مدیریت بهینه‌ فشار با هدف کمینه کردن نشت در سیستم‌های توزیع آب شهری با استفاده از شیرهای فشارشکن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان،

2 مدیریت منابع آب، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج

3 دانشگاه تربیت مدرس، تهران

4 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه یاسوج

5 استادیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه فسا، شهر فسا، ایران.

10.22125/iwe.2020.120716

چکیده

با افزایش جمعیت و کمبود منابع آب در بسیاری از مناطق جهان، نشت در سیستم‌های توزیع آب اهمیت زیادی یافته است. در چند سال اخیر روش‌های مختلفی که منجر به کاهش نشت می‌گردند، مورد توجه مدیران و محققین صنعت آب قرار گرفته است. مدیریت فشار در شبکه های توزیع آب شهری یکی از کاراترین و مقرون به صرفه‌ترین روش‌های ارائه شده می‌باشد که علاوه بر کنترل و کاهش نشت، منجر به افزایش عمر تأسیسات و تجهیزات در سیستم­های توزیع آب می‌گردد. در این مقاله مدلی برای مدیریت بهینه فشار با هدف کاهش دادن نشت، ضمن تامین قید حداقل فشار در گره‌های برداشت، ارائه شده است. بدین منظور با جانمایی و تنظیم بهینه شیرهای فشارشکن، میزان اضافه فشار موجود در گره‌های شبکه به حداقل مقدار ممکن در محدوده مجاز استاندارد خود کاهش می یابد. در این مدل، یکی از انواع الگوریتم­های الهام گرفته از طبیعت تحت عنوان الگوریتم جامعه زنبورهای عسل مصنوعی (ABC) در محیط MATLAB توسعه داده شد و با شبیه­ساز هیدرولیکی مدلEPANET تلفیق گردید. نتایج نشان داد که ضمن رعایت کلیه قیود مسئله با به کار بردن روش ارائه شده برای جانمایی و تنظیم بهینه شیرهای فشار شکن میزان نشت متوسط شبکه در سه دوره شرایط نیاز آبی ماکزیمم، متوسط و مینیمم از مقدار 28/82 به 15/72 لیتر بر ثانیه یعنی به میزان 75/14 درصد کاهش یافت که نشان می­دهد روش ارائه شده برای حداقل کردن نشت در شبکه موفق عمل کرده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Management of Pressure for Leakage Minimization in Water Distribution Systems by Pressure Reduction Valves (PRVs)

نویسندگان [English]

  • Jafar Jafari-Asl 1
  • mehdi malekmahmoudi 2
  • Bahram Sami Kashkooli 3
  • Hossein Montaseri 4
  • mehdi bahrami 5
1 , University of Sistan and Baluchestan, Zahedan
3 Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

One of the key factors affecting leakage in water distribution systems is network pressure management. The main objective of pressure management in water distribution system is to minimize water leakages along with maintaining the required pressure at every node. A common way to reduce pressure is to locate flow or pressure reducing valves (PRV) and optimal regulation of these vales in water networks.This study aimed at investigating optimal pressure management problems so as to minimize leakage in water distribution networks. To do so, a two-phase approach was proposed for both optimal positioning and setting of pressure reduction valves (PRVs), where location optimization was addressed at the first stage and optimal operation issue of valves was considered in the next step. In the present research, in order to resolve these problems, an optimization model—a simulation based on an emerging algorithms inspired by honeybees’ behavior called as Artificial Bee Colony (ABC)—was utilized. In this model, ABC optimization in MATLAB environment was integrated with hydraulic simulation of EPANET model. In the next step, the obtained results were compared with those of the previous studies. The results revealed that in case all the limitations of the problem are observed, employing this method to determine the position of the pressure reduction valves and regulate them lowered the mean leakage rate of the network from 82.28 to 72.15 lit/sec by 14.75% in three phases of maximum, average and minimum aquatic need periods.This means that the proposed method was effective in regulating the pressure level to minimize leakage in networks. Comparing the results of the present method with those of the previous approaches revealed that GA algorithm reached better response in fewer times than ICA, CA and ABC methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Artificial Bee Colony Algorithm
  • Water Distribution Systems
  • Pressure Management
  • Leakage
  • EPANET
تابش م. واسطی. م . 1385. کاهش میزان نشت در شبکه‌های توزیع آب شهری با حداقل کردن فشار اضافی در شبکه، مجله تحقیقات منابع آب ایران، سال دوم، شماره 2، صفحات 53 -66.
جعفری‌اصل ج. سامی کشکولی ب. بهرامی م. 1394. مدیریت بهینه فشار در جهت حداقل سازی نشت در سیستم‌های توزیع آب با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی رقابت استعماری، فصلنامه تخصصی علوم و مهندسی آب، دوره 5، شماره 12، صفحات 69-82.
جعفری‌اصل ج. سامی کشکولی ب. بهرامی م. 1396. کنترل بهینه فشار با هدف حداقل‌سازی نشت در شبکه‌های توزیع ‌آب، نشریه آب و توسعه پایدار، دوره 4، شماره 2، صفحات 49-56.
Berg, S., & Corton, M. (2007). Benchmarking Water Utilities: Central America. Gainesville, FL, USA: University of Florida, Public Utility Research Center. Birmingham, UK.
Desalegn, W. d. B. (2005). "Water supply coverage and water loss in distribution systems the case of Addis Ababa," MSc, International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation, Enschede, The Netherlands.
Jowitt, P. W., and Xu, C. (1990). “Optimal valve control in water distribution networks.” J. Water Resource. Plann. Manage., 116(4), 455–472.
Karaboga, D. (2005). An idea based on honey bee swarm for numerical optimization (Vol. 200). Technical report-tr06, Erciyes university, engineering faculty, computer engineering department.
 Karaboga,D. and Bahriye, A.(2009).”A Comparative Study of Artificial Bee Colony Algorithm ”, Journal of Applied Mathematics and Computation, 214, 108132-
Marunga A, Hoko Z, Kaseke E (2006) Pressure management as a leakage reduction and water demand management tool: The case of the City of Mutare, Zimbabwe. Phys Chem Earth 31:763–770.
Najafi, A. (2015).” Optimal Pressure Control for Leakage Minimization in Water Distribution Systems Management Using PSO Algorithm”. M.Sc. Thesis. Islamic Azad University, Marvdasht Branch.
Nicolini, M. (2011) Optimal pressure management in water networks: Increased efficiency and reduced energy costs. Defense Science Research Conference and Expo (DSR), IEEE, Singapore,1-4.
Nicolini, M., and Zovatto, L. (2009) Optimal location and control of pressure reducing valves in water networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 135(3), 178-187.
OFWAT. (2006). "Security of supply, leakage and water efficiency." 2005-06 Report, Ofwat, Pampara, G. and Engelbrecht, A. P. (2011). Binary artificial bee colony optimization, in 2011 IEEE Symposium on Swarm Intelligence (SIS), pp. 1–8.
Rogers, D. (2005) "Reducing leakage in Jakarta, Indonesia." Leakage 2005, 12-14 September, Nova Scotia, Canada.
Roshani, E., & Filion, Y. (2014). WDS leakage management through pressure control and pipes rehabilitation using an optimization approach. Procedia Engineering, 89, 21-28.
Rossman, L. A. (2000). Epanet 2, user's manual, EPA/600/R-00/057, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH.
Sterling, M. J. H. and Bargiela, A. (1984) Leakage reduction by optimized control of valves in water networks. Trans Inst M C, 6(6), 293-298.
Tabesh, M. Homehr, S. (2006)” Leakage management in water distribution Systems by using genetic algorithms to optimization setting pressure reducing valves” 2th Conference on Water Resources Management, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iranian Water Resources Association.
Tavakoli, R. Golkar, R, H. Tavoosi, M. (2015)" PRESSURE MANAGEMENT TO REDUCE LEAKS IN WATER SUPPLY NETWORKS” Indian Journal of Fundamental and Applied Life Sciences 2015 Vol. 5 (S4), pp. 795-802.
Ulanicki, B., Abdel Meguid, H., Bounds, P., and Patel, R. (2008a). "Pressure control in district metering areas with boundary and internal pressure reducing valves." 10th International Water Distribution System Analysis conference, WDSA2008, The Kruger National Park, South Africa.