بخشی از مقاله
چکیده
اتلاف بیش از متوسط 30 درصد آب ورودی به شبکههای توزیع آب شرب کشور در اثر نشت از شبکهها، موجب نگرانی جدی مسئولین شرکتهای آب و فاضلاب کشور شده است.
نشت غیر مرئی از لولههای شبکه به ویژه در شبکههای قدیمی توزیع آب بخش زیادی از اتلاف سالانه شبکههای توزیع آب را تشکیل میدهد. در این مقاله مدیریت کاهش نشت در شبکه توزیع آب شهری محلات که دارای تلفات آبی بالایی است، مورد بررسی قرار میگیرد. برای شبکه توزیع آب شهر محلات که همواره دارای مشکل فشار مازاد در اکثر نقاط است، مدیریت فشار - با توجه به رابطه مستقیم بین فشار و نشت - به عنوان یک ابزار مفید در جهت کاهش نشت مورد توجه قرار گرفته و در این راستا نصب شیرهای فشارشکن به عنوان متداول ترین شیوه مدیریت فشار به صورت یک مساله بهینه سازی در نظر گرفته شده است.
برای حل این مساله یک مدل بهینه سازی پیشنهادی با در نظر گرفتن توابع هدف - 1 - حداقل سازی نشت کلی در شبکه و - 2 - حداقل سازی تعداد شیرهای فشارشکن و لحاظ کردن محدودیتهای مساله توسعه یافته است. مدل بهینه سازی مذکور با استفاده از یک الگوریتم ژنتیک دوهدفه در قالب یک برنامه کامپیوتری در محیط نرم افزار MATLAB نوشته شده و برای شبیهسازی هیدرولیکی شبکه توزیع آب - معادلات تعادل جرم و انرژی - از نرم افزار شناخته شده EPANET استفاده شده است .
نتایج اجرای مدل در شبکه توزیع آب شهر محلات با فرض سه سناریو مختلف نشان میدهد که نصب و تنظیم شیرآلات کاهش فشار مطابق با مکانها و تنظیمات بهینه خروجی برنامه کاهش قابل توجهی در میزان تلفات سالانه این شبکه به وجود خواهد آورد. به عنوان نمونه در سناریو اول حدود 61 درصد کاهش در میزان نشت اولیه شبکه مشاهده شده است.
مقادیر نتایج بهینه سازی با طرح مدیریت فشار از پیش اجرا شده در شبکه محلات نشان دهنده بهبود قابل توجه نتایج بهینهسازی نسبت به طرح کارشناس است به گونهای که کاهش نشت حاصل از شش شیر پیشنهادی کارشناس تنها معادل نتایج حاصل از دو شیر بهینه است. هم چنین تغییر تنظیمات شیرآلات موجود به صورت بهینه نیز کاهش محسوسی در میزان تلفات ایجاد خواهد کرد.
مقدمه
آب به عنوان یکی از مهمترین نیازهای بشر، در طول تاریخ نقش مهمی را در شکلگیری تمدنهای مختلف ایفا کرده و همواره از دغدغههای اصلی جوامع بشری به شمار آمده است. در مطالعه ای که توسط برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد انجام شده، برآورد شده است که در سال 2025، جمعیت جهان درگیر تنشهای آبی خواهند بود - تورنتن و همکاران، . - 2008 بنابراین توجه به چگونگی استفاده از آب، حفظ و صرفهجویی آن یکی از الزامات پیشرفت جوامع بشری است.
نتایج مطالعات زیادی که در سطح جهان انجام شده است، نشان میدهد حجم قابل توجهی از آب ورودی به شبکههای توزیع بر اثر نشت هدر میرود. اما با این حال نشت از شبکههای آبرسانی اجتناب ناپذیر است و امروزه به وضوح مشخص شده است که نمیتوان آن را کاملا از بین برد - تورنتن و همکاران، . - 2008 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. برای حصول این هدف، طرح مدل مدیریت نشت به گونهای که با حداقل سرمایه گذاری موجب حداکثر کاهش نشت شود همواره ذهن کارشناسان را به خود مشغول داشته و مطالعاتی در این زمینه صورت گرفته و هم چنان در جریان است.
بررسی تحقیقات صورت گرفته در این زمینه در سطح جهان نشان میدهد که تلاشهایی برای طرح مدل های بهینه کنترل نشت به خصوص با استفاده از مدیریت فشار در شبکه انجام گرفته و استفاده از روش های مختلف ریاضی و تصادفی در بهینهسازی مدلها پیشنهاد شده است. در این بین، استفاده از الگوریتمهای بهینه سازی تصادفی به دلیل ویژگی های مسائل مورد نظر و گستردگی طیف جوابها مورد اقبال بیش تری بوده است. همچنین، پس از استفاده از الگوریتمهای تکهدفه، محققان به تازگی به استفاده از الگوریتمهای چندهدفه به عنوان مدل توسعه یافته الگوریتمهای تکهدفه که افزایش قابل توجهی در زمان محاسبات و بهبود نتایج دارند، روی آوردهاند.
در راستای تکمیل مطالعات گذشته، در این تحقیق یکی از جدید ترین روشهای بهینهسازی تصادفی چندهدفه تحت عنوان NSGA-II در حل مساله مدیریت بهینه فشار شبکههای توزیع آب به کار می رود و بر این اساس یک مدل بهینه سازی مطابق با شرایط مساله، با توابع هدف متفاوت توسعه مییابد. همچنین کارایی این مدل بر روی دو شبکه توزیع آب مصنوعی و واقعی مورد بررسی قرار میگیرد.
روش کار و مدل پیشنهادی
با توجه به اینکه استفاده از شیرهای فشارشکن به عنوان متداول ترین روش مدیریت فشار شناخته میشود. در این تحقیق یافتن تعداد و مکان بهینه این شیرها در شبکههای توزیع آب جهت کاهش نشت به عنوان یک مساله بهینه سازی مدنظر قرار گرفته است. اولین گام در این راستا تهیه، اصلاح و آمادهسازی مدل شبیه سازی شبکه است. در این تحقیق برای مدل سازی و تحلیل شبکه از نرم افزار EPANET استفاده شده است.
کاربران بسیاری در سراسر جهان، از EPANET استفاده میکنند و کاربردهای آن در سطح گستردهای آزموده شده است - اراجو و همکاران، . - 2006 پس از تهیه مدل شبکه در فرمت نرم افزار مذکور، باید شیرهای فشارشکن در تمام محلهایی که نصب آن ممکن است به مدل افزوده شود. البته به جهت کاهش زمان محاسبات با توجه به مشخصات شبکه میتوان تعداد محدودتری موقعیت در شبکه را به عنوان مکانهای دارای پتانسیل نصب شیر فشار شکن انتخاب کرد.
با توجه به آن که حجم مدل شبکههای واقعی زمان عملیات بهینهسازی را افزایش میدهد میتوان از اسکلتبندی جهت سبک سازی مدل شبکه و کاهش زمان محاسبات استفاده کرد. البته ذکر این نکته ضروری است که اسکلت بندی نباید به گونهای باشد که انتخاب نقاط بهینه را قبل و بعد از اسکلتبندی تغییر دهد. بنابراین در انجام فرآیند اسکلتبندی مدل نکات ذیل باید مورد توجه قرار گیرد: - 1 - عدم حذف نقاط با پتانسیل نصب شیر فشارشکن در فرآیند اسکلتبندی؛ - 2 - عدم تغییر مشخصات هیدرولیکی مدل شبکه توزیع آب.
پس از انجام این مراحل مدل هیدرولیکی شبکه میتواند در عملیات بهینه سازی مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه، مدل بهینه سازی پیشنهادی برای مساله مدیریت بهینه فشار ارائه میشود.
همانگونه که قبلا نیز بیان شد، در این تحقیق انتخاب بهترین مکانها از بین کلیه مکان های با پتانسیل نصب شیر فشارشکن، برای کاهش فشار اضافی و در نتیجه نشت در شبکه آب رسانی مورد بررسی قرار میگیرد. در این راستا هزینه تهیه و نصب شیر آلات، مقدار نشت از شبکه توزیع و میزان درصد پوشش شبکه توزیع در محدوده فشار مطلوب به عنوان معیارهای ارزیابی مد نظر است. بنابراین توابع هدف مساله مدیریت فشار با استفاده از نصب شیرهای فشارشکن را میتوان به صورت ذیل تعریف کرد:
هدف - 1 - کاهش میزان کل نشت در شبکه - F1 - ؛
هدف - 2 - کاهش کل هزینههای تهیه و نصب شیرآلات - F2 - ؛
به طور طبیعی بین این دو هدف تعامل وجود دارد و دستیابی هر چه بیشتر به یکی منجر به کاهش دیگری خواهد بود و برعکس. بنابراین یک الگوریتم چندهدفه مناسب برای حل مساله مورد نیاز است. اما ابتدا باید مساله به صورت ریاضی بیان گردد و محدودیتها و شرایط در مدل بهینهسازی مد نظر قرار گیرد. در این راستا، متغییرهای تصمیم و حالت در این مساله به شکل زیر تعریف میشوند.
متغیرهای تصمیم: - 1 - متغیر تصمیم :N تعداد شیرهای فشارشکن، - 2 - متغیر تصمیم :L که یک بردار دارای N آرایه متشکل از موقعیتهای نصب شیر فشارشکن است؛ - 3 - متغیر تصمیم :S که یک بردار دارای N آرایه متشکل از تنظیمات متناظر با شیرهای فشارشکن است. Nmax حداکثر تعداد شیر مورد نظر برای نصب در شبکه است.
متغیر حالت: نتیجه اعمال جواب های حاصل از بهینهسازی در هر مرحله از طریق سنجش میزان فشار در گرههای شبکه توزیع آب که مجموعه فشارها در کلیه گرههای شبکه متغیرهای حالت را نشان میدهد.
برای بیان تابع هدف اول باید از روابط تخمین نشت در لولهها بهره جست. در این تحقیق برای تخمین نشت در شبکه رابطه Germanopoulos - رابطه - 1 که قبلا نیز توسط محققین دیگر استفاده شده است - تابش و هومهر، 2009 و نیکولینی و زوواتو، - 2009، به کار میرود.
در این رابطه، QLi نرخ جریان خروجی نشت از لوله i 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 به دست میآید. هم چنین Li طول لوله i بر حسب متر و Pi av فشار متوسط در طول لوله i یا میانگین فشار گره های دو سر لوله i بر حسب اتمسفر است.
با توجه به رابطه مذکور که نشت را در یک لوله تخمین می زند، نشت کلی در شبکه از جمع مقادیر نشت هر لوله حاصل میشود. بنابراین تابع هدف کاهش کل نشت تخمینی در شبکه به صورت زیر قابل بیان است:
که در آن npl ، تعداد کل لولههای شبکه است.
همانطور که قبلا نیز بیان شد C ضریبی است که با توجه به وضعیت شبکه تعیین میشود. در این تحقیق با توجه به عدم وجود اطلاعات مورد نیاز محلی، مقدار C با توجه به سابقه مطالعاتی در این زمینه - نیکولینی و زوواتو، - 2009، برابر با 10 5 در نظر گرفته میشود. این تابع هدف از این پس به جهت اختصار تابع هدف نشت نامیده میشود.
تابع هدف دوم به هزینه مرتبط با نصب شیرهای فشارشکن مربوط میشود. این هزینه شامل مواردی چون هزینههای مورد نیاز جهت خریداری شیرآلات و لوازم جانبی، حمل، ساخت حوضچهها و دستمزدهای مرتبط با نصب است. در نظر گرفتن کلیه هزینههای مذکور در پروژههای موردی خاص با دقت قابل قبول امکان پذیر است. اما در حالت کلی، توسعه چنین رابطهای فقط باعث بزرگ شدن تابع هدف دوم خواهد شد. بنابراین در این تحقیق با حفظ حالت عمومی، تعداد شیرهای فشارشکن نصب شده به عنوان شاخص و جایگزینی برای کل هزینهها به عنوان تابع هدف به صورت زیر در نظر گرفته میشود
که در آن N v تعداد شیرهای فشارشکن در نظر گرفته شده در مدل بهینهسازی است. این تابع هدف از این پس به جهت اختصار تابع هدف تعداد نامیده میشود.
محدودیتهای مدل بهینهسازی مورد نظر به دو دسته تقسیم میشوند که عبارت اند از - 1 - محدودیت های ضمنی که شامل معادلات تعادل جرم و انرژی در شبکه میباشند
