طراحی جانمایی و ظرفیت بهینه چاه‌های برداشت از آبخوان با استفاده از رویکرد شبیه‌سازی- بهینه‌سازی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته‌ کارشناسی ارشد/ دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی

2 استادیار/ دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی.

چکیده

جانمایی نامناسب چاه‌های بهره‌برداری از منابع آب زیرزمینی و برداشت بی‌رویه از آن‌ها، همواره تبعات اقتصادی فراوانی به همراه داشته و همچنین موجب خسارت‌های شدید به آبخوان می‌گردد. هدف این تحقیق توسعه یک مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی، به منظور طراحی محل و ظرفیت بهینه چاه‌های بهره‌برداری با در نظر گرفتن ملاحظات کمی و کیفی آب می‌باشد. مدل مذکور با تلفیق مدل شبیه‌سازی آب زیرزمینی MODFLOW و الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات توسعه ‌یافته و به منظور کمینه‌سازی مجموع هزینه‌های حفاری چاه، انتقال و تصفیه آب در محدوده دشت سرخس واقع در شمال شرق ایران مورد استفاده قرار گرفته است. متغیرهای تصمیم مسئله مکان و نرخ پمپاژ چاه‌ها بوده و محدودیت‌های حداکثر نرخ پمپاژ و افت مجاز آبخوان به صورت قید در مدل با هدف تأمین نیاز آب شرب شهر سرخس لحاظ شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که با بهره‌گیری از مدل PSO-MODFLOW، علاوه بر ارضای قیود مسئله میزان هزینه استحصال آب نسبت به طرح موجود در حال بهره‌برداری کاهش می‌یابد، به گونه‌ای که هزینه کل در شبکه بهینه طراحی‌شده 572 میلیون تومان و در طرح موجود با تعداد چاه یکسان برابر با 598 میلیون تومان به دست آمده که بیانگر کاهش 5 درصدی هزینه می‌باشد. همچنین نتایج تحلیل حساسیت نشان می‌دهد که تغییرات پارامتر هدایت هیدرولیکی آبخوان تأثیر زیادی بر نتایج به دست آمده ندارد. در حالیکه تغییرات نرخ پمپاژ بیشینه با تأثیر مستقیم در تعداد چاه‌های مورد نیاز باعث تغییرات قابل ملاحظه‌ای در هزینه نهایی می‌‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimal Design of Groundwater Wells' Placement and Pumping Rates by Use of a Simulation-Optimization Approach

نویسندگان [English]

  • A. Ghasemi Nejad 1
  • M. Shourian 2
1 Graduate, Department of Civil, Water, and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Improper wells location and excessive groundwater extraction can cause severe damage to aquifers and lead to numerous economic consequences. The purpose of this study is to develop a simulation-optimization model for determination of optimal wells' placement and pumping rates, while satisfying the requirement of quantitative and qualitative considerations. The proposed model integrates the groundwater flow simulation model MODFLOW and the Particle Swarm Optimization algorithm. The coupled PSO-MODFLOW model has been applied to the Sarakhs aquifer in the north-east of Iran to minimize the total cost of drilling, transfering and water treatment for supplying the drinking demand of the Sarakhs city. Discharges as well as locations of the pumping wells were taken as the decision variables. Also, the maximum pumping rate and maximum water-table drawdown were incorporated as the problem's constraints. The results show that the proposed approach not only satisfies the constraints but also reduces the total cost of water withdrawal by 5% from 598 million Tomans in the present plan to 572 million Tomans in the optimum plan. Sensitivity analyses indicates that results are not significantly sensitive to changes in aquifer’s hydraulic conductivity, while the maximum pumping rate directly affects the number of required wells and can therefore make a considerable change in the final cost.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pumping Wells
  • Optimum design of placement and pumping rate
  • simulation-optimization
  • MODFLOW
  • PSO

Ayvaz MT,  Elçi A (2013) A groundwater management tool for solving the pumping cost minimization problem for the Tahtali watershed (Izmir-Turkey) using hybrid hs-solver optimization algorithm. Journal of Hydrology 478:63–76

Ch S, Kumar D, Prasad RK, Mathur S (2013) Optimal design of an in-situ bioremediation system using support vector machine and particle swarm optimization. Journal of Contaminant Hydrology 151:105–116

Chaudhry S (2003) Unit cost of desalination. California Desalination Task Force, California Energy Commission, Sacramento, California

Conkling H (1946) Utilization of ground-water storage in stream system development. Transactions of the American Society of Civil Engineers 111(1):275–305

Davoodi MJ (2014) Dewatering optimization using firefly algorithm.  M.Sc. Thesis, Shahid Beheshti University (In Persian)

Eberhart RC, Kennedy J (1995) A new optimizer using particle swarm theory. In: Proc. of the Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science (MHS-1995), 4-6 October, Nagoya, Japan, 39-43

Elçi A, Ayvaz MT (2014) Differential-evolution algorithm based optimization for the site selection of groundwater production wells with the consideration of the vulnerability concept. Journal of Hydrology 511:736–749

Gaur S, Chahar B R, Graillot D (2011) Analytic elements method and particle swarm optimization based simulation-optimization model for groundwater management. Journal of Hydrology 402(3-4):217–227

Ghasemi-Nejad A (2015) Multi-objective water resource allocation planning considering qualitative and quantitative goals (Case study: Doosti Reservoir). M.Sc. Thesis, Shahid Beheshti University (In Persian)

Hsiao C-T, Chang L-C (2002) Dynamic optimal groundwater management with inclusion of fixed costs. Journal of Water Resources Planning and Management 128(1):57–65

Huang C, Mayer AS (1997) Pump-and-treat optimization using well locations and pumping rates as decision variables. Water Resources Research 33(5):1001–1012

Iran Ministry of Energy (2013) Standards code title 577. Iran Ministry of Energy Press, Tehran (In Persian).

Katsifarakis KL, Petala Z (2006) Combining genetic algorithms and boundary elements to optimize coastal aquifers management. Journal of Hydrology 327(1-2):200–207.

Ketabchi H, Ataie-Ashtiani B (2011) Development of Combined Ant Colony Optimization Algorithm and Numerical Simulation for Optimal Management of Coastal Aquifers. Iran-Water Resources Research 7(1):1-12 (In Persian)

Mantoglou A, Papantoniou M, Giannoulopoulos P (2004) Management of coastal aquifers based on nonlinear optimization and evolutionary algorithms. Journal of Hydrology 297(1-4)” 209–228.

McKinney DC, Lin M-D (1994) Genetic algorithm solution of groundwater management models. Water Resources Research 30(6):1897

Nakhaei M, Mohammadi M, Rezaie M (2014) Optimizing of aquifer withdrawal numerical model using genetic algorithm (case study: Uromiyeh coastal aquifer). Iran-Water Resources Research 10(2):94-97 (In Persian)

Park CH, Aral MM (2004) Multi-objective optimization of pumping rates and well placement in coastal aquifers. Journal of Hydrology 290(1-2):80–99.

Storck P, Eheart JW, Valocchi AJ (1997) A method for the optimal location of monitoring wells for detection of groundwater contamination in three-dimensional heterogeneous aquifers. Water Resources Research 33(9):2081

Todd DK, Mays LW (2005) Groundwater hydrology. John Wiley & Son, New Jersey

Toossab Consulting Engineers Company (2013) National water plan main report (Fifth volume: eastern basins). Iran Ministry of Energy Press, Tehran (In Persian)