Τεχνικές προστασίας υδροφορέων από τη δράση της θάλασσας: υπολογιστική προσομοίωση και βελτιστοποίηση λύσεων
Creators: name: Αρβανιτίδου, Σταματία Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Παράκτιοι υδροφορείς
Μοντέλο προσομοίωσης SISWIM
Βελτιστοποίηση
Διαχείριση υδατικών πόρων
Coastal aquifers
Simulation model SISWIM
Optimization
Water resources management

description: Ο κίνδυνος της υποβάθμισης των παράκτιων υδατικών πόρων από την αέναη δράση της θάλασσας σε αυτούς είναι εν δυνάμει υπαρκτός σε όλους τους παράκτιους υδροφορείς. Η ανάγκη δημιουργίας επιχειρησιακών εργαλείων βέλτιστης διαχείρισης της ζήτησης σε υπόγειους υδατικούς πόρους και εξασφάλισης της βιωσιμότητας των παράκτιων υδροφορέων από τον κίνδυνο της υφαλμύρισης στάθηκε η αφορμή για την παρούσα διατριβή. Στην παρούσα διατριβή έγινε η ανάπτυξη και η αριθμητική επίλυση ενός μαθηματικού μοντέλου πρόγνωσης της συμπεριφοράς ενός παράκτιου υδροφορέα κάτω από διάφορες συνθήκες οι οποίες παρεμβάλλονται στην αδιατάρακτη φυσική κατάσταση της ροής. Το αριθμητικό αυτό εργαλείο προσομοίωσης της ροής σε ένα παράκτιο υδροφορέα βασίστηκε σε κατάλληλες παραδοχές, οι οποίες εξασφαλίζουν την αξιοπιστία και την ακρίβειά του στην πρόβλεψη της διείσδυσης αλμυρού νερού από την ακτή στον υδροφορέα, χωρίς όμως να χάνεται η επιχειρησιακή του εφαρμοσιμότητα λόγω βεβαρυμμένου υπολογιστικού φόρτου και υπερβολικών απαιτήσεων σε υδρογεωλογικά δεδομένα. Το μαθηματικό μοντέλο (SISWIM) που αναπτύχθηκε σε FORTRAN βασίζεται σε δύο βασικές παραδοχές των στρωματωμένων ροών, την παραδοχή της απότομης διεπιφάνειας ανάμεσα στις δύο φάσεις γλυκού και αλμυρού νερό, καθώς και στη παραδοχή της σχεδόν οριζόντιας ροής κατά τον Dupuit. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία του μοντέλου SISWIM γίνεται μέσα από την επίδειξη της ταύτισης των αποτελεσμάτων του με μία σειρά γνωστών αναλυτικών λύσεων, ενώ ακολουθεί και σύγκριση μίας εφαρμογής με μία πειραματική συσκευή Hele-Shaw, κατά την οποία εξετάζεται η προώθηση της αλμυρής σφήνας με το χρόνο. Για τη δημιουργία ενός επιχειρησιακού εργαλείου χάραξης βέλτιστων πολιτικών διαχείρισης πολλαπλών αντλητικών συστημάτων το αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης SISWIM συνδυάστηκε με μία εξελικτική μέθοδο βελτιστοποίησης, τη μέθοδο των Γενετικών Αλγορίθμων (GAs), η οποία ανήκει στις σύγχρονες μεθευρετικές μεθόδους βελτιστοποίησης. Η μέθοδος των GAs είναι ευέλικτη στην κατάστρωση της αντικειμενικής συνάρτησης και δεν βασίζεται σε πολύπλοκες μαθηματικές εξισώσεις. Επιπλέον είναι κατάλληλη για την επίλυση μη γραμμικών προβλημάτων βελτιστοποίησης. Η μέθοδος των Γενετικών Αλγορίθμων είναι μια μαθηματική απομίμηση της φυσικής διεργασίας της εξέλιξης των ειδών η οποία στηρίζεται στη διαδικασία της φυσικής επιλογής σύμφωνα με τη δαρβινική θεωρία. Έχει πολύ ευρύ φάσμα εφαρμογών, ειδικά σε περιπτώσεις όπου οι αντικειμενικές συναρτήσεις παρουσιάζουν πολλά τοπικά ακρότατα ή ασυνεχείς παραγώγους και μπορεί να δώσει λύσεις εκεί που άλλες συμβατικές μέθοδοι τοπικής έρευνας αποτυγχάνουν. Το συνδυαστικό μοντέλο βελτιστοποίησης Ev-SISWIM επιλύει μόνιμα φαινόμενα ροής αλλά και μη μόνιμα σε χρονική κλίμακα δεκαετιών, ενώ η βελτιστοποίηση των πολλαπλών απολήψεων από παραγωγικά φρέατα σε έναν παράκτιο υδροφορέα βασίζεται στον υδροδυναμικό έλεγχο της θέσης της αλμυρής σφήνας και στην γεωμετρία της διεπιφάνειας γλυκού-αλμυρού νερού.
description: The degradation of coastal water resources due to the perpetual effect of the sea on them is a potential danger that threats all coastal aquifers. The necessity to come up with management tools for the optimal management of coastal aquifers which are vulnerable to salt water intrusion was the main cause for this Thesis. The synthesis of the “optimal management” model Ev-SISWIM is done by the combination of an arithmetic model that simulates the flow in coastal aquifer and the optimization method of genetic algorithms. The mathematical and arithmetic model SISWIM ® (Sharp Interface Sea Water Intrusion Model) predicts the behavior of coastal aquifers under a variety of flow conditions. SISWIM simulates the geometry and the position of the salt water wedge and the hydraulic heads for both phases of salt and fresh water for any flow conditions and for different interferences to the flow conditions such as production or injection wells, underground diaphragms etc. The formulation of the model is based on suitable simplified assumptions that ensure the reliability and the accuracy of the model. SISWIM is an operational tool that gives reliable results of salt water intrusion into aquifers and doesn’t require a lot of hydrological or hydro-geological information and computational time and for that reason it is an eligible computational tool with operational effectiveness. The formulation of the mathematical model SISWIM is based on the continuity equation, the Darcy’s law and on two simplifying assumptions. The first assumption, of two immiscible layers of salt and fresh water implying a sharp interface between them, simplifies the problem to that of the coupled flow of two fluids and the second, known as “Dupuit” assumption, refers to the hydrostatic pressure distribution in the two layers (assumption of nearly horizontal flow) and the consideration of the depth-mean seepage velocities in each layer. The boundary condition that connects the coupled flow equations for the fresh and salt water is the common hydrostatic pressure on the interface of the two liquids. The accuracy of the model is verified by its comparison with well known analytical solutions which are usually used for benchmarking as well as by a comparison to an experimental application using a Hele-Shaw apparatus. The experimental implementation with the Hele-Shaw analogue examines the movement of the salt water wedge regarding to time. For the development of a management tool for policy making strategies of a complicated system of pumping wells the simulation model SISWIM was combined with an evolutionary optimization method, the method of Genetic Algorithms (GAs). GAs method belongs to modern meta-heuristic methods of optimization. This method is flexible regarding the configuration of the objective function without requiring complex mathematical equations while it is suitable for the solution of nonlinear optimization problems. The method of GAs is a mathematical imitation of a biological process, namely that of evolution of species that based on the process of natural selection according to Darwin’s Theory. The method has a wide range of applicability, especially on cases that objective functions (evaluation functions) have a lot of local optima or non continuous derivatives and give reliable solutions when other conventional methods fail. The combined optimization model Ev-SISWIM gives solutions to problems under steady or unsteady flow conditions to a time scale of some decades while the optimization of the operation of multiple pumping wells in a coastal aquifer is based on the hydrodynamic control of saltwater wedge.