بهینه‌‍‍‌‌سازی بهره‌برداری از سیستم‌های چند مخزنی منابع آب با استفاده از الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی سابق کارشناسی ارشد/ مهندسی عمران آب، دانشگاه فردوسی مشهد

2 دانشیار /گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

3 استادیار /گروه مهندسی عمران آب، دانشگاه فردوسی مشهد

4 دانشیار /گروه مهندسی برق، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

به علت مغایرت در رژیم آبدهی رودخانه‌ها با نیازهای آبی، احداث سیستم‌های ذخیره‌ای جهت تنظیم جریانات طبیعی رودخانه‌ها و تأمین نیازهای آبی، یکی از بهترین شیوه‌های استفاده از منابع آب می‌باشد. همچنین به لحاظ وجود نیازهای آبی در مناطق متعدد مکانی، گاه سیستم ذخیره‌ای شامل یک مخزن و گاهی شامل چندین مخزن متوالی بر روی رودخانه و یا شبکه‌ای از مخازن بر روی رودخانه‌ها و سرشاخه‌های آن طرح می‌گردد. متغیر بودن رژیم‌های بارندگی و جریان رودخانه در سالهای مختلف، اتخاذ یک راهکار مدیریتی مناسب جهت بهره‌برداری از مخزن سدها را ضروری می‌نمایاند. در این تحقیق یک مدل الگوریتم ژنتیک قطعی جهت بهره‌برداری بهینه از یک سیستم چند مخزنی منابع آب تک منظوره در شمال خراسان به جهت مصارف کشاورزی، تدوین گردیده است. هدف اصلی، حداکثر کردن سود خالص ناشی از کاشت تمامی گیاهان در یک الگوی کاشت انتخابی می‌باشد. سیستم از دو مخزن متوالی بر روی رودخانه‌های زنگلانلو و شورکال تشکیل شده است. مناطق زراعی در پایین‌دست این مخازن با الگوی کاشت مشخص از محصولات گندم (به ترتیب با 27 و 18 درصد تراکم برای مزرعه 1 و2) و جو (به ترتیب با 30 و 26 درصد تراکم برای مزرعه 1 و2) و سورگوم (به ترتیب با 43 و 56 درصد تراکم برای مزرعه 1 و2) قرار دارند. در این مدل، با توجه به مقادیر مشخصی از متغیرهای حالت (حجم آب مخازن در ابتدای فصل زراعی، میزان بارندگی و رژیم رودخانه در طول فصل زراعی)، مناسب‌ترین الگوی بهره‌برداری از مخزن سدها، تخصیص بهینه آن بین گیاهان مختلف و در نهایت سود حاصل از زراعت بدست می‌آید. مزیت مدل برای 12 ترکیب از متغیرهای حالت (4 کلاس حجم ابتدایی مخازن و 3 رژیم خشک، تر و میانگین برای بارندگی و جریان رودخانه) اجرا شد. نتایج نشان دادند که این جوابها در رژیم خشک به دسته حجم ابتدایی مخازن وابستگی داشت و با مرطوب شدن رژیم بارندگی و جریان رودخانه، از حساسیت جوابها کاسته شد. همچنین عملکرد نسبی محصولات مزرعه 2 در رژیم خشک، کاهش بیشتری داشت که ممکن است بدلیل حجم کوچکتر مخزن سد شورکال باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization of Multireservoir Water Resources Systems Operation Using Genetic Algorithm

نویسندگان [English]

  • S. M Ghadami 1
  • B Ghahraman 2
  • M. B Sharifi 3
  • H Rajabi Mashhadi 4
1 Former Graduate Student of Water Engineering, Civil Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad
2 Associate Professor of Irrigation, Ferdowsi University of Mashhad, Email:
3 Assistant Professor of Civil Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
4 Associate Professor of Electrical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

Since the river flow regime is not always in harmony with the downstream water requirements, reservoir systems are constructed to regulate the natural river flow. Because of the spatial distribution of the water requirement sites, the storage system on a river may consist of several reservoirs. Due to the variable rainfall and river regime, the management policies play an important role for operation of the reservoir system. In this study, a deterministic Genetic Algoritem model is developed for optimal operation of the multireservoir water resource system in the north of Khorasan, northeastern Iran. The reservoirs are single purpose and regulate water for an irrigation project. The system is intended to maximize the total farm income. The system is made up of two reservoirs in series on Zangelanloo and Shoorkal rivers. Objective downstream farming fields are cultivated with a pre-determined multiple cropping pattern of wheat (27% and 18% in field 1 and 2, respectively), barley (30% and 26% in field 1 and 2, respectively), and sorghum (43% and 56% in field 1 and 2, respectively). The model developed in this study is used to obtain the optimal pattern of reservoir operation and water allocation among different crops for a definite combinations of state variables (reservoir storage classes at the beginning of the season and rainfall and inflow regimes). Total farm income were maximized. Running the model for 12 combinations of the state variables (4 reservoir storage classes and 3 regimes of dry, wet and average for rainfall and river inflow) showed that the results corresponding to the dry regime were sensitive to the reservoir storage class at the beginning of the season. In other regimes this sensitivity decreased. Also relative crop yield of field 2 decreased more in the dry regime, which may be due to the smaller reservoir in Shoorkal dam.

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • Multireservoir Systems Operation
  • Genetic algorithm
  • water stress
  • Optimal Water Allocation

اکبرپور، م. ج. و موسوی، س. ج. (1384)، "بهینه‌سازی بهره‌برداری از سیستم‌های چندمخزنه با استفاده از ترکیب الگوریتم‌های ژنتیک و برنامه‌ریزی خطی"، مجموعه مقالات پنجمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشکده مهندسی دانشگاه شهید باهنر کرمان، جلد اول، صفحه 326-319.

خوش‌فطرت، ع.، اصغری، ک. و صفوی، ح. (1383)، "مدل‌سازی بهره‌برداری بهینه از سیستم دو سدی متوالی"، چکیده مقالات اولین کنفرانس سالانه مدیریت منابع آب، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران، دانشکده فنی دانشگاه تهران، برنامه‌‌ریزی و مدیریت منابع آب، صفحه 6.

ستاری، م. ت.، اسلامیان، س. س. و ابریشم‌چی، ا. (1382)، "بهینه‌سازی مصرف آب در یک سیستم رودخانه‌ای 9 مخزنه"، مجموعه مقالات ششمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی عمران، ، دانشگاه صنعتی اصفهان، هیدرولیک و منابع آب، صفحه 604-597.

فرنوش، ح. (1376)، "بهینه‌سازی بهره‌برداری از سیستم‌های چند‌مخزنی"، پایان‌نامه کارشناسی ارشدعمران- آب، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

قدمی، س. م. (1384)، "بررسی انواع مدل‌های برنامه‌ریزی سیستم‌های چند مخزنی منابع آب"، سمینار منتشر نشده کارشناسی ارشد عمران ـ آب، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

قدمی، س. م. (1385). "بهینه‌‍‍‌‌سازی بهره‌برداری از سیستم‌های چند مخزنی منابع آب با استفاده از الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سدهای ایلانجق و شورکال شمال خراسان)"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد عمران ـ آب، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.

قهرمان، ب. و سپاسخواه، ع. (1384). "مدیریت بهره‌برداری از مخازن سدها"، مجله تحقیقات منابع آب ایران، سال اول، شماره 2، صفحه 15-1.

کارآموز، م. و کراچیان، ر. (1382). " برنامه‌ریزی و مدیریت کیفی سیستم‌های منابع آب"، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر،چاپ اول.

کارآموز، م. و کراچیان، ر. (1383)، " بهره‌برداری بهینه کمی وکیفی از مخازن سدها با استفاده از مدل الگوریتم ژنتیک غیرقطعی"، چکیده مقالات اولین کنفرانس سالانه مدیریت منابع آب، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران، دانشکده فنی دانشگاه تهران، برنامه‌‌ریزی و مدیریت منابع آب، صفحه 2.

محمدرضاپورطبری، محمود، (1382)، "الگوریتم بهینه بهره‌برداری از منابع سطحی و زیرزمینی جنوب تهران"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد عمران ـ آب، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران.

مسافر، م. (1381)، "شگردهای عددی در پاسخ‌یابی پرسشهای مهندسی با برنامه‌ریزی متلب"، انتشارات متفکران، چاپ اول، تهران.

 

مهندسین مشاور آب پوی، (1384). "گزارش کشاورزی و اقتصاد کشاورزی طرح بهره‌برداری از منابع آب و خاک رودخانه‌های مرزی زنگلانلو و شورکال"، جلد نهم.

مهندسین مشاور آب پوی، (1384). "گزارش هواشناسی طرح بهره‌برداری از منابع آب و خاک رودخانه‌های مرزی زنگلانلو و شورکال"، جلد اول.

مهندسین مشاور آب پوی، (1384). "گزارش هیدرولوژی طرح بهره‌برداری از منابع آب و خاک رودخانه‌های مرزی زنگلانلو و شورکال"، جلد دوم.

Braga, B.P.F., Yeh, W.W-G, Becker, L. and Barros, M.T.L. (1991), “Stochastic optimization of multiple-reservoir-system operation”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 117(4), pp. 471-481.

Chandramouli, V. and Raman H. (2001), “Moltireservoir modeling with dynamic programming and neural networks”,  Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 127(2), pp. 89-98.

Crawley, P.D. and Dandy, G.C. (1993), “Optimal operation of multiple-reservoir system”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 119(1), pp. 1-17.

Dariane, A.B. and Hughes T.C. (1991), “Application of crop yield function in reservoir operation”, Water Resources Bulletin, 27(4), pp.649-656.

Doorenbos, J. and Kassm, A.H. (1979), “Yield response to water”, Irrigation and Drainage Paper ,33, Food and Agriculture Organization of the United Nations Rome, Italy.

Faye, R.M., Sawadogo, S., Lishou, C. and Mora-Camino, F. (2003), “Long-term fuzzy management of water resource systems”, Applied Mathematics and Compution, 137, pp. 459-475.

Ghahraman, B. and Sepaskha,h A.R. (1999), “Use of different irrigation water deficit scheme for economic operation of a reservoir”, Iranian Journal of Science and Technology, 23(B4), pp.83-90.

Ghahraman, B. and Sepaskhah, A.R. (2002), “Optimal allocation of water irrigation a single purpose reservoir to an irrigation project with pre-determined multiple cropping patterns”, Irrigation Science, 21, pp.27 -137.

Ghahraman, B. and Sepaskhah, A.R. (2004), “Linear and non-linear optimization models for allocation of a limited water supply”, Irrigation and Drainage, 53, pp.39 -54.

Karamouz, M., Houck, M.H. and Delleur, J.W. (1992), “Optimization and simulation of multiple reservoir system”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 118(1), pp. 71-81.

Mohan, S. and Rapure, D.M. (1992), “Multiobjective analysis of multireservoir system”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 118(4), pp. 356-370.

Mousavi, S.J., Zanoosi, A.G. and Afshar A. (2004), “Optimization and simulation of a multiple reservoir system operatuin”, Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 53, pp. 409-424.

Rao, N.H., Sarma, P.B.S. and Chander, S. (1988), “A simple dated water-production function for use in irrigated agriculture”, Agricultural Water Management,  l13, pp.25-32.

Teegavarapu, R.S.V. and Simonovic, S.P. (2000), “Short-term operation model for coupled hydropower reservoirs”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 126(2), pp. 98-106.

Vaux, H.J. and Pruitt, W.O. (1983), “Crop water production function”, In: D. Hillel (ed.), Advances in irrigation, No. 3, Academic Press, New York, pp.61-97.

Vedula, S. and Nagesh Kumar, D. (1996), “An integrated model for optimal reservoir operation for irrigation of multiple crops”, Water Resources Research, 32(4), pp.1101-1108.

Vedula, S., Mujumdar, P.P. and Sekhar, G. C. (2005), “Conjunctive use modeling for multicrop irrigation”, Agricultural Water Management, 73, pp. 193-221.

Wardlaw, R. and Sharif, M. (1999), “Evaluation of Genetic Algorithms for optimal reservoir system operation”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 125(1), pp. 25-33.