multi-objective optimization
در نشریات گروه کشاورزی-
در این مطالعه، یک مدل مفهومی مبتنی بر سیستم پویا برای بهینه سازی مدیریت آب، زمین و تولید محصولات کشاورزی (چای و برنج) در نواحی آبیاری شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود توسعه داده شد. به منظور شناخت رفتار شبکه و تهیه مدل شبیه سازی سیستم از یک مدل مفهومی مبتنی بر مدل پویایی سیستم استفاده شد که در محیط MATLAB/Simulink شبیه سازی مدل انجام شد. در ادامه با استفاده از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک مدل بهینه سازی سیستم مورد مطالعه به صورت یک مدل چندهدفه توسعه داده شد و سپس با استفاده از روش وزن دهی توابع هدف، شرایط مختلف مدیریتی اجرا شد. نتایج نشان داد که انتخاب بهترین پاسخ از مدل های بهینه سازی چندهدفه به مقادیر وزنی توابع هدف وابسته است و با تغییر این مقادیر، تصمیم گیرندگان می توانند پاسخ های متنوعی برای مسائل پیچیده بهینه سازی ارائه دهند. مدل بهینه سازی با ترکیب وزنی مختلف، سطح زیر کشت و تخصیص آب را به گونه ای تعیین می کند که کمبود آب کمینه و عملکرد محصولات بیشینه شود. علاوه بر این، یافته ها حاکی از آن است که کانال های شبکه آبیاری نقش حیاتی در تامین نیاز آبی دارند و تخصیص عادلانه آب برای جلوگیری از برداشت بی رویه و پیامدهای منفی مانند پیشروی آب شور و فرونشست زمین ضروری است. مطالعه نشان می دهد که بهترین راهکار به شرایط محلی و سیاست های تصمیم گیرندگان بستگی دارد. برای دستیابی به بیشترین سود اقتصادی و پاسخگویی به نیازهای آب، پیشنهاد می شود از ترکیب وزنی نزدیک به استفاده شود. درنهایت، این مدل به مدیران و تصمیم گیرندگان کمک می کند تا با تغییر سطح زیر کشت و بهره برداری بهینه از منابع آب، کمترین میزان کمبود آبی را در منطقه ایجاد کنند.
کلید واژگان: تخصیص آب و زمین، بهینه سازی چندهدفه، پویایی سیستم، سیمولینکIn this study, a conceptual model based on dynamic systems was developed to optimize the management of water, land, and agricultural production (tea and rice) in the irrigation zones of the Sefidroud irrigation and drainage network. To understand the behavior of the network and create a simulation model of the system, a dynamic systems modeling approach was employed, and the simulation was conducted using MATLAB/Simulink. Subsequently, the optimization model of the studied system was developed as a multi-objective model using a genetic algorithm. Various management scenarios were implemented through the weighting of the objective functions. The results showed that selecting the best response from multi-objective optimization models depends on the weighted values of the objective functions, and by changing these values, decision-makers can provide various responses to complex optimization problems. The optimization model determines the cultivated area and water allocation in such a way as to minimize water scarcity and maximize crop performance through different weighting combinations. Furthermore, the findings indicate that the canals of the irrigation network play a crucial role in meeting water needs, and equitable water allocation is essential to prevent excessive extraction and negative consequences, such as saline intrusion and land subsidence. The study demonstrates that the best solutions are contingent upon local conditions and decision-makers' policies. To achieve maximum economic benefits and address water needs, it is suggested to use a weighting combination close to (w1=1,w2=2). Ultimately, this model assists managers and decision-makers in minimizing water scarcity in the region by adjusting cropping levels and optimizing the use of available water resources.
Keywords: Water, Land Allocation, Multi-Objective Optimization, Dynamic System, Simulink -
کشاورزی رکن اصلی اقتصادی حوضه هیرمند است اما با کمبود شدید آب ناشی از مصرف ناپایدار مواجه است. مطالعات قبلی الگوهای کشت را بر اساس عوامل اقتصادی و آبی در مناطق خشک بهینه کرده اند. با اینحال، شرایط منحصربه فرد هیرمند نیازمند یک رویکرد بهینه سازی چندهدفه متناسب با ادغام عوامل اقتصادی، اکولوژیکی و محیطی است. این مطالعه یک مدل ریاضی چندهدفه را برای تعیین الگوی کشت بهینه برای هیرمند توسعه می دهد تا سود کشاورز را به حداکثر برساند و در عین حال مصرف آب و اثرات زیست محیطی را به حداقل برساند. این مدل مناطق کشت را برای محصولات عمده منطقه ای با استفاده از برنامه ریزی خطی چندهدفه شبیه سازی می کند. در این راستا برای به دست آوردن الگوی کشت بهینه با اهداف موردنظر از الگوریتم ژنیک به عنوان یک روش بهینه سازی تصادفی استفاده شد. اطلاعات مورد نظر از سازمان جهاد کشاورزی و آب منطقه ای استان سیستان و بلوچستان و محاسبات مربوطه درنرم افزار MATLAB وCROPWAT صورت گرفت. سال زراعی تعیین شده در این پژوهش سال 1397-1398 و محصولات منتخب شامل گندم، ذرت، جو، انگور سیاه، خیار بادمجان، پیاز، حبوبات و گیاهان دارویی می باشند.نتایج نشان می دهد که الگوی کشت بهینه، مصرف سالانه آب را 29 درصد شستشوی نیتروژن را تا 14 درصد کاهش می دهد و بازده اقتصادی را 11 درصد در مقایسه با شیوه های فعلی افزایش می دهد. واردات آب مجازی گندم و ذرت مصرف آب محلی را 18 درصد کاهش می دهد و بازده اقتصادی را تا 5 درصد بهبود می بخشد. این رویکرد مدل سازی یکپارچه، پشتیبانی تصمیم گیری مبتنی بر سناریو و داده محور را برای هدایت سیاست گذاری در مورد استراتژی های بهینه کشت فراهم می کند.نتایج نشان دهنده قابلیت بهینه سازی چندهدفه همراه با واردات آب مجازی برای تقویت پایدار کشاورزی با وجود کمبود آب است. این مطالعه می تواند به عنوان یک نقشه راه برای سیاست گذاران و کشاورزان در جهت بهبود و پایداری کشاورزی در حوضه هیرمند مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: آب مجازی، الگوهای کشت، بهره وری اقتصادی، بهینه سازی چندهدفه، کشاورزی پایدارAgriculture is the main economic pillar of the Helmand Basin; however, it faces severe water scarcity due to unsustainable consumption. Previous studies have optimized cropping patterns based on economic and water factors in arid regions. However, the unique conditions of Helmand require a multi-objective optimization approach that integrates economic, ecological, and environmental factors. This study develops a multi-objective mathematical model to determine the optimal cropping pattern for Helmand to maximize farmer profits while minimizing water consumption and environmental impacts. The model simulates cropping areas for major regional crops using multi-objective linear programming. In this regard, to obtain the optimal cultivation pattern with the desired objectives, the genetic algorithm was used as a random optimization method. The desired information was obtained from the Agricultural and Jihad Organization and Regional Water of Sistan and Baluchestan Province, and the relevant calculations were performed in MATLAB and CROPWAT software. The crop year determined in this study is 2018-2019 and the selected crops include wheat, corn, barley, black grapes, cucumber, eggplant, onion, legumes, and medicinal plants. Results indicate that the optimal cropping pattern reduces annual water consumption by 29%, nitrogen leaching by up to 14%, and increases economic yield by 11% compared to current practices. Virtual water imports of wheat and corn reduce local water consumption by 18% and improve economic yield by up to 5%. This integrated modeling approach provides data-driven scenario-based decision support for guiding policies on optimal cropping strategies. The findings demonstrate the potential of multi-objective optimization combined with virtual water imports to sustainably enhance agriculture despite water scarcity. This study can be used as a road map for policy makers and farmers to improve and sustain agriculture in the Hirmand basin.
Keywords: Virtual Water, Cropping Patterns, Economic Efficiency, Multi-Objective Optimization, Sustainable Agriculture -
الگوریتم های بهینه سازی فراابتکاری روش های قدرتمند و قابل اعتمادی برای حل مسائل پیچیده از جمله بهینه سازی سامانه های مخازن هستند. در این تحقیق الگوریتم چندهدفه کرم شب تاب (MOFA) با الگوریتم پرکاربرد ژنتیک مرتب سازی نامغلوب (NSGA-II) در دو تابع آزمون] شیفر (SCH) و فونسکا (FON مقایسه شد. سپس این الگوریتم ها برای حل مساله بهینه سازی بهره برداری چندهدفه از مخزن بکار گرفته شدند. مخزن آیدوغموش واقع در استان آذربایجان شرقی، به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب شد. دو تابع هدف متقابل از جمله تابع هدف اول بیشینه سازی ذخیره مخزن و تابع هدف دوم کمینه سازی کمبود درنظر گرفته شدند. برای ارزیابی و مقایسه الگوریتم های مورد بررسی از شاخص های زمان اجرای الگوریتم، فاصله نسلی و معیار فاصله استفاده شد. نتایج نشان داد که الگوریتم MOFA در دو تابع آزمون بررسی شده نسبت به NSGA-II به طور میانگین 22 درصد سریع تر است. در مساله بهره برداری از مخزن، نتایج نشان داد که کیفیت جواب ها از نظر نزدیکی به جبهه پارتو بهینه برای الگوریتم MOFA با بهبود مقادیر پارامترها توانست به میزان 11 درصد نسبت به الگوریتم NSGA-II بهبود یابد. هم چنین زمان اجرای الگوریتم MOFA نسبت به زمان متناظر در الگوریتم NSGA-II به میزان 13 درصد بهبود یافت.
کلید واژگان: بهره برداری بهینه از مخزن، بهینه سازی چندهدفه، تابع آزمون، MOFA، NSGA-IIBackground and ObjectivesPrevious researches have often used the Firefly Algorithm (FA) as a single-purpose operation of the reservoir. For example, Garousi-Nejad and Bozorg-haddad (2014) used FA for the first time in water science and reservoir operation, using ten-year statistical data of the Aidoghmoush reservoir located in East Azerbaijan province of Iran. They used it to meet the needs of downstream irrigation. In order to show the efficiency of FA, the results of this algorithm were compared with the global optimum results obtained from the nonlinear programming (NLP) method. The results showed that FA responses differed by less than one percent from NLP. Garousi-Nejad et al. (2016) used the FA to operate the reservoir and used the superiority of this algorithm over GA using five mathematical tests, the problem of reservoir operation for agricultural water supply, and the problem of reservoir operation to generate electricity. The results showed the superiority of FA performance in terms of global optimum convergence rate compared to GA results. Therefore, further investigating the capability and application of the multi-objective of this algorithm in the multi-purpose reservoir operation is necessary.In this study, first, the performance of the MOFA algorithm is compared with the well-known and common NSGA-II algorithm from three perspectives of execution time, generation distance, and distance metric in two mathematical test functions. After ensuring they perform correctly in the test functions, an evaluation is performed for a reservoir operation problem. Then, three reservoir operation policies are selected from the policy set and reviewed.
MethodologyAidoghmoush dam is one of the dams built in East Azerbaijan Province, located at 19 km from Mianeh city. Aydoghmoush dam is located in the Sefidrood catchment area and Aidoghmoush sub-basin on the Aidoghmoush river. The structure of the dam is a clay-core rockfill. In this study, the Aidoghmoush reservoir's operation is examined from 1990 to 1996. The FA algorithm was developed by Yang (2008). This algorithm is based on the idealization of the behavior and flashing patterns of fireflies.The test functions used in the present study are (1) Schaffer test function (SCH) and (2) Fonesca test function (FON) (Coello et al. 2007). The MOFA algorithm was used to solve two multi-objective test functions, and its performance was compared with NSGA-II. The Generational Distance (GD) metric, introduced by Van Veldhuizen and Lamont (1998), was used to measure the proximity of the non-dominated solutions obtained to the true Pareto front (PFtrue) (Coello et al. 2007). The spacing (SP) metric introduced by Schott (1995) was also used to measure the distribution of the obtained non-dominated solutions.
FindingsIn both test functions, the MOFA with good solution quality has a significant time difference in execution time compared to the NSGA-II algorithm; the MOFA is 30% faster in the SCH test function and 15% more quickly in the FON test function than the NSGA-II. Therefore, the MOFA can be a good algorithm for optimizing complex and time-consuming problems such as reservoir operation. The MOFA algorithm in two groups of parameters compared with the NSGA-II algorithm was evaluated in the problem of reservoir operation to maximize reservoir storage and minimize deficit. Extracted solutions from the MOFA algorithm improved by 11% compared to the NSGA-II algorithm by considering better parameter values in terms of proximity to the PFtrue. Also, the execution time of the MOFA algorithm was improved by 13% compared to the NSGA-II algorithm's execution time.
ConclusionNature-inspired meta-heuristic algorithms have been considered in recent decades due to their suitable ability to derive optimal reservoir operation policies compared to classical methods. In this research, the Multi-Objective Firefly Algorithm (MOFA) is compared with the widely-used Non-Dominated Genetic Algorithm (NSGA-II) in two test functions [Schaffer (SCH) and Fonseca (FON)]. These algorithms are then used to solve the optimizing the reservoir operation problem. Aidoghmoush reservoir, located in East Azerbaijan province, is used as a case study. Two conflicting objective functions are considered, including the first objective function of maximizing reservoir storage and the second objective function of minimizing deficiency. The algorithm runtime, generation distance, and Spacing matric are used to evaluate and compare the studied algorithms. The results showed that the execution time of the MOFA algorithm in the two test problems examined was, on average, 22% less than the execution time of the NSGA-II algorithm, and the quality of the answers could be better or worse than NSGA-II. The results obtained in the multi-objective operation of the reservoir showed that the set of solutions obtained from the MOFA algorithm became closer to the PFtrue averagely of 13% by considering the parameters α, β, and γ equal to 10, 1, and 0.1, instead of considering the parameters α, β, and γ equivalent to 0.25, 1 and 1, and the average execution time of the algorithm was improved by 3%. This improvement of the solution's quality and runtime was 13 and 11, respectively, compared to the NSGA-II algorithm.Since the MOFA algorithm is fast, the quality of the resulting set of answers can be improved by adjusting parameters, modifying, or integrating with other methods, such as different optimization algorithms or machine learning algorithms, and using it to Optimize real-time problems that are important in terms of computational time and burden. It is further suggested that the MOFA algorithm be developed for more complex models such as multi-purpose reservoir operation with more than two objectives of multi-reservoir systems, and its performance in reservoir operation management problems be compared with other meta-heuristic algorithms.
Keywords: MOFA, Multi-Objective Optimization, NSGA-II, Optimal Reservoir Operation, Test Function -
طراحی سامانه های آبیاری سطحی نواری یا بر اساس روابط تجربی مندرج در منابع و یا بر اساس نتایج شبیه سازی در مدلهای مختلف انجام می شود که در این روش ها امکان بررسی تاثیر تمامی متغیرهای طراحی بر شاخصهای مختلف آبیاری وجود ندارد. طراحی بر اساس کمینه سازی حجم آب ورودی به همراه بیشینه سازی شاخصهایی چون راندمان کاربرد، یکنواختی توزیع و کفایت آبیاری رویکرد نوینی است که از طریق بهینه سازی چند هدفه می تواند بهترین نتایج را ارائه دهد. بهترین انتخاب برای متغیرهای طراحی شامل طول، عرض، شیب نوار، دبی آب ورودی و زمان قطع جریان آب در یک مزرعه با هدف دستیابی به شاخص های بهینه را می توان از این روش بدست آورد. در این تحقیق با اندازه گیری پیشروی آب در قطعات نمونه در مزرعه ای به مساحت 180 هکتار با کشت گندم در غرب اصفهان و شبیه سازی حرکت آب در نوارهای آبیاری ضرایب نفوذ خاک بدست آمد. بر این اساس برای عمق خالص آبیاری 75 میلیمتر و ضریب زبری 0.15 تعداد 56700 رویداد آبیاری نواری انتها بسته با نرم افزار WinSRFR 5.1 شبیه سازی شد. در بین نتایج بدست آمده با استفاده از روش بهینه سازی چند هدفه تابع هدف مقید شده، با هدف کمینه سازی حجم آب ورودی و راندمان کاربرد بالاتر از 90 درصد، یکنواختی توزیع و کفایت آبیاری بیشتر از 0.8 ،تعداد 515 گزینه بهینه برای طراحی نوار آبیاری تعیین گردید و در بین آنها جبهه اول پارتو، برای طراحی بهینه نوار آبیاری در این مزرعه و مزارع مشابه ارائه شد. نتایج نشان می دهند حجم آب ورودی در گزینه های بهینه سازی شده بین 712.8 تا 757.3 و در مزرعه بین 462 تا 1588 مترمکعب در هکتار می باشد که مقادیر اندازه گیری شده تفاوت قابل ملاحظه ای با مقادیر بهینه دارد. از روش ارائه شده در این تحقیق می توان به عنوان یک راهکار جدید برای طراحی سامانه آبیاری سطحی نواری و افزایش بهره وری آب در کشاورزی استفاده نمود.
کلید واژگان: طراحی آبیاری سطحی، آبیاری نواری، بهینه سازی چند هدفه، بهره وری آبSurface border irrigation design and variables determination using multi-objective optimizationM. Saleki , M.R. Nouri , H.R. Salemi , R. Fatahi AbstractDesign of surface border irrigation systems is usually performed based on empirical relations presented in the literature or through simulation results in various models. These methods do not allow investigating the impact of all design variables on different irrigation indices.Designing based on minimizing the volume of water input along with maximizing indices such as application efficiency, distribution uniformity, and irrigation adequacy is a new approach that can provide the best results through multi-objective optimization. The best choice for design variables, including length, width, slope, inflow rate, and cut-off time in a field, can be obtained using this method to achieve optimal indices.In this research, by measuring the water advance in sample plots in a field in Isfahan and simulating water movement in the border strips, the soil infiltration coefficients were obtained. Based on this, for a net irrigation depth of 75 mm and a roughness coefficient of 0.15, 56700 closed-end border irrigation events were simulated using WinSRFR 5.1 software. Among the obtained results, using the constrained objective function multi-objective optimization method, with the aim of minimizing the volume of water input and application efficiency higher than 90%, distribution uniformity and irrigation adequacy more than 0.8, 515 optimal options for designing the irrigation border strips were determined, and among them, some options were presented for the optimal design of the irrigation border strips in this field and similar fields.The results show that the volume of water input in the optimized options is between 712.8 and 757.3 cubic meters per hectare, which is significantly different from the measured values in the field. The method presented in this research can be used as a new approach for designing surface border irrigation systems and increasing water productivity in agriculture.
Keywords: Design Of Surface Irrigation Systems, Border Irrigation, Multi-Objective Optimization, Water Use Efficiency -
در تحقیق حاضر سیستم منابع آب سطحی رودخانه دز حد فاصل سد تنظیمی دز تا بندقیر برای توسعه یک مدل کمی- کیفی که قادر به استخراج سیاست های بهره برداری بهینه باشد انتخاب شد. برای شبیه سازی وضع موجود بهره برداری، تحت عنوان سناریوی مرجع، اتصال دینامیک بین مدل های کمی و کیفی ایجاد شد. طوری که در سیستم کوپل شده، روابط هیدرولیکی بین تمام اجزای سیستم برقرار گردید. در سناریوی بهینه سازی متغیرهای تصمیم شامل نیاز زیست محیطی ماهیانه رودخانه و اهداف شامل حداکثرسازی درصد تامین نیازها و حداقل سازی تخطی از استانداردهای کیفی بودند. اجرای سناریوی بهینه سازی موجب افزایش اطمینان پذیری تامین تمامی نیازهای دشت با هر اولویتی که دارند، گردید. همچنین نتایج سناریوی بهینه سازی نسبت به سناریوی مرجع نشان داد که نه تنها غلظت پارامترهای آلودگی و کیفی بهبود یافته است، بلکه در بسیاری از نقاط رودخانه بخصوص در محل های برداشت آب کشاورزی، حداقل تجاوز از استانداردهای کیفی و آلودگی آب رودخانه وجود دارد. نتایج نشان داد با بهره گیری از روش اتصال دینامیک کمی-کیفی منابع آب و توسعه مدل کوپل شده با استفاده از الگوریتم MOPSO، می توان برنامه ریزی بهتری برای استفاده مناسب از منابع آب موجود با در نظر گرفتن تمامی ذینفعان انجام داد. طوری که علاوه بر تامین نیازها، روند کیفیت و آلودگی رودخانه نیز در طول دوره بهره برداری نزدیک به حدود استاندارد باشد.
کلید واژگان: بهینه سازی چندهدفه، MOPSO، مدل کمی- کیفی، رودخانه دزThe Dez-River's surface water resources system between the Dez regulatory dam and Bandar-e-Ghir is the focus of the current study to create a qualitative-quantitative-model that can be used to determine the best operating strategies. for replicate the existing operational state, a dynamic link between quantitative and qualitative models is built under the "reference-scenario" such that hydraulic linkages are generated between all of the system's components in the coupled system. The monthly environmental demands of the river are one of the choice factors in the optimization-scenario. The goals are to maximize the percentage of needs met and minimize quality standard violations. The implementation of the optimization scenario increased the reliability of providing all the needs of the plain with any priority. This problem illustrates how the reservoir should operate in an ideal state. In many places along the river, particularly the agricultural water withdrawal sites, the minimum violation of water quality standards has happened, according to a comparison of the pollution and quality parameters in the optimization scenario and the reference scenario. The amount of pollution and quality parameters has also improved. The findings show that it is possible to plan more effectively for the appropriate use of currently available water resources by taking into account all stakeholders and utilizing the qualitative-quantitative dynamic connection method of water resources to develop a coupled model using the MOPSO-algorithm. This will ensure that, in addition to meeting needs, the quality and pollution of the river remain close to the standard limits during the operation period.
Keywords: Multi-Objective Optimization, MOPSO, Quantitative-Qualitative Model, Dez River -
سرریزهای پلکانی به جهت عملکرد همزمان در انتقال و استهلاک انرژی، امروزه مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. در طراحی این سرریزها بهترین حالت، دست یابی به طرحی با بیش ترین مقدار استهلاک انرژی در پایین دست و کم ترین هزینه طراحی می باشد. در این مطالعه، از مدل بهینه سازی چندهدفه بر مبنای الگوریتم های علف های هرز (IWO) و چرخه آب (WCA) برای طراحی سرریزهای پلکانی با اهداف کمینه نمودن هزینه های اجرا و بیشینه نمودن میزان استهلاک انرژی استفاده شده است. در این راستا، کارآیی دو الگوریتم بر روی سرریز سد سیاه بیشه پائین مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج پژوهش نشان داد الگوریتم IWO دقت و سرعت همگرایی بهتری نسبت به الگوریتم WCA در حل مسئله بهینه سازی چندهدفه سرریزهای پلکانی دارد. همچنین مشخص گردید استفاده از رویکرد بهینه سازی چندهدفه می تواند مجموعه ای از پاسخ ها را در اختیار طراحان قرار دهد که بتوانند در هر شرایطی بسته به میزان هزینه و استهلاک انرژی مورد نظر طرح مناسبی برای اجرا انتخاب نمایند. مقایسه بین پاسخ های با کمترین حجم بتن ریزی ارائه شده توسط IWO در مقایسه با طرح اجرا شده سرریز، 20 درصد حجم بتن ریزی را کاهش و 12 درصد میزان استهلاک انرژی را افزایش داده است. همچنین برای WCA، حجم بتن ریزی را 10 درصد کاهش و استهلاک انرژی را 4/89 درصد افزایش داده است.
کلید واژگان: استهلاک انرژی، بهینه سازی چندهدفه، سرریزهای پلکانی، سیاه بیشه، فراکاوشیStepped spillways have received special attention today for their simultaneous operation in energy transfer and dissipation. In designing these spillways, the best way is to achieve a design with the highest amount of energy dissipation in the downstream and the lowest design cost. In this study, a multi-objective optimization model based on weed algorithms (IWO) and water cycle (WCA) is used to design stepped spillways with the aim of minimizing implementation costs and maximizing energy dissipation. The efficiency of the developed model was tested on the spillway of the down Siah Bisheh Dam. The results showed that the IWO algorithm has better accuracy and convergence speed than the WCA algorithm in solving the problem of multi-objective stepped spillway optimization. It was also found that using a multi-objective optimization approach can provide a set of answers to designers who can choose a suitable design for implementation in any situation depending on the amount of cost and energy consumption. Comparison between the responses with the lowest concreting volume provided by the IWO compared to the Spillway plan implemented, reduced the concreting volume by 20% and increased the energy dissipation by 12%. For the WCA, it also reduced the volume of concreting by 10 percent and increased energy dissipation by 4.89 percent.
Keywords: Energy dissipation, Multi-Objective Optimization, Metaheuristic, Stepped Spillways, Siah Bisheh -
مقدمه
کشور ایران از جمله کشورهای خشک و کم آب جهان محسوب می شود که تامین آب شرب در بسیاری از شهرهای آن، یکی از معضلات اصلی مدیریت منابع آب شهری می باشد. در این راستا، یکی از مناسب ترین روش ها برای مبارزه با کم آبی، کاهش و محدودسازی استفاده از آب های با کیفیت بالا در آبیاری فضای سبز می باشد. لذا نیاز به مدیریت موثر در برنامه ریزی های کلان شهری در بخش مدیریت منابع آب فضای سبز شهری، به ویژه در فصل های گرم سال بیش از پیش احساس می شود. هدف از پژوهش حاضر، بهینه سازی چندهدفه و مدیریت تخصیص پساب تصفیه شده با استفاده از مدل های پویایی سیستم (سیستم داینامیک) به منظور آبیاری فضای سبز شهری در کلان شهر شیراز می باشد.
روشبدین منظور، عوامل موثر بر تامین منابع آب و آبیاری فضای سبز شهر شیراز، شبیه سازی شده و با توجه به آن، پیش بینی مصارف و میزان منابع در دسترس و بهینه سازی تخصیص، ارایه شده است. هم چنین، در پژوهش حاضر، عوامل موثر در شرایط فعلی و آینده که می تواند بر مدل پیشنهادی تاثیرگذار باشد، مورد توجه قرار گرفته و دو سناریو افزایش بازده آبیاری فضای سبز و استفاده از پساب تصفیه شده اعمال گردیده است.
یافته هانتایج نشان دادند که افزایش بازده آبیاری از طریق مدیریت انتقال، ذخیره و توزیع آب و هم چنین آبیاری در ساعات مناسب، تاثیر به مراتب بیش تری در مقایسه با استفاده از پساب تصفیه شده به منظور کاهش برداشت از منابع محدود کنونی خواهد داشت؛ به گونه ای که با افزایش راندمان آبیاری به میزان 40 و 50 درصد به ترتیب مقدار 14 و 39 درصد از کمبودهای آبی برطرف می شود.
نتیجه گیرینتایج شبیه سازی نشان داد که به منظور رسیدن به پایداری سامانه باید ترکیبی از انواع سناریوهای کاهش سرانه مصرف آب فضای سبز، افزایش بازده آبیاری، استفاده از پساب تصفیه شده و فضاهای خشک منظر در توسعه فضاهای شهری مدنظر قرار گیرد.
کلید واژگان: فضای سبز شهری، مدیریت منابع آب، پساب تصفیه شده، بهینه سازی چندهدفه، پویایی سیستمIntroductionEffective management in metropolitan planning of urban green space water resources is very important due to the rapid growth of urbanization and the limitation of water resources. The purpose of this research is multi-objective optimization and management of treated wastewater allocation using dynamic system models for urban green space irrigation in Shiraz metropolis.
MethodsThe factors affecting the supply of water resources and irrigation of the green spaces of Shiraz city have been simulated and according to that, the consumption forecast and the number of available resources and the allocation optimization have been presented. Also, in the current research, effective factors in the current and future conditions that can affect the proposed model have been taken into consideration, and two scenarios have been applied, including increasing the efficiency of green space irrigation and the use of treated wastewater.
ResultsThe results showed that increasing the efficiency of irrigation through management of transfer, storage and distribution of water and also irrigation at the right times has a much greater effect compared to the use of purified wastewater in order to reduce the extraction of limited resources. In such a way, by increasing the irrigation efficiency by 40% and 50%, respectively, 14% and 39% of water shortages will be solved.
ConclusionThe simulation results showed that in order to achieve the stability of the system, a combination of scenarios of reducing per capita water consumption in green spaces, increasing irrigation efficiency, using purified wastewater and dry landscaped spaces should be considered in the development of urban spaces.
Keywords: Urban green space, Water resource management, treated wastewater, Multi-Objective Optimization, System Dynamics, Shiraz city -
توسعه مکانیزاسیون و فناوری ماشینی پیامدهای مثبت و نامطلوب بسیاری را با توجه به شرایط اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی هر منطقه در پی خواهد داشت. تعارضات به وجود آمده در این ابعاد، انتخاب و سطح بندی سیستم های مکانیزاسیون پایدار را بحث برانگیز و مشکل می کند. هدف از این مطالعه، مدل سازی چندهدفه جهت تعیین الگوهای بهینه عملیات تهیه زمین و کاشت شلتوک و ارایه چارچوبی جهت تخصیص مکانیزاسیون به اهداف متناقض پایداری کشاورزی است. بر این اساس، پس از انتخاب شاخص ها و جمع آوری داده، با ترکیب روش های وزن دهی آنتروپی شانون و TOPSIS، شاخص شباهت برای ابعاد چند شاخصه محاسبه شد و این شاخص شباهت به همراه مقادیر شاخص ها به عنوان ضرایب توابع هدف اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی در بهینه سازی چندهدفه در نظر گرفته شد. مدل بهینه سازی چندهدفه جهت دستیابی به الگوی مکانیزاسیون کشاورزی پایدار با استفاده از الگوریتم NSGA-II ارایه شد. جهت اعتبارسنجی این چارچوب، پنج سیستم مکانیزاسیون (خاک ورزی و کاشت) در تولید شلتوک شهرستان رامهرمز با محدودیت های زمین، آب و ماشین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد در صورت عدم محدودیت آب، سیستم های سنتی آب کاری و نشاکاری بدون پدلینگ بهینه هستند و در شرایط خشک سالی و محدودیت شدید آب سیستم های مکانیزه نوین مانند خشکه کاری، بی خاک ورزی (با عملکرد مطلوب) و نشاکاری با پدلینگ به عنوان سیستم های بهینه پایدار خواهند بود. جواب های بهینه پارتو تحت سناریوهای مختلف در محدودیت های آب و ماشین نشان داد با به کارگیری این چارچوب، نه تنها می توان اهداف پایداری در شناسایی بهترین سطح بندی سیستم های مکانیزاسیون را تامین کرد، بلکه امکان بررسی اثر سناریوهای مختلف تحت محدودیت های مختلف نیز وجود دارد.
کلید واژگان: الگوی بهینه، بهینه سازی چندهدفه، پایداری، مکانیزاسیون کشاورزیIntroductionThe development of mechanization and machine technology can have positive and negative effects on the economic, social, and environmental conditions of a region. Conflicts in these areas complicate the selection and optimization of sustainable mechanization systems. One of the basic questions in the selection of a sustainable agricultural mechanization system is how and with what methodology would it be possible to propose the closest mechanization model that will overcome the simultaneous contradictions between the three pillars of sustainability; taking into account the natural and technical limitations in agricultural production. What is the appropriate approach considering the economic, environmental, and social aspects? The current research aims to provide a framework for an optimal mechanization model to achieve the goals of agricultural sustainability so that it can be implemented and applied practically. It is possible to provide a model that addresses the conflicting economic, social, and environmental aspects by quantitatively optimizing the level of mechanization.
Materials and MethodsIn this study, a framework is applied whereby contradictory goals of agricultural sustainability can be achieved simultaneously. After selecting the indices and data collection, by combining Shannon entropy and TOPSIS, the similarity index was obtained for each objective. The similarity indices and values of the Benefit-Cost Ratio calculated for each system were considered as coefficients of three objective (economic, social, and environmental) functions in multi-objective optimization. The multi-objective optimization model was applied to achieve sustainable mechanization patterns and was solved using the NSGA-II algorithm. For framework validation, paddy production mechanization systems in the Ramhormoz region located in southwestern Iran were analyzed with constraints: land, water, and machinery. The five mechanization systems of paddy production included puddled transplanted, un-puddled transplanted, water seeded, dry seeded, and, no-till.
Results and DiscussionPareto-optimal solutions of different scenarios with water and machine constraints showed that this framework cannot only meet the sustainable goals, but also the optimal allocation of mechanization systems is identified and the effect of different scenarios under different constraints can be examined. The sustainability goals between the no-tillage and planting with puddling systems are highly contradictory. The no-tillage system has the highest score in the environmental aspect and the lowest score in the social and economic aspects. This modern system was developed in Ramhormoz three years ago and has faced technical, economic, and social challenges ever since. The cultivated area using this system was 43 hectares in 2019. Despite the speed and ease of planting with this system, and its direct environmental benefits, the possibility of fungal outbreaks is raised due to the presence of wheat residues from previous cultivation and the warm and humid environment of cultivation. Additionally, weed outbreaks caused by periodic irrigation have greatly affected the satisfaction and profitability of this system, leading to the highest amount of pesticides consumed among the studied systems. The results of multi-objective optimization of sustainable rice mechanization systems in Ramhormoz city showed that the total surface area of optimal point systems is in the range of 2700 to 3200 hectares, which is close to the area under rice cultivation in Ramhormoz (3310 hectares) and it indicates that the output of the model is according to the applied restrictions and close to reality. The limitation of machinery and water has made the two planting systems of un-puddled transplanting and dry-seeding better than other systems. Removing only the machinery restriction can lead to an increase in the area under rice cultivation by about 700 hectares. This means that the requirement for the development of sustainable rice cultivation in Ramhormoz is to strengthen and support modern mechanized systems of no-tillage, dry-seeding, and planting with puddling, with a focus on systems with less water consumption which are the systems with higher levels of mechanization. Without water limitation, if the model is subject to the current machinery limitations, the optimal mechanization systems are the more traditional ones such as transplanting without puddling and wet-seeding.
ConclusionOne of the most fundamental challenges in the development of mechanization is identifying systems that can best balance the economic, social, and environmental aspects of sustainability and minimize environmental damage whilst maximizing economic and social benefits. Using the framework for sustainable mechanization will not only accomplish sustainable goals in identifying the optimum agricultural mechanization level, but it will also allow researchers and implementers in the agricultural sector to examine the outcome of various scenarios under different constraints. This framework can be used to find the optimal model for mechanization of all stages of tillage, planting, harvesting, and post-harvest in diverse geographical areas.
Keywords: Agricultural Mechanization, Multi-Objective Optimization, optimal pattern, Sustainability -
سرریزهای پلکانی نمونه ای از این سازه های هیدرولیکی حجیم می باشند که علاوه بر عبور دادن آب اضافی سدها، موجب استهلاک انرژی جریان در پایین دست سدها نیز می شوند. با توجه به هیدرولیک پیچیده جریان بر روی این سرریزها و وجود محدودیت های غیرخطی، طراحی بهینه آن ها یک مسیله بسیار سخت می باشد. در این پژوهش یک چارچوب نوین بر اساس الگوریتم های فراکاوشی، شامل شاهین هریس (HHO)، گرگ خاکستری (GWO)، علف های هرز مهاجم (IWO) و چرخه آب (WCA) با در نظر گرفتن کمینه سازی حجم بتن مصرفی سرریز و بیشینه سازی میزان استهلاک در پنجه سرریز به عنوان توابع هدف، برای طراحی این سرریزها توسعه داده شد. عملکرد الگوریتم ها، ابتدا بروی توابع پایه مورد بررسی و صحت سنجی قرار گرفت. سپس، برای دستیابی به اهداف مطالعه، سرریز سد سیاه بیشه به عنوان سد مورد مطالعه انتخاب شده و کارآیی مدل های توسعه داده شده بر اساس چهار الگوریتم مذکور بر روی آن ارزیابی گردید. نتایج نشان داد، مدل مبتنی بر HHO علاوه بر بهبود طرح سرریز کنونی از نظر هزینه های احداث و انرژی مستهلک شده، در مقایسه با سایر الگوریتم های فراکاوشی نیز از دقت و همگرایی مناسبی برخوردار است. به گونه ای که مقایسه طرح به دست آمده از HHO با طرح اجرا شده سرریز نشان داد، علاوه بر کاهش 35 درصدی حجم بتن مصرفی، میزان استهلاک انرژی 15% افزایش یافت که نشان دهنده موفقیت مدل طراحی توسعه داده شده به صورت چندهدفی و با استفاده از HHO می باشد.
کلید واژگان: سرریزهای پلکانی، بهینه سازی چندهدفه، الگوریتم های فراکاوشی، استهلاک انرژی، سد سیاه بیشهStep spillways are an example of these massive hydraulic structures that, in addition to passing the excess water of the dams, also cause the consumption of flow energy downstream of the dams. Considering the complex hydraulics of the flow on these spillways and the presence of nonlinear limitations, their optimal design is a very difficult problem. In this study, a new framework based on Metaheuristic algorithms, including Harris's hawk Optimization (HHO), gray wolf Optimizer (GWO), invasive weeds Optimization (IWO) and water cycle Algorithm (WCA), considering the minimization of the amount of concrete used in spillway and the maximization of energy dissipation in Spillway toe were developed as objective functions to design these spillways. Algorithms' performance was first checked and validated on basic functions. Then, to achieve the objectives of the study, the spillway of the Siah Bisheh dam was selected as the study dam and the efficiency of the developed models based on the four mentioned algorithms was evaluated on it. The results showed that, in addition to improving the current spillway design in terms of construction costs and dissipation energy, the HHO-based model has good accuracy and convergence compared to other Metaheuristic algorithms. As the comparison of the design obtained from HHO with the current spillway design showed, in addition to a 35% reduction in the volume of concrete consumed, the amount of energy dissipation increased by 15%, which indicates the success of the design model developed in a multi-objective manner using HHO.
Keywords: Stepped spillway, Multi-Objective Optimization, Metaheuristic Algorithms, Energy dissipation -
مقدمه و هدف
بهره برداری بی رویه از آب های زیرزمینی در دشت دامغان موجب شده است که ضمن کاهش تراز سطح آب زیرزمینی و از بین رفتن بخشی از آبخوان و کاهش آبدهی ویژه سفره آب زیرزمینی مشکلات عدیده ای مانند فرونشست زمین در منطقه ایجاد گردد. لذا جهت کنترل برداشت از سفره آب زیرزمینی و در نتیجه کاهش افت سطح آب زیرزمینی مدل سازی ریاضی دشت دامغان جهت مدیریت بهینه بهره برداری و ارایه الگوی کشت بهینه به منظور صرفه جویی در مصرف آب با محوریت کنترل سطح آب زیرزمینی و محدود نمودن فرونشست زمین انجام گرفت.
مواد و روش هادر این تحقیق ابتدا آبخوان دشت دامغان با استفاده از مدل ریاضیMODFLOW شبیه سازی گردید. سپس با در نظر گرفتن سناریوهای مختلف بهره برداری از آبخوان، با استفاده از الگوریتم ژنتیک NSGAII به بهینه سازی بهره برداری چندهدفه از منابع آب و مدیریت بهینه عرضه و تقاضای آب در بخش کشاورزی پرداخته شد. نتایج مدل بر اساس پارامترهای آماری خطا جهت پیش بینی سطح تراز آب زمینی مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته هانتایج این تحقیق نشان داد که مدل ریاضی MODFLOW توانسته است سطح آب زیرزمینی دشت مورد مطالعه را در شرایط پایدار و غیر پایدار در مراحل واسنجی و صحت سنجی به خوبی شبیه سازی کند. همچنین نتایج حاصل از الگوریتم شبیه سازی - بهینه سازی نشان داد که می توان با تغییر الگوی کشت و همچنین با تغییر نوع سیستم آبیاری از سنتی به آبیاری نوین و درنتیجه افزایش راندمان آبیاری (90 درصد)، مقدار میانگین افت تراز سطح آب زیرزمینی دشت مورد مطالعه را از 0/49 متر در شرایط موجود به 0/07 متر در شرایط بهینه کاهش داد. این امر موجب جبران میزان کسری مخزن از 31/90 به 5/1 میلیون مترمکعب در سال خواهد گردید.
نتیجه گیریاستفاده از راهکارهای مدیریتی مانند تغییر الگوی کشت، افزایش راندمان آبیاری و همچنین با کنترل آب های سطحی و تزریق آن به آب زیرزمینی می توان روند کاهش سطح آب زیرزمینی را در دشت مورد مطالعه به طور کامل مهار کرد و تامین نیاز آبی دشت را به صورت 100 درصد تامین نمود.
کلید واژگان: الگوریتم ژنتیک، الگوی کشت بهینه، بهینه سازی چندهدفه، تراز سطح آب زیرزمینی، شبیه سازیIntroduction and ObjectiveExcessive exploitation of groundwater in Damghan plain has caused many problems such as land subsidence in the study area, along with the reduction of the groundwater level and the loss of a part of the aquifer and the reduction of the specific yield of aquifer. Therefore, in order to control the withdrawal from the aquifer and as a result to reduce the drop in the groundwater level in that plain, it was investigated. For this purpose, in this research, the mathematical modeling of Damghan Plain was done for the optimal management of exploitation and providing the optimal cultivation pattern in order to save water consumption with the focus on controlling the groundwater level and limiting land subsidence.
Material and MethodsIn this research, Damghan plain aquifer was first simulated using MODFLOW mathematical model. Then, taking into account different scenarios of aquifer exploitation, using the NSGAII genetic algorithm, optimization of multi-objective exploitation of water resources and optimal management of water supply and demand in the agricultural sector was done. The results of the model were evaluated based on statistical error parameters to predict the ground water level.
ResultsThe results of this research showed that the MODFLOW numerical model was able to simulate the groundwater level of the studied plain well in steady and unsteady conditions in the calibration and validation stages. Also, the results of the simulation-optimization algorithm showed that by changing the cultivation pattern and also by changing the type of irrigation system from traditional to modern irrigation and as a result of increasing the irrigation efficiency (90 percent), the average drop of the groundwater level of the plain can be reduced. It reduced the groundwater level of the study area from 0.49 m in existing conditions to 0.07 m in optimal conditions. This will compensate the deficit of the aquifer from 31.90 to 5.1 million cubic meters per year.
ConclusionUsing management strategies such as changing the cultivation pattern, increasing irrigation efficiency, and also by controlling surface water and injecting it into groundwater, the process of reducing the groundwater level in the studied plain can be completely controlled and provided 100% of the water needs of the plain.
Keywords: Genetic algorithm, Groundwater level, Multi-objective optimization, Optimal cultivation pattern, Simulation -
مقدمه
گسترش شهرنشینی، افزایش جمعیت کره زمین، بهره برداری بی رویه از منابع آبی و رهاسازی فاضلاب در طبیعت تاثیرات منفی و جبران ناپذیری بر محیط زیست برجا گذاشته است. تحقیق حاضر به منظور بهینه سازی مدل بازطراحی شبکه سبز آب و فاضلاب انجام گرفته است.
روشدر این تحقیق یک مدل بهینه سازی دو هدفه جهت بازطراحی سبز شبکه آب و فاضلاب شامل مکان یابی حوضچه های ذخیره و نیز امکان تخصیص بهینه پساب تصفیه شده به مناطق کشاورزی و شهرک های صنعتی با رویکرد کاهش اثرات ویرانگر تخلیه فاضلاب های صنعتی واردشده به تصفیه خانه شهری و درنهایت ورود این گونه آلاینده ها به محیط زیست ارایه شده است. مدل ارایه شده به کمک روش به کمک روش اپسیلون محدودیت حل گردیده است.
یافته هابر این اساس، هزینه کل سیستم حداقل گردیده، تقاضا پاسخ داده شده و هم زمان مسایل زیست محیطی در طول بازطراحی شبکه رعایت شده و بار آلودگی زیست محیطی شبکه به حداقل میزان خود می رسد. هم چنین، تحلیل حساسیت بر روی برخی پارامترهای مهم انجام شده است.
نتیجه گیرینتایج نشان داد که مدل پیشنهادی می تواند به طراحان در این حوزه جهت طراحی شبکه توزیع کمک شایانی کند، چراکه علی رغم افزایش هزینه ها با نصب COD متر و انجام گندزدایی، آلودگی محیط زیست کاهش می یابد. ضمن آنکه در این مدل سعی شده بخشی از افزایش هزینه ها را با فروش لجن فعال جبران نمود.
کلید واژگان: شبکه آب و فاضلاب، زنجیره تامین سبز، بهینه سازی چندهدفه، روش اپسیلون محدودیت، کیفیت بازگشتی هاWater Engineering, Volume:16 Issue: 57, 2023, PP 103 -120IntroductionExpansion of urbanization, increasing in the population of planet, excessive exploitation of water resources and wastewater release in nature have negative and irreversible impacts on the environment. The present research has been carried out in order to optimize the redesign model of the green water and wastewater network.
MethodsIn this research, a bi-objective optimization model for the green redesign of the water and wastewater network is proposed. The model includes locating the optimal place of storage ponds and also optimally allocating the treated wastewater to agricultural areas and industrial settlements in order to mitigate the devastating effects of discharging industrial wastewater into the municipal wastewater treatment plants and eventually mitigating the entry of such pollutants into the environment. The proposed model, has been solved using the - constraint method.
FindingsAccordingly, the total system cost is minimized, the demand is met and simultaneously the environmental issues are met and the environmental pollution load of the network is minimized, because of network redesign. Also, a sensitivity analysis is performed on some important parameters.
ConclusionThe results showed that the proposed model can help the designers in this field to design the distribution network, because despite the increase in costs the environmental pollution is reduced by installing COD meters and performing environmental disinfection. In addition, in this model, it has been tried to compensate part of the increased costs by selling activated sludge.
Keywords: Water, Wastewater Network, Green Supply Chain, Multi-Objective Optimization, -Constraint Method, Quality of Returns -
سرریزها برای عبور دادن آب مازاد مخازن سدها در کنار آن ها احداث می شوند. در بسیاری از مواقع خرابی سدها در اثر عبور آب از روی تاج، به سبب ناکافی بودن ظرفیت سرریز، اتفاق می افتد. سرریزهای کنگره ای با هندسه خاص خود توانایی افزایش دبی عبوری را نسبت به سایر سرریزها دارند. موضوع استهلاک انرژی جریان نیز امری مهم تلقی می گردد. استفاده از سرریز پلکانی سبب کاهش سرعت و انرژی آب در پنجه سرریز شده و لذا آبشستگی و خرابی در پایین دست کاهش می یابد. در مطالعه حاضر برای اولین بار به کمک الگوریتم سنجاقک بهبودیافته چارچوبی جدید برای طراحی چندهدفه سرریز ترکیبی پلکانی و کنگره ای ذوزنقه ای ارایه شده است. بدین منظور از عملگر قدم زدن های تصادفی، بجای پرواز لوی در الگوریتم سنجاقک استفاده شده است. ابتدا عملکرد الگوریتم بهبود داده شده بر روی چهار مثال محک از سری ZDT بررسی شد. از مقایسه با پاسخ های الگوریتم سنجاقک، الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات مشخص شد که رویکرد استفاده شده موثر بوده و سرعت همگرایی و دقت در یافتن پاسخ بهینه بهبود یافته است. سپس یک کد شبیه سازی هیدرولیک جریان به صورت سرریز تکی و ترکیبی توسعه داده شد. نتایج صحت سنجی حاکی از خطای کمتر از 03/0 درصد بود. با اتصال مدل شبیه سازی توسعه داده شده و الگوریتم بهبود داده شده، یک مجموعه طرح بر روی جبهه پارتو سه بعدی ارایه شد. به کارگیری رویکرد پیشنهادی برای سرریز سد ساروق توانسته است حدودا دبی عبوری و استهلاک انرژی را به ترتیب 25 درصد و 81 درصد افزایش و حجم بتن را 9 درصد کاهش دهد.
کلید واژگان: الگوریتم سنجاقک بهبودیافته، بهینه سازی چندهدفه، سد ساروق، سرریز پلکانی، سرریز کنگره ایIntroductionThe cost of implementing spillways includes a large part of the dam construction budget. Optimizing these structures can significantly reduce the cost of building dams. So far, many studies have been done on optimizing the dimensions of spillways in order to reduce the amount of materials used. Among the used optimization methods, the methods based on meta-heuristic algorithms have had stunning results. The review of the studies conducted in the field of stepped and labyrinth spillways shows that the goals of all studies in stepped spillways have been to provide an acceptable plan for energy dissipation and in labyrinth spillways to reach a the largest amount of water passing. The purpose of this study is to combine stepped spillways with labyrinth spillways and optimization in order to increase the water passage coefficient and energy consumption at the same time. For this purpose, the multi-objective optimization approach has been used.
MethodsIn the present study, the redesign of the spillway of the Sarouk rockfill dam located in West Azarbaijan province has been studied. In the case of labyrinth-stepped spillway, the decision variables, constraints and objective functions of the two spillways are combined and analyzed as a multi-objective optimization problem. In this study, a dynamic coefficient is used to improve the performance of the dragonfly algorithm in the search and exploitation stage. After determining the optimal values of the regulatory parameters of the MODA, NSGA-II, MOPSO and MOIDA algorithms, four benchmark examples were solved with each of them 20 times with an initial population of 50 and a maximum number of iterations equal to 100.
ResultsAfter validating the improved dragonfly algorithm on benchmark functions and evaluating its performance in solving multi-objective problems, this algorithm was used to design a combined spillway on the introduced dam. In multi-objective problems, there is a set of optimal solutions rather than a single optimal solution, which appear as a Pareto front. The implementation of the improved dragonfly algorithm with 200 initial population and 500 repetitions has resulted in providing 200 optimal answers on the Pareto chart. After performing the calculations related to the fuzzy decision-making method, a design with the values of the objective functions of concreting volume: 59795.54 cubic meters, dissipated energy: 75.18%, flow rate: 1255.19 cubic meters per second was selected as the optimal answer. In addition, the design with the highest and lowest cost of concrete consumption was selected as two other answers. The flow rate passing over the spillway has increased by 120% in plans A and B, and by 25% in plan C compared to the initial design flow rate. The amount of energy dissipation of plans A and B is about 76 and 75%, respectively. In plan C, where the flow rate has not increased significantly (25%), energy dissipation has reached about 81%, which is more than the other two cases.
ConclusionsAmong the available answers, according to the priority of the cost, the plans with the lowest (C) and the highest (A) implementation cost based on the volume of concrete were selected. Also, by using the fuzzy decision-making approach, an optimal plan (B) that has a suitable balance between the three objectives was selected. Based on the results, it was found that each of the plans A, B and C can be used based on the needs of the employer. From the economic point of view, according to the project conditions and the needs of the employer, all the proposed plans are suitable options for replacing the actual spillway and reduce the implementation costs. Also, the comparison of plan C with the stepped spillway plan presented by previous researchers showed that with almost the same volume of concrete, using a multi-objective approach in comparison with a single-objective optimization approach, in addition to increasing flow energy consumption, also led to an increase in flow through the spillway.
Keywords: Improved dragonfly algorithm, Multi-objective optimization, Sarouk dam, Stepped spillway, Labyrinth spillway -
وجود فشار بالا در شبکه های توزیع آب موجب نشت، هدر رفت آب و متعاقبا افزایش هزینه های بهره برداری خواهد شد. امروزه شیرهای فشارشکن به منظور ایجاد فشار مناسب در شبکه به کار می روند. شبکه توزیع آب شهر جوانرود به دلیل اختلاف ارتفاع زیاد در برخی نقاط دارای فشار بالا است. در این مطالعه با تعریف چهار سناریو و استفاده از الگوریتم جستجوی هماهنگ تک هدفه و دو هدفه موقعیت و تنظیمات شیرهای فشارشکن برای این شبکه تعیین شد. در الگوریتم تک هدفه جستجوی هماهنگ قابلیت اطمینان ترکیبی و در الگوریتم دو هدفه قابلیت اطمینان فشاری و سرعتی به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شد. نتایج نشان داد که الگوریتم تک هدفه 17 درصد و الگوریتم دو هدفه 14 درصد نسبت به وضعیت موجود قابلیت اطمینان شبکه افزایش داشته است. بررسی تغییرات قابلیت اطمینان ترکیبی در 24 ساعت شبانه روز نشان می دهد که مقادیر قابلیت اطمینان ترکیبی حاصل از الگوریتم دو هدفه نوسانات بسیار کمی نسبت به الگوریتم تک هدفه داشته است. به عبارتی در طول شبانه روز قابلیت اطمینان شبکه تقریبا ثابت بوده است. همچنین در نظر گرفتن محل و تنظیمات شیرهای فشارشکن به عنوان متغیر تصمیم نتایج بهتری نسبت به تغییر قطر لوله ارایه می دهد که دلیل آن را می توان در اختلاف ارتفاع زیاد شبکه دانست.
کلید واژگان: قابلیت اطمینان، تحلیل هیدرولیکی مبتنی بر فشار، الگوریتم جستجوی هماهنگ، بهینه سازی چند هدفهPressure management and reduction of high pressures are necessary to reduce leakage and extend the life of water distribution network equipment. There is a need for a benchmark and indicator to compare the distribution network pressure management. Investigation of the presented indicators shows that the reliability index is a suitable criterion for evaluating pressure management. In this research, using optimization methods, pressure reducing valves and changing the diameter of the pipe, the possibility of increasing the reliability of Javanrood water distribution network was investigated. In this study, using single-objective and two-objective optimization algorithms, the position and settings of pressure relief valves were determined for this network. In the single-objective Harmony Search algorithm, network reliability was considered, and in the two-objective algorithm, pressure and velocity reliability were considered as the objective functions. The results showed that the single-objective algorithm has increased the reliability of the network by 17% and the two-objective algorithm by 14% compared to the current situation. Examining the changes of network reliability in 24 hours of the day shows that the network reliability values obtained from the two-objective algorithm had very little fluctuations compared to the single-objective algorithm. In other words, the reliability of the network has been almost constant throughout the day.
Keywords: network reliability, Pressure Dependent Analysis, Harmony Search algorithm, multi-objective optimization -
با توجه به محدودیت شدید منابع آب، هزینه بر بودن ساخت و بهره برداری سامانه های آبرسانی و افزایش سریع جمعیت، طراحی بهینه این شبکه ها، از ضروریات می باشد. مسیله کمینه کردن هزینه از طریق کمینه سازی قطر لوله های شبکه انجام می شود که موجب کاهش فشار در شبکه می شود. از آنجایی که تامین فشار مناسب در گره ها از اصول مهم طراحی است، بنابراین در این تحقیق، مسیله بهینه سازی در چند شبکه نمونه با اهداف کمینه سازی هزینه و کمبود فشار در کل شبکه تعریف شد. از نرم افزار EPANET برای تحلیل هیدرولیکی شبکه های نمونه استفاده شد و فرآیند بهینه سازی چندهدفه از طریق کد نویسی الگوریتم های فرا کاوشی PESA-II وSPEA-II در نرم افزار متلب و اتصال آن ها به EPANET صورت گرفت. تابع هزینه ابتدا فقط با در نظر گرفتن رابطه بین هزینه، قطر و طول لوله ها تعریف شد. سپس در تعریف بعدی، هزینه ناشی از تعدی از محدوده مجاز فشار که حداقل و حداکثر فشار مجاز به ترتیب 30 و 60 متر در نظر گرفته شده اند، نیز به این تابع افزوده شد و برنامه مجددا با تعداد تکرارهایی که به بهترین جواب ختم شود، اجرا گردید. نتایج نشان داد این الگوریتم ها توانایی بالایی در یافتن جواب های بهینه دارند. در این الگوریتم ها، در نظر گرفتن هزینه تعدی از حدود مجاز فشار سبب می شود، بهترین جوابی که تا به حال سایر محققین برای شبکه های نمونه به دست آورده اند، که برای شبکه دو حلقه ای و لانسی به ترتیب، هزینه 419000 و 1069393 دلار و کمبود فشار صفر بود، حاصل شود و با تعداد تکرار پایین، در شبکه دو حلقه ای برای هر دو الگوریتم با 20 تکرار و در شبکه لانسی برای الگوریتم های PESA-II و SPEA-II به ترتیب با 200 و 140 تکرار، به تعداد جواب بهینه بیشتری دست پیدا کنیم و زمان رسیدن به همگرایی به طور قابل توجهی کاهش یابد، به طوری که در شبکه دو حلقه ای، زمان اجرای الگوریتم های PESA-II و SPEA-II به ترتیب 55/0 و 59/0 دقیقه و در شبکه لانسی به ترتیب 1/8 و 4/7 دقیقه بود.
کلید واژگان: بهینه سازی چند هدفه، شبکه توزیع آب شهری، PESA-II، SPEA-IIAs for the severe limitation of water resources, costly construction and operation of water supply systems and rapid population growth, the optimal design of these networks is essential. The problem of cost minimization is done by minimizing the diameter of the network pipes, which reduces the pressure in the network. Since providing adequate pressure in the nodes is one of the important design principles, so in this study, the problem of optimization in several sample networks was defined with the objectives of minimizing the cost and lack of pressure in the whole network. EPANET software was used for hydraulic analysis of sample networks and the multi-objective optimization process through coding of PESA-II and SPEA-II algorithms in MATLAB software and their connection to EPANET face Took. The cost function was initially defined only by considering the relationship between cost, diameter, and pipe length. Then, in the next definition, the cost of exceeding the allowable pressure range, where the minimum and maximum allowable pressures are 30 and 60 meters, respectively, was added to this function, and the program again with the number of repetitions that ended in the best answer Was implemented. The results showed that these algorithms have a high ability to find optimal solutions. In these algorithms, considering the cost of exceeding the allowable pressure limits results in the best answer that other researchers have ever obtained for sample networks, which for the two-loop and lansey network, The cost was 419000 and 1069393 $ respectively, and the pressure shortage was zero and with a low number of iterations, in the two-loop network for both algorithms with 20 iterations and in the lansey network for PESA-II and SPEA-II algorithms with 200 and 140 iterations respectively, to achieve a higher number of optimal answers and the time to achieve convergence is significantly reduced, so that in the two-loop network, the execution time of PESA-II and SPEA-II algorithms are 0.55 and 0.59 minutes respectively, and in the lansey network It was 1/8 and 7.4 minutes respectively.
Keywords: Multi-Objective Optimization, Urban water distribution network, PESA-II, SPEA-II -
سیستم های نوین آبیاری به عنوان یک راهبرد انطباقی برای مدیریت اثرات تغییر اقلیم و بهبود امنیت آب در نظر گرفته می شود. استفاده از چنین سیستم هایی علاوه بر صرفه جویی در مصرف آب، چالش هایی را در زمینه افزایش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای ایجاد کرده است. اگرچه برخی از مطالعات اخیر تحلیل های ارزنده ای از رابطه بین آب و انرژی در سیستم های آبیاری کشاورزی ارایه کرده اند، اما توجه همزمان به بهره وری، سازگاری و کاهش اثرات مخرب محیط زیستی در بهینه سازی الگوی کشت یک سیستم کشاورزی به عنوان یک ضرورت اساسی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. کشاورزی اقلیم-هوشمند به عنوان یک مفهوم برنامه ای قوی که به این سه هدف می پردازد، پتانسیل یک راه حل برد سه جانبه را ایجاد کرده است. این مطالعه با توسعه یک مدل یکپارچه اقتصادی-هیدرولوژیکی-محیط زیستی به نام WECSAM در سطح حوضه، متشکل از یک مدل هیدرولوژیکی به نامWEAP و یک مدل بهینه سازی چند-هدفه و ترکیب آن با مفاهیم ردپای آب، ردپای انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای در چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند، در جهت پر کردن این خلا است. این مدل برای منطقه شمالی حوضه آبریز بختگان به نام شبکه آبیاری درودزن اجرا شد. نتایج مدل WECSAM نشان داد که با بهینه سازی همزمان اهداف متناقض حداکثرسازی سود اقتصادی و حداقل سازی ردپای آب، ردپای انرژی و انتشار دی اکسید کربن، در مقایسه با مدل تک- هدفه حداکثرسازی سود، باعث کاهش 2/8 درصد ردپای آب، کاهش 2/21 درصد ردپای انرژی، کاهش 9/6 درصد انتشار انتشار دی اکسید کربن و کاهش 4/7 درصد سود اقتصادی می شود. سهم سیستم قطره ای در آبیاری الگوی کشت آب-هوشمند، انرژی-هوشمند و اقلیم-هوشمند 5/54 درصد و برای سیستم بارانی نیمه متحرک 2/26 درصد است، در حالی که سیستم بارانی کلاسیک ثابت کمتر از یک درصد از آبیاری الگوی کشت بهینه را به خود اختصاص می دهد.
کلید واژگان: سیستم های آبیاری، الگوی کشت، کشاورزی اقلیم-هوشمند، بهینه سازی چندهدفه، رد پای آب، انتشار CO2Modern irrigation systems are considered as a way to both respond to the effects of climate changes and improve the water security. Applying such systems, save the water used in farming activities and consequently made some environmental challenges in terms of increasing energy consumption and greenhouse gas emissions. Although some recent studies analyzed the relationship between water and energy in the agricultural irrigation systems, considering the objectives on productivity, adaptation, and mitigation in a cropping pattern optimization problem is necessary. Climate-Smart agriculture as a strong programming concept, addresses these three objectives and has created the potential for a "triple-win" solution. This study is an effort to fill the study gap on triple-win solution in modern irrigation by developing an integrated economic-hydrological-environmental model called WECSAM at the basin level using a hydrological model called WEAP. For this purpose, a multi-objective optimization model has been developed with the concepts of water footprint, energy footprint, and the greenhouse gas emissions in the context of CSA. We applied the model to the northern region of Bakhtegan basin called Doroodzan irrigation network located in Iran. The result of the WECSAM model indicated that by simultaneously optimizing the conflicting objectives of maximizing profit and minimizing water footprint, energy footprint, and CO2 emissions, as compared to the single-objective model of maximizing economic profit, the water footprint decreases by 8.2%, Energy footprint decreases by 21.2%, CO2 emissions decreases by 6.9% and profit decreases by 7.4%. The share of each system in irrigating the water-smart, energy-smart, and climate-smart cropping pattern is as follow: 54% for drip system, 26% for semi-permanent sprinkler system, 11% for surface systems, 8% for center-pivot, and <1% for classic permanent sprinkler system.
Keywords: cropping pattern, Climate-Smart Agriculture, CO2 Emission, Irrigation systems, Multi-Objective Optimization, Water footprint -
افزایش بهره وری منابع به کمک بهینه سازی الگوی کشت محصولات زراعی، یک راهکار مناسب برای توسعه بخش کشاورزی است. در این تحقیق الگوریتم بهینه سازی چندهدفه (NSGAII) برای بهینه سازی الگوی کشت محصولات زراعی عمده شهرستان های استان های شرقی کشور شامل خراسان های شمالی، رضوی و جنوبی و استان سیستان وبلوچستان با اهداف حداکثر کردن ارزش اقتصادی ردپای آب و حداقل کردن ردپای آب آبی با استفاده از شاخص کمیسیون توسعه پایدار سازمان ملل (UN) در قالب چهار سناریو به کار گرفته شده است. نتایج نشان داد در برخی سناریوها امکان تحقق کامل اهداف در الگوی چندهدفه وجود ندارد، همچنین نتایج نشان داد در صورت اجرای الگوی کشت بهینه چنانچه منطقه موردمطالعه از منظر قید امنیت آبی به ترتیب در شرایط بحران متعادل، متوسط و شدید قرار داشته باشد، میزان تولید به ترتیب 50، 75 و 100 درصد میزان فعلی و به طور میانگین باعث صرفه جویی به ترتیب 55، 40 و 30 درصدی منابع آبی منطقه می شود. اجرای این الگو در مناطق موردمطالعه افزایش میزان درآمد، کاهش مصرف آب و به تبع آن پایداری بیشتر محیط زیست را نیز در بردارد.کلید واژگان: NSGA II، آب آبی، امنیت آبی، بهینه سازی چندهدفه، الگوی کشت بهینهIncreasing the water productivity by cropping pattern optimization is one of the best ways for development in agriculture. In this study, in order to maximize farmers' income and minimize blue water footprint of wheat, barley, alfalfa, and maize, the NSGA-II multi-objective optimization algorithm and United Nations commission on sustainable development’s indicator has been used in four cropping pattern scenarios in the 56 cities of the eastern provinces of Iran. The results showed that in some scenarios it was not possible to fully achieve these goals in the multi-objective model. The results also showed that the production of 50, 75 and 100% of the current values causes a low, moderate and severe water stress in the study region, that on average, save 55, 40 and 30 % of the region's water resources, respectively. Implementation of this model in the study area would increase revenue, reduce water consumption and, consequently make more environmental sustainability.Keywords: NSGA II, Blue water, Water security, Multi-Objective Optimization, Optimum Cropping Pattern
-
پژوهش حاضر به توسعه یک مدل بهینه شبکه پایش با دو هدف کمینه کردن هزینه های پایش شبکه و بیشینه نمودن دقت مکانی شبکه پایش بر اساس کمینه کردن مقدار جذر میانگین خطا پرداخته است. به عنوان مطالعه موردی، طراحی بهینه شبکه پایش آب های زیرزمینی در دشت سیلاخور واقع در استان لرستان مورد ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور داده های مورد استفاده در این پژوهش بر اساس روش کریجینگ بیزین تجربی(EBK) در محیط نرم افزار ArcGIS تولید و توابع هدف و فرآیند بهینه سازی در محیط نرم افزار Matlab کد نویسی شد تا بر اساس قیود درنظر گرفته شده در نسخه دوم الگوریتم ژنتیک(NSGA-II) بتوان بهینه ترین حالت شبکه را شناسایی نمود. مدل بهینه، از روش درون یابی وزن دهی معکوس فاصله(IDW) برای تولید سطح آب زیرزمینی استفاده می نماید و سپس با مقادیر داده های مشاهداتی مقایسه می گردد. نتایج بدست آمده از پژوهش کفایت یک شبکه با دوازده ایستگاه پایش را با توزیع مکانی بهینه برای آبخوان دشت سیلاخور مناسب می داند در حالی که شبکه پایش فعلی بیست و نه ایستگاه پایش دارد. همچنین مقدار جذر میانگین مربعات خطا(RMSE) برای شبکه بهینه 605/0 متر برآورد گردید. شبکه پایش بهینه در مقایسه با شبکه مشاهداتی موجود توانسته است تعداد ایستگاه های شبکه پایش به میزان 60 درصد کاهش داده، توزیع مکانی ایستگاه ها را بهبود ببخشد و پهنه بندی مناسبی را نیز برای نقاط فاقد آمار پیش بینی نماید.
کلید واژگان: شبکه پایش، بهینه سازی چند هدفه، الگوریتم ژنتیک، کریجینگ بیزین تجربی، دشت سیلاخورGroundwater resource management depended on data obtained from the aquifer. Groundwater monitoring network can provide groundwater levels, but sometimes this information so much and not useful. This study develops a new multi-objective simulation-optimization model involving two objectives minimization of the total sampling cost for monitoring and maximization the spatially monitoring accuracy. Optimal design of groundwater network was considered in the Silakhor plain, regions of Lorestan, Iran. As the first step, a database includes of groundwater elevation in potential wells with use empirical Bayesian kriging (EBK) method in ArcGIS was produced. Inverse distance weighting (IDW) method used as simulation model and objective functions written in MATLAB software. Optimal groundwater monitoring network determines with preset conventions and finds by the non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). At final, a network with twelve observation stations that shown root mean square error (RMSE) value 0.605 meter. The optimal monitoring network, in comparison with the existing observation network, has been able to reduce the number of monitoring stations by 60%, improve the spatial distribution of stations, and predict appropriate zoning for unpredictable points.
Keywords: : Monitoring network, Multi-Objective Optimization, Genetic Algorithm, Empirical Bayesian kriging, Silakhor plain -
امروزه با افزایش هزینه های انرژی، بررسی فرآیندهای پر مصرف انرژی در جهت بهینه سازی آنها بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گرفته است. بهره برداری از ایستگاه های پمپاژ متوالی در سامانه های انتقال آب، که از جمله زیر ساخت های اصلی شهری محسوب می شوند، هزینه ی زیادی جهت تامین انرژی و نیز تعمیر و نگهداری به بهره برداران تحمیل می نماید. لذا توسعه روش های بهره برداری بهینه از این ایستگاه ها در راستای کاهش هزینه های مصرف انرژی و جلوگیری از استهلاک پمپ ها امری ضروری است. در این مطالعه، مسئله بهره برداری از ایستگاه های پمپاژ با توابع هدف کمینه کردن هزینه های انرژی و تعمیر و نگهداری به صورت یک مسئله بهینه سازی چندهدفه مورد توجه قرار گرفت. بدین منظور، یک مدل شبیه سازی- بهینه سازی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک چندهدفه با مرتب سازی نامغلوب (NSGA-II) در ارتباط با مدل هیدرولیکی EPANET توسعه داده شد و سپس برای تعیین برنامه بهره برداری روزانه از ایستگاه های پمپاژ متوالی سامانه ی انتقال آب از سد درودزن به شهر شیراز استفاده گردید. نتایج نشان داد ضمن رعایت قیود مسیله، هزینه ی انرژی مصرفی در حالت بهره برداری بهینه چندهدفه علاوه بر کاهش اثرات استهلاک پمپ ها ناشی از سوییچ های تک ساعته، حدود 30 درصد نسبت به بهره برداری عادی و 5 درصد نسبت به بهره برداری تک هدفه با الگوریتم های ژنتیک (GA) و جامعه زنبورهای عسل مصنوعی (ABC) داشته است.
کلید واژگان: برنامه زمان بندی پمپ، سامانه های انتقال آب، بهینه سازی چندهدفه، هزینه های انرژی، سد درودزنNowadays, with increasing energy consumption costs, the optimization of energy efficient processes is being more considered than before. The essential part of the operational cost of water conveyance systems is energy consumption and maintenance costs of pumping stations. Therefore, it is necessary to develop an efficient method for optimal operation of these stations in order to reduce energy consumption and pumps maintenance costs. In this study, the optimal operation of pumping stations is considered as a multi-purpose optimization problem with the objective functions: 1- energy costs 2- maintenance costs. In order to resolve this problem, an optimization— simulation model based on Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) is coupled to the EPANET hydraulic simulation model. The proposed model is applied to find the optimal pump scheduling program of Shiraz water conveyance system from Doroudzan Dam. Results revealed that by considering all different limitations of the problem, the energy costs were 30% and 5% less than the current state of operation and previous studies respectively. Also, the proposed model can decrease the cost of pumps maintenance by controlling the number of pump switches.
Keywords: Pump scheduling program, water conveyance systems, Multi-Objective Optimization, Energy costs, Droudzan dam -
بهینه سازی سیستم انحراف سیلاب بر پایه ریسک، چارچوبی است که به طراحان اجازه می دهد که عدم قطعیت های عامل بر فرایند تصمیم گیری را در نظر گرفته و سطح اعتمادپذیری این سازه هیدرولیکی را تعیین کنند. این مطالعه به منظور کاربرد عدم قطعیت های هیدرولیکی و هیدرولوژیکی در طراحی احتمالاتی سیستم انحراف سیلاب سد کارون 4 در استان خوزستان واقع در جنوب غربی ایران انجام شده است. تاثیر منابع عدم قطعیت بر مشخصه های سیستم انحراف جریان با استفاده از توسعه یک مدل احتمالاتی چندمتغیره بر پایه توابع مفصل تعیین شده است. برای دستیابی به این هدف، سری های زمانی داده ها شامل دبی حداکثر لحظه ای سالانه و حجم حداکثر سیلاب سالانه برای یک دوره 37 ساله گردآوری شد. دو تابع هدف کمینه سازی ریسک شکست سیستم و کمینه سازی هزینه ساخت به عنوان دو هدف متضاد در ساختار یک مدل شبیه سازی- بهینه سازی با الگوریتم ژنتیک چندهدفه مبتنی بر رتبه بندی نامغلوب تعریف و برای رسیدن به بهترین مقادیر متغیرهای تصمیم اجرا شد. قطر، شیب، پوشش دیواره و ارتفاع ورودی تونل ها، ارتفاع فرازبند، و ارتفاع نشیب بند به عنوان متغیرهای تصمیم در فضای امکان پذیر مساله جستجو شد. نتایج نشان داد دوره بازگشت 25 سال با توجه به دو عامل هزینه و ریسک روگذری پاسخ بهینه به شمار می رود. برای این دوره بازگشت قطر تونل ها 5/10 و 9/9 متر، ارتفاع فرازبند 5/44 متر و ارتفاع نشیب بند 5/12 متر حاصل گردید. همچنین نتایج نشان داد که این مفهوم می تواند با لحاظ نمودن تغییرات اقتصادی، هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، برای توسعه ساختار طراحی سیستم های انحراف سیلاب سودمند باشد.
کلید واژگان: فرازبند، رتبه بندی نامغلوب، بهینه سازی چندهدفه، تحلیل مبتنی بر ریسکRisk-based optimization in flood diversion system is a framework that allows the designer to involve uncertainties in the decision-making process and determine the reliability of the hydraulic structure. This study was conducted to incorporate hydrological and hydraulic uncertainties in the probabilistic design of Karun-4 diversion system in Khuzestan province, southwestern Iran. The risk-based multivariate probabilistic model was developed for determining the effect of uncertainty sources on the characteristics of the flow diversion system. For this purpose, the time series of annual maximum peak flow and maximum flood volume data for a period of 37 years were prepared and evaluated. Archimedean copula function and non-dominated sorting genetic algorithm were adopted to minimize the overtapping risk and construction cost as objective functions. Diameter, slope, wall covering and tunnel entrance height, cofferdam height at upstream and downstream were searched as decision variables in the possible space of the problem. The results show that optimal values of upstream cofferdam height, downstream cofferdam height and the diameter of the first and second tunnels were estimated as 44.5, 12.5, 10.5 and 9.9 m, respectively, all corresponding to 25-year return period. Moreover, the results suggest that the proposed framework could be valuable for decision makers when economic, hydraulic and hydrological uncertainties are expected.
Keywords: Upstream cofferdam, Non-dominated sorting, Multi-objective optimization, Risk-based analysis -
در این پژوهش مدلی برای بهینه سازی خطی چندهدفی تهیه شد که برای تخصیص دادن آب و سطح کشت در دو شبکه ی آبیاری و زه کشی درودزن و کربال (دربرگیرنده ی پنج ناحیه ی زراعی) به کار رفت. این مدل براساس چهار قاعده ی ورشکستگی کم کردن نسبی (PC)، دریافتی های برابر محدودشده (CEA)، ضررهای برابر محدودشده (CEL) و تناسب تعدیل شده (APR) با لحاظ کردن قطعیت و عدم قطعیت در موجودی آب تدوین شد. مدل توسعه یافته چهار تابع هدف برای انعکاس دادن مطلوبیت های مختلف بخش کشاورزی و محیط زیست دارد، که برای دو وضعیت خشک و غیرخشک با روی کرد سازش فازی حل شد. به طور کلی خروجی مدل نشان داد که ناحیه های با سهم آب بیش تر، در شرایط خشک و غیرخشک به ترتیب براساس قواعد ورشکستگی PC و CEL مجموع آب تخصیص یافته ی بیش تری دریافت می کنند. از طرفی، بیش ترین آب تخصیص یافته برای ناحیه های با سهم آب کم تر، در هر دو حالت آبی-اقلیمی براساس قاعده ی ورشکستگی CEA اتفاق می افتد. برون داد فرآیند ارزیابی پایداری با شاخص پایداری ورشکستگی (BASI) نشان داد که این معیار نمی تواند برای ارزیابی پایداری در تمام حالت های ورشکستگی به کار رود. بنابراین، تصمیم گیری بر اساس خروجی آن باید با احتیاط باشد.
کلید واژگان: بهینه سازی چندهدفی، عدم قطعیت، مدیریت آب کشاورزی، نیاز آبی زیست محیطی، ورشکستگی آبیA multi-objective linear optimization model has been formulated, which is used for water and crop area allocation in two irrigation and drainage networks of Dorudzan and Karbal, including five farming regions. The developed model is based on four bankruptcy rules of proportional cutback (PC), constrained equal awards (CEL), constrained equal losses (CEL), and adjusted proportional (APR) in terms of the certainty and uncertainty in the water availability. The developed model has four objective functions to reflect the various agricultural and environmental consumptions and is solved for two dry and non-dry conditions using a fuzzy compromise approach. The outputs of the model showed that the regions with higher shares of water receives the most allocated water through the bankruptcy rules of the PC and CEL in dry and non-dry condition, respectively. On the other hand, the most allocated water for the regions with lower shares of water occurs through the bankruptcy rule of the CEA in both hydro climatic conditions. The outcome of the stability evaluation using the bankruptcy stability index (BASI) indicated that this criterion could not be used to evaluate stability under all bankruptcy situations; thus, one should take the necessary precaution for making a decision according to its output
Keywords: Agricultural water management, Environmental water need, Multi-objective Optimization, Uncertainty, Water bankruptcy
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.