بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به وضعیت بحرانی موجود در کشور و کاهش شدید منابع آب شیرین، کنترل میزان تلفات در تمام بخشها حائز اهمیت است. یکی از بخشهایی که سالانه تلفات قابل توجهی در آن صورت میگیرد شبکههای توزیع آب شهری میباشد.
کنترل تلفات و نشت در شبکههای توزیع آب به وسیله روشهای مختلفی صورت میگیرد که سادهترین و پربازدهترین روش، استفاده از شیرفشارشکن است که برای کنترل فشار شبکه استفاده میگردد به دلیل اینکه فشار مهمترین عامل در میزان نشت از شبکه محسوب میگردد. در این مطالعه مکانیابی بهینه شیرفشارشکن و تنظیمات فشار خروجی آن به عنوان یک مسئله بهینهسازی همراه با چند تابع هدف دیگر به کمک مدل شبیهساز-بهینهساز تعریف گردید. الگوریتم کرم شبتاب به عنوان الگوریتم بهینهساز و مدل EPANET به عنوان شبیهساز شبکه توزیع آب مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج حاصل از اجرای این مدل باعث کاهش میزان نشت حدود %60 نسبت به نشت اولیه قبل از به کارگیری شیرفشارشکن و افزایش 50% پوشش محدوده مطلوب فشار گردید.
مقدمه
یکی از بخشهایی که کاهش تلفات در آن هم از بعد کمبود منابع آب و هم از بعد اقتصادی حائز اهمیت است، شبکههای توزیع آب میباشد و مسئله کاهش تلفات بر اثر نشت میباشد. نشت از شبکههای آبرسانی اجتناب ناپذیر است و امروزه به وضوح مشخص شده که نمیتوانآن را کاملاً از بین برد
حتی در شبکههای توزیعی که تازه به بهرهبرداری میرسند نیز حداقلی از تلفات وجود دارد. اما واضح است که تلفات میتواند به گونهای مدیریت شود تا در محدوده اقتصادی باقی بماند. نشت در شبکههای آبرسانی ممکن است در محل اتصالات خطوط لوله و یا ترکهای طولی و عرضی که روی بدنه لوله در گذر زمان ایجاد میشوند، به وجود آید
مطالعات مختلف نشان میدهد که با مدیریت فشار و حداقل کردن میزان فشار در گرهها حجم زیادی از نشت غیرقابل مشاهده در شبکه کاهش داده میشود Xu et al]،. - 2014 بعد از کار گذاشتن لولههای شبکه، در میان تمامی عواملی که بر میزان نشت تأثیرگذار هستند، تنها میزان فشار لولههاست که قابل کنترل بوده و در تحقیقاتی که از سوی انجمن بین المللی آب - International Water Association - IWA - - در زمینه مدیریت نشت انجام گرفته، مدیریت فشار سادهترین، سریعترینو احتمالاً ارزانترین راه ممکن جهت کاهش نشت تعیین شده است
مدیریت فشار میتواند از روشهای مختلف از قبیل بخشبندی سیستم با شیرهای جداسازی تا نصب شیرهای کنترل جریان و شیرهای فشارشکن اجرا شود Zovaztto and Nicolini]، .[ - 2009 ساویچ و والترز به مسئله بهینهیابی شیرهای جداسازی در شبکه پرداختهاند
همچنین بهینهیابی شیرآلات کنترل جریان یا شیرآلات فشارشکن در مطالعات زیادی مورد توجه قرار گرفته است. اکثر محققین از شیرهای کنترل جریان استفاده کردهاند - Reis et al - ]، [ - 1997 و تنها عدهای شیرهای فشارشکن را مورد توجه قرار دادهاند اما کاربرد شیرهای فشارشکن از جنبههای عملیاتی برای شبکههای توزیع آب مناسبتر است
برخی محققین برای حل مسئله بهینهسازی از روشهای برنامهریزی ریاضی استفاده کردهاند Jowitt and Germanopoulos - ، - 1998 و برخی از الگوریتم فراابتکاری مانند الگوریتم ژنتیک بهره جستهاند Savic walters and - ]، - 1996، Reis et al - ، - 1997، - Mahdavi et al، .[ - 2010 برای بهینهسازی در زمینه شبکههای توزیع آب شهری به طور وسیعی از الگوریتمهای مختلف استفاده گردیده است که اکثر آنها در فاز طراحی این شبکهها بوده است، مانند الگوریتم کلونی مورچگان Maier et al - ، - 2003، الگوریتم جستوجوی ممنوعه Ribeiro and Da Conceicao Cunha - ، - 2004، الگوریتم جستوجوی هارمونی Geem - ، . - 2006
یانگ در سال 2007 برای اولین بار الگوریتم کرم شبتاب - Firefly Algorithm - - به اختصار - FA را در دانشگاه کمبریج معرفی کرد. یانگ در سال 2008 در تحقیقی از FA برای حل 10 مسئله آزمون بهینهسازی استفاده کرد و نتایج را با جوابهای حاصل از GA و الگوریتم PSO مقایسه کرد.
نتایج این تحقیق حاکی از بالاتر بودن موفقیت FA %100 در پیدا کردن جواب بهینه مطلق نسب به GA و الگوریتم PSO بود Yang - ، . - 2008 موغاری و بنیحبیب - 1392 - از الگوریتم کرم شبتاب برای بهینهسازی بهرهبرداری از مخزن با هدف تأمین آب کشاورزی استفاده نموند و با مقایسه نتایج حاصل از عملکرد این الگوریتم با الگویتمهای ژنتیک - GA - و بهینهسازی مجموعه ذرات - PSO - نشان دادند که عملکرد این الگوریتم بهتر از دو الگوریتم دیگر به کار رفته بود. با توجه به این مطالب، در این مطالعه از شیرهای فشارشکن برای مدیریت فشار در شبکه توزیع آب، که در نرمافزار EPANET شبیه سازی شده و الگوریتم بهینهسازی کرم شبتاب برای بهینهسازی میزان فشار با توجه به اهداف مدنظر این مطالعه، استفاده شده است. که به صورت مدل شبیهساز-بهینهساز و جعبه ابزار نرمافزار EPANET بایکدیگر لینک شدهاند.
مواد و روشها
برای محاسبه میزان نشت از هر لوله Jowitt and Germanopoulos - ، - 1998 با توجه به بررسیهای انجام شده که برپایه اندازهگیریهای محلی بود، مدلی را برای در نظر گرفتن رابطه میزان نشت با فشار در شبکه توزیع آب پیشنهاد نمود. وی با فرض توزیع یکسان نشت در طول لوله، رابطه - 1 - را ارائه کرد:
در رابطه مذکور، نرخ جریان خروجی نشت از هر لوله بر حسب لیتر در ثانیه و C یک ثابت کلی است که به خصوصیات شبکه بستگی دارد. این ضریب در واقع در برگیرنده جنس و عمر لولهها است و توسط اندازهگیریهای محلی بهدست میآید. همچنین طول لوله بر حسب متر و فشار متوسط در طول لوله یا میانگین فشار گرههای دو سر لوله بر حسب اتمسفر است. که در این حالت نشت کلی از شبکه از جمع مقادیر نشت هر لوله حاصل میشود. بنابراین تابع هدف کل نشت تخمینی در شبکه به صورت رابطه - 2 - بیان میگردد:
که npl تعداد کل لولههای شبکه است. همچنین در این تحقیق افزایش پوشش محدوده فشارهای مطلوب نیز مدنظر قرار گرفته است که تابع هدف در این حالت به صورت رابطه - 3 - بیان میگردد:
که پوشش فشارهای مطلوب در شبکه بر حسب درصد بیان میگردد. همچنین، محدوده فشارهای مطلوب در شبکه نیز به صورت رابطه - 4 - نشان داده میشود:
که در آنحداقل فشار مطلوب، حداکثر فشار مطلوب و فشار در نقطه i است. حد پایین و بالای محدوده فشارهای مطلوب در این تحقیق به ترتیب 30 و 50 متر در نظر گرفته میشود. پارامترهای مختلفی در یافتن جواب بهینه در این الگوریتم مؤثر هستند که باید با توجه به مسئله مقادیر مناسبی به این پارامترها داد. از جمله این پارامترها میتوان به این موارد اشاره کرد:
: ضریب جذب نور توسط محیط، :Max Generation حداکثر تعداد تکرارها - شرط خاتمه اجرای الگوریتم - ، :β حداکثر ضریب جذابیت بین دو کرم شبتاب، :α ضریب بردار جابجایی تصادف، :m تعداد کرمهای شبتاب.
