SUPERVISOR
Mohammad-Reza Chamani,Kayvan Asghari
محمدرضا چمنی (استاد راهنما) کیوان اصغری (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammadali Geranmehr
محمدعلی گرانمهر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Analysis and optimal design of water distribution networks under uncertainty using hydraulic performance and sustainability indices
The design of the water distribution networks is typically based on providing acceptable hydraulic performance, i.e., appropriate nodal pressure heads and pipes’ velocities. Inevitable model uncertainty such as reservoir heads, nodal demands, and pipes’ roughness, could affect network performance significantly. In the present study, a fuzzy uncertainty analysis approach is developed to handle the uncertainty of reservoir heads and nodal demands for long-term simulation, based on type-2 fuzzy logic. Furthermore, the long-term uncertainty of Hazen-Williams (HW) coefficient is also considered. A parallel genetic algorithm is developed to solve a multi-objective optimization problem for fuzzy uncertainty analysis. A modified fuzzy uncertainty analysis method is also introduced which is based on network performance indices. In this method, only a single objective optimization tool is required to calculate the least possible value of network performance under uncertainties. Maximizing this value along with minimizing the cost and maximizing hydraulic sustainability is implemented in a three-objective optimization model to find the optimal pipe diameters. A new method based on optimization and is introduced as the pressure dependent hydraulic simulator. The presented approach has successfully used to design a case study network. The results show that this method could obtain economic pipe diameters, which provide higher hydraulic performance under uncertainty.
شبکه آب وظیفه توزیع آب را برعهده داشته و معمولاً به گونه‌ای طراحی می‌شود که ضوابط فشار و سرعت را ارضا کند. در بیشتر مواقع، این ضوابط توسط آیین‌نامه‌های طراحی مشخص می‌شوند. در این راستا، وجود عدم قطعیت در تخمین نیازآبی و ضریب اصطکاک یا ضریب زبری داخلی لوله‌ها و تغییر این ضرایب نسبت به زمان، طراحی شبکه را پیچیده می‌کند. هدف از این رساله، تحلیل و طراحی شبکه در شرایط عدم قطعیت است. یکی از رویکردهای شبیه‌سازی عدم قطعیت در شبکه‌های توزیع آب استفاده از تئوری فازی است. به دلیل پیچیدگی محاسباتی در شبکه‌های توزیع آب، تحلیل و طراحی شبکه در شرایط عدم قطعیت به سادگی امکان‌پذیر نیست. مقادیر حدی (کمینه و بیشینه) پارامترهای ورودی دارای عدم قطعیت (هد مخزن، ضریب اصطکاک لوله‌ها و نیازآبی گره‌ها) الزاماً مقادیر حدی پارامترهای خروجی (فشار در گره‌ها و سرعت در لوله‌ها) را نتیجه نمی‌دهند. در این حالت، رفتار سیستم اصطلاحاً نایکنوا بوده و لازم است برای محاسبه کمینه یا بیشینه مقدار ممکن هر یک از پارامترهای خروجی، از ابزار بهینه‌ساز استفاده کرد. یکی دیگر از چالش‌های اصلی تحلیل عدم قطعیت، استفاده از تحلیل مبتنی بر فشار به جای تحلیل مبتنی بر تقاضا است تا نتایج شبیه‌سازی منطبق بر واقعیت باشد; رویکردی که کمتر در تحقیقات پیشین به آن پرداخته شده است. در رساله حاضر، جریان ماندگار فرض شده و از رابطه هیزن-ویلیامز برای محاسبه افت لوله‌ها استفاده شده است. در این راستا، مدل تحلیل مبتنی بر فشار بر پایه استفاده از ابزار بهینه‌ساز و شبیه‌ساز EPANET، در دو حالت ساده و دوره گسترده (بر اساس گام‌های زمانی در طول شبانه‌روز) توسعه داده شده است که نتایج اولیه نشان می‌دهد مدل ارائه شده در مقایسه با سایر مدل‌های مبتنی برتکرار، همگرایی و پایداری بهتری دارد. با بهره‌گیری از توابع فازی نوع دوم، مدلی چندین هدفه برای تحلیل عدم قطعیت شبکه با قابلیت درنظر گرفتن اثر افزایش نیازآبی و کاهش ضریب هیزن ویلیامز در طول سال‌های بهره‌برداری ارائه شده است. در ادامه، الگوریتم ژنتیک موازی و اختصاصی برای حل مدل توسعه داده شده است. این الگوریتم می‌تواند تعداد زیادی تابع هدف را به صورت موازی بهینه کند. با استفاده از مثال مرجع، مدل تحلیل عدم قطعیت پیشنهادی ارزیابی شده است. شاخص‌های عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت و شاخص‌های پایداری هیدرولیکی در چهار دسته فشار، سرعت، متوسط و بحرانی معرفی شده است. سپس، مدلی بهینه‌ساز چندهدفه برای طراحی قطر شبکه در چهار دسته سناریوی مختلف به صورت دو و سه‌هدفه توسعه داده شده و شبکه دوحلقه‌ای بر اساس این چهار دسته سناریو طراحی شده است. خروجی مدل به صورت جبهه پارتو بوده که گزینه‌های مختلف طراحی را ارائه می‌دهد. یک شبکه نمونه به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب شده و تحلیل عدم قطعیت و طراحی آن بررسی شده است. نتایج مدل تحلیل عدم قطعیت نشان می‌دهد عدم قطعیت اندک هد مخزن، نیازآبی گره‌ها و ضریب هیزن ویلیامز لوله‌ها می‌تواند تأثیر زیادی روی سرعت‌ها و فشارها داشته باشد. به عنوان نمونه، درنظر گرفتن 10 سال دوره بهره‌برداری، 10 درصد عدم قطعیت نیازآبی و ضریب هیزن ویلیامز و یک درصد عدم قطعیت هد مخزن می‌تواند عملکرد فشار شبکه را تا 69 درصد و عملکرد سرعت شبکه را تا 15 درصد کاهش دهد. در فاز طراحی، نتایج نشان می‌دهد که استفاده هم‌زمان از شاخص عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت و شاخص پایداری هیدرولیکی می‌تواند مدل مناسبی برای طراحی بهینه سه‌هدفه شبکه ارائه دهد. مدلی که نتیجه نهایی آن شبکه‌ای است که علاوه بر اقتصادی بودن، عملکرد هیدرولیکی مطلوبی در شرایط عدم قطعیت داشته و از نظر پایداری نیز وضعیت مناسبی دارد. به عبارت دیگر، بر اساس مدل ارائه شده می‌توان قطر شبکه را به گونه‌ای طراحی کرد که کمینه هزینه، بیشینه پایداری و بیشینه عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت به دست آید. نتایج طراحی شبکه دوحلقه‌ای نشان می‌دهد که با افزایش اندک هزینه، می‌توان طرحی برای قطرهای شبکه ارائه داد که از نظر پایداری هیدرولیکی و از عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت تا حد قابل توجهی، بهتر باشد. بررسی یکی از جواب‌های طراحی شبکه مورد مطالعاتی نشان می‌دهد با افزایش 134 درصدی هزینه می‌توان طرحی برای قطرهای شبکه ارائه داد که شاخص عملکرد هیدرولیکی بحرانی آن در شرایط عدم قطعیت 25 درصد بهتر باشد. البته این بهبود عملکرد کاهش 44 درصدی پایداری را به همراه دارد. بررسی دیگر نتایج نشان می‌دهد که با افزایش 113 درصدی هزینه می‌توان طرحی برای قطرهای شبکه ارائه داد که از نظر پایداری هیدرولیکی 14 درصد بهتر باشد. این بهبود پایداری، افزایش 2 درصدی عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت را نیز به همراه دارد. بررسی جواب بهینه دیگر نیز نشان می‌دهد با افزایش 52 درصدی هزینه می‌توان طرحی برای قطرهای شبکه ارائه داد که از نظر پایداری هیدرولیکی 4 درصد و از نظر عملکرد هیدرولیکی در شرایط عدم قطعیت 3 درصد بهتر باشد.