طراحی بهینه حوضچه‌های بازداشت در حوضه‌های آبریز با استفاده از الگوریتم بهینه‌ساز جامعه مورچگان چند هدفه و مدل SWAT

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد تمام دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده عمران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد عمران- گرایش سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده عمران*(مسؤول مکاتبات)

3 دانشجویی کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس تهران، دانشکده کشاورزی

چکیده

زمینه و هدف: کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای[1] به منظور سالم نگاه­داشتن پیکره­های آبی از اهمیت به سزایی در مدیریت سیستم­های منابع آب برخوردار است. یکی از موثرترین سازه­ها در مدیریت بار آلودگی غیر نقطه­ای، حوضچه­های بازداشت می­باشند. طراحی یکپارچه­ی مجموعه حوضچه­های بازداشت در مجموعه زیر حوضه­ها می­تواند با بازدهی بیشتری در حذف رسوبات همراه باشد. جهت دست­یابی به این هدف اتصال الگوریتم­های بهینه­ساز و نرم­افزارهای مدل­سازی حوضه­های آبریز می­تواند کمک به سزایی در طراحی بهینه­ی حوضچه­های بازداشت باشد.
روش کار: هدف از انجام این پژوهش استفاده از یک مدل شبیه­ساز-بهینه­ساز چند منظوره برای برنامه­ریزی و طراحی یکپارچه­ی حوضچه­های بازداشت در سطح حوضه­های آبریز است که بتوان مصالحه­ای را بین اهداف مختلف برقرار نمود. واضح است که با استفاده از حوضچه­های بازداشت بزرگتر و با تعداد بیشتر می­توان میزان حجم بالاتری از رسوبات را به دام انداخت، ولی متعاقبا هزینه­های ساخت حوضچه­های بازداشت نیز افزایش خواهد یافت. جهت بهینه­سازی اندازه و مکان حوضچه­های بازداشت در این مساله­ی دو هدفه، از الگوریتم دو هدفه جامعه مورچگان و جهت شبیه­سازی حوضه­­ی آبریز از مدل SWAT بهره­گرفته شده است. با استفاده از الگوریتم بهینه­سازی جامعه مورچگان دو هدفه می­توان به یک جبهه جواب­های نامغلوب از دو تابع هدف متضاد دست یافت که عبارتند از: هزینه­های کنترل بار رسوب تولیدی و بار رسوب تولیدی.
یافته­ها و نتایج: کارایی مدل پیشنهادی بر روی یک حوضه­ی آبریز در غرب ایران مورد مطالعه قرار گرفته است. استفاده از بهینه­ساز کلونی مورچگان و شبیه­ساز SWAT، به محققین توانایی مدل­سازی حوضه­های آبریز و کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای را خواهد داد. مدل چند هدفه با توجه به فراهم نمودن جبهه پرتو می­تواند مدیران را در اتخاذ راهکار مناسب جهت کنترل کیفیت رواناب خروجی از حوضه­ی آبریز یاری نماید.



4- Non-Point Source Management (NPSM)

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست ، دورهشانزدهم، شماره ویژه  93

 

طراحی بهینه حوضچه­های بازداشت در حوضه­های آبریز با استفاده از
الگوریتم بهینه­ساز جامعه مورچگان چند هدفه و مدل SWAT

 

عباس افشار[1]

محمد جواد امامی اسکاردی [2]*

Mj.imami@gmail.com

فرزین جیرانی [3]

 

تاریخ دریافت:10/8/90

تاریخ پذیرش:20/11/90

 

چکیده

زمینه و هدف: کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای[4] به منظور سالم نگاه­داشتن پیکره­های آبی از اهمیت به سزایی در مدیریت سیستم­های منابع آب برخوردار است. یکی از موثرترین سازه­ها در مدیریت بار آلودگی غیر نقطه­ای، حوضچه­های بازداشت می­باشند. طراحی یکپارچه­ی مجموعه حوضچه­های بازداشت در مجموعه زیر حوضه­ها می­تواند با بازدهی بیشتری در حذف رسوبات همراه باشد. جهت دست­یابی به این هدف اتصال الگوریتم­های بهینه­ساز و نرم­افزارهای مدل­سازی حوضه­های آبریز می­تواند کمک به سزایی در طراحی بهینه­ی حوضچه­های بازداشت باشد.

روش کار: هدف از انجام این پژوهش استفاده از یک مدل شبیه­ساز-بهینه­ساز چند منظوره برای برنامه­ریزی و طراحی یکپارچه­ی حوضچه­های بازداشت در سطح حوضه­های آبریز است که بتوان مصالحه­ای را بین اهداف مختلف برقرار نمود. واضح است که با استفاده از حوضچه­های بازداشت بزرگتر و با تعداد بیشتر می­توان میزان حجم بالاتری از رسوبات را به دام انداخت، ولی متعاقبا هزینه­های ساخت حوضچه­های بازداشت نیز افزایش خواهد یافت. جهت بهینه­سازی اندازه و مکان حوضچه­های بازداشت در این مساله­ی دو هدفه، از الگوریتم دو هدفه جامعه مورچگان و جهت شبیه­سازی حوضه­­ی آبریز از مدل SWAT بهره­گرفته شده است. با استفاده از الگوریتم بهینه­سازی جامعه مورچگان دو هدفه می­توان به یک جبهه جواب­های نامغلوب از دو تابع هدف متضاد دست یافت که عبارتند از: هزینه­های کنترل بار رسوب تولیدی و بار رسوب تولیدی.

یافته­ها و نتایج: کارایی مدل پیشنهادی بر روی یک حوضه­ی آبریز در غرب ایران مورد مطالعه قرار گرفته است. استفاده از بهینه­ساز کلونی مورچگان و شبیه­ساز SWAT، به محققین توانایی مدل­سازی حوضه­های آبریز و کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای را خواهد داد. مدل چند هدفه با توجه به فراهم نمودن جبهه پرتو می­تواند مدیران را در اتخاذ راهکار مناسب جهت کنترل کیفیت رواناب خروجی از حوضه­ی آبریز یاری نماید.

 

واژه های کلیدی: الگوریتم جامعه مورچگان دو هدفه، بار رسوب تولیدی، حوضچه­های بازداشت، حوضه­های آبریز، مدل SWAT.

 

 

مقدمه


کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای و رسوبات همواره از مهم­ترین مسایل کیفیت منابع آب در پیکره­های آبی حوضه­های آبریز (همانند سدها و دریاچه­ها) بوده است. به منظور کاهش آلودگی­ها، توجه به مدیریت بار آلودگی غیر نقطه­ای می­تواند راه­گشا ­باشد. در این پژوهش حوضچه­های بازداشت جهت کنترل بار رسوب تولیدی از حوضه­ای آبریز به کار گرفته
شده­اند. حوضچه­های بازداشت در طی سالیان مختلف و به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته­اند (1 و2). اغلب جانمایی و طراحی حوضچه­های بازداشت در زیر حوضه­های یک حوضه­ی بزرگ به صورت منفرد و جدا از هم صورت می­پذیرد. طراحی یکپارچه­ی مجموعه حوضچه­های بازداشت در مجموعه زیر حوضه­ها می­تواند با بازدهی بیشتری در حذف رسوبات همراه باشد و به عنوان بهبود روش­های متداول پیشین در نظر گرفته شود. ولی پیچیدگی مدل نمودن حوضه­های آبی برای برآورد بار آلودگی غیر نقطه­ای، مشکلاتی را در پیدا کردن وضعیت بهینه سازه­های کنترل رسوب به وجود می­آورد. اتصال الگوریتم­های بهینه­ساز و نرم­افزار­های مدل­سازی حوضه­های آبریز و ارایه یک مدل بهینه­ساز-شبیه­ساز می­تواند در جهت رفع این مشکل
راه­گشا باشد. غالب مدل­هایی که برای شبیه­سازی حوضه­های آبریز ارایه می­شوند، از روابط ساده­ای پیروی می­کنند و بعضا تنها قادر به مدل کردن رواناب­ها در حوضه­های آبریز هستند. به همین علت استفاده از یک مدل کارا در شبیه­سازی حوضه­های آبریز ضروری است. امروزه توسعه مدل­های شبیه­سازی به همراه توسعه فزاینده الگوریتم­های بهینه­سازی که قابلیت حل مسایل بسیار پیچیده و به ویژه غیر خطی را دارند، بسیار امید بخش بوده و نیاز به ساده­سازی و استفاده از مدل­های خطی برای تقریب سیستم­های پیچیده را کاهش داده است. از جمله
شبیه­سازهایی که استفاده از آن در حوضه­های آبریز طی سالیان اخیر گسترش یافته، مدل SWAT می­باشد. در این پروژه نیز به منظور شبیه­سازی حوضه­ی آبریز از مدل SWAT بهره گرفته شده است. SWAT مدل شبیه­سازی حوضه­های آبریز، آبگیر و رودخانه­ها است که توسط دکتر [5]Arnold برای سازمان تحقیقات کشاورزی[6] آمریکا ارایه شده است.

Tolson و Shoemaker (2004) از مدل SWAT جهت مدل­سازی رودخانه­ی کانوسویل استفاده کرده­اند (3). تحقیقات Tolson و Shoemaker (2004) نشان داد که مدل SWAT قادر است  به­ عنوان یک ابزار مناسب برای ارزیابی اثرات طولانی مدت روش­های مدیریتی متفاوت برای کاهش بار فسفر در مخزن کانونزویل شهر نیویورک استفاده شود. Rostamian و همکاران (2008) از این مدل برای شبیه­سازی دو حوضه­ی آبریز بهشت­آباد و ونک در ایران استفاده کرده­اند (4).  ناحیه­ای در مریلند توسط Shepherd و همکاران (1999) برای سنجش میزان توانایی مدل در شبیه­سازی هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و کیفی آب مورد استفاده قرار گرفت (5)، از جمله مزیت­های ذکر شده با این مدل عبارت بودند از: 1- بزرگ مقیاس بودن مدل، و 2- توزیعی بودن و هم­آهنگ بودن مدل با سیستم­های اطلاعات جغرافیایی(GIS). Abbaspour و همکاران (1997) از مدل SWAT برای شبیه­سازی تمام فرایندهای مؤثر بر کیفیت آب، رسوب و چرخه عناصر غذایی حوضه رودخانه تور، در شمال شرقی کشور سوییس بهره ­گرفتند (6). Taheriyoun و همکاران (2010) با استفاده از مدل SWAT و الگوریتم بهینه­ساز ژنتیک اقدام به بهینه کردن بهترین روش­های مدیریتی در یک حوضه­ی آبریز در ایران نمودند (7). همچنین تحقیقاتی جهت پیش­بینی بار رسوب تولیدی در حوضه قرسو توسط صادقی و همکاران (1389) صورت گرفته است (8).

در سال­های اخیر استفاده از انواع الگوریتم­های بهینه­سازی فراکاوشی در مدیریت سیستم­های منابع آب از جمله: الگوریتم ژنتیک(GA)، نورد شبیه­سازی شده(SA)، جفت­گیری زنبور عسل(HBMO) و الگوریتم جامعه مورچگان  (ACO) گسترش یافته است. یکی از الگوریتم­های فراکاوشی الهام گرفته شده از طبیعت، الگوریتم جامعه مورچگان است. الگوریتم جامعه مورچگان با توجه به رفتار یک دسته از مورچگان در یافتن بهینه­ترین مسیر جهت دست­یابی به غذا ابداع شده است. با استفاده از الگوریتم جامعه مورچگان در مسایلی که دارای متغیرهای تصمیم گسسته می­باشند، به علت ذات گسسته این الگوریتم می­توان به جواب­های بهتری نسبت به سایر
الگوریتم­های فراکاوشی دست یافت. در سال­های اخیر از الگوریتم جامعه مورچگان در بخش­های مختلف مدیریت سیستم­های منابع آب همانند بهره­برداری از مخازن و بهینه­سازی شبکه­های آبرسانی استفاده شده است. مقالاتی که در سال­های اخیر از الگوریتم جامعه مورچگان در مدیریت سیستم­های منابع آب بهره­گرفته اند پیرامون این موضوعات بوده­اند: بهینه­سازی شبکه­های آب شهری(9)؛ بهره­برداری از مخازن به صورت تک و چند هدفه (10؛ 11؛ 12؛ 13؛ 14و 15)؛ و شبکه توزیع آب (16و17).

هدف از این پژوهش، استفاده از یک مدل شبیه­ساز-بهینه­ساز است که بتوان به طراحی بهینه حوضچه­های بازداشت در حوضه­های آبریز پرداخت. با کمک مدل شبیه­ساز-بهینه­ساز می­توان مصالحه­ای را بین اهداف مختلف برقرار کرد. زیرا با طراحی حوضچه­های بازداشت بزرگ­تر می­توان حجم بالاتری از رسوبات را کنترل نمود. ولی اجرا و طراحی حوضچه­های با حجم بیشتر نیازمند صرف هزینه­های بالاتری خواهد بود. در نتیجه با یک مساله دو هدفه مواجه هستیم که یک هدف آن کاهش بار رسوب تولیدی و هدف دیگر آن کمینه نمودن هزینه­های ساخت حوضچه­های بازداشت است. جهت بهینه­سازی
حوضچه­های بازداشت از الگوریتم بهینه­ساز جامعه مورچگان و برای شبیه­سازی حوضه­ی آبریز نیز از مدل SWAT بهره­گرفته شده است. کارایی مدل پیشنهادی نیز بر روی حوضه­ی قرسو در غرب ایران بررسی و مطالعه شده است.

روند شبیه­سازی در مدل SWAT

به طور کلی براساس فرمت داده‌ها، ‌اطلاعات موردنیاز برای شبیه‌سازی به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از لایه‌های اطلاعاتی، ‌فایل­های اطلاعاتی (.dbf یا .txt) و پارامترهای ورودی که به صورت عددی وارد می‌گردد.  لایه ارتفاعی رقومی یا DEM باید به صورت grid و سیستم مختصات جغرافیایی مشخص به مدل وارد شود. مدل SWAT نقشه خاک منطقه را یا به صورت shape و یا به فرم grid از کاربر دریافت می‌کند.  نقشه کاربری اراضی منطقه را نیز می‌توان به صورت grid یا shape جهت تعیین وسعت و نام پوشش­های گیاهی مختلف در زیرحوضه تعیین نمود.  آخرین لایه­ی اطلاعاتی شبکه آبراهه‌های حوضه می‌باشد و می‌توان از آن در مدل استفاده نمود. فایل­های ورودی با پسوند .dbf یا .txt تهیه شده و وارد مدل می‌گردد. این فایل­ها شامل دما، ‌بارش، ‌رطوبت نسبی، ‌تابش، ‌سرعت باد به صورت روزانه و موقعیت ایستگاه­های هواشناسی، ‌باران­سنجی و دماسنجی می‌باشد.

چرخه هیدرولوژیکی در SWAT

چرخه هیدرولوژیکی در SWAT به صورت روابط پیوستگی مدل می­شود و عبارتست از:

(1)

 

: حجم نهایی آب در خاک (میلی­متر)؛ : مقدار اولیه آب در خاک (میلی­متر)؛ t زمان (روز)؛ : میزان بارش در روز iام (میلی­متر)؛ : مقدار حجم رواناب در روز iام (میلی­متر)؛ : تبخیر روز iام (میلی­متر)؛ : مقدار آب وارد شده به منطقه آبی از پروفایل زمین در روز iام (میلی­متر): : میزان آب بازگشتی در روز iام (میلی­متر).

روندیابی سیلاب در حوضچه­های بازداشت و تالاب­ها در مدل SWAT

حوضچه­های بازداشت و تالاب­ها پیکره­های آبی هستند که بخشی از حجم آب هر زیر حوضه به داخل آن­ها سرازیر
می­شود. معادله پیوستگی برای حوضچه­های بازداشت عبارتست از:

(2)

 

: برابر میزان آب آبگیر در انتهای روز ( متر مکعب)؛  : میزان حجم آب در آبگیر در ابتدای روز (متر مکعب)؛ : میزان آب وارد شده  به آبگیر در طول روز (متر مکعب)؛ : میزان آب خارج شده از آبگیر در طول روز (متر مکعب)؛ : میزان آب وارد شده به آبگیر از طریق نزولات جوی در طول روز (متر مکعب)؛ : آب خارج شده از آبگیر در طول روز از طریق تبخیر (متر مکعب)؛ : میزان آب خارج شده از آبگیر از طریق نشت به داخل زمین (متر مکعب).

 

پیوستگی جرم رسوب در مدل SWAT

پیوستگی جرم رسوب در مدل SWAT به طریق زیر محاسبه می­شود:

(3)

 

 

که در آن داریم : میزان بار رسوب در حوضچه­ی بازداشت در انتهای روز (تن)؛ : میزان بار رسوب در حوضچه­ی بازداشت در ابتدای روز (تن)؛ : میزان بار رسوب ورودی به حوضچه­ای بازداشت در طول روز (تن)؛ : میزان رسوب خارج شده از حوضچه­ی بازداشت طی فرایند ته نشینی (تن)؛ : میزان رسوب خارج شده از حوضچه­ی بازداشت به همراه آب خروجی (سرریز شده) (تن).

کلونی مورچگان

الگوریتم جامعه مورچه­ها با الهام از رفتار مورچه­های واقعی در هنگام جستجوی غذا توسعه یافته و در دهه­های اخیر در برخی از مسایل بهینه­یابی مورد استفاده قرار گرفته است. در این تحقیق برای حل مساله­ای دو هدفه طراحی بهینه حوضچه­های بازداشت از الگوریتم مذکور استفاده شده است. وقتی مورچه­ای به دنبال غذا می­گردد، در طول مسیر حرکت خود، ماده بوداری به نام فرامان از خود به جا می­گذارد که سایر مورچه­هایی که در جستجوی غذا هستند را تحریک به عبور از آن مسیر می­نماید. برای ارایه رفتار این دسته از مورچه­ها به حالت الگوریتمی اصلاحاتی توسط Dorigo در سال 1992پیشنهاد گردید (18). در الگوریتم­های جامعه مورچگان جهت یافتن جوابی بهینه از فرامان مصنوعی استفاده می­شود.  فرامان مصنوعی یک عدد حقیقی   است که به گزینه­های قابل انتخاب توسط مورچه مصنوعی، تخصیص داده می­شود. در گراف هر مساله یک مقدار فرامان  به هر مسیر (i,j) داده می­شود که بیانگر مطلوبیت این مسیر می­باشد. یک مورچه که در گره i واقع شده است، گره بعدی خود را بر اساس رابطه انتقال تصادف نسبی زیر انتخاب می نماید:

مقدار ، احتمال انتخاب گره j توسط مورچه­ای واقع در
گره­ی i است. همان گونه که مشاهده می­گردد، مقادیر بزرگ فرامان مسیر ij باعث افزایش احتمال انتخاب آن مسیر خواهد شد.  علاوه بر فرامان، در بسیاری از مسایل می­توان از یک هدایت کننده کاوشی[7] جهت ساخت جواب­های متغیر استفاده نمود که در آن رابطه انتقال تصادفی نسبی به شکل زیر تعریف می­شود:

(4)

 

 

(5)

 

 

در این رابطه  هدایت کننده کاوشی می­باشد. دو پارامتر و  در رابطه فوق، جهت تنظیم وزن فرامان و اطلاعات کاوشی مورد استفاده قرار می گیرند.

به هنگام­سازی فرامان

منظور از به هنگام­سازی فرامان، تمرکز بیشتر فرایند جستجو بر منطقه­ای از فضای جواب­هاست که امید آن می­رود، با جستجوی متمرکزتر در آن بتوان به نتایج مطلوب­تری دست یافت (19). راهکارهای اصلی برای این فرایند، ابتدا تبخیر فرامان است که باعث کاهش میزان فرامان به یک مقدار تعریف شده می­گردد. پس از آن تقویت فرامان است که با افزودن عبارت به هنگام کننده به فرامان­های انتخابی صورت می­گیرد. شکل کلی به هنگام سازی فرامان به صورت زیر است.

 

(6)

که در آن  پارامتری است که میزان از دست دادن فرامان را، در هر دوره تبخیر نشان می­دهد.  یک مقدار بهنگام سازی است که در صورتی که مسیر (i,j) توسط مورچه طی نشده باشد، برابر صفر است.

مقدار واقعی  و نیز راهکار مخصوص اعمال آن عامل اصلی تفاوت بین الگوریتم­های مختلف مورچه است که در این پژوهش برابر است با:

 

(7)

 که در آن مقداری ثابت و بهترین مقدار تابع هدف در کلونی k می­باشد. لازم به ذکر است که مقدار  برای مسیر­هایی غیر از مسیری که بهترین مورچه طی می­کند، صفر در نظر گرفته می­شود.

 

 

الگوریتم جامعه مورچگان در حالت چند هدفه

اولین الگوریتم چند هدفه جامعه مورچگان توسط Mariano و  Moralesدر سال 1999 به کار گرفته شد (20).  در سال 2001، Iredi وMiddendrof  الگوریتم بهینه­سازی مورچه­ها را برای حل مساله دو معیاره مسیریابی وسایل نقلیه مورد استفاده قرار دادند (21). در سال 2003 الگوریتم MACS توسط Baran و Schaerer پیشنهاد شد (22).  در این الگوریتم از یک ماتریس فرامان و چند تابع حاوی اطلاعات فراکاوشی به تعداد اهداف استفاده شده است. در سال 2004، الگوریتم P-ACO توسط Doerner و همکاران ارایه گردید (23). در این الگوریتم نیز از k تابع مختلف به هنگام سازی فرامان به تعداد k تابع هدف استفاده شده است. Dorigo و Stutzle در سال 2004 به تفصیل در مورد کاربرد الگوریتم­های جامعه مورچگان در مسایل بهینه­سازی چند هدفه صحبت نموده­اند (24). الگوریتمی که در این تحقیق برای حل مساله مورد استفاده قرار خواهد گرفت، برگرفته از کار Afshar و همکاران در سال 2008 است که برای حل مساله بهره­برداری از مخزن ارایه شده است (25).

از مــوارد حایـز اهمیت در ایـن الگوریتــم نحوه ارتباط جوامع اختصـاص داده شده به هر کدام از اهداف می­باشد. در الگوریتم پیشنهادی در هر گام محاسباتی تمامی راه­حل­های تولید شده در یک جامعه در اختیار جامعه مقابل قرار می­گیرد تا
مورچه­های آن جامعه هم به نوبه خود سعی در بهبود جواب­ها بر اساس معیارهای خود داشته باشند. الگوی مربوطه برای نحوه ارتباط جوامع مختلف در شکل (1) نمایش داده شده است.

 

 

 

شکل 1- نمایش نحوه تبادل اطلاعات مابین جوامع مورچه­ها و اهداف نظیر آن­ها (مصطفوی، 1389)

 

معرفی مدل­­ پیشنهادی

در این تحقیق جهت شبیه­سازی حوضه از مدل SWAT و برای بهینه­سازی آن از الگوریتم بهینه­سازی جامعه مورچگان دو هدفه استفاده شده است. شاخص کیفی سنجش در این مساله رسوب خروجی از حوضه آبریز و یا TSS[8] می­باشد. کارایی مدل ارایه شده بر روی یک حوضه آبریز در ایران سنجیده و نتایج آن ارایه شده است.

مدل بهینه­­سازی دو هدفه

مساله به شکل دو هدفه عبارت است از: حداقل کردن
هزینه­های ساخت حوضچه­های بازداشت، حداکثر نمودن کیفیت آب خروجی و یا حداقل نمودن بار رسوب تولیدی. شاخص کیفی سنجش آب نیز میزان رسوب خروجی از حوضه آبریز منظور شده است. در ادامه بیان مساله را در شکل ریاضی مشاهده
می­کنید.

 

Minimize

 

 

 

 

 

Subject to

(8)

: هزینه کل ساخت حوضچه­های بازداشت، که برابر است با جمع هزینه­های ساخت حوضچه­های بازداشت در هریک از
زیر­حوضه­ها. :  عبارتست از میزان میانگین رسوب سالانه تولیدی از حوضه آبریز، :  هزینه ساخت حوضچه شماره  jدر زیر حوضه شماره i، : سطح حوضچه بازداشت در زیر حوضه k که حداکثر و حداقل میزان آن توسط کاربر تعیین می­شود، برای حوضچه­ها باید به طور معین یک میزان مشخصی از حداقل و حداکثر اندازه را تعیین نمود که در این قسمت به صورت قید اعمال خواهد شد،  : میزان حجم حوضچه بازداشت که باید از یک میزان حداکثری کمتر باشد و آن عبارتست از: : حداکثر حجم حوضچه بازداشت، و تساوی آخر نیز بیانگر قیودات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی می­باشد که در طراحی حوضچه­های بازداشت باید در برنامه شبیه­سازی رعایت شود. طرح کلی مدل را در شکل شماره­ی 2 مشاهده می­نمایید.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 2- طرح کلی مدل

 

کاربرد مدل­­های توسعه یافته

 

همان گونه که اشاره شد، در این تحقیق برای حل مساله کنترل بار آلودگی غیر نقطه­ای، از یک مدل شبیه­ساز- بهینه­ساز استفاده شده است. که به منظور کارایی مدل پیشنهادی، آن­را برروی یک حوضه­ی آبریز در ایران مورد بررسی قرار داده­ایم. اجزای مدل شامل 1- شبیه­ساز حوضه­ی آبریز توسط (در اینجا مدل SWAT)، 2- الگوریتم چند جامعه­ای مورچه­ها
(NA-ACO) می­باشد که اهداف، معیارها و محدودیت­های کمی و کیفی موجود در سیستم را در نظر می­گیرد.

به طور خلاصه روش کار مدل به این ترتیب است که ابتدا در هر مرحله مورچه­های هر کلونی (در اینجا دو کلونی) مسیر خود را انتخاب می­کنند که شامل یک سری گره است. هر گره متغیرهای تصمیمی شامل ارتفاع حوضچه­های بازداشت (حجم آن­ها پس از تعیین عرض و طول متناسب با این ارتفاع) در هر زیر حوضه­، می­باشند.  سپس الگوریتم به محاسبه­ی هزینه­ی ساخت این حوضچه­های بازداشت می­پردازد. هزینه ساخت حوضچه­های بازداشت برای واحد حجم حوضچه­ها برابر 1.5 دلار در هر متر مکعب درنظر گرفته شده است. مدت زمان نگهداری 10 ساله و هزینه­ی نگهداری برابر 3 درصد هزینه­ی کل ساخت حوضچه­ها، در هر سال منظور شده است. سپس با استفاده از مدل SWAT میزان رسوب خروجی از حوضچه­ی بازداشت نیز محاسبه خواهد شد. میزان پوشش هریک از زیر حوضه­ها در هر دو بخش ثابت فرض شده است و به اصطلاح یک سری نقاط مشخص به صورت بالقوه برای احداث حوضچه­های بازداشت در هر زیر حوضه وجود دارند.

به منظور تعیین حجم و سطح حوضچه­ی بازداشت از یک رابطه­ی حجم-ارتفاع و سطح-ارتفاع به شکل زیر استفاده شده است:

 

 

(9)

 

 

که درآن: : حجم حوضچه­ی بازداشت،: طول، : عرض، : ارتفاع، : شیب کناره حوضچه (1 به 5 در نظر گرفته می­شود. در فرمول 5 باید قرار داده شود)، : شیب سد (1 به 2 در نظر گرفته
می­شود. در فرمول 2 باید قرار داده شود).

برای کارایی بهتر حوضچه­ی بازداشت طول آن را دو برابر عرض آن اختیار نموده­ایم، درنتیجه داریم:

 

 

(10)

 

(11)

 

 

که درآن: : سطح حوضچه­ی بازداشت،: طول، : عرض، : ارتفاع، : شیب کناره حوضچه (1 به 5 در نظر گرفته می­شود. در فرمول 5 باید قرار داده شود)؛ : شیب سد (1 به 2 در نظر گرفته می­شود. در فرمول 2 باید قرار داده شود).

 تشریح منطقه تحقیق قرسو

زیرحوضه قره‌سو به وسعت 5793 کیلومترمربع واقع در شمال غرب حوضه کرخه در حدود 4/11 درصد حوضه کرخه را دربرمی‌گیرد. 48 درصد این زیرحوضه کوهستانی بوده و 52 درصد آن را دشت­ها تشکیل می‌دهند. حداکثر ارتفاع این زیرحوضه 3351 متر و حداقل ‌ارتفاع 1300 متر می‌باشد. جریانات اصلی در این حوضه شامل رودخانه‌های مرک، ‌قره­سو ‌و رازآور می‌باشد. در شکل شماره­ی (3) یک طرح کلی از حوضه را مشاهده می­کنید و در جدول شماره­ی 1 مشخصات بیشتری از حوضه­ی قرسو قابل ملاحظه است.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3- حوضه­ی آبریز قرسو

 

جدول 1- مشخصات حوضه­­ای قرسو

مساحت

متغیر تصمیم

هزینه­ی واحد حجم ساخت حوضچه­ها

مدت نگهداری

هزینه­ی نگهداری

دوره­ی اجرا

5793 کیلومتر مربع

ارتفاع

5/1

دلار برای هر متر مکعب

10

سال

3 درصد
 هزینه­ی ساخت

5

سال

 


حوضه­ی قره‌سو در شرایط آب و هوایی متنوعی قرار دارد.  بخش مرکزی دشت­ها دارای اقلیم نیمه خشک سرد و مرطوب و حواشی دشت­ها تحت پوشش اقلیم ارتفاعات و در نهایت منطقه بین دشت­ها و ارتفاعات دارای اقلیم مرطوب سرد می‌باشد. رژیم بارش حوضه، ‌مدیترانه­ای بوده و بخش قابل ملاحظه‌ای از ریزش­ها به صورت جامد است.

بافت خاک حوضه در دشت­ها بسیار سنگین بوده و قابلیت زهکشی کمی ‌دارد، به طوری که در برخی مناطق محدودیت عمق آب زیرزمینی جهت کشاورزی وجود دارد. خاک مناطق تپه‌ای و دامنه‌ها سبک بوده و عمدتاً مخلوطی از ذرات درشت شن و ماسه به همراه سیلت می‌باشد. خاک مناطق کوهستانی نیز عمدتاً فرسایش یافته است و در برخی مناطق، ‌عاری از پوشش گیاهی بوده و بستر سنگی نمایان می­باشد. حوضه­ی قرسو توسط صادقی و همکاران (1389) برای رواناب و رسوب خروجی شبیه­سازی و واسنجی شده است (8).

کالیبراسیون و ‌اعتباریابی مدل

برای انجام عملیات Calibration (واسنجی) از داده‌های سال‌های 1990 الی 1996 و برای Validation (تأیید اعتبار) مدل از داده­های سال­های 1997 الی 2000 استفاده شد. کالیبراسیون توسط مدل  SUFI_2و توسط صادقی و همکاران (1389) توسط نرم‌افزار SWAT_CUP صورت گرفت. (جدول 2)

 

 

جدول 2- نتایج کالیبره و تأیید اعتبار دبی و رسوب روزانه

ردیف

کالیبراسیون

تأییداعتبار

NS

NS

دبی روزانه

60/0

43/0

56/0

34/0

رسوب روزانه

49/0

45/0

32/0

27/0

 

بهینه­سازی حوضچه­های بازداشت در حوضه­ی قرسو</