SUPERVISOR
محمدحسین گل محمدی (استاد راهنما) فرشاد رضائی (استاد مشاور) حمیدرضا صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
Sahar Kamran
سحر کامران
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Maximization of Zayandehrood Dam Reservoir Operation Sustainability Index Using Adaptive Accelerated Gravity Search Algorithm
Establishing a stable balance between the amount of recoverable water resources and its demand has always been a great challenge for water managers, which the two main roots of this imbalance can be considered as the natural limitations of available water resources and destructive human activities. With increasing population and on the other hand climate change, which in recent years has affected the level of access to water resources, the optimization of reservoirs operation as the main surface water containment systems has become an increasingly important issue in water resource management. Zayandehrood Dam as the most important surface water utilization system located in Zayandehrood catchment, which due to climate change, droughts and lack of proper and comprehensive management in recent years has faced many problems in estimating the water demands of regional applicants in various sectors, has been selected as a case study of the present research, which requires optimization under new and effective methods in order to adapt to climate change. Meta-heuristic algorithms, which have been widely used in the field of water systems management due to their high power in finding good enough solutions in a reasonable amount of time for complex real-world problems, have been used in optimizing current dam performance. The AAGSA, which is a modified version of the Gravitational Search Algorithm (GSA), has been implemented as the research innovation on the study reservoir and its optimization results have been compared with GSA under both historical and future periods. The results showed that under the 13-year historical period from 1385 to 1398 solar years and also under the future 13-year period from 1399 to 1412, as expected, the improved algorithm (AAGSA) due to the greater global search power and speed offered a better optimal solution in a shorter runtime (Approximately 78% less than GSA runtime). The results of 30 performances showed that due to the weak performance of GSA algorithm in fulfilling the constraint related to the optimal storage (450 MCM) at the end of each water year, GSA resulted in higher amounts of monthly storage and spill volumes compared to AAGSA and observed values. However, in terms of the percentage of water demand supply, GSA represented only 2% more than the observed value and in terms of performance criteria and sustainability index, it showed the better results than the observed values; But AAGSA performed better in all fields than the GSA algorithm and the observed values. AAGSA algorithm with supplying 89% of water demand (8.4% better than GSA and 9.4% better than observed value) and with fuzzy sustainaility index of 94.6% (24% better than GSA and 50% better than observed value) showed its superiority in the historical period. After testing the algorithms in the historical period, with the help of LARS-WG and HEC-HMS model outputs from previous researches, the reservoir inputs in the future period under RCP4.5 climate change scenario which, despite of slight differences, was more critical than RCP2.6 and RCP8.5 scenarios entered the algorithms. Since the total volume of 13-year inflow to the dam were higher than the estimated water demand volume of the whole period compared to the past, the results of 30 performances showed that both algorithms in terms of percentage of supply and performance criteria of the reservoir in the future better than before (computational water supply percentage by AAGSA was 6% better than this amount in the past). AAGSA again showed better performance in all fields than the GSA algorithm. AAGSA proved its superiority over the main algorithm in the future period by providing 95% of water demand (10.8% better than GSA) and with 89% sustainability index (20.1% better than GSA). In general, AAGSA compared to GSA improved the sustainability index of Zayandehrood Dam in the historical period and in the future period by 34.5 and 29%, respectively, and the optimal fit function by 92 and 84.2%, respectively. Keywords: Reservoir operation, Upstream catchment of Zayandehrood dam, Climate change, Fuzzy sustainability index, HEC-HMS, AAGSA
همواره برقراری یک تعادل پایدار میان میزان منابع قابل استحصال آب و تقاضای آن چالشی بزرگ برای مدیران آب بوده است که میتوان دو ریشهی اصلی این عدم تعادل را محدودیتهای طبیعی منابع آب موجود و فعالیتهای مخرب انسان دانست. با افزایش جمعیت و از طرف دیگر تغییرات اقلیم که در سالهای اخیر بحث محدودیتهای منابع آب قابل استحصال را پررنگتر ساخته است بهینهسازی برداشت از مخازن سدها بهعنوان اصلیترین سیستمهای مهارکنندهی آبهای سطحی به مبحثی بیشازپیش قابلتوجه در مدیریت منابع آب تبدیلشده است. سد زایندهرود بهعنوان مهمترین سیستم بهرهبرداری از آب سطحی واقع در حوضهی آبریز زایندهرود که تحت تأثیر تغییرات آبوهوایی، خشکسالیها و عدم مدیریت مناسب و همهجانبه در سالهای اخیر دچار مشکلات متعددی در برآورد نیاز آبی متقاضیان منطقه در بخشهای مختلف بوده است در جهت بهروزرسانی سیاستهای عملکردی و سازگاری با تغییرات اقلیمی نیازمند بهینهسازی تحت روشهای نوین و مؤثر است که بهعنوان مطالعهی موردی تحقیق حاضر برگزیدهشده است. الگوریتمهای بهینهسازی فراکاوشی که به علت قدرت بالا در یافتن جوابهای باکیفیت در زمان مناسب برای مسائل پیچیدهی واقعی، در زمینهی مدیریت سیستمهای آبی بسیار پرکاربرد بودهاند در بهینهسازی عملکرد سد موردمطالعه مورداستفاده قرارگرفتهاند. الگوریتم بهینهسازی فراکاوشی AAGSA که نوع اصلاحشدهای از الگوریتم جستجوی گرانشی (GSA) است بهعنوان نوآوری تحقیق روی مخزن سد مطالعاتی پیاده و نتایج بهینهسازی آن با الگوریتم اصلی تحت دو دورهی تاریخی و آینده مورد مقایسه واقعشده است. نتایج نشان داد، تحت دورهی تاریخی 13 ساله از 1385 تا 1398 خورشیدی و نیز تحت دورهی آیندهی 13 ساله از سال 1399 تا 1412 خورشیدی همانطور که انتظار میرفت الگوریتم اصلاحی (AAGSA) با توجه به قدرت و سرعت جستجوی سراسری بیشتر، در زمان کوتاهتر (تقریباً 78 درصد کمتر از زمان اجرای GSA) بهینهی مطلوبتری را ارائه داد. نتایج 30 اجرا نشان داد الگوریتم GSA ازآنجاکه در برآورد قید مربوط به حفظ ذخیرهی مطلوب (450 میلیون مترمکعب) در پایان هر سال آبی ضعیفتر از الگوریتم اصلاحی بوده است مقادیر حجم ذخیرهی ماهانهی بیشتر و درنتیجه سرریز بیشتری را نسبت به الگوریتم AAGSA و دادههای مشاهداتی محاسبه کرد ولی ازنظر درصد تأمین نیاز تنها 2% بیش از مقدار مشاهداتی به دست داد بااینوجود ازنظر معیارهای عملکردی و شاخص پایداری در جایگاه بهتری نسبت به مقادیر مشاهداتی قرار گرفت؛ اما الگوریتم اصلاحی در تمامی جهات از الگوریتم GSA و مقادیر مشاهداتی عملکرد بهتری را نشان داد. الگوریتم AAGSA با تأمین 89 درصد از نیاز آبی (4/8 درصد بهتر از GSA و 4/9 درصد بهتر از مقدار مشاهداتی) و با شاخص پایداری فازی 6/94 درصد (24 درصد بهتر از GSA و 50 درصد بهتر از مقدار مشاهداتی) برتری خود را در دورهی تاریخی نشان داد. پس از بررسی الگوریتمها در دورهی تاریخی، به کمک خروجیهای مدل LARS-WG و HEC-HMS از تحقیقات پیشین، ورودیهای مخزن در دورهی آینده تحت سناریوی تغییر اقلیم RCP4.5 که باوجود تفاوتهای اندک، کمی نسبت به سناریوهای RCP2.6 و RCP8.5 بحرانیتر بود، به الگوریتمها داده شد. ازآنجهت که مقادیر کل ورودی 13 ساله به سد از مقادیر نیاز تخمینی کل دوره نسبت به گذشته افزایش بیشتری داشت، نتایج 30 اجرا نشان داد هر دو الگوریتم ازلحاظ درصد تأمین نیاز و معیارهای عملکردی وضعیت مخزن در آینده را بهتر از گذشته به دست میدهند (درصد تأمین نیاز آبی محاسباتی توسط AAGSA،6 درصد بهتر از این مقدار در گذشته شد). الگوریتم اصلاحی این بار نیز در تمامی جهات از الگوریتم GSA عملکرد بهتری را نشان داد. الگوریتم AAGSA با تأمین 95 درصد از نیاز آبی (8/10 درصد بهتر از GSA) و با شاخص پایداری 89 درصد (1/20 درصد بهتر از GSA) برتری خود را نسبت به الگوریتم اصلی در دورهی آینده نیز ثابت نمود. بهطورکل، الگوریتم اصلاحی نسبت به اگوریتم اصلی میزان شاخص پایداری روی مصارف سد زایندهرود را در دورهی تاریخی و در دورهی آینده به ترتیب 5/34 و 29 درصد و میزان بهینهی تابع برازش را به ترتیب 92 و 2/84 درصد بهبود داد. کلمات کلیدی: 1-بهرهبرداری از مخزن 2-حوضه آبریز بالادست سد زایندهرود 3-تغییر اقلیم 4-شاخص پایداری فازی 5-HEC-HMS 6-AAGSA