینه هنگفت اجراي این سیستمها خصوصا در محدوههاي شهري، متولیان امر را بر آن میدارد تا در مسیر توسعه و نوسازي این شبکهها از پتانسیلهاي وضعیت موجود تا حد امکان بهرهگیري نمایند. این موضوع مستلزم شناخت کافی از ویژگیهاي فیزیکی و هیدرولیکی شبکه از جمله تعیین دقیق پیکربندي و قطر لولههاي شبکههاي قدیمی موجود، زبري لولهها و میزان ضرایب تخلیه جریان در محل خروجیهاي شبکه است.
با آگاهی از پارامترهاي فوق، توان و ظرفیت توزیع آب شبکه موجود در بخشهاي مختلف آن شناسایی گردیده و نتیجتا میتوان طرح توسعه و علاج بخشی را متناسب با آن تا حد امکان کم هزینهتر طراحی نمود. در تحقیق حاضر با توسعه یک مدل بهینهسازي الگوریتم ژنتیک و اتصال آن به مدل شبیهساز هیدرولیک، مسئله شناسایی شبکه و کالیبراسیون یک شبکه آبیاري تحت فشار موجود، مورد بررسی قرار میگیرد.
در روش پیشنهادي این تحقیق متغیرهاي تصمیمگیري مشتمل بر ضرایب تخلیه جریان در خروجیهاي سیستم، ضرایب افت هیزن ویلیام لولهها و قطر مجهول برخی لولههاي شبکه و تابع هدف، حداقلسازي مجموع مربعات اختلاف مقادیر مشاهداتی و محاسباتی براي فشارهاي گرهی و دبی لوله ورودي میباشد . همچنین، قیود برآمده از معادلات پیوستگی جریان در گره ها و بقا انرژي در حلقهها به طور خودکار توسط مدل هیدرولیکی تامین گردیده و از این نظر مدل برنامهریزي این تحقیق یک مدل نامقید محسوب میشود. پیاده سازي روش پیشنهادي روي یک شبکه آبیاري تحت فشار به عنوان مطالعه موردي نشان میدهد که این روش در شناسایی پارامترها و کالیبراسیون شبکه دقت قابل قبولی دارد.
-1 مقدمه
خطوط لوله آب از اصلیترین زیرساختهاي توسعه شهري و روستایی، کشاورزي، صنایع و ... میباشند. در پروژههاي شهري و روستایی، شبکههاي آبرسانی وظایف مهمی همچون تامین آب براي مصارف شرب، بهداشتی، فضاي سبز خانگی و عمومی و .... در کنار تامین نیاز آبی مصارف عمومی و تجاري، تامین نیاز آبی در شرایط بحران آتش سوزي و ... را عهده دار هستند. همچنین توسعه و تجهیز شبکههاي آبیاري تحت فشار در طی سالیان اخیر به عنوان یکی از اصلیترین سیاست دولتها در مدیریت بحران کمی آب در بخش کشاورزي مورد تاکید و و توجه ویژه قرار داشته است.
عموما هزینه هنگفت اجراي این سیستم هاي شبکه خطوط لوله، متولیان امر را بر آن می دارد تا در مسیر توسعه و نوسازي این شبکه ها از پتانسیلهاي وضعیت موجود تا حدامکان بهره گیري نمایند. این موضوع مستلزم شناخت کافی از ویژگیهاي فیزیکی و هیدرولیکی شبکه از جمله تعیین دقیق پیکربندي و قطر و زبري لوله هاي شبکه موجود، میزان ضرایب تخلیه جریان در محل خروجیهاي شبکه و ... است. با آگاهی از پارامترهاي مورد اشاره فوق، توان و ظرفیت توزیع آب شبکه موجود در بخشهاي مختلف آن شناسایی گردیده و بر این اساس میتوان طرح هاي توسعه و علاج بخشی شبکه ها را متناسب با آن، تا حد امکان کم هزینه تر طراحی نمود.
به طور کلی ایده اصلی حل یک مساله کالیبراسیون براي تعیین مجهولات یک سیستم شبکه توزیع آب، تعریف یک مساله معکوس است به طوري که با تنظیم پارامترهاي مجهول در یک پروسه مبتنی بر آزمون و خطا یا بهینه سازي، مقادیر پیشبینی فشارهاي گرهی و دبی لوله ها در مدل هیدرولیکی شبکه به سمت مقادیر اندازه گیري میدانی سوق داده شود . - Lansey et al, 2001 - در سالهاي اخیر، پژوهش هاي ارزشمندي در زمینه مساله کالیبراسیون شبکه هاي آبیاري و سیستم شبکه توزیع آب انجام گردیده است که ذیلا به برخی از آنها اشاره می گردد.
Moreno et al - 2008 - یک روش کالیبراسیون مبتنی بر تقاضا براي مدل هاي شبکه هاي آبیاري ارایه دادند. در فرایند کالیبراسیون آنها یک تابع هدف جدید تحت عنوان حداکثر داده با خطاي منطقی - MDRE - را ارایه دادند و آن را با دو تابع هدف مرسوم تر به نام هاي حداقل مربعات ساده - SLS - وتخمین گر احتمال حداکثر براي خطا - HMLE - مقایسه نمودند. در فرایند کالیبراسیون آنها از روش بهینه سازي شبه نیوتنی استفاده شد و ضرایب افت هیزن ویلیام به عنوان متغیر هاي تصمیم در نظر گرفته شد.
آنها روش خود را بر شبکه واقع در بکار گرفتند. در این شبکه اندازه گیري فشار و جریان در هیدرانتها انجام شد. کالیبراسیون انجام شده توسط تابع هدف MDRE با در نظر گرفتن همزمان فشار در تمامی نقاط کنترل انجام شد و نتایج با حالتی که هر نقطه کنترل به صورت مجزا در نظر گرفته شود مقایسه گردید. با این کار آنها تاثیر انتخاب مکان نقطه اندازه گیري پارامتر هاي جریان را بررسی نمودند. نتایج نشان داد تابع هدف MDRE نسبت به دو تابع هدف دیگر خطاي کمتري دارد. همچنین در نظر گرفتن همزمان تمامی نقاط اندازه گیري نسبت به در نظر گرفتن مستقل نقاط دقت بیشتري را ارایه می دهد.
Cisty - 2008 - پژوهشی در خصوص کالیبراسیون خودکار مدلهاي هیدرولیکی شبکه هاي آبیاري ارایه نمودند. به عقیده آنها یافتن مقادیر کالیبره شده ضرایب مجهول شبکه ازطریق فرایند سعی و خطا رایج داراي عدم قطعیت بالایی بوده و لذا استفاده الگوریتم هاي بهینه سازي در کالیبراسیون جهت افزایش قابلیت اعتماد پاسخ ها بسیار می تواند مفید باشد. بر همین اساس آنها متدولژیی مبتنی بر روش بهینه سازي معرفی نمودند.
Shen et al - 2010 - مطالعه اي در خصوص کالیبراسیون هیدرولیکی شبکه هاي توزیع آب کوچک انجام دادند. هدف آنها ایجاد یک مدل اولیه دقیق به منظور استفاده در بهره برداري و نگهداري و همچنین مدیریت کیفیت آب شهرC-Town بود. آنها هفت دسته پارامتر شامل زبري لوله ها، ارتفاع، ضرایب نشت، منحنی پمپ، تقاضاي پایه، مقادیر الگوها هاي مصرف و کنترل شیر و پمپ را در نظر گرفتند. مساله کالیبراسیون به صورت حداقل سازي اختلاف مقادیر محاسباتی و مشاهداتی فورمول بندي شد و از الگوریتم ژنتیک جهت حل این مساله بهینه سازي استفاده گردید.
Laucelli et al - 2010 - مساله کالیبراسیون شبکه هاي توزیع را به صورت یک مساله بهینه سازي چند هدفه فرمول بندي کردند. توابع هدف آنها حالتهاي مختلفی از خطاهاي نسبی میان مقادیر مشاهداتی و محاسباتی بود. قید هاي صریح آنها معادلات تعادل جرم و انرژي بود که براي یک مدل شبیه ساز و براي پنج حالت ماندگار سیستم در نظر گرفته شد. پارامتر هاي کالیبراسیون، ضرایب زبري گروهی لوله ها، دو ضریب شیر و یک فاکتور سرعت پمپ را شامل می شد.قبل انجام کالیبراسیون، توپوگرافی سیستم نیز مورد تحلیل قرار گرفت و نهایتا از الگوریتم ژنتیک چند هدفه براي حل مساله بهینه سازي یاد شد استفاده گردید.
Alves et al - 2014 - مطالعه اي در خصوص مدلسازي و کالیبراسیون شبکه هاي توزیع آب انجام دادند. تمرکز آنها بر روي بخش هایی از شبکه ها بود که مشکل مرتبط با فشار داشتند و داده ها و اطلاعات کمی در مورد آنها وجود داشت. آنها ابتدا مطالعات میدانی اولیه اي در خصوص تهیه نقشه هاي شبکه انجام دادند تا دقت را افزایش دهند. نهایتا از یک فرآیند سعی و خطا براي بهبود دقت مدلها استفاده نمودند و یک گام به گام جهت دستیابی به یک مدل کالیبره شده شامل تجهیزات شبکه، منطقه هاي تعریف شده و معیارهایی جهت کاهش مشکلات ناشی از فشار اریه نمودند.
Pérez et al - 2017 - پژوهشی در خصوص کالیبراسیون مدلهاي جریان در شبکه هاي آبیاري انجام دادند. آنها روش جدیدي در خصوص اختصاص و کالیبراسیون الگوهاي مصرف در طول زمان براي شبکه هاي آبیاري ارایه دادند.استراتژي کالیبراسیون آنها مبتنی بر برخی شاخص هاي عملکردي بود که این شاخص ها از مدل هاي هیدرولژیکی مرسوم از قبیل ضریب Nash-Sutcliffe ، ریشه مربع خطاي نسبی و درصد بایاس بود. مطالعه موردي بر شبکه آلکانته اسپانیا انجام گردید که نتایج انطباق بسیار خوبی را بر شبکه مرجع نشان داد.
در مقاله حاضر، مساله تعیین وضعیت یک شبکه آبیاري تحت فشار براي تعیین پارامترهاي مجهول ضرایب زبري لوله ها و ضرایب تخلیه در خروجی ها بعلاوه قطر مجهول برخی لوله ها برنامه ریزي می گردد. پارامترهاي مذکور به عنوان متغیرهاي تصمیم گیري و مجموع مربعات اختلاف مقادیر مشاهداتی و محاسباتی براي فشارهاي گرهی و دبی لوله ورودي به عنوان تابع هدف در این برنامه ریزي در نظر گرفته می شوند. همچنین قیود برآمده از معادلات پیوستگی جریان در گره ها و بقا انرژي در حلقه ها به طور خودکار توسط مدل هیدرولیکی تامین می گردد.
-2 مواد و روشها بیان ریاضی مساله
اجزاي یک برنامه ریزي براي حل مساله کالیبراسیون شبکه توزیع آب شامل تابع هدف، متغیرهاي تصمیم و قیود برنامه ریزي - در صورت وجود - می باشد. تابع هدف - در فرآیند کالیبراسیون در شبکه هاي توزیع آب عموما مجموع مربعات اختلاف مقادیر فشارهاي اندازه گیري شده در گره هاي فشارسنجی و فشار محاسباتی مدل شبیه سازي درگره هاي متناظر آنها به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده.
