بهینه سازی روش‌های توسعه کم اثر (LID) در کنترل کمی و کیفی سیلاب‌های شهری با لحاظ اثرات تغییر اقلیم با استفاده از الگوریتم‌های بهینه ساز چندهدفه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

2 مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

مدیریت کمی و کیفی رواناب قسمتی از شهر کرج با کاربرد بهینه­سازی روش‌های توسعه کم  اثر (LID) در شرایط پایه و تغییر اقلیم بررسی شده است. جهت ارزیابی اثرات تغییر اقلیم، مدل CanESM2 با دوره‌ی پایه (2005-1985) و دوره آتی (2040-2020) تحت سناریوهای RCP2.6 و RCP8.5 استفاده شده است. مدل‌سازی هیدرولیکی و هیدرولوژیک توسط نرم‌افزار SWMM انجام پذیرفته و با الگوریتم‌های چندهدفه ازدحام ذرات (MOPSO) و ژنتیک چندهدفه با مرتب­سازی نامغلوب (NSGA-II)  تلفیق‌ شده است. تعداد 37 زیرحوضه و پنج نوع LID به الگوریتم‌ها معرفی شده است. جهت مقایسه و ارزیابی الگوریتم‌ها، هشت سناریو تعریف شد. در شرایط پایه، با اعمال الگوریتم‌های NSGA-II و MOPSO به ترتیب 2/21 و 3/20 درصد کاهش حجم آب‌گرفتگی در داخل حوضه، 1/59 و 4/58 درصد کاهش غلظت مواد جامد معلق (TSS)، 6/16 و 7/12 درصد کاهش غلظت آلاینده نیتروژن کل (TN) و 7/29 و 7/28 درصد کاهش غلظت آلاینده سرب (Pb) در خروجی حوضه صورت پذیرفته است. راه‌حل ارئه شده توسط الگوریتم‌ها در شرایط تغییر اقلیم، از نظر کمیت سیلاب مشابه شرایط پایه است. غلظت TSS و با شرایط سناریوی RCP2.6، به ترتیب کاهشی برابر با 5/59 و 2/55 درصد و در شرایط سناریوی RCP8.5، به ترتیب 6/59 و 8/55 درصد به­دست آمد. برای TN، در شرایط سناریوی RCP2.6، این مقادیر به ترتیب 4/17 و 4/13 درصد و در سناریوی RCP8.5، به ترتیب 6/17 و 5/13 درصد کاهش داشته­اند.  Pb در شرایط سناریوی RCP2.6، به ترتیب با 1/30 و 7/29 درصد و در سناریوی RCP8.5، با 9/30 و 4/30 درصد کاهش داشته است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimizing Low Impact Development (LID) Methods in Urban Runoff Quantitative and Qualitative Control with Considering the Effects of Climate Change Using Multi-Objective Optimization Algorithms

نویسندگان [English]

  • Hamed Noori Khaje Balag 1
  • Sayed-Farhad Mousavi 2
1 PhD Candidate, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

Quantitative and qualitative management of urban runoff in part of Karaj city has been investigated using optimization of Low Impact Development (LID) methods under base period and climate change conditions. CanESM2 was employed with the base period (1985-2005) and future period (2020-2040) under the RCP2.6 and RCP8.5 scenarios to investigate climate change impacts. Hydraulic and hydrological modeling was performed by Storm Water Management Model (SWMM) and was combined with Multi-objective Particle Swarm Optimization Algorithm (MOPSO) and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thirty-seven sub-catchments and five types of LIDS are introduced to the algorithms. Eight scenarios were defined to compare and evaluate the algorithms. Under the base period conditions, by applying NSGA-II and MOPSO algorithms, the flood volume in the catchment will decrease by 21.2% and 20.3%, total suspended solids (TSS) will increase by 59.1% and 58.4%, total nitrogen (TN) will increase by 16.6% and 12.7%, and lead (Pb) concentration will increase by 29.7% and 28.7%, respectively. Solution of the algorithms under climate change conditions gave similar flood values as the base conditions. In RCP2.6 scenario, TSS will decrease by 59.5% and 55.2%, respectively, and in RCP8.5 scenario, TSS will decrease by 59.6% and 55.8%, respectively. In RCP2.6 scenario, TN will decrease by 17.4% and 13.4%, respectively, and in RCP8.5 scenario, TN will decrease by 17.6% and 13.5%, respectively. Pb in RCP2.6 scenario will decrease by 30.1% and 29.7%, respectively, and in RCP8.5 scenario, Pb will decrease by 30.9% and 30.4%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NSGA-II
  • MOPSO
  • Urban runoff management
  • SWMM
سازمان فناوری اطلاعات و ارتباطات شهرداری کرج (فاوا) (1395).
طاهری بهبهانی، م. ط.، بزرگ زاده، م. 1375. سیلابهای شهری. انتشارات مرکز مطالات و تحقیقات شهری و معماری ایران، چاپ اول شرکت انتشارات علمی و فرهنگی.
قهرمان، ب.، آبخضر، ح. 1383. اصلاح روابط شدت-مدت-فراوانی بارندگی در ایران. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، (2): 1-13.
کرمی، م.، اردشیر، ع. و بهزادیان، ک. (1394). مدیریت خطرپذیری آبگرفتگی و آلودگی ناشی از سیلاب شهری با استفاده از راهکارهای بهینه متداول و نوین. تحقیقات منابع آب ایران، 11(3): 100-112.
Alamdari, N., Sample, D.J., Steinberg, P., Ross, A.C., and Easton, Z.M. 2017. Assessing the effects of climate change on water quantity and quality in an urban watershed using a calibrated storm-water model. Journal of Water 9(7): 463-478. Doi: 10.3390/w9070464. 
Alamdari, N., Sample, D.J., Ross, A.C., and Easton, Z.M. 2019. Evaluating the impact of climate change on water quality and quantity in an urban watershed using an ensemble approach. Journal of Estuaries and Coasts, 43: 56-72. Doi: 10.1007/s12237-019-00649-4. 
Chen, P. Y., Tung, C. P. and Li, Y. H. 2017. Low impact development planning and adaptation decision-making under climate change for a community against pluvial flooding. Water 9: 756. Doi: 10.3390.9100756.
Coello, A.C., Pulido, G.T. and Lechuga, M.S. 2004. Handling multiple objectives with particle swarm optimization. In IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 8(3): 256-279.
Dudula, J., and Randhir, T. O. 2016. Modeling the influence of climate change on watershed systems: Adaptation through targeted practices. Journal of Hydrology, 541, 703–713. Doi: 10.1016/j.jhydrol.2016.07.020.
Hua, P., Yang, W., Qi, X., Jiang, S., Xie, J., Gu, X., Li, H., Zhang, J., and Krebs, P., 2020. Evaluating the effect of urban flooding reduction strategies in response to design rainfall and low impact development. Journal of Cleaner Production, 242, 118515.
Jia, H. F, Yao, H. R., Tang, Y., Yu, S. L., Field, R. and Tafuri, A. N. 2015. LID-BMPs planning for urban runoff control and the case study in China. Journal of Environmental Management, 149: 65-76.
Li, F., Feng Duan, H., Yan, H. and Tao, T. 2015. Multi-objective optimal design of detention tanks in the urban stormwater drainage system: Framework development and case study. Journal of Water Resources Management, 29(7): 2125-2137.
Liu, Y., Cibin, R., Bralts, V., Chaubey, I., Bowling, L., and Engel, B. 2016. Optimal selection and placement of BMPs and LID practices with a rainfall-runoff model. Journal of Water Resources Planning and Management, 131: 441-448.
Oraei Zare, S., Saghafian, B. and Shamsai, A. 2012. Multi-objective optimization for combined quality–quantity urban runoff control. Journal of Hydrology and Earth System Sciences, 16: 4531-4542.
Strecker, E., Sheffield, A., Cristina, C. and Leisenring, M. 2010. Stormwater BMP guidance tool. New Orleans.
Zahmatkesh, Z., Burian, E., Karamouz, M., Tavakol-Davani, H. and Goharian, E. 2015. Low-impact development practices to mitigate climate change effects on urban stormwater runoff: Case study of New York City. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 141. Doi: 10.1061/ (ASCE) IR.1943-4774.0000770.
Zhou, Q., Leng, G., Su, J. and Ren, Y. 2019. Comparison of urbanization and climate change impacts on urban flood volumes: Importance of urban planning and drainage adaptation. Science of the Total Environment 658: 24-33.
Vo, D. P., Bhuiyan, M. A. and Vo, N. D. 2020. Climate change impact on urban flooding in Quynhon City, Vietnam. Innovation for Sustainable Infrastructure, Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 54. Doi:10.1007/978-981-15-0802-8_164.