بررسی معایب شبکه های آبرسانی شهری (بعنوان نمونه شبکه ی آب لنگرود) و بهینه سازی و طراحی شبکه ی بهینه برای یک منطقه ی خاص با استفاده از الگوریتم جفتیابی زنبورهای عسل HBMO
 
با توجه به بحران جهانی آب، امروزه رویکردی ویژه به طراحی و استفاده ی بهینه از شبکه های آبرسانی در سرتاسر کره خاکی پدید آمده است. این نگرش بویژه در کشورهای در حال توسعه مانند ایران بسیار جدی تر می بایست دنبال شود. همانگونه که از نتایج ارائه شده در این پایان نامه برخواهد آمد ؛ شبکه ی آبرسانی لنگرود علاوه بر فرسودگی و غیرمهندسی ساز بودن آن عملکرد مناسبی برای توزیع آب بصورت صحیح برای ساکنان شهر ندارد. کمبود فشار و دبی، آشکارا در نقاط متعددی از شهر برای مردم ایجاد مشکل کرده است. در این پایان نامه روشی کاربردی جهت بهینه سازی شبکه ی آبرسانی شهر لنگرود با استفاده از یکی جدیدترین الگوریتمهای فراکاوشی به نام الگوریتم جفتیابی زنبورهای عسل ارائه گردیده است که علاوه بر بار آکادمیک کاربردی نیز می تواند باشد. ویژگی تمام شبکه های فرسوده اینست که با کمبود اطلاعات مواجه اند لذا در این پایان نامه از تقریبهای نوینی برای تخمین آنها استفاده گردید. مهمترین این تقریبها یکی در تخمین دبی ها در گره های اصلی شبکه با روش منحنی های تیسن و به کمک نرم افزار جی آی اس به کار رفته است و دیگری در کالیبراسیون ضرایب زبری در لوله های شبکه ؛ که بطور مفصل یک بخش از پایان نامه را به خود اختصاص داده است. آنچه در این فرآیند انجام گرفته است نهایتا جهت تعیین وضعیت فعلی شبکه بوده است. در فصل پایانی بعنوان اطلاعات ورودی برای بهینه سازی شبکه مورد استفاده قرار گرفته است. بهینه سازی مدل کلی شبکه با استفاده از الگوریتم فراکاوشی و تکاملی جفتیابی زنبورهای عسل انجام گرفته است.
کلیدواژه: بهینه سازی ، شبکه های آب شهری ؛ جفتیابی زنبورهای عسل ؛ کالیبراسیون دبی و ضرایب زبری

 
Abstract
Developing an optimization process for a specific urban water distribution system (Langarud city’s water network) using Honey-Bee Mating Optimization
Saman Sabbaghpour
In the developing countries, many of the urban water networks are so old and they are not designed as well as modern cities, therefore, it is of high concerns to find the basic information of a water network specially the friction factors of the pipes. Even sometimes the flow rate in the main nodes of the network is not known. This problem should be solved before doing any other calculations on the network.
In this dissertation a new meta-heuristic approach based on the nature of honey bees mating have been used for the calibration of a real city in the north of Iran named Langarud. This city has nearly a population of 68000 people and about 43000 water users. Langarud’s area is about 900 square kilometers. The method is used to determine the Hazen-Williams roughness factor of the main pipes of the town and a correction factor for the nodal demands in the main nodes of the network. As the flow rate is not known in the main nodes , Theisen polygons method were used to approximation of the flow rates in the main nodes.
After calibrating the network, HBMO technique is used again so as to optimize the Langarud’s water network model which has been achieved from the calibration process. The optimization stage is held for increasing the pressure in nodes uniformly with changing the pipes diameters in a way that the cost of this changing becomes the least. This is a multi-objective optimization as the operational parameters of the network will be optimized simultaneously with the cost of changing network’s pipes.
After the optimization process, the network’s parameters are improved and as the HBMO algorithm was previously used to a benchmark problem named New York Tunnel and showed a great consistency in results with other best methods in the literature, the accuracy of the method is proved. This algorithm is linked by the Epanet software and has the ability to be used for other proposes of optimization like designing a new network optimally. In the end of the thesis, an analysis is held to the results of both calibration and optimization stages.
 
Keywords: Pressure drop, Honey-Bee Mating, Urban water network, Water distribution, Optimization.
 
 
فصل اول : کلیات
 فصل اول : کلیات
 

• پیشگفتار

در قرن اخیر یکی از مهمترین مسائلی که ذهن بشر را درگیر ساخته است ؛ تمام شدن منابع طبیعی مورد نیاز اوست. یکی از مهمترین این منابع که به واقع زندگی بدون آن ناممکن است ؛ آب یا همان مایع حیات است. در این میان شکی نیست دستیابی به آب آشامیدنی سالم و پاکیزه حق هر انسانی است و این مورد حتی در مجمع عمومی سازمان ملل نیز بعنوان یکی از حقوق بنیادین بشر شناخته شده است. هم اینك كمبود فزاینده آب در بسیاری از كشورها به یك بحران تبدیل شده است. یك دهه قبل پیش بینی می شد كه تا سال 2025 یك سوم كشورها با كمبود آب مواجه خواهند شد. با این حال هم اینك به آستانه این بحران نزدیك شده ایم.‏ هم اینك دو میلیارد نفر از مردم جهان در كشورهایی زندگی می كنند كه دارای بحران آب هستند و در صورتی كه روندهای جاری تغییر پیدا نكند تا سال 2025 دو سوم مردم دنیا با این بحران روبه رو خواهند شد. بدتر اینكه همان طوری كه در قرن گذشته بر سر تصاحب منابع نفتی جنگ روی می داد ممكن است در قرن حاضر جنگ هایی برای كنترل منابع آب رخ دهد.‏ در قرن بیستم جمعیت جهان سه برابر شد ولی مصرف آب هفت برابر بیشتر شد. تا سال 2025 كه دو میلیارد نفر دیگر به جمعیت جهان افزوده می شود، انسان ها به 80 درصد افزایش در ذخایر آب نیاز خواهند داشت. هیچ كس نمی داند كه این آب از كجا خواهد آمد!.‏ زیرا ذخایر آب کره خاکی کاملا محدود است. خشکسالی از دیرباز یکی از دغدغه های انسان بوده است و امروز با گرمایش زمین در اثر آلودگی های زیست محیطی و گسترش بیابانها و مناطق خشک انسان به فکر فرو رفته است تا راهی جهت مقابله با بحران جهانی آب پیدا کند.
در طی سالهای میانی و پایانی قرن گذشته تلاش روزافزونی توسط دانشمندان جهان در عرصه های مرتبط با آب صورت گرفت تا منجر به راه حلهایی برای مهار بحران آب گردد. یکی از مهمترین این راهها مصرف بهینه ی این ماده ی حیاتی است و نمود اصلی آن در طراحی شبکه های آبرسانی شهری یا نشت یابی و اصلاح آنهاست. بدون شک میزان آب زیادی در تاسیسات آبرسانی یک شهر در گذشته به هدر می رفت. نشت لوله های آب در اثر خوردگیهای ایجاد شده در جداره ی لوله ها ؛ عملکرد نادرست پمپها ؛ مشکلات فنی مخازن و بطور خلاصه دو عامل فرسودگی و طراحی غیرمهندسی تاسیسات یک شبکه ی آبرسانی شهری عمده ی مواردی هستند که می توانند علاوه بر به هدر رفتن این مایع ارزشمند ؛ موجباتی را فراهم آورد تا عملکرد یک شبکه دچار اختلال گردد. این اختلال ها بصورت فشار زیاد یا کم آب در مناطق مصرف خود را نشان می دهد. بعلاوه این موارد می توانند موجب توزیع ناهمگون آب در میان افراد یک جامعه ی شهری شود.
در کشورهای توسعه یافته از مدتها قبل طراحی شبکه های شهری بر اساس روشهای نوین مهندسی بعنوان یک راهکار در جهت حراست از منابع آب آن مرز و بوم در دستور کار مهندسان آن کشورها قرار گرفته است . ضمن آنکه تلاش گسترده ای از اواسط دهه ی 60 میلادی در این کشورها جهت بازسازی و ارتقا شبکه های فرسوده ی شهرها آغاز گردیده که همچنان ادامه دارد. اما در کشورهای در حال توسعه به تازگی ضرورت بازسازی و بهسازی شبکه های آبرسانی فرسوده بعنوان یک راه حل فرار از بحران آب احساس شده است . این ضرورت بویژه در سرزمین مادری ما ایران بسیار حساس تر و بایسته تر به نظر می آید چرا که ایران در منطقه ای از زمین قرار گرفته است که از کم آبی رنج می برد و از لحاظ بارندگی در سطح نیمه خشک و خشک قرار دارد.
روشهای مختلف علمی جهت بهینه سازی عملکرد یا طراحی شبکه های آبرسانی شهری ابداع و استفاده شده است که می توان از میان آنها به بهینه سازی حذفی ؛ بهینه سازی با الگوریتمهای غیرخطی و بهینه سازی با الگوریتمهای فراکاوشی اشاره کرد. اکثر روشهای به کار رفته تا کنون بیشتر به بهینه سازی شبکه های فرضی و نمونه ای پرداخته اند که برخی از آنها طرحهایی بسیار ساده از شبکه های واقعی آبرسانی شهری موجود می باشند . اگرچه با پیشرفت فناوری های اطلاعاتی و کامپیوتری امکانات گسترده تری برای بهینه سازی شبکه های آبرسانی بوجود آمده است اما همچنان بهینه سازی یک شبکه ی آبرسانی شهری واقعی و موجود بی اندازه وقت گیر و دور از ذهن می نماید. این مورد بیش از آنکه بعلت نارسایی سیستمهای کامپیوتری باشد بعلت حجم گسترده ی اطلاعات شبکه های آبرسانی است. البته در آغاز قرن جدید با بوجود آمدن نرم افزارهای تحلیل شبکه مثل واترجمز[1] افقهایی جهت رسیدن به این مهم در نظر دانشمندان این رشته ترسیم گردیده است.
[1] Water GEMs