تلفیق روش اجزای محدود و الگوریتم بهینه‌سازی سطوح شیب‌دار در کمینه‌سازی افت سطح آب در آبخوان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده ی مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

2 گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

مدیریت منابع آب زیرزمینی جهت تأمین نیاز آبی بشر و کاهش افت­ سطح آب زیرزمینی ناشی از برداشت بی­رویه، یکی از مسائل مهم کشور است. لذا در این مطالعه جهت مدیریت بهره­برداری از آبخوان از مدل شبیه­ساز-بهینه­ساز (FEM-IPO) استفاده شد. مدل ریاضی جریان آب زیرزمینی آبخوان با استفاده از شبیه­سازی عددی اجزای محدود صورت گرفت. با اهداف یافتن بهینه­ی مکان چاه­ها و کاهش سطح افت، مدل بهینه آبخوان با استفاده از الگوریتم سطوح شیبدار تهیه شد. نتایج نشان می­دهد مناطق غربی و شمال غربی دشت پتانسیل بیش­تری جهت حفر چاه­های پمپاژ دارد. همچنین در آبخوان مورد مطالعه و با توجه به نیاز آبی تعریف شده، 5 چاه که در ضلع غربی و شمال غربی قرارگرفته­اند با افت حداکثر 49/28 متر بهینه­ترین مدل جهت بهره­برداری از آبخوان بوده است. در این مطالعه سطح آب محاسبه شده توسط مدل اجزاء محدود با سطح آب مشاهداتی مدل مقایسه شدند به طوری که خطای نسبی و خطای جذر میانگین مربعات به ترتیب 00024/0 و 224/0 بودکه نشان­دهنده­ی دقت بالای مدل است. همچنین با توجه به دقت بالا، کارایی و صرفه­جویی زمانی در مدل­سازی، مدل FEM-IPO می­تواند به­عنوان یک مدل جهت بهره­برداری بهینه از آبخوان استفاده گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Integration of finite element method and inclined planes system optimization algorithm in minimizing groundwater level reduction

نویسندگان [English]

  • Zahra Baazm 1
  • ABOLFAZL AKBARPOUR 2
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand , birjand, IRAN.
2 Professor of Civil Engineering Department, University of Birjand., Birjand, Iran
چکیده [English]

Groundwater resource management to meet human water needs and reduce the drop in groundwater levels due to uncontrolled abstraction, is one of the important issues of the country. Therefore, in this study, the simulation-optimization model (FEM-IPO) was used to manage the operation of the aquifer. The mathematical model of the aquifer groundwater flow was performed using finite element numerical simulation. In order to find the optimal location of wells and reduce the drop level, the optimal model of the aquifer was prepared using the slope algorithm. The results show that the western and northwestern areas of the plain have more potential for digging pumping wells. Also in the studied aquifer and according to the defined water requirement, 5 wells located on the west and northwest sides with a maximum drop of 28.49 meters has been the most optimal model for exploiting the aquifer. In this study, the water level calculated by the finite element model was compared with the observational water level of the model, so that the relative error and the root mean square error were 0.00024 and 0.224, respectively, which indicates the high accuracy of the model. Also, due to high accuracy, efficiency and time saving in modeling, FEM-IPO model can be used as a model for optimal operation of the aquifer.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical model
  • Groundwater level
  • Ultra-innovative algorithm

مراجع

اسدی، ن؛ کاکی، م؛ و جمور، رضا. 1395. افت سطح آب زیرزمینی و شیوه برداشت جبران­گر در آبخوان دشت الشتر استان لرستان. مجله مخاطرات محیط طبیعی. دوره­ی 5. شماره­ی 9. صص 126-107.
اسماعیلی، م. ر؛ و ظهیری، س. ح. 1393. تشخیص صرع در سیگنال EEC با استفاده از ویژگی طول خط و طبقه بندی مبتنی بر الگوریتم IPO، دومین کنفرانس بین الملیی بازشناسی الگو و تحلیل تصویر ایران، دانشگاه گیلان.
گنجی خرمدل، ن؛ کیخایی، ف. 1395. طراحی بهینه چاه­های مشاهدهای در یک شبکه پایش سطح آب زیرزمینی با استفاده از الگوریتم فوق ابتکاری ژنتیک، پژوهش­نامه مدیریت حوزه آبخیز، دوره­ی 7، شماره­ی 14، صص 166-159.
نخعی، م؛ محمدی، خ؛ و رضایی، ح. 1394. بهینه­یابی مدل عددی برداشت از آبخوان با استفاده از الگوریتم ژنتیک، مطالعه موردی آبخوان ساحلی ارومیه، یادداشت فنی مجله­ی تحقیقات منابع آب ایران، دوره­ی 10، شماره­ی2، صص 20-11.
شوریان، م؛ و داودی، س. م. ج. (1396). طراحی و ظرفیت بهینه چاه­های پمپاژ زهکشی با هدف افت سطح آب زیرزمینی، مجله­ی آب و فاضلاب، دوره­ی 28، شماره­ی 5، صص 83-69.
Azadi, S., Amiri,  H., Ataei, P., and S. Javadpour. 2020. Optimal design of groundwater monitoring networks using gamma test theory. Hydrogeology Journal, https://doi.org/10.1007/s10040-020-02115-z.
Asefa T., Kemblowski M.W. Urroz G., McKee M., and A. Khalil. 2004. Support vectors-based groundwater head observation networks design. Water Resources Research, 40(11), 1-9.
Anderson, M., Woessner W., and R. Hun.  2015. Applied Groundwater Modeling Second Edition: Simulation of Flow and advective Transport in 2nd. Academic Press, 133-135.
Bekdas, G. 2015. Harmony Search Algorithm Approach for Optimum Design of PostTensioned Axially Symmetric Cylindrical Reinforced Concrete Walls. Journal of Optimization Theory and Applications, 164, 342-358.
Chiang, W.H. and W. Kinzelbach. 2001. 3D groundwater modeling with PMWIN, ed. F. Edition. Vol. ISBN 3-45067744. Springer Berlin Heidelberg New York.
Elci, A. and M. Ayvaz. 2018. Identification of the optimum groundwater quality monitoring network using a genetic algorithm-based optimization approach. Journal of Hydrology, 563 (2018) 1078–1091.
Elci, A. and M. Ayvaz. 2014. Differential-evolution algorithm best optimization for the site selection of groundwater production wells with the consideration of the vulnerability concept. Journal of Hydrology, 511, 736-749.
Fan, Y., Lu, W., Miao, T., An, Y., Li, J., and J. Luo. 2020. Optimal design of groundwater pollution monitoring network based on the SVR surrogate model under uncertainty. Journal of Environmental Science and Pollution Research. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08758-5
Ketabchi, H., and B. Ashtiani. 2010. Development of the ant colony optimization algorithm combined with a numerical simulation model for coastal aquifers’ optimum management. Journal of Water Resources Research, 1(1), 1-12.
Khader A.I., and M. Mckee. 2014. Use of a relevance vector machine for groundwater quality monitoring network design under uncertainty. Environmental Modelling and Software, 75, 115-126
Mahjoub H., Mohammadi M. and M. Parsinejad. 2011. Conjunctive use modeling of groundwater and surface water. Journal of Water Resource and Protection, 3(10), 726-734.
Mozaffari, M.H., and S.H. Zahiri. 2014. Unsupervised data and histogram clustering using Inclined Planes system Optimization algorithm. Image Analysis and Stereology, 33.
Pinder, G.F., and W.G. Gray. 1977. Finite element simulation in surface and subsurface hydrology, New York, NY.: Academic Press.
Rafipour-Langeroudi M., Kerachian M., and MR. Bazargan-Lari. 2014. Developing operating rules for conjunctive use of surface and groundwater considering the water quality issues. Journal of Civil Engineering, 15(2), 454-461.
Shamsaei A., and A. Forghani. 2011. Conjunctive use of surface and groundwater resources in dry regions. Journal of Water Resources Research, 1(2), 26-36.
Steward D.R., and A.J. Allen. 2013. The analytic element method for rectangular gridded domains, benchmark comparisons and application to the high plain’s aquifer. Advances in Water Resources, 60, 89-99.
Sadeghi-tabas S., Samadi S.Z., Akbarpour, A., and M. Pourreza-Bilondi. 2016. Sustainable groundwater modeling using single-and multi-objective optimization algorithms. Journal of Hydroinformatics, 18(5), 1-18.
Wang H.F., and M.P. Anderson. 1955. Introduction to groundwater modeling: finite difference and finite element methods. Academic Press.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار