دانشگاه شیراز

واحد بین الملل

 پایان­نامه ­ی کارشناسی ارشد

در رشته­ ی مهندسی عمران – سازه­ های هیدرولیکی

 بهینه یابی چند متغیره یک شبکه توزیع آب

با رویداشت به اطمینان پذیری

 استادراهنما

دکتر غلامرضا رخشنده رو

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)


چکیده
با در نظر داشتن کمبود آبهای شیرین و در دسترس جهت شرب، تامین و توزیع آب در شبکه های آبرسانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می باشد. شبکه‌های آب شهری را می توان با در نظر داشتن مسائل هیدرولیکی، هزینه و اطمینان‌پذیری به‌صورت چند متغیره بهینه یابی نمود. در این پایان نامه شبکه آبرسانی شهرک بزین، واقع در غرب شهر شیراز با 1907 مشترک، به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب و بکمک نرم افزار WaterGEMS شبیه سازی گردید. فشار و اندازه آب ورودی به شهرک از طریق فلومتر الکترومغناطیسی نصب شده در ورودی اندازه‌گیری گردید. بر این اساس آب ورودی به این شهرک در سال 1391 به اندازه 534،573 مترمکعب با متوسط سرانه مصرف 187 لیتر در روز و فشار متوسط ورودی 60 متر آب بوده می باشد. بهینه یابی شبکه فوق در سه مرحله انجام گرفت. در آغاز، پارامترهای هیدرولیکی (فشار گره ها و سرعت آب در لوله ها) و اطمینان پذیری شبکه با تغییر قطر لوله ها بهینه گردیدند. در مرحله بعد جانمایی‌های مختلفی از شبکه مورد مطالعه قرار گرفت و دو جانمایی بعنوان بهینه تعیین گردیدند. اطمینان پذیری این دو جانمایی برابر با 97.95 و 98.08 درصد و مقدار تابع هدف بهینه در آنها برابر با 117 و 113 میلیون واحد بود. همانطور که انتظار می‌رفت، این جانمایی‌ها دارای بیشترین تعداد حلقه‌ها بودند. پس از آن به مطالعه تاثیر پارامتر اطمینان‌‌پذیری شبکه بر تابع هدف پرداخته گردید. با تغییر اطمینان‌پذیری‌ از 75 تا 99.99 درصد مشخص گردید که بیشترین اندازه تابع هدف برای بدست آوردن اطمینان‌پذیری 99.99 درصد و به اندازه 161 میلیون واحد می‌باشد. بطور کلی افزایش اطمینان پذیری، به صرف هزینه بیشتر و افزایش مقدار تابع هدف منجر گردید. در انتها باتوجه به بالا بودن اندازه فشار در گره‌ها و بمنظور فراهم کردن شرایط هیدرولیکی قابل قبول در مدل شبکه، شیر فشارشکن در ورودی شبکه نصب گردید که هد فشار ورودی را به 20 مترآب کاهش داد. با اینکار، متوسط فشار شبکه به اندازه 70 درصد کاهش پیدا نمود به گونه ای که 97 درصد فشار گره‌ها در محدوده فشار مجاز قرار گرفتند. همچنین متوسط سرعت آب در شبکه 5 درصد افزایش پیدا نمود.
کلمات کلیدی: شبکه توزیع آب، بهینه‌یابی چند متغیره،اطمینان‌پذیری، جانمایی، بزین
فهرست مطالب
عنوان                                                                                        صفحه
فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………… 2
1-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………….. 2
1-2- ضرورت انجام پژوهش……………………………………………………………………………….. 3
1-3- اهداف پایان نامه……………………………………………………………………………………… 4
1-4- ساختار پایان نامه…………………………………………………………………………………….. 5
 فصل دوم: مروری بر کارهای پیشینیان
2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………. 7
2-2- محاسبات شبکه های توزیع آب………………………………………………………………………………. 8
2-2-1- محدودیت های طراحی شبکه آب…………………………………………………………………………… 8
2-2-2-روابط حاکم بر جریان های هیدرولیکی……………………………………………………………………. 8
2-3- بهینه یابی…………………………………………………………………………………………………… 10
2-3-1-مفاهیم بهینه یابی……………………………………………………………………………………… 10
2-3-2- روش‌های بهینه یابی………………………………………………………………………………………. 11
2-3-2-1- روشهای تحلیلی ………………………………………………………………………………………….. 11     
2-3-2-2- روش‌های بهینه‌سازی تکاملی …………………………………………………………………….. 12
2-3-2-2-1- الگوریتم ژنتیک……………………………………………………………………………………….. 12
2-3-2-2-2-آنیلینگ شبیه‌سازی شده…………………………………………………………………………. 14
2-3-2-2-3-جستجوی ممنوع………………………………………………………………………………………. 15
2-3-2-2-4-سیستم کلونی مورچگان…………………………………………………………………………… 16
2-3-2-بهینه‌یابی شبکه های آبرسانی……………………………………………………………….. 17
2-3-3-بهینه سازی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزیع آب و اطمینان پذیری: …………. 21
فصل سوم: مواد و روش ها
3-1- معرفی شهرک بزین………………………………………………………………………………………. 28
3-1-1- معرفی منطقه مورد مطالعه……………………………………………………………………. 28
3-1-2- وضعیت آبرسانی………………………………………………………………………………… 29
3-2- فلومتر الکترومغناطیسی ABB…………………………………………………………….. 31
عنوان                                                                                                 صفحه
3-3- نرم افزارهای بهره گیری شده در این پایان نامه…………………………………………….. 32
3-3-1- نرم افزار مدل سازی شبکه آبرسانی  WaterGEMS ……………………………………… 32
3-3-2- نرم افزار GIS…………………………………………………………………………………. 35
3-3-2-1- تعریف  GIS………………………………………………………………………….. 35
3-3-2-2- مختصری از تاریخچه………………………………………………………………. 36
3-3-2-3- ویژگی های GIS………………………………………………………………… 36
3-3-2-4- معرفی نرم افزار ArcGIS………………………………………………………….. 37
3-3-3- نرم افزار متلب……………………………………………………………………………… 38
3-3-3-1- توضیحات نرم افزار……………………………………………………………… 38
3-3-3-1- ساختار نرم افزار متلب……………………………………………………………….. 39
3-4-تست مدل (صحت سنجی و کالیبراسیون مدل)……………………………………….. 40
3-5- انتخاب روش بهینه یابی……………………………………………………………………. 41
3-5-1-بهینه‌یابی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزیع آب و اطمینان پذیری:………………. 43
3-5-2- محاسبه تابع هدف………………………………………………………………………. 45
فصل چهارم: نتایج و بحث پیرامون آن
4-1- نتایج مطالعات در وضعیت موجود  ……………………………………………. 54
4-1-1- مطالعه و تحلیل دبی ورودی به شهرک بزین در سال های 1388 تا 1391……….. 55
4-1-1-1- نمودار دبی ورودی در سال 1388……………………………………………………………… 56
4-1-1-2- نمودار دبی ورودی در سال 1389……………………………………………………………… 57
4-1-1-3- نمودار دبی ورودی در سال 1390……………………………………………………………… 57
4-1-1-4- نمودار دبی ورودی در سال 1391……………………………………………………………… 58
4-1-2- اندازه تغییرات دبی، جمعیت و سرانه مصرف………………………………………………………… 59
4-1-3- دبی ورودی شهرک بزین در فصل مختلف سال……………………………………………………… 60     
4-1-4- دبی ورودی شهرک بزین بصورت روزانه………………………………………………………………….. 63
4-1-5- فشار ورودی شهرک بزین بصورت سالانه………………………………………………………………… 66
4-2- آماده‌سازی مدل کامپیوتری …………………………………………………………………………….. 69
4-2-1- جمع‌آوری داده‌های ورودی …………………………………………………………………………………….. 69
4-2-2- کلیات……………………………………………………………………………………………………… 69
4-2-3- نیازهای آبی……………………………………………………………………………………………… 74
4-2-4- آرایش شبکه……………………………………………………………………………………….. 74
عنوان                                                                                              صفحه
4-2-5- اجرای برنامه…………………………………………………………………………………….. 79
4-3- کالیبراسیون……………………………………………………………………………………………….. 79
4-3-1- مطالعه وضعیت موجود با بهره گیری از اندازه گیری پارامترها و مقایسه با نرم افزار.. 79
4-4. بهینه‌یابی شبکه………………………………………………………………………………………………. 83
4-4-1- تاثیر تغییر قطر بر اطمینان پذیری و تابع هدف…………………………………………… 84
4-4-2- جانمایی‌های مختلف شبکه و مقایسه آنها………………………………………………………. 91
4-4-2-1- معرفی سناریوهای مختلف شبکه ………………………………………………………………. 92
4-4-2-2- اطمینان پذیری هر جانمایی……………………………………………………………………….. 96
4-4-2-2- به دست آوردن تابع هدف کمینه………………………………………………………………. 98
4-4-3- مقایسه آرایش های مختلف شبکه با در نظر داشتن اطمینان پذیری و تابع هدف……….. 100
4-4-3- تغییر اطمینان پذیری معلوم و مقایسه تابع های هدف…………………………………………. 102
4-3-5- نصب شیر فشارشکن (PRV)  در ورودی شبکه و مطالعه اثرات آن………………….. 104
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………….. 105
5-2- پیشنهادات………………………………………………………………………………………………… 106
فهرست منابع……………………………………………………………………. 107
مقدمه
آب سر منشاء تولید کوشش و تمدن می باشد. خداوند در قرآن کریم هستی حیات هر چیزی را به آب وابسته دانسته می باشد و تداوم حیات را در گرو وجود آب دانسته می باشد. اهمیت آب شرب و آبیاری در کشاورزی مخصوصا در کشاورزی ایران بر کسی پوشیده نیست. اگر تمام معضلات و مسائل مربوط به آب شرب و تولید کشاورزی را در در یک کفه ترازو و معضلات و مسائل مربوط به آب را در طرف دیگر قرار دهیم معضلات مربوط به آب سنگین تر خواهد بود. کشور ایران در بخش نیمه خشک کره زمین قرار دارد. پس خارج از ذهن نیست که آب از قدیم الایام ارزش بسیار والایی نسبت به دیگر مناطق داشته می باشد. در گذشته با وجود معضلات فراوان و نبود امکانات فنی برای دسترسی به آب‌های زیرزمینی، دست به حفر چاه و ایجاد قنات و غیره زدند.
بر خلاف نفت و کالاهای دیگر، آب را نمی توان در حجم زیاد از جایی به جای دیگر انتقال داد و پس مصرف آن فقط به منابع محلی محدود می باشد. البته شکی نیست که توسعه و اجرای طرح های آبی از نظر بالابردن استاندارد و سطح زندگی مردم الزامی می باشد و اگر بخواهیم به مردم کمک گردد بایستی توسعه برنامه‌های آبی صورت گیرد. اما این کار بدون تخلیه آب‌های زیر زمینی و خشک شدن رودخانه ها و یا از بین رفتن جنگلها به آسانی حاصل نخواهد گردید.
1-2- ضرورت انجام پژوهش
آب یکی از بزرگترین چالش‌های قرن حاضر می باشد که می تواند سر منشاء بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد. 5/96 درصد از کل آب موجود در کره زمین در دریاها و اقیانوسها و 5/2 درصد از آن به عنوان آب تازه و شیرین می باشد. از آب‌های شیرین 97 درصد در یخچال‌های قطبی، 20 درصد در سفره‌های زیر زمینی و تنها 1 درصد در سطح زمین قرار دارد] 1[.
 5/2 درصد از کل آب های زمین شیرین می باشد که حدود 6/68 درصد آن به صورت جامد در یخچالهای قطبی و قله کوه ها قرار دارد. 1/30 درصد آن در زیرزمین قرار گرفته می باشد. 006/0 درصد از کل آبهای شیرین در رودخانه ها جاری می باشد و 003/0 درصد آن به عنوان آبهای بیولوژیکی در اندام حیوانات و گیاهان قرار گرفته می باشد ]1[.
آب آشامیدنی، آبی با کیفیت مناسب بدون اثرات منفی کوتاه‌مدت یا بلند‌ مدت می باشد. در بسیاری از نقاط جهان، دسترسی راحت و ارزان به آب آشامیدنی وجود ندارد. در این مناطق بیشتر افراد از آبی بهره گیری می‌کنند که یا دارای میکروب و آلودگی می باشد یا به سبب داشتن املاح و ذرات بیش از اندازه، در طولانی مدت برای بدن خطرآفرین هستند. وجود منابع آب آشامیدنی مطمئن، از نیازهای اولیه بشر و یکی از اهداف اولیه عرصه های بین‌المللی در دهه بین‌المللی “آب برای زندگی (2005-2015)”[1] می‌باشد ]2[.
همزمان با رشد جمعیت در جهان و رشد و توسعه صنایع مختلف، آلودگی آب آشامیدنی، تبدیل به یکی از اساسی‌ترین معضلات جهان گردیده‌می باشد. سازمان بهداشت جهانی (WHO) اظهار می کند که وقتی منابع آب آشامیدنی، کم و اندازه خدمات، نامناسب باشند، شهرها در معرض بیشترین تهدیدهای محیط زیستی قرار می‌گیرند (گزارش توسعه جهانی آب، 2003[2]( ]3[. وجود این مسئله باعث می گردد نیاز به سیستم توزیع آب مطمئن و کافی در شهرها مورد توجه قرار گیرد. مسئله تامین آب شرب سالم، در آینده‌ای نه چندان دور یکی از اصلی ترین چالش‌های جهانیان خواهد گردید.
پس بین توان تامین آب و شدت تقاضا در جهان تفاوت عمده‌ای هست که بحران آفرین می باشد. هنگامی که این عدم تعادل با مجموعه راهکارهای مدیریتی قابل مهار نباشد، چه در بعد محلی و چه در بعد ملی و جهانی، زبان مفاهمه در بخش آب به زبان مخاصمه تغییر خواهد نمود. طبق آخرین برآوردهای یونسکو و فائو از چرخه آب در کره زمین نشان می دهد که متوسط  بارندگی سالانه ایران 251 میلیمتر می باشد که اختلاف قابل توجهی با متوسط  بارندگی هر یک از قاره ها دارد و تنها با بارندگی کشورهای نیمه خشک و صحرایی بعضی از قاره ها قابل مقایسه می باشد. همچنین خشکسالی های پیاپی در سالهای اخیر به مسئله کمبود آب و بحران آب قابل بهره گیری در بسیاری از نقاط ایران دامن زده می باشد.
1-3- اهداف پایان نامه
رشد سریع صنعت و توسعه زیربنایی شهرها باعث گردیده که طراحی و بهره‌برداری از شبکه‌های توزیع آب در ساختار مدیریت شهری، امری حیاتی تلقی گردد. شبکه توزیع آب به عنوان یک سازه زیربنایی هیدرولیکی، شامل مجموعه‌ای از لوله‌ها، ابزارهای هیدرولیکی (پمپ‌ها، شیرآلات و اتصالات خطوط لوله) ومخازن بوده و هدف آن تأمین آب سالم با فشار مناسب برای تقاضاهای مختلف شبکه می‌باشد. با در نظر داشتن هزینه‌های هنگفت اجرای شبکه‌های آبرسانی و نیز اهمیت تولید و توزیع آب، لازم می باشد شبکه‌های توزیع آب مورد تحلیل و ارزیابی قرار گیرند.. طراحی و نگهداری یک شبکه توزیع آب شامل تعیین اندازه تقاضای گره‌ها، طراحی بهینه شبکه توزیع آب، ابعاد بهینه اجزاء سیستم شامل لوله‌، پمپ‌، شیرآلات و غیره و بهره‌برداری بهینه شبکه می‌باشد. امکان وجود ترکیب‌های زیاد از جنس لوله‌ها، مسیر عبور لوله‌ها، قطر لوله‌ها، محل ایستگاه‌های پمپاژ و مخازن موجود، کار مهندسان و مدیران درگیر در طراحی شبکه های توزیع آب را دشوار می‌سازد. پارامترهای بهره‌برداری مانند مرز نواحی فشاری، تنظیمات شیرهای کنترلی و برنامه بهره‌برداری پمپ‌ها که بر کیفیت خدمات، هزینه کل و عمر آنها اثرگذار می باشد نیز به این پیچیدگی اضافه می گردد.
هدف از بهینه‌یابی، اطمینان از عملکرد شبکه در شرایط بهینه می باشد. در واقع هدف از بهینه‌یابی یافتن بهترین جواب قابل قبول، با در نظر داشتن محدودیتها و نیازهای مسأله و تعیین متغیرهای طراحی می باشد که تابع هدف کمینه یا بیشینه باشد ]4[.
بهینه‌یابی در حل مسائل مهندسی و اقتصادی، محور اصلی تصمیم‌گیری می‌باشد. بهترین طرحهای ارائه شده توسط مهندسان طراح آنهایی هستند که بتوانند با بهره گیری از روشهای بهینه‌یابی در صرف زمان و هزینه طراحی صرفه‌جویی نمایند. از آنجاییکه بسیاری از مسائل بهینه‌یابی در مهندسی، پیچیده‌تر و مشکلتر از آن هستند که با روشهای سنتی بهینه‌یابی قابل حل باشند، پس بهره گیری از روش‌های جدید بهینه‌یابی ضرورت می‌یابد.
1-4- ساختار پایان نامه
در این پژوهش شهرک بزین به عنوان مورد مطالعاتی انتخاب گردید. شبکه آب منطقه در برنامه واترجمز به صورت مدل هیدرولیکی درآمده و پارامترهای هیدرولیکی آن در هر گره و لوله نشان داده شده اند که در صورت هر نوع تغییر قابل پیش بینی گردید. در آغاز تابع بهینه تعریف گردید. این تابع شامل پارامترهای بازی فشار گره ها، سرعت آب در لوله ها و اطمینان پذیری مطلوب بود. این تابع در سه حالت بهینه شده و نتایج گوناگون به دست آمد. اول پارامترهای هیدرولیکی شبکه با بهره گیری از این تابع بهینه شدند. در مرحله بعد، ده جانمایی متفاوت بر روی شبکه تعریف گردید و تابع هدف برای هر یک بهینه گردید. در نهایت بهینه ترین جانمایی به دست آمد. در مرحله آخر اطمینان پذیری معلوم تغییر داده گردید تا اثر اطمینان پذیری بر روی تابع هدف به دست آید.   
این پایان‌نامه و مطالعات مرتبط با آن در پنج فصل گردآوری شده می باشد. در فصل اول، نگرانی‌های موجود و ضرورت انجام این مطالعه اظهار گردیده می باشد. در فصل دوم، مروری بر تاریخچه آبرسانی در دنیا و ایران مطرح می گردد. سپس تاریخچه بهینه‌یابی و انواع روش‌های آن مورد مطالعه قرار گرفته و کاربرد آن در شبکه‌های آبرسانی شهری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. سپس به مفاهیم اطمینان‌پذیری پرداخته و دسترس‌پذیری شبکه توزیع آب شهری مطالعه و اظهار می گردد.
در فصل سوم این پایان‌نامه، مواد و روش‌ها، منطقه مطالعاتی انتخاب شده معرفی می گردد. سپس به ارائه و معرفی نرم‌افزارها و مدل‌های بهره گیری شده در این کار پرداخته می گردد. منابع موجود آب و چگونگی آبرسانی منطقه و وضعیت موجود آن ارائه می گردد. سپس درمورد کالیبراسون و اندازه‌گیری و مقایسه واقعیتهای موجود با تئوری مطالبی اظهار می گردد. پس از آن به انواع بهینه‌یابی و روش‌های آن پرداخته شده و روش انتخاب شده، متغیرها، قیدها و پارامترهای شبکه برای این منطقه ارائه می گردد.
در فصل چهارم، نتایج و بحث پیرامون آن، کلیه نتایج به‌دست آمده وضعیت موجود، اعداد و ارقام، نتایج عملی یا به دست آمده از نرم افزارها اظهار می گردد. سپس جانمایی موجود شبکه و حالت‌های ممکن آن اظهار شده و مورد آزمایش قرار می‌گیرند. همچنین هزینه به عنوان یکی از قیود اصلی در فرمول‌بندی ها لحاظ گردیده و اثرات خود را در نتیجه به نمایش می‌گذارد. از طرفی شروط هیدرولیکی شبکه مورد در حالت های مختلف مورد توجه قرار گرفته و مقایسه می‌گردند. در نهایت نتیجه‌گیری شده و حالت بهینه شبکه انتخاب گردیده و معرفی می گردد. در نهایت فصل پنجم که مشتمل بر نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی مبنی بر تحقیقات آینده می باشد، پایان بخش این نوشتار می باشد.

تعداد صفحه :133
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد مهندسی عمران: تحلیل تغییرات بستر در محدوده آبگیر های جانبی موجود در کانالهای قوسی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران