رویکرد شبیه‌سازیبهینه‌سازی مبتنی بر فرامدل در بهره‌برداری بهینه منابع آبی با در نظر گرفتن جنبه‌های کمّی و کیفی

در اینپژوهش، بهینه‎سازی بهره‌برداری از مخزن در ساختار برداشت انتخابی با در نظر گرفتن جنبه‌های کمّی و کیفی منابع آب مورد بررسی قرار گرفت. حل این مسئله بزرگ مقیاس، با استفاده از رویکرد شبیه‌سازی بهینه‌سازی مبتنی بر فرامدل با هدف ارتقاء تامین نیازهای آبی پایین‌دست و بهبود کیفیت جریان آب خروجی از مخزن مورد توجه این پژوهش بوده است. شبیه‌سازی هیدرودینامیک و کیفیت سیستم رودخانه مخزن مورد بررسی، توسط مدل دو بعدی هیدرودینامیک و کیفیت آب cequalw2 انجام و الگوریتم بهینه‎سازی چند هدفه هوش جمعی ذرات به‌عنوان ابزار بهینه‎سازی به‌کار گرفته شد. با توجه به لزوم فراخوانی‌های متعدد مدل cequalw2 توسط الگوریتم بهینه‎سازی در رویکرد شبیه‎سازی بهینه‎سازی و نیز حجم محاسباتی زیاد این مدل عددی در تخمین پارامترهای کیفیت آب جریان خروجی از مخزن، مدل/مدل‌های جایگزین تقریب غلظت پارامترهای کیفی جریان خروجی مخزن، از جمله اکسیژن محلول، نیترات، فسفات، bod و آهندر پژوهش حاضر توسعه یافت. در ادامه ارتباط میان الگوریتم بهینه‎سازی و مدل‌های جایگزین تقریب کیفیت و مدل موازنه حجم آبی در مخزن دنبال شد. تابع هدف کیفی این مسئله بهینه‌سازی به‌صورت شاخص کیفیت تجمیع کننده زیرشاخص‌های غلظت پارامترهای متعدد کیفی تعریف شد. رویکرد پیشنهادی در این بررسی به‌منظور استخراج الگوی بهینه بهره‌برداری از مخزن در ساختار برداشت انتخابی در سیستم رودخانه مخزن ایلام مورد آزمون قرار گرفت. نتایج بیانگر کارایی و دقت قابل توجه مدل‌های جایگزین توسعه داده شده در تقریب غلظت پارامترهای متعدد کیفی خروجی از مخزن در مقایسه با مدل cequalw2 بود. خطای تقریب اکسیژن محلول، نیترات، فسفات، آهن و bod به‌ترتیب 3، 1، 2، 2 و 3 درصد بود. همچنین نتایج، ارتقاء کیفیت جریان خروجی و بهبود تامین نیاز آبی پایاب مخزن ایلام را نشان داد. دلیل این رویداد، افزایش برداشت از مخزن، کاهش زمان ماند و به تبع آن کاهش فرصت ته‌نشینی آلاینده‌ها و رخداد واکنش‌های شیمیایی است.

Surrogate Based SimulationOptimization Approach in Optimal Operation of Waterbody Considering Quality and Quantity Aspects

In this research, deriving optimal reservoir operation in selective withdrawal scheme considering quality and quantity aspects has been studied. Surrogate based simulationoptimization approach (SBSOA) has been applied to improve downstream water supply and enhance reservoir outflow water quality. CEQUALW2 as the hydrodynamic and water quality simulation model in the riverreservoir system and multiobjective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm as an efficient tool have been applied in simulationoptimization (SO) approach. To overcome the computational burdens of multiple calls of CEQUALW2, as a numerical high fidelity model, various surrogate models have been developed to simulate reservoir outflow water quality parameters (DO, NO3, PO4, BOD, and Fe). The developed surrogate models and mass balance model have been coupled with MOPSO algorithm in SBSOA. In this study, the water quality objective function is defined as water quality index (WQI), which integrates various water quality parameters, DO, NO3, PO4, BOD, and Fe. The proposed approach has been applied in Ilam riverreservoir system to derive optimal reservoir operating strategies in the selective withdrawal scheme. The results show suitable efficiency and accuracy of the developed surrogate models in approximation of various water quality parameters compared with CEQUALW2 simulation results (the approximation error of DO, NO3, PO4, Fe, and BOD has been respectively 3%, 1%, 2%, 2%, 3%). The studies indicate enhancing reservoir outflow water quality is consistent with downstream water supply satisfaction. It means, the increasing of reservoir outflow rate leads to the reservoir detention time decreasing, pollutant settling rate reductions, and chemical/biological reaction attenuation.