مدیریت فشار و نشت در شبکه‌ توزیع آب با برنامه‌ زمان‌بندی بهینه تنظیم شیرها و پمپ ها

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز

چکیده

سن بالای لوله‌ها، فرسودگی آن­ها و عدم وجود منابع مالی لازم برای نوسازی شبکه­ های توزیع آب باعث شده است که میزان نشت از شبکه به­ طور چشم­گیر افزایش یابد. مدیریت فشار یکی از کاراترین و مقرون به­ صرفه‌ترین روش‌های کاهش نشت می‌باشد. در این تحقیق، هدف ارائه مدلی مبتنی بر بیشینه‌سازی قابلیت اطمینان شبکه با اعمال برنامه زمان‌بندی بهینه تنظیم شیرهای کنترل جریان و پمپ‌ها در ساعت‌های مختلف شبانه ­روز است که منجر به مدیریت فشار و کاهش نشت در شبکه‌ها می‌شود. بهینه ­سازی در محیط متلب و با به­ کارگیری الگوریتم دسته ذرات در ترکیب با مدل شبیه‌ساز هیدرولیکی شبکه انجام شده است. برای صحت­ سنجی روش پیشنهادی از یک شبکه نمونه و برای نشان دادن کارایی روش پیشنهادی از شبکه توزیع آب اهر استفاده شده است. مقایسه نتایج نشت ساعتی در یک وضعیت یکسان برای شبکه نمونه در این تحقیق و تحقیقات قبلی صحت عملکرد مدل پیشنهادی را تصدیق می‌کند، به‌طوری‌که انطباق خیلی خوبی بین نتایج این مقاله با تحقیقات قبلی وجود دارد. همچنین با به ­کارگیری برنامه زمان‌بندی بهینه شیرها و پمپ‌ها در شبکه توزیع آب اهر قابلیت اطمینان فشار گرهی شبکه به­ طور متوسط در حدود 33 درصد افزایش و نشت شبکه در حدود 25 درصد کاهش یافته است که نشان‌دهنده توانایی مدل پیشنهادی در بهبود کارایی شبکه‌ها می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Pressure and Leakage Management of Water Distribution Network with Optimal Scheduling of Valves and Pumps

نویسندگان [English]

  • Mehdi Dini
  • Asghar Asadi
Civil Engineering Department, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Control of water leakage in Water Distribution Networks (WDNs) is important to save drinking water consumption. Pressure management is one of the solutions that directly affected the water leakage and reliability of the WDNs. The leakage rate depended on the nodal pressure, high-pressure increases the leakage rate and failure in the network, and low pressure decreases water supply reliability in WDNs. However, it is necessary to be preserved sufficient pressure throughout the network to ensure that consumer demands are fully provided at all times. Pressure management is one of the effective and cheapest methods for leakage reduction and reliability addition in WDNs. The aim of this paper is to develop a methodology based on maximizing the network reliability by applying an optimized scheduling program for setting flow control valves (FCVs) and pumps at different times of the day, leading to pressure management and leakage reduction in the networks. For this purpose, the particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to find the optimal setting of FCVs and pumps. The aim of the optimization algorithm is to maximize the network reliability of the WDN. For this purpose, the network pressure reliability index (NPRI) is used which is proposed by Dini and Tabesh (2017). Also, to determine the optimal location of the valves, the valve selection index (SI) is used which is proposed by Ali (2015). The methodology is verified by an example network (Jowitt and Xu, 1990). Also, it is applied to an example network and Ahar WDN.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water distribution network
  • Scheduling program
  • Network pressure reliability index
  • Leakage
  • EPANET
  • MATLAB
آسفی ح، ذالنوری ا، نوذریپور ع، مرادی ع، "مدیریت فشار شبکه‌های توزیع آب شهری و استفاده صحیح از منابع آب"، اولین همایش منطقه‌ای مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد خمینی‌شهر، اصفهان، 1 اسفند، 1388.
اسدیانی‌یکتا ا ح، تابش م، "یک مدل تلفیقی جامع برای محاسبه و مدیریت نشت در شبکه‌های توزیع آب شهری"، نشریه مهندسی عمران و نقشه­ برداری، 1389، 44 (1)، 1-12.
اسدی ا، دینی م، "بررسی تأثیر تنظیم شیر فشارشکن بر افزایش قابلیت اطمینان فشارگرهی شبکه"، هفتمین کنفرانس ملی مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه یزد، 2 و 3 آبان، 1397.
اسدی ا، دینی م، " بهینه‌سازی نشت و قابلیت اطمینان شبکه توزیـع آب با استفاده از الگوریتم PSO"، چهارمین کنگره بین­ المللی توسعه کشاورزی، منابع طبیعی، محیط زیست و گردشگری ایران، دانشگاه هنر اسلامی تبریز، 23 تا 25 مرداد، 1398.
تابش م، هومهر س، "مدیریت نشت در شبکه‌های آبرسانی به ­وسیله بهینه‌سازی تنظیم شیرهای فشارشکن با استفاده از الگوریتم ژنتیک"، دومین کنفرانس مـدیریـت منابع آب ایران، دانشگاه صنعتی اصفهان، 3 بهمن، 1385.
تابش م، واسطی م ‌م، "کاهش میزان نشت در شبکه‌های توزیع آب شهری از طریق حداقل نمودن فشار اضافی در شبکه"، تحقیقات منابع آب ایران، 1385، 2 (2)، 53-66.
تائبی ا، چمنی م‌ ر، "شبکه‌های توزیع آب شهری"، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان، 1397، 1-600.
جمشیدی ش، "کاهش تلفات شبکه توزیع آب شهری با استفاده از مدیریت فشار"، اولین کنفرانس بین‌المللی مهندسی محیط زیست، مرکز راهکارهای دستیابی به توسعه پایدار، تهران، 9 بهمن، 1393.
جهانگیر م، عباس غ، جهانگیر ع، "مـدیریت هوشمند فشار و کاهش نشت شبکه‌های آبرسانی در محیط WaterGems مطالعه موردی مجتمع آبرسانی دو حصاران خراسان جنوبی"، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب، 1391، 4 (13)، 45-55.
دینی م، "ارزیابی عملکـرد شبکه توزیع آب اهر بعد از بلندمرتبه­ سازی‌های مضاعف"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، 1397، 48 (1)، 89-100.
دینی م، تابـش م، "ارائه شاخص قابلیت اطمینان جدید برای ارزیابـی عملکرد شبکه توزیع آب"، مجله آب و فاضلاب، 1397، 29 (3)، 1-16.
دینی م، "بررسی کارایی الگوریتم دسته ذرات در تنظیم ضرایب هیزن ویلیامز مدل شبکه توزیع آب"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، 1398، انتشار آنلاین.
سلطانی‌اصل م، فغفورمغربی م، "مدیریت هوشمند فشار به­ منظور کاهش نشت در شبکه‌های آبرسانی، مطالعه موردی: منطقه سرافرازان مشهد"، مجله آب و فاضلاب، 1388، 20 (3)، 99-104.
سالنامه آماری کشور، مرکز آمار ایران، سازمان مـدیریت و برنامه‌ریزی کشور، دفتر ریاست جمهوری، 1395.
صدیقیان ح، "بهینه‌سازی نشت از شبکه آبرسانی شهری با استفاده از مدل فیزیکی"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی دانشگاه کرمان، ایران، 1389.
کارآموز م، تابش م، نظیف س، مریدی ع، "مدل مدیریت فشار در شبکه توزیع آب شهری"، هفتمین کنگره بین­ المللی مهندسی عمران، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، 17 و 18 اردیبهشت، 1385.
Ali M, “Knowledge-based Optimization Model for Control Valve Locations in Water Distribution Networks”, Water Resources Planning Management, 2015, 141 (1), 481-487.
Araujo LS, Ramos H, Coelho ST, “Pressure Control for Leakage Minimisation in Water Distribution Systems Management”, Water Resources Management, 2006, 20 (1), 133-149.
Eberhart RC, Kennedy J, “Particle swarm optimization”, IEEE International Conference on Neural Networks, Perth, Australia, 27 November-1 December, 1995.
De Paola FD, Giugni M, Portlano D, “Pressure Management Through Optimal Location and Setting of Water Distribution Networks Using a Music-Inspired Approach”, Water Resources Management, 2017, 31, 1517-1533.
Dini M, Tabesh M, “A New Method for Simultaneous Calibration of Demand Pattern and Hazen-Williams Coefficients in Water Distribution Systems”, Water Resources Management, 2014, 28 (7), 2021-2034.
Dini M, Tabesh M, “Water distribution network quality model calibration; a case study: Ahar”, Water Supply, 2017, 16 (5), 1-13.
Dini M, Tanesh M, “Optimal renovation planning of water distribution networks considering hydraulic and quality reliability indices”, Urban Water Journal, 2019, 16 (4), 249-258.
Jowitt PW, Xu C, “Optimal valve control in water distribution networks”, Water Resources Planning and Management, ASCE. , 1990, 116 (4), 455-472.
Lamont PA, Common pipe flow formulas compared with the theory of roughness. American Water Work Association, 1981, 73 (5), 274-280.
Menelaos P, Vasilis K, Konstantinos G, “Pressure management and energy recovery capabilities using PATs”, Procedia Engineering, 2016, 162, 503-510.
Meniconi B, Brunone M, Ferrante E, Mazzetti DB, Laucelli G, “Transient effect of Self-adjustment of Pressure Reducing Valves”, Procedia Engineering, 2015, 119, 1030-1038.
Rossman LA, “EPANET2: user’s manual”, U.S. Environmental Protection Agency, Risk Reduction Engineering Laboratory, Cincinnati, Ohio, 2000.
Samir N, Kansoh R, Elbarki W, Fleifle A, “Pressure control for minimizing leakage in water distribution systems”, Alexandria Engineering Journal, 2017, 56, 601-612.
Sedki A, Ouazar D, “Hybrid particle swarm optimization and differential evolution for optimal design of water distribution systems”, Advanced Engineering Informatics, 2012, 26, 582-591.