مدل‌سازی بهره‌برداری بهینه از مخازن با استفاده از برنامه‌ریزی خطی صحیح مختلط (MILP)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار/ بخش مهندس آب- دانشکده کشاورزی- دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 استاد /گروه سازه‌های آبی- دانشکده کشاورزی- دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشیار دانشکده عمران- دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 دانشجوی کارشناسی ارشد /مهندسی منابع آب- دانشگاه گرگان

5 دکتری /منابع آب

چکیده

یکی از راه کارهای مقابله با مسائل و مشکلات مدیریت منابع آب و عدم توزیع زمانی و مکانی متناسب آن، استفاده بهینه از مخازن است. تکنیک‌های بهینه‌سازی در خلال چند دهه اخیر اهمیت زیادی در مدیریت و بهره‌برداری از سیستم پیچیده مخازن داشته‌اند. متخصصان منابع آب در سراسر دنیا برای حل مسائل منابع آب و بویژه مسئله بهره‌برداری مخازن با کمک فن‌آوری اطلاعات، کامپیوترهای جدید و افزایش سرعت محاسبات، روش‌ها و ابزار گوناگونی را برای بهینه‌سازی ابداع و مورد استفاده قرار داده‌اند. در این تحقیق نیز برای بهره‌برداری از مخازن چندگانه چندهدفه دشت تهران-کرج شامل سدهای لار، لتیان و کرج، نرم افزاری بر اساس روش برنامه‌ریزی خطی صحیح مختلط(MILP) توسعه داده شده است. انتخاب و توسعه روش MILP براساس مشخصات و خصوصیات مخازن موجود در محدوده مطالعاتی، دردسترس بودن داده‌ها و نوع و خصوصیات تابع اهداف و قیود مسئله مورد نظر بوده است. پیکربندی سیستم مورد نظر با استفاده از رویکرد مدل‌های شبکه جریان (گره و کمان) استفاده شده است. پیکربندی سیستم مورد نظر شامل منابع آبهای سطحی (سدهای لار، لتیان و کرج)، مصارف آب (مصارف شهری، کشاورزی، صنعتی و غیره) و ارتباط هیدرولیکی و فیزیکی بین منابع و مصارف می‌باشد. برای حل این مسئله می‌بایست فرمول بندی تابع اهداف، قیود، تبدیل روابط غیرخطی به رابطه‌های خطی و اولویت‌ها و جرائم در هر گره و کمان مشخص شود. در این تحقیق یک نرم‌افزار جامع که شامل رابط گرافیکی کاربر(GUI)، بانک اطلاعاتی، قسمت حل مسائل و قسمت نمایش دهنده تجزیه و تحلیل نتایج بصورت جداول و نمودار برای بهینه‌سازی مخازن چندگانه چندهدفه توسعه داده شده است. نتایج این تحقیق نشان می‌دهند که نرم‌افزار توسعه یافته مدل مناسبی برای استخراج قوانین بهره‌برداری در ناحیه مورد مطالعه می‌باشد. نتایج حاکی از آن هستند که تخصیص منابع به مصارف با استفاده از این روش در محدوده مورد مطالعه دارای عملکرد بسیار بهتری نسبت به مدل برنامه‌ریزی خطی(LP) و دوره تاریخی مدنظر می‌باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Operation Modeling of Reservoirs using Mixed Integer Linear Programming (MILP)

نویسندگان [English]

  • K Qaderi 1
  • J M. V. Samani 2
  • S. J Mousavi 3
  • H. R Eslami 4
  • D. R Arab 5
1 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Agriculture Faculty, University of Shahid Bahonar, Kerman
2 Professor, Hydrostructure Department, Agriculture Department, University of Tarbiat Modares, Tehran
3 Associate Professor, Civil Engineering Faculty, Amir Kabir University, Tehran.
4 M. S. in Water Resource Management, University of Gorgan, Gorgan
5 Ph. D. Water Resources
چکیده [English]

One of the best ways to deal with water resources management problems and the unwanted temporal and spatial distribution of water is the optimal operation of reservoirs. Optimization techniques have become increasingly important over the last three decades in the management and operation of complex reservoir systems. In recent years the water resource experts have benefited from many hardware and software advances and used different kinds of tools and methods for optimization. In this research a software is developed based on the Mixed Integer Linear Programming (NIILP) for optimal use of the multiobjective multireservoir system of the Tehran-Karaj plane. The MILP method is selected due to the characteristics of the reservoir system, the availability of data, and the objectives and constraints. The topology of the system is designed based on the network flow optimization approach. The topology includes the water resources (Lar, Latian, and Karaj reservoirs), the water consumers (i.e. domestic, agriculture, industrial), and the hydraulic connections. The objective function, constraints, and piecewise linear of nonlinear relationships were formulated and the penalties and the priorities in each branch and bound were introduced. The software includes GUI, a database, a solver, spreadsheets and graphical output analysis. The results of this research indicated that the developed software is a suitable model for deriving operational rules in the system under study. Results also show that using this model for management and operation of the water resources system in the Tehran-Karaj plain result in a better allocation of water to the consumer compared to the LP model and historical operations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reservoir operation
  • Mixed Integer Linear Programming (MILP)
  • Tehran Plain
  • Modeling

اسلامی، ح. ر.، رابعی، ف. و قادری، ک. (1384)، "بررسی اثرات انتقال آب از سرشاخه‌های کارون و دز بر میزان اعتمادپذیری تولید انرژی برقابی در سیستم مخازن رودخانه‌های دز و کارون"، کنفرانس انتقال آب بین حوضه‌ای، دانشکده صنعت آب و برق، تهران، ایران.

 

شرکت آب منطقه‏ای تهران (1385)، "پروژه مطالعات بهنگام‏سازی طرح جامع تأمین درازمدت آب تهران"، گزارش مدل‏سازی طرح جامع آب تهران، جلد چهارم، ویراست اول، بهار.  

شرکت مهندسین مشاور جاماب (1384)، "پروژه مطالعات بررسی امکان تأمین آب درازمدت تهران مرکز مطالعات برنامه‏ریزی شهر تهران"، نهاد مشترک مسئول تهیه طرح‏های جامع و تفضیلی شهر تهران.

شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس (1384)، "طرح مطالعات بهینه بهره‏برداری کمی، کیفی و آلودگی منابع آب زیرزمینی دشت‏های تهران و شهریار"، مطالعات مدل‏های ریاضی کمی و کیفی آبخوان دشت تهران و شهریار، مرحله اول (جلد پنجم)، تیر.

Barros, M.T.L., Tsai, F., Yang, S.L., Lopes, J.E.G., and Yeh, W.G. (2003), "Optimization of large scale hydropower systems operation", Journal of Water Res. Planning and Management, 129(3), pp.178-188.

Cai, X., McKinney, D.C. and Lasdon, L.S. (2001), "Solving nonlinear water management models using a combined genetic algorithm and linear programming approach", Advances in Water Resources, 24, pp.667-676.

Crawly, F.D. and Dandy, G.C. (1993), "Optimal operation of multi reservoir systems", Journal of Water Resources Planning and Management, 119(1), pp.1-17.

Karunanithi, N., Grenney, W.J. and Whitley, D. (1994), "Neural network for river flow prediction", Journal of Computing in Civil Engineering, 8, pp.201–209.

Labadie, J.W and Baldo, M.L. (2000), "MODSIM: Decision support system for River Basin Management, Documentation and user Manual", Department of civil Engineering, Colorado State University.

Labadie, J.W. (2004), "Optimal operation of multireservoir systems: State-of-the-art review", Journal of Water Resources Planning and Management, 130(2), pp.93-111.

Mousavi. S.J., K. Shokrvand and Seifi, A. (2004), "Application of Interior-point algorithms to the optimization of large scale reservoir system operation", Journal of Water Resources Planning and Management, 18, pp.519-540.

Moy, W. S., Cohon, J. L. and Revelle, C. S. (1986), "A programming model for analysis of the reliability, resilience and vulnerability of a water supply reservoir",  Water resource research, 22, pp, 489-498

Needham, J., Watkins, D., Lund, J., and Nanda, K. (2000), "Linear programming for flood control in the Iowa and Des Moines river", J. of Water Resources Planning and Management, 126(3), pp.118-127.

Shih, J. S. and Revelle, C. S. (1994), "Water supply operations during drought: discrete hedging rule", Journal of Water Resources Planning and Management, 120, pp.613-629.

Simonovic, S.P. (1992), "Closing gap between theory and practice", Journal of Water Resources Planning and Management, 118(3), pp.262-280.

Srinivasan, K., Neelakantan, T.R., Shyam Narayan, P. and Nagarajukumar, C. (1999), "Mixed-Integer model for reservoir performance optimization", Journal of Water Resources Planning and Management, 125(5), pp.298-301.

Trezos, T. (1991), "Integer programming application for planning of hydropower production", Journal of Water Resources Planning and Management, 117(3), pp.340-351.

Wurbs, R.A. (1993), "Reservoir-System simulation and optimization models", Journal of Water Resources Planning and Management, 119(4), pp.455-472.

Yeh, W.G. (1985), "Reservoir management and operation models: A State-of-the-Art Review", Water Resources Research, 21(12), pp.1797-1818.