آمار
| تعداد نشریات | 14 |
| تعداد شمارهها | 674 |
| تعداد مقالات | 7,006 |
| تعداد مشاهده مقاله | 10,318,278 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 9,517,075 |
بهینهسازی طراحی شبکه توزیع آب با استفاده از WaterGEMS و الگوریتم برنامهریزی درجه دوم متوالی: مطالعه موردی شبکه زعفرانیه بیرجند | ||
| مجله پژوهشهای حفاظت آب و خاک | ||
| دوره 32، شماره 4، دی 1404، صفحه 55-79 اصل مقاله (1.17 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwsc.2025.23736.3810 | ||
| نویسندگان | ||
| مهدی ناصری* 1؛ راضیه شمشیرگران2 | ||
| 1استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران | ||
| 2دانشجوی دکتری مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: شبکههای توزیع آب شهری در مناطق نیمهخشک مانند بیرجند از اهمیت ویژهای برخوردارند، زیرا بیش از ۸۰٪ هزینه تأمین آب مربوط به شبکه توزیع است. شهرک زعفرانیه، با پیشبینی افزایشی در تقاضای آب تا افق ۱۴۳۳، نیازمند طراحی شبکهای کمهزینه و پایدار است؛ شبکهای که بتواند در عین تأمین فشار مناسب برای همه مشترکین، هزینه سرمایهگذاری اولیه و عملیاتی را به حداقل برساند. در این پژوهش، رویکردی ترکیبی با عنوان SQP–WDN معرفی شد که شبیهسازی هیدرولیکی دقیق شبکه توزیع آب (WDN) در نرمافزار WaterGEMS و بهینهسازی طراحی با استفاده از الگوریتم دنبالهای برنامهریزی درجهدوم (SQP) در محیط MATLAB را همزمان به کار میگیرد. هدف اصلی این روش تعیین قطر بهینه لولهها برای تحقق هزینه حداقلی شبکه و حفظ رعایت تمام قیود هیدرولیکی از جمله فشار حداقل در گرهها و سرعت مجاز در لولهها است. مواد و روشها: شبکه توزیع آب مورد مطالعه شامل 21 گره مصرفی و 27 خط لوله است که به کمک نقشههای توپوگرافی و دادههای ارتفاعی گرهها (بین ۱۴۸۵ تا ۱۵۶۵ متر) در نرمافزار WaterGEMS مدلسازی شد. مصرف ساعتی هر گره براساس میانگین نتایج سه روش هندسی، حسابی و فایر تعیین شد که مقدار آن بین 06/1 تا 67/17 مترمکعب در ساعت متغیر است. ضریب زبری لولهها مطابق معیار هیزن–ویلیامز برابر ۱۳۰ و محدوده مجاز سرعت جریان در لولهها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه لحاظ شد. همچنین حداقل فشار موردنیاز در تمام گرهها ۳۰ متر ستون آب تعریف گردید. در طراحی اولیه، مخزن اصلی (گره R-1) با ارتفاع ثابت ۱۵۶۵ متر در نظر گرفته شد و جریان اولیه در شرایط پایدار به میزان 9/37 لیتر بر ثانیه از طریق لوله شماره ۲۷ به سمت گره J-20 (با ارتفاع 80/1521 متر) برقرار شد. با اجرای شبیهسازی WaterGEMS، افت هد بر اساس رابطه هیزن–ویلیامز محاسبه شد و نقاطی که در زمان پیک مصرف فشار در آنها به زیر حد مجاز میرسیدند، شناسایی گردیدند. این نقاط بحرانی نشان میداد شبیهسازی اولیه بدون بهینهسازی قادر به تأمین فشار مناسب در همه نواحی نیست. برای حل مسئله تعیین قطر بهینه لولهها، الگوریتم SQP در محیط MATLAB اجرا شد. در این الگوریتم، تابع هدف عبارت بود از حداقلسازی هزینه کل شبکه که هزینه هر لوله براساس طول و قطر آن محاسبه میشد. همزمان برای حفظ قیود مربوط به سرعت، عبارتی به عنوان جریمه در نظر گرفته شد؛ بهطوری که در صورت خروج سرعت جریان از بازه مجاز (بیش از ۲ یا کمتر از 3/0 متر بر ثانیه)، ارزش هدف افزایش یافته و انتخاب آن قطر نامطلوب تلقی میشد. قیود اصلی طراحی، شامل بقای جرم در هر گره (مجموع جریانهای ورودی و خروجی برابر صفر) و حفظ محدودیت فشار در رنج تعریفشده بود. برای اجرای یک چرخه خودکار شبیهسازی و بهینهسازی، اسکریپت VBA در WaterGEMS توسعه یافت تا تبادل داده توسط MATLAB انجام شود. پیش از اعمال نهایی روش بر شبکه زعفرانیه، صحت الگوریتم SQP–WDN بر شبکه مرجع دوحلقهای الپروویتز و شامیر آزموده شد. این شبکه شامل هفت گره و هشت خط لوله به طول یکهزار متر با ضریب زبری ۱۳۰ و مخزن با ارتفاع ۲۱۰ متر بود. حداقل هد در گرهها حدود ۳۰ متر تعریف شد و پس از اجرای بهینهسازی، نتایج شامل قطر لولهها، فشار در گرهها و هزینه کل شبکه با نتایج مطالعات معتبر بینالمللی و داخلی مقایسه گردید. تطابق هزینه نهایی در حدود ۴۲۰٬۰۰۰ دلار با پژوهشهای معتبر نشان داد که مدل هیدرولیکی و الگوریتم بهینهسازی قادر به بازتولید دقیق رفتار شبکه مرجع هستند. این اعتبارسنجی دقت و قابلیت اطمینان روش را تأیید کرد. یافتهها: پس از اعتبارسنجی موفق، الگوریتم ترکیبی SQP–WDN برای شبکه زعفرانیه اجرا شد. در این مرحله، قطر محاسباتی هر لوله (خروجیSQP ) در مقابل قطر نهایی تجاری (نزدیکترین اندازه استاندارد بزرگتر یا مساوی قطر محاسباتی) قرار گرفت. نتایج نشان داد در هشت لوله از بیستوهفت خط لوله (از جمله لولههای شماره ۱، ۴، ۵، ۶، ۷، ۱۳، ۱۴ و ۲۷)، قطر محاسباتی تئوری دقیقاً با قطر تجاری مطابقت داشت. برای مثال، لوله شماره ۲۷ که نقش اساسی در انتقال جریان بالای آب از مخزن به کل شبکه داشت، هم قطر محاسباتی و هم قطر تجاری ۲۵۰ میلیمتر انتخاب شد؛ بهطوری که حداقل فشار در گرههای انتهایی (حدود 15/60 متر آب) به خوبی تأمین گردید. برای بقیه لولهها، قطر تجاری کمی بزرگتر از قطر تئوری برگزیده شد تا افت فشار در مسیرهای بحرانی کاهش یابد و حاشیه اطمینان هیدرولیکی تقویت گردد. بهعنوان نمونه، قطر محاسباتی لوله شماره ۲ معادل 49/79 میلیمتر بود، اما قطر تجاری ۹۰ میلیمتر به کار رفت تا در شرایط پیک، حداقل فشار در گره J-2 به بیش از 14/66 متر آب برسد. این حدود رواداری اجرایی سبب شد افت فشار شبکه کاهش یابد و نقاط انتهایی پایدارتر شوند. در نهایت، هزینه نهایی شبکه زعفرانیه پس از تطبیق قطرها با اندازههای تجاری حدود ۲۱٬۶۲۳٬۹۵۴٬۰۰۰ ریال محاسبه شد. اگرچه هزینه تئوری صرفاً بر اساس قطرهای دقیق محاسباتی ممکن بود اندکی کمتر باشد، ولی انتخاب قطرهای استاندارد بزرگتر به دلیل جلوگیری از مشکلات اجرایی، اقتصادی و حفظ پایداری هیدرولیکی، معقول ارزیابی شد. در تمام شرایط بهرهبرداری—اعم از نرمال و پیک مصرف—فشار تمام گرهها بالاتر از حداقل تعریفشده (حدود ۳۰ متر آب) و سرعت آب در همه لولهها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه باقی ماند. تحلیل خروجیهای گرافیکی نیز نشان داد که با افزایش قطر تجاری در شاخههای بحرانی، نقطههایی که سرعت جریان پیش از بهینهسازی به نزدیکی حد مجاز میرسید، به سرعتی کمتر دست یافته و افت هد کل شبکه کاهش یافته است. نتیجهگیری: روش ترکیبی SQP–WDN نشان داد که میتواند هزینه سرمایهگذاری شبکه توزیع آب شهرک زعفرانیه را کاهش داده و در عین حال عملکرد هیدرولیکی شبکه را در همه شرایط تضمین کند. با بهرهگیری از شبیهسازی دقیق WaterGEMS و الگوریتم SQP در MATLAB، قطر بهینه لولهها تعیین شد و پس از تطبیق با قطرهای تجاری، هزینه نهایی حدود 624/21 میلیارد ریال محاسبه شد. خودکارسازی فرایند انتقال دادهها به کمک VBA موجب کاهش خطاهای انسانی و صرفهجویی در زمان شد. این چارچوب یکپارچه و کمخطا برای طراحی شبکههای کوچک تا متوسط در مناطق با محدودیت منابع آبی کاربردی است و میتواند بهعنوان الگویی عملی برای مطالعه و پیادهسازی پروژههای مشابه در سایر نواحی مورد استفاده قرار گیرد. پیشنهاد میشود در مطالعات بعدی، ترکیب SQP با روشهای فراابتکاری، توسعه رویکردهای چندهدفه و اعمال بهینهسازی استوار در شبکههای بزرگتر بررسی گردد تا پایداری و کارایی طرحها بیش از پیش ارتقاء یابد. | ||
| کلیدواژهها | ||
| شبکه توزیع آب؛ بهینهسازی؛ برنامهریزی درجه دوم متوالی؛ طراحی لوله؛ شبیهسازی هیدرولیکی | ||
| مراجع | ||
|
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 39 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 54 |
||
سامانه مدیریت نشریات علمی. طراحی و پیاده سازی از سیناوب