Βελτιστοποίηση διαχείρισης υπόγειων υδατικών πόρων με σύνδεση του αλγορίθμου αναζήτησης αρμονίας και του τριδιάστατου μοντέλου υπόγειας ροής Modflow
Creators: name: Αντωνίου, Μαργαρίτα Χριστόφορου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Διαχείριση υπόγειων υδατικών πόρων
Modflow
Αλγόριθμος αναζήτησης αρμονίας
Groundwater resource management
Harmony search algorithm

description: Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η διαχείριση ενός συστήματος υπόγειων υδροφορέων με το συνδυασμό αλγορίθμου βελτιστοποίησης και μοντέλου προσομοίωσης ροής υπόγειων υδάτων. Σαν μοντέλο προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε το τρισδιάστατο μοντέλο υπόγειας ροής, Modflow, το οποίο χρησιμοποιεί τις πεπερασμένες διαφορές ως μαθηματικό μοντέλο για τη λύση της θεμελιώδης εξίσωσης ροής. Το μοντέλο αυτό συνδέεται με τον αλγόριθμο αναζήτησης αρμονίας, έναν αλγόριθμο βελτιστοποίησης που προσομοιάζει την αναζήτηση της τέλειας αρμονίας στη μουσική. Το πρόβλημα που μελετάται στη συγκεκριμένη εργασία, είναι το θεωρητικό παράδειγμα που υπάρχει στο εγχειρίδιο του Modflow, και εξετάζεται η βελτιστοποίηση του συστήματος με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του κόστους άντλησης των γεωτρήσεων. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού αναπτύσσεται κατάλληλος υπολογιστικός κώδικας με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Matlab.Αναλυτικότερα, με δεδομένες τις θέσεις των γεωτρήσεων άντλησης και τη συνολική απαιτούμενη παροχή άντλησης του συστήματος των τριών υδροφορέων, προσδιορίζεται η βέλτιστη κατανομή των παροχών χωρικά. Το πρόβλημα επιλύεται για δύο παραλλαγές, όπου στην μία συνυπάρχουν και σωλήνες αποστράγγισης ενώ στην δεύτερη όχι. Επίσης, βέλτιστες λύσεις για τη πρώτη παραλλαγή προσδιορίζονται για δύο διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις ξεχωριστά, για το συνολικό κόστος και την συνολική πτώση στάθμης. Για τον έλεγχο της ορθότητας του προγράμματος, πριν τους κύριους υπολογισμούς ο κώδικας εφαρμόστηκε σε κάποια απλούστερα προβλήματα και έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε στο κυρίως πρόβλημα και τα αποτελέσματα του παρατίθενται αναλυτικά για όλες τις περιπτώσεις σε πίνακες και γραφήματα, τα οποία σχολιάζονται. Γίνεται επίσης, λεπτομερής ανάλυση του κώδικα που συντάχθηκε καθώς και μια ανάλυση ευαισθησίας του αλγορίθμου σε σχέση με τις διάφορες παραμέτρους και την επίδραση τους στην διαδικασία σύγκλισης του. Τα αποτελέσματα δείχνουν, ότι το συνδυαστικό αυτό μοντέλο δίνει πολύ καλές λύσεις και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων διαχείρισης υπόγειων υδάτων.
description: The aim of this master’s thesis is the management of a system of aquifers by the combined use of an optimization algorithm and a groundwater flow simulation model. Modflow, a modular three dimensional finite difference groundwater flow model is used as a simulation model. This model is then connected to the harmony search algorithm, an optimization algorithm that simulates the quest for perfect harmony in music. In my thesis, I analyze the theoretical example found in the manual of Modflow and I examine the optimization of its system in terms of minimizing the cost of pumping drilling. To achieve this goal, I have developed a code using the Matlab programming language. More specifically, while the positions of the pumping wells and the total required demand for the pumping wells from the three aquifers system are known in advance, the optimal spatial distribution of the pumping rates is determined. Two alternative cases of the same problem are formulated and solved; the former case includes drain pipes and the latter one does not. Moreover, the optimal solutions for the former alternative are regulated by two different objective functions, the total cost and the total water drawdown. Right before the main calculation, the code has been applied to some simpler cases in order to test the accuracy of the program and rather satisfactory results have been obtained. The results for all cases are presented in tables and graphs. The sensitivity of HS algorithm is evaluated by performing a sensitivity analysis which aims to determine the impact of the algorithm parameters to the convergence process. The results show that the combined model provides a very useful solution and can be used to solve complex groundwater management problems.