توسعه الگوریتم بهینه سازی جامعه مورچه‌ها به صورت تلفیقی با مدل شبیه سازی عددی برای مدیریت بهینه آبخوان‌های ساحلی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای / مهندسی آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 استاد/ دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

آبخوان‌های ساحلی یکی از منابع حیاتی موجود در مناطق ساحلی می‌باشند. در این مناطق از سطح جهان که اغلب، مناطقی پرجمعیت، صنعتی و پراهمیت هستند، به دلیل فشارهای وارده، امکان بروز چالش‌های زیست محیطی، وجود دارد. از معمول‌ترینِ آنها، می‌تــوان به رخ دادن پــدیده پیشروی آب شور به دلیل برداشت نادرست و بیش از حدِ آب زیرزمینی ساحلی و کاهش کیفیت آن اشاره نمود که محدودیت‌های زیادی را در نحوه بهره‌برداری از آبخوان‌های ساحلی فراهم می‌نماید. شناخت صحیح سیستم آب زیرزمینی در آبخوان ساحلی و پدیده پیشروی آب شور به سمت آن، در تدوین سیاست‌های نحوه بهره‌برداری از منابع آب موجود و کنترل پیشروی آب شور ضروری است. در این مطالعه، مدل تلفیقیِ شبیه‌سازی عددی و بهینه‌سازی به روش جامعه مورچه‌ها در محیط‌های پیوسته و با اعمال استراتژی Elitist برای مدیریت بهینه آبخوان‌های ساحلی با هدف کنترل خطر پیشروی آب شور دریا ارائه می‌گردد. در مدل شبیه‌سازی عددی بر اساس گسسته‌سازی تفاضلات محدود، ایده‌ای ساده مبتنی بر برقراری معادله پیوستگی جریان با امکان افزودن پیچیدگی‌های بیشترِ منطبق بر واقعیت، توسعه داده شده و ابزار بررسی توابع هدف متنوع‌تر با گستره وسیع‌تری از قیود مورد توجه در مباحث مدیریت آبخوان ساحلی، در تنظیم معادلات و روند کار، لحاظ شده است. کارآیی مدل با به کار بردن آن در چندین مثال حل شده و مقایسه با کارهای پیشین، ارزیابی شده که نتایج این ارزیابی، نشان دهنده دقت و اعتبار مدل تدوین شده بوده و قابلیت کاربرد آن را در مدیریت بهینه آبخوان‌های ساحلی در مطالعه‌های واقعی نمایان می‌سازد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of Combined Ant Colony Optimization Algorithm and Numerical Simulation for Optimal Management of Coastal Aquifers

نویسندگان [English]

  • H Ketabchi 1
  • B Ataie-Ashtiani 2
1 Ph.D. Candidate, Civil Engineering Dept., Sharif University of Technology, P.O. Box 11155-9313, Tehran, Iran
2 Professor, Civil Engineering Dept., Sharif University of Technology, P.O. Box 11155-9313, Tehran, Iran
چکیده [English]

Groundwater aquifers are important and vital resources in coastal zones. Serious environmental problems often occur in coastal areas that are densely populated or have been industrialized. The common problem is the saltwater intrusion into the freshwater aquifer system, due to inappropriate exploitation and over-pumping of coastal aquifers. This causes more limitations for the meaningful operation policies. A proper and reliable picture of the groundwater system in the coastal aquifer and the saltwater intrusion phenomenon are required to keep away from the possible threats and to develop sufficient management strategies. This study, presented an efficient combined numerical simulation-optimization model for optimal management of a coastal aquifer, while controlling the saltwater intrusion process through controlled pumping. The proposed approach employs improved Elitist Continuous Ant Colony Optimization (ECACO) algorithm as an optimization tool in the model. In the numerical simulation approach, objective functions with extensive range of constraints for coastal aquifer management is considered. In this model, through some simple scheme, such as continuity equations in the porous media cells and existing hydraulic systems in the study area, more complex phenomenon representing real systems can be investigated. This model is verified using application examples available in the literature. The success and efficiency of the proposed ECACO algorithm in optimal management of actual coastal aquifers is shown.

کلیدواژه‌ها [English]

  • ant colony optimization
  • Coastal Aquifer
  • Optimal Management
  • Saltwater intrusion
  • numerical simulation

جلالی، م.ر. 1384. "طراحی و بهره برداری بهینه از سیستم‌های هیدرولیکی با الگوریتم جامعه مورچه‌ها، یک رهیافت فراکاوشی جدید" ، پایان نامه دکتری آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران.

کتابچی، ح. 1387. "مدیریت بهینه آبخوان‌های ساحلی برای کنترل پیشروی آب شور دریا به روش بهینه سازی جامعه مورچه‌ها" ، پایان نامه کارشناسی ارشد آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف.

Abbaspour, K.C., and Schlin, R. and Van Genuchten M.T. (2001) “Estimating unsaturated soil hydraulic parameters using ant colony optimization”, Advances Water Resources, 24(8), pp. 827-933.

Afshar M.H., Ketabchi, H. Rasa, E. (2006) “Elitist continuous ant colony optimization algorithm: Application to reservoir operation problems”, International Journal of Civil Engineering, 4(4), pp. 274-285.

Afshar, M.H. (2005) “A new transition rule for ant colony optimization algorithms: Application to pipe network optimization problems”, Engineering Optimization, 37(5), pp. 525-40.

Afshar, M.H. (2007) “Partially constrained ant colony optimization algorithm for the solution of constrained optimization problems: Application to storm water network design”, Advances Water Resources, 30, pp. 954-965.

Amy, Y.L. and Hilton, B.C. (2007) “Short communication optimal groundwater monitoring design using an ant colony optimization paradigm”, Environmental Modeling Software, 22, pp. 110-116.

Ataie-Ashtiani, B. Volker, R.E. and Lockington, D.A. (2002) “Contaminant transport in the aquifers influenced by tide”, Australian Civil Engineering Transaction, Inst of Eng, Australia, CE43, pp. 1-11.

Ataie-Ashtiani, B. Volker, R.E. and Lockington, D.A. (1999) “Numerical and experimental study of seepage in unconfined aquifers with a periodic boundary condition”, Journal of Hydrolgy, 222(1-4), pp. 165-184.

Ataie-Ashtiani, B. Volker, R.E. and Lockington, D.A. (2001) “Tidal effects on groundwater dynamics in unconfined aquifers”, Hydrological Process, 15(4), pp. 655-669.

Ataie-Ashtiani, B. Volker, R.E. and Lockington, D.A. (1999) “Tidal effects on seawater intrusion in unconfined aquifers”, Journal of Hydrology, 216(1-2), pp. 17-31.

Ataie-Ashtiani, B. (2007) “MODSHARP: Regional-scale numerical model for quantifying groundwater flux and contaminant discharge into the coastal zone”, Journal of Environmental Modeling Software, 22, pp. 1307-1315.

Bear, J. (1979) “Hydraulics of Groundwater”, McGraw-Hill, New York.

Bhattacharjya R.K., Datta, B., Satish, M. (2007) “Artificial neural networks approximation of density dependent saltwater intrusion process in coastal aquifers”, Journal of Hydrological Engineering, 12(3), pp. 273-282.

Cheng, A.H.D., Halhal, D., Naji, A. and Ouazar, D. (2000) “Pumping optimization in saltwater-intruded coastal aquifers”, Water Resources Research, 36 (8), pp. 2155-2166.

Das, A. and Datta, B. (1999) “Development of multi-objective management models for coastal aquifers”, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 125(2), pp. 76-87.

Dorigo, M. and  Socha, T. (2007) “An Introduction to Ant Colony Optimization”, IRIDIA Technical Report Series ISSN, pp. 1781-3794.

Emch, P.G. and Yeh, W.W.G. (1998) “Management model for conjunctive use of coastal surface water and groundwater”, Journal of Water Resources Planning and Management, 124, pp. 129-139.

Ferreira, da Silva, J.F. and Haie, N. (2007) “Optimal locations of groundwater extractions in coastal aquifers”, Journal of  Water Resources Planning and Management, ASCE, 21, pp. 1299-1311.

Finney, B., Samsuhadi, A. and  Willis, R. (1992) “Quasi-three-dimensional optimization of Jakarta Basin”, Journal of Water Resources Planning and Management ASCE, 118(1), pp. 18-31.

Gordon. E., Shamir, U. and Bensabat, J. (2000) “Optimal management of a regional aquifer under salinization conditions”, Water Resources Research, 36(11), pp. 3193-3203.

Gorelick. S,M. and Voss, C.I. (1984) “Aquifer reclamation design: The use of contaminant transport simulation combined with nonlinear programming”, Water Resources Research, 20(4), pp. 415-427.

Hallaji, K.H. and Yazicigil, H. (1996) “Optimal management of a coastal aquifer in southern Turkey”, Water Resources Planning and Management, ASCE, 122(4), pp. 233-244.

Katsifarakis, K. L., Petala, Z. (2006) “Combining genetic algorithms and boundary elements to optimize coastal aquifers’ management”, Journal of Hydrology, 327, pp. 200-207.

Katsifarakis, K.L., Karpouzos, D.K. and Theodossiou, N. (1999) “Combined use of BEM and genetic algorithms in groundwater flow and mass transport problems”, Journal of Engineering Analytical Boundary Element, 23, pp. 555-565.

Madadgar, S., Afshar, A.. (2009) “An improved continuous ant algorithm for optimization of water resources problems”, Water Resources Management, 23, pp. 2119–2139.

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

Mantoglou, A. (2003) “Pumping management of coastal aquifers with analytical models of saltwater intrusion”, Water Resources Research, 39(12), (Art. No. 1335 DEC 4).

Naji, A., Cheng, A.H.D. and Ouazar, D. (1999), “BEM solution of stochastic seawater intrusion problems”, Journal of Engineering Anayticall Boundary Element, 23, pp. 529-537.

Park, C.H. and Aral, M.M. (1999) “Multi-objective optimization of pumping rates and well placement in coastal aquifers”, Journal of Hydrolgy, 290, pp. 80-99.

Reilly, T.E. and Goodman, A.S. (1985) “Quantitative analysis of saltwater-freshwater relationships in groundwater systems - A historical perspective”, Journal of Hydrology, (80m) pp. 125-160.

Shamir, U., Bear, J., Gamliel, A. (1984) “Optimal annual operation of a coastal aquifer”, Water Resources Research, 20(4), pp. 435-444.

Zecchin, A.C. Maier, H.R. Simpson, A.R. Leonard, M. and Nixon, J.B. (2007) “Ant colony optimization applied to water distribution system design: Comparative study of five algorithms”, Journal of Water Resources Planning and  Management,  ASCE ,133(1), pp. 87-92.