تدوین مدل مدیریت چندمرحله‌ای پیامد ورود بار آلودگی ناگهانی در شبکه‌های توزیع آب شهری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، رشته مهندسی عمران، گرایش مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

3 دانشیار، بخش مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

در این پژوهش از یک مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی برای مدیریت چندمرحله‌ای پیامد ورود بار آلودگی ناگهانی در شبکه‌های توزیع آب شهری استفاده ‌شد. ابزارهای استفاده شده در مدیریت پیامد در این پژوهش، تخلیه آب آلوده توسط شیرهای آتش‌نشانی، باز یا بسته کردن لوله‌ها برای کنترل مسیر جریان در شبکه یا ایزوله کردن نواحی مختلف و نیز خاموش یا روشن کردن پمپ‌ها برای تنظیم فشار جریان آب در شبکه هستند. برای شبیه‌سازی از نرم‌افزار EPANET و برای بهینه‌سازی از الگوریتم ژنتیک تک‌‌هدفه استفاده ‌شد. توابع هدف مسأله مدیریت پیامد در این پژوهش عبارت‌اند از: حداقل کردن زمان بازگشت سیستم به حالت عادی، حداقل کردن جرم آلودگی مصرف شده توسط کاربران و نیز حداقل کردن تعداد گره‌های آلوده شده. هرکدام از توابع هدف اشاره شده برای دو سناریوی مختلف مدیریتی اجرا ‌شد. در سناریوی اول، وضعیت شیر‌های تخلیه آتش‌نشانی و نیز شیرهای باز و بسته کردن لوله‌ها از نظر باز یا بسته بودن و نیز وضعیت پمپ‌ها از نظر روشن یا خاموش بودن از ابتدا تا انتهای دوره شبیه‌سازی ثابت و در سناریوی دوم وضعیت‌های اشاره شده به تناوب طبق الگوهای موجود قابل‌تغییر بود. تعداد متغیرهای تصمیم در این پژوهش 54 عدد، شامل تعیین باز یا بسته بودن شیرهای آتش‌نشانی، باز یا بسته بودن لوله‌ها و نیز روشن یا خاموش بودن پمپ‌ها بود. تزریق بار آلودگی از سه گره کاندیدا در شبکه انجام شد. نتایج نشان داد که در حالت تغییر متناوب ابزارهای مدیریتی، تابع هدف حداقل کردن زمان بازگشت سیستم به حالت عادی بین 13 تا 5/26 درصد، تابع هدف حداقل کردن جرم آلاینده مصرفی بین 12 تا 20 درصد و تابع هدف حداقل کردن تعداد گره‌های آلوده بین 6 تا 21 درصد بهبود یافت. لازم به‌ذکر است که در همه سناریوها، عدم افت فشار آب در گره‌های مختلف شبکه از حداقل مقدار مجاز تعیین شده و نیز عدم افزایش تعداد فعالیت‌های واکنش‌های مدیریتی از حداکثر مقدار تعیین شده کنترل شد. تناوب در باز و بسته شدن لوله‌ها و شیرهای تخلیه آتش‌نشانی و نیز در روشن یا خاموش بودن پمپ‌ها به بهبود توابع هدف تا حد قابل‌قبولی کمک کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of Multi-Period Response Management Model to Suddenly Contaminated Urban Water Distribution Networks

نویسندگان [English]

  • Negin Zafari 1
  • Fariborz Masoumi 2
  • Mohammad Reza Nikoo 3
1 Former Graduate Student, Civil Engineering, Water Resource Management and Engineering Field, Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Assist. Prof., Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
3 Assoc. Prof., Dept. of Civil and Environmental Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

In this study, a simulation-optimization model is used for multi-period consequence management of sudden contamination in urban water distribution network. The tools used in the management of consequences in this study are to discharge contaminated water by hydrants, to cut or plug the pipes to control the flow path in the network or to isolate the different areas, as well as to switch the pumps on or off to regulate the water flows pressure into the network. EPANET software is used for simulation and single-objective genetic algorithm is used for optimization. In this study, the three objective functions are to minimize system return time to normal situation, minimize the mass of contamination consumed, and minimize the number of infected nodes. Each of the objective functions mentioned is executed for two different management scenarios. In the first scenario, the status of the hydrants, valves and pumps is constant from the beginning to the end of the management period. In the latter scenario, the status of the hydrants, valves and pumps can be changed periodically from the beginning to the end of the management period. The number of decision variables in this study was 54, which included determining whether the hydrants were open or closed, whether the pipes were closed or connected, and whether the pumps were on or off. The contamination loading is injected from the three candidate nodes into the network. The results show that alternating situations of hydrants, valves and pumps, compared to the situation where the hydrants, valves and pumps are in constant condition, decreases the return time to a normal state between 13 and 26.5 percent, the amount of contaminated water consumed between 12 and 20 percent and the number of infected nodes between 6 and 21 percent. It should be noted that in all scenarios, the minimum water pressure at the nodes of the network is controlled from the minimum permissible value and the increase in the number of management responses actions is controlled from the maximum permissible value. The alternation of the opening and closing of the hydrants and valves, as well as the switching of the pumps on or off, helps to improve the target functions to an acceptable extent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Consequence Management
  • Genetic Algorithm
  • EPANET
  • Urban water distribution network
  • Contaminant Injection
Afshar, A., & Najafi, E. 2014. Consequence management of chemical intrusion in water distribution networks under inexact scenarios. Journal of Hydroinformatics, 16(1), 178-188.
Alfonso, L., Jonoski, A. & Solomatine, D. 2010. Multiobjective optimization of operational responses for contaminant flushing in water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 136(1), 48-58.
Baranowski, T. M. & LeBoeuf, E. J. 2008. Consequence management utilizing optimization. Journal of Water Resources Planning and Management, 134(4), 386-394.
Bashi-Azghadi, S. N., Afshar, M. H. & Afshar A. 2017. Multi-objective optimization response modeling to contaminated water distribution networks: pressure driven versus demand driven analysis. KSCE Journal of Civil Engineering. 21(6), 2085-2096.
Bashi-Azghadi, S. N., Afshar, A. & Afshar, M. H. 2018. Multi-period response management to contaminated water distribution networks: dynamic programming versus genetic algorithms. Engineering Optimization, 50(3), 415-429.
Deuerlein, J., Simpson, A. R. & Korth, A. 2014. Flushing planner: a tool for planning and optimization of unidirectional flushing. Procedia Engineering, 70, 497-506.
Islamic Republic of Iran Voice Presidency for Strategic Planning and Supervision (IRIVPSPS). 2013. Guidelines for design of urban and rular water supply and distribution systems, Report No. 117-3 (First- Revision), Islamic Republic of Iran Vice Presidency for Strategic Planning and Supervision Press. (In Persian)
Miri, S. M & Afshar, A. 2014. Optimum layout for sensors in water distribution networks through ant colony algorithm: a dual use vision. Journal of Water and Wastewater, 25(3), 67-75 (In Persian).
Najafi, E., & Afshar, A. 2013. Consequences management of chemical intrusions in urban water distribution networks using the ant colony optimization algorithm. Journal of Water and Wastewater, 26(2), 82-94 (In Persian).
Poulin, A., Mailhot, A., Grondin, P., Delorme, L., Periche, N. & Villeneuve, J. P. 2008. Heuristic approach for operational response to drinking water contamination. Journal of Water Resources Planning and Management, 134(5), 457-465.
Preis, A. & Ostfeld, A. 2008. Multiobjective contaminant response modeling for water distribution systems security. Journal of Hydroinformatics, 10(4), 267-274.
Rasekh, A., & Brumbelow, K. 2015. A dynamic simulation–optimization model for adaptive management of urban water distribution system contamination threats. Applied Soft Computing, 32, 59-71.
Salomons, E. & Ostfeld, A. 2016. Slug feed optimal disinfection of water distribution networks following a contamination event. In World Environmental and Water Resources Congress, 516-522.
Shafiee, M. E. & Berglund, E. Z. 2015. Real-time guidance for hydrant flushing using sensor-hydrant decision trees. Journal of Water Resources Planning and Management, 141(6), 04014079.
Shafiee, M. E. & Berglund, E. Z. 2017. Complex adaptive systems framework to simulate the performance of hydrant flushing rules and broadcasts during a water distribution system contamination event. Journal of Water Resources Planning and Management, 143(4), 04017001.
USEPA, 2004, Response protocol toolbox–public health response guide, Module 5. http://www.epa.gov/watersecurity/pubs/ guide_response_module5.pdf.
Zafari, M., Tabesh, M. & Nazif, S. 2017. Minimizing the adverse effects of contaminant propagation in water distribution networks considering the pressure-driven analysis method. Journal of Water Resources Planning and Management, 143(12), 04017072.
Zechman, E. M. 2011. Agent‐based modeling to simulate contamination events and evaluate threat management strategies in water distribution systems. Risk Analysis: An International Journal, 31(5), 758-772.