دانشگاه شیراز
واحد بین الملل
پایان نامه ی کارشناسی ارشد
در رشته ی مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی
بهینه یابی چند متغیره یک شبكه توزیع آب
با رویداشت به اطمینان پذیری
استادراهنما
دکتر غلامرضا رخشنده رو
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
با توجه به کمبود آبهای شیرین و در دسترس جهت شرب، تامین و توزیع آب در شبکه های آبرسانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. شبکه‌های آب شهری را می توان با توجه به مسائل هیدرولیکی، هزینه و اطمینانپذیری به‌صورت چند متغیره بهینه یابی کرد. در این پایان نامه شبکه آبرسانی شهرک بزین، واقع در غرب شهر شیراز با 1907 مشترک، به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب و بکمک نرم افزار WaterGEMS شبیه سازی گردید. فشار و میزان آب ورودی به شهرک از طریق فلومتر الکترومغناطیسی نصب شده در ورودی اندازه‌گیری شد. بر این اساس آب ورودی به این شهرک در سال 1391 به میزان 534،573 مترمکعب با متوسط سرانه مصرف 187 لیتر در روز و فشار متوسط ورودی 60 متر آب بوده است. بهینه یابی شبکه فوق در سه مرحله انجام گرفت. در ابتدا، پارامترهای هیدرولیکی (فشار گره ها و سرعت آب در لوله ها) و اطمینان پذیری شبکه با تغییر قطر لوله ها بهینه گردیدند. در مرحله بعد جانمایی‌های مختلفی از شبکه مورد مطالعه قرار گرفت و دو جانمایی بعنوان بهینه تعیین گردیدند. اطمینان پذیری این دو جانمایی برابر با 97.95 و 98.08 درصد و مقدار تابع هدف بهینه در آنها برابر با 117 و 113 میلیون واحد بود. همانطور که انتظار می‌رفت، این جانمایی‌ها دارای بیشترین تعداد حلقه‌ها بودند. پس از آن به بررسی تاثیر پارامتر اطمینانپذیری شبکه بر تابع هدف پرداخته شد. با تغییر اطمینانپذیری از 75 تا 99.99 درصد مشخص شد که بیشترین میزان تابع هدف برای بدست آوردن اطمینانپذیری 99.99 درصد و به میزان 161 میلیون واحد می‌باشد. بطور کلی افزایش اطمینان پذیری، به صرف هزینه بیشتر و افزایش مقدار تابع هدف منجر گردید. در انتها باتوجه به بالا بودن میزان فشار در گره‌ها و بمنظور فراهم کردن شرایط هیدرولیکی قابل قبول در مدل شبکه، شیر فشارشکن در ورودی شبکه نصب گردید که هد فشار ورودی را به 20 مترآب کاهش داد. با اینکار، متوسط فشار شبکه به اندازه 70 درصد کاهش یافت به گونه ای که 97 درصد فشار گره‌ها در محدوده فشار مجاز قرار گرفتند. همچنین متوسط سرعت آب در شبکه 5 درصد افزایش یافت.
کلمات کلیدی: شبکه توزیع آب، بهینه‌یابی چند متغیره،اطمینانپذیری، جانمایی، بزین
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………… 2
1-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………….. 2
1-2- ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………………….. 3
1-3- اهداف پایان نامه……………………………………………………………………………………… 4
1-4- ساختار پایان نامه…………………………………………………………………………………….. 5
فصل دوم: مروری بر کارهای پیشینیان
2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………. 7
2-2- محاسبات شبکه های توزیع آب………………………………………………………………………………. 8
2-2-1- محدودیت های طراحی شبکه آب…………………………………………………………………………… 8
2-2-2-روابط حاکم بر جریان های هیدرولیکی……………………………………………………………………. 8
2-3- بهینه یابی…………………………………………………………………………………………………… 10
2-3-1-مفاهیم بهینه یابی……………………………………………………………………………………… 10
2-3-2- روش‌های بهینه یابی………………………………………………………………………………………. 11
2-3-2-1- روش های تحلیلی ………………………………………………………………………………………….. 11
2-3-2-2- روش‌های بهینه‌سازی تکاملی …………………………………………………………………….. 12
2-3-2-2-1- الگوریتم ژنتیک……………………………………………………………………………………….. 12
2-3-2-2-2-آنیلینگ شبیه‌سازی شده…………………………………………………………………………. 14
2-3-2-2-3-جستجوی ممنوع………………………………………………………………………………………. 15
2-3-2-2-4-سیستم کلونی مورچگان…………………………………………………………………………… 16
2-3-2-بهینه‌یابی شبكه های آبرسانی……………………………………………………………….. 17
2-3-3-بهینه سازی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزیع آب و اطمینان پذیری: …………. 21
فصل سوم: مواد و روش ها
3-1- معرفی شهرک بزین………………………………………………………………………………………. 28
3-1-1- معرفی منطقه مورد مطالعه……………………………………………………………………. 28
3-1-2- وضعیت آبرسانی………………………………………………………………………………… 29
3-2- فلومتر الکترومغناطیسی ABB…………………………………………………………….. 31
عنوان صفحه
3-3- نرم افزارهای استفاده شده در این پایان نامه…………………………………………….. 32
3-3-1- نرم افزار مدل سازی شبکه آبرسانی WaterGEMS ……………………………………… 32
3-3-2- نرم افزار GIS…………………………………………………………………………………. 35
3-3-2-1- تعریف GIS………………………………………………………………………….. 35
3-3-2-2- مختصری از تاریخچه………………………………………………………………. 36
3-3-2-3- ویژگی های GIS………………………………………………………………… 36
3-3-2-4- معرفی نرم افزار ArcGIS………………………………………………………….. 37
3-3-3- نرم افزار متلب……………………………………………………………………………… 38
3-3-3-1- توضیحات نرم افزار……………………………………………………………… 38
3-3-3-1- ساختار نرم افزار متلب……………………………………………………………….. 39
3-4-تست مدل (صحت سنجی و کالیبراسیون مدل)……………………………………….. 40
3-5- انتخاب روش بهینه یابی……………………………………………………………………. 41
3-5-1-بهینه‌یابی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزیع آب و اطمینان پذیری:………………. 43
3-5-2- محاسبه تابع هدف………………………………………………………………………. 45
فصل چهارم: نتایج و بحث پیرامون آن
4-1- نتایج مطالعات در وضعیت موجود ……………………………………………. 54
4-1-1- بررسی و تحلیل دبی ورودی به شهرک بزین در سال های 1388 تا 1391……….. 55
4-1-1-1- نمودار دبی ورودی در سال 1388……………………………………………………………… 56
4-1-1-2- نمودار دبی ورودی در سال 1389……………………………………………………………… 57
4-1-1-3- نمودار دبی ورودی در سال 1390……………………………………………………………… 57
4-1-1-4- نمودار دبی ورودی در سال 1391……………………………………………………………… 58
4-1-2- میزان تغییرات دبی، جمعیت و سرانه مصرف………………………………………………………… 59
4-1-3- دبی ورودی شهرک بزین در فصل مختلف سال……………………………………………………… 60
4-1-4- دبی ورودی شهرک بزین بصورت روزانه………………………………………………………………….. 63
4-1-5- فشار ورودی شهرک بزین بصورت سالانه………………………………………………………………… 66
4-2- آماده‌سازی مدل کامپیوتری …………………………………………………………………………….. 69
4-2-1- جمع‌آوری داده‌های ورودی …………………………………………………………………………………….. 69
4-2-2- کلیات……………………………………………………………………………………………………… 69
4-2-3- نیازهای آبی……………………………………………………………………………………………… 74
4-2-4- آرایش شبکه……………………………………………………………………………………….. 74
عنوان صفحه
4-2-5- اجرای برنامه…………………………………………………………………………………….. 79
4-3- کالیبراسیون……………………………………………………………………………………………….. 79
4-3-1- بررسی وضعیت موجود با بهره گرفتن از اندازه گیری پارامترها و مقایسه با نرم افزار.. 79
4-4. بهینه‌یابی شبکه………………………………………………………………………………………………. 83
4-4-1- تاثیر تغییر قطر بر اطمینان پذیری و تابع هدف…………………………………………… 84
4-4-2- جانمایی‌های مختلف شبکه و مقایسه آنها………………………………………………………. 91
4-4-2-1- معرفی سناریوهای مختلف شبکه ………………………………………………………………. 92
4-4-2-2- اطمینان پذیری هر جانمایی……………………………………………………………………….. 96
4-4-2-2- به دست آوردن تابع هدف کمینه………………………………………………………………. 98
4-4-3- مقایسه آرایش های مختلف شبکه با توجه به اطمینان پذیری و تابع هدف……….. 100
4-4-3- تغییر اطمینان پذیری معلوم و مقایسه تابع های هدف…………………………………………. 102
4-3-5- نصب شیر فشارشکن (PRV) در ورودی شبکه و بررسی اثرات آن………………….. 104
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………….. 105
5-2- پیشنهادات………………………………………………………………………………………………… 106
فهرست منابع……………………………………………………………………. 107
مقدمه
آب سر منشاء تولید تلاش و تمدن است. خداوند در قرآن کریم هستی حیات هر چیزی را به آب وابسته دانسته است و تداوم حیات را در گرو وجود آب دانسته است. اهمیت آب شرب و آبیاری در کشاورزی مخصوصا در کشاورزی ایران بر کسی پوشیده نیست. اگر تمام مشکلات و مسائل مربوط به آب شرب و تولید کشاورزی را در در یک کفه ترازو و مشکلات و مسائل مربوط به آب را در طرف دیگر قرار دهیم مشکلات مربوط به آب سنگین تر خواهد بود. کشور ایران در بخش نیمه خشک کره زمین قرار دارد. پس خارج از ذهن نیست که آب از قدیم الایام ارزش بسیار والایی نسبت به دیگر مناطق داشته است. در گذشته با وجود مشکلات فراوان و نبود امکانات فنی برای دسترسی به آبهای زیرزمینی، دست به حفر چاه و ایجاد قنات و غیره زدند.
بر خلاف نفت و کالاهای دیگر، آب را نمی توان در حجم زیاد از جایی به جای دیگر انتقال داد و لذا مصرف آن فقط به منابع محلی محدود است. البته شکی نیست که توسعه و اجرای طرح های آبی از نظر بالابردن استاندارد و سطح زندگی مردم الزامی است و اگر بخواهیم به مردم کمک شود باید توسعه برنامه‌های آبی صورت گیرد. اما این کار بدون تخلیه آبهای زیر زمینی و خشک شدن رودخانه ها و یا از بین رفتن جنگلها به آسانی حاصل نخواهد شد.
1-2- ضرورت انجام تحقیق
آب یکی از بزرگترین چالش‌های قرن حاضر است که می تواند سر منشاء بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد. 5/96 درصد از کل آب موجود در کره زمین در دریاها و اقیانوسها و 5/2 درصد از آن به عنوان آب تازه و شیرین می باشد. از آبهای شیرین 97 درصد در یخچالهای قطبی، 20 درصد در سفره‌های زیر زمینی و تنها 1 درصد در سطح زمین قرار دارد] 1[.
5/2 درصد از کل آب های زمین شیرین است که حدود 6/68 درصد آن به صورت جامد در یخچالهای قطبی و قله کوه ها قرار دارد. 1/30 درصد آن در زیرزمین قرار گرفته است. 006/0 درصد از کل آبهای شیرین در رودخانه ها جاری است و 003/0 درصد آن به عنوان آبهای بیولوژیکی در اندام حیوانات و گیاهان قرار گرفته است ]1[.
آب آشامیدنی، آبی با کیفیت مناسب بدون اثرات منفی کوتاه‌مدت یا بلند مدت است. در بسیاری از نقاط جهان، دسترسی راحت و ارزان به آب آشامیدنی وجود ندارد. در این مناطق بیشتر افراد از آبی استفاده می‌کنند که یا دارای میکروب و آلودگی است یا به سبب داشتن املاح و ذرات بیش از اندازه، در طولانی مدت برای بدن خطرآفرین هستند. وجود منابع آب آشامیدنی مطمئن، از نیازهای اولیه انسان و یکی از اهداف اولیة عرصه های بین‌المللی در دهه بین‌المللی “آب برای زندگی (2005-2015)”[1] می‌باشد ]2[.
همزمان با رشد جمعیت در جهان و رشد و توسعه صنایع مختلف، آلودگی آب آشامیدنی، تبدیل به یکی از اساسی‌ترین مشکلات جهان گردیده‌است. سازمان بهداشت جهانی (WHO) بیان می‌کند که وقتی منابع آب آشامیدنی، کم و میزان خدمات، نامناسب باشند، شهرها در معرض بیشترین تهدیدهای محیط زیستی قرار می‌گیرند (گزارش توسعه جهانی آب، 2003[2]( ]3[. وجود این مسئله باعث می‌شود نیاز به سیستم توزیع آب مطمئن و کافی در شهرها مورد توجه قرار گیرد. مسئله تامین آب شرب سالم، در آینده‌ای نه چندان دور یکی از اصلی ترین چالش‌های جهانیان خواهد شد.
بنابراین بین توان تامین آب و شدت تقاضا در جهان تفاوت عمده‌ای وجود دارد که بحران آفرین است. هنگامی که این عدم تعادل با مجموعه راهکارهای مدیریتی قابل مهار نباشد، چه در بعد محلی و چه در بعد ملی و جهانی، زبان مفاهمه در بخش آب به زبان مخاصمه تغییر خواهد کرد. طبق آخرین برآوردهای یونسکو و فائو از چرخه آب در کره زمین نشان می دهد که متوسط بارندگی سالانه ایران 251 میلیمتر است که اختلاف قابل توجهی با متوسط بارندگی هر یک از قاره ها دارد و تنها با بارندگی کشورهای نیمه خشک و صحرایی برخی از قاره ها قابل مقایسه است. همچنین خشکسالی های پیاپی در سالهای اخیر به مسئله کمبود آب و بحران آب قابل استفاده در بسیاری از نقاط ایران دامن زده است.
1-3- اهداف پایان نامه
رشد سریع صنعت و توسعه زیربنایی شهرها باعث گردیده كه طراحی و بهره‌برداری از شبكه‌های توزیع آب در ساختار مدیریت شهری، امری حیاتی تلقی گردد. شبكه توزیع آب به عنوان یك سازه زیربنایی هیدرولیكی، شامل مجموعه‌ای از لوله‌ها، ابزارهای هیدرولیكی (پمپ‌ها، شیرآلات و اتصالات خطوط لوله) ومخازن بوده و هدف آن تأمین آب سالم با فشار مناسب برای تقاضاهای مختلف شبکه می‌باشد. با توجه به هزینه‌های هنگفت اجرای شبكه‌های آبرسانی و نیز اهمیت تولید و توزیع آب، لازم است شبكه‌های توزیع آب مورد تحلیل و ارزیابی قرار گیرند.. طراحی و نگهداری یک شبکه توزیع آب شامل تعیین میزان تقاضای گره‌ها، طراحی بهینة شبکه توزیع آب، ابعاد بهینه اجزاء سیستم شامل لوله، پمپ، شیرآلات و غیره و بهره‌برداری بهینه شبکه می‌باشد. امکان وجود ترکیب‌های زیاد از جنس لوله‌ها، مسیر عبور لوله‌ها، قطر لوله‌ها، محل ایستگاه‌های پمپاژ و مخازن موجود، کار مهندسان و مدیران درگیر در طراحی شبکه های توزیع آب را دشوار می‌سازد. پارامترهای بهره‌برداری مانند مرز نواحی فشاری، تنظیمات شیرهای کنترلی و برنامه بهره‌برداری پمپ‌ها که بر کیفیت خدمات، هزینة کل و عمر آنها اثرگذار است نیز به این پیچیدگی اضافه می‌گردد.
هدف از بهینه‌یابی، اطمینان از عملکرد شبكه در شرایط بهینه است. در واقع هدف از بهینه‌یابی یافتن بهترین جواب قابل قبول، با توجه به محدودیتها و نیازهای مسأله و تعیین متغیرهای طراحی است که تابع هدف كمینه یا بیشینه باشد ]4[.
بهینه‌یابی در حل مسائل مهندسی و اقتصادی، محور اصلی تصمیم‌گیری می‌باشد. بهترین طرحهای ارائه شده توسط مهندسان طراح آنهایی هستند كه بتوانند با بهره گرفتن از روش های بهینه‌یابی در صرف زمان و هزینه طراحی صرفه‌جویی نمایند. از آنجاییکه بسیاری از مسائل بهینه‌یابی در مهندسی، پیچیده‌تر و مشكلتر از آن هستند كه با روش های سنتی بهینه‌یابی قابل حل باشند، لذا استفاده از روش‌های نوین بهینه‌یابی ضرورت می‌یابد.
1-4- ساختار پایان نامه
در این تحقیق شهرك بزین به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب شد. شبكه آب منطقه در برنامه واترجمز به صورت مدل هیدرولیكی درآمده و پارامترهای هیدرولیكی آن در هر گره و لوله نشان داده شده اند که در صورت هر نوع تغییر قابل پیش بینی گردید. در ابتدا تابع بهینه تعریف شد. این تابع شامل پارامترهای بازی فشار گره ها، سرعت آب در لوله ها و اطمینان پذیری مطلوب بود. این تابع در سه حالت بهینه شده و نتایج گوناگون به دست آمد. اول پارامترهای هیدرولیكی شبكه با بهره گرفتن از این تابع بهینه شدند. در مرحله بعد، ده جانمایی متفاوت بر روی شبكه تعریف گردید و تابع هدف برای هر یك بهینه شد. در نهایت بهینه ترین جانمایی به دست آمد. در مرحله آخر اطمینان پذیری معلوم تغییر داده شد تا اثر اطمینان پذیری بر روی تابع هدف به دست آید.
این پایان‌نامه و مطالعات مرتبط با آن در پنج فصل گردآوری شده است. در فصل اول، نگرانی‌های موجود و ضرورت انجام این مطالعه بیان گردیده است. در فصل دوم، مروری بر تاریخچه آبرسانی در دنیا و ایران مطرح می‌شود. سپس تاریخچه بهینه‌یابی و انواع روش‌های آن مورد بررسی قرار گرفته و کاربرد آن در شبکه‌های آبرسانی شهری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. سپس به مفاهیم اطمینانپذیری پرداخته و دسترس‌پذیری شبکه توزیع آب شهری بررسی و بیان می‌گردد.
در فصل سوم این پایان‌نامه، مواد و روش‌ها، منطقه مطالعاتی انتخاب شده معرفی می‌گردد. سپس به ارائه و معرفی نرم‌افزارها و مدل‌های استفاده شده در این کار پرداخته می‌شود. منابع موجود آب و نحوه آبرسانی منطقه و وضعیت موجود آن ارائه می‌گردد. سپس درباره کالیبراسون و اندازه‌گیری و مقایسه واقعیتهای موجود با تئوری مطالبی بیان می‌شود. پس از آن به انواع بهینه‌یابی و روش‌های آن پرداخته شده و روش انتخاب شده، متغیرها، قیدها و پارامترهای شبکه برای این منطقه ارائه می‌گردد.
در فصل چهارم، نتایج و بحث پیرامون آن، کلیه نتایج به‌دست آمده وضعیت موجود، اعداد و ارقام، نتایج عملی یا به دست آمده از نرم افزارها بیان می گردد. سپس جانمایی موجود شبکه و حالت‌های ممکن آن بیان شده و مورد آزمایش قرار می‌گیرند. همچنین هزینه به عنوان یکی از قیود اصلی در فرمول‌بندی ها لحاظ گردیده و اثرات خود را در نتیجه به نمایش می‌گذارد. از طرفی شروط هیدرولیکی شبکه مورد در حالت های مختلف مورد توجه قرار گرفته و مقایسه می‌گردند. در نهایت نتیجه‌گیری شده و حالت بهینه شبکه انتخاب گردیده و معرفی می‌شود. در نهایت فصل پنجم که مشتمل بر نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی مبنی بر تحقیقات آینده است، پایان بخش این نوشتار است.
تعداد صفحه :133
قیمت :14700 تومان
