Βελτιστοποίηση συστήματος μικρών φραγμάτων στους κλάδους του υδρογραφικού δικτύου του Ενιπέα Θεσσαλίας
Creators: name: Καραχάλιου, Θεοδώρα Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μικρά φράγματα
Βελτιστοποίηση
Γενετικοί αλγόριθμοι
Small dams
Optimization
Genetic algorithms

description: Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η βέλτιστη διαχείριση επιφανειακών υδατικών πόρων μιας ορεινής/ημιορεινή περιοχής με κατάλληλο σχεδιασμό συστήματος μικρών συμπαγών λίθινων φραγμάτων και του ανάλογου δανειοθαλάμου αδρανών υλικών. Γίνεται διερεύνηση της επιλογής του κατάλληλου πλήθους φραγμάτων σε κατάλληλες θέσεις και με το κατάλληλο ύψος στέψης στην κοίτη του υδρογραφικού δικτύου, για μεγιστοποίηση αντιπλημμυρικής προστασίας, εμπλουτισμού υπόγειου υδροφορέα ή επιφανειακής άρδευσης, και ελαχιστοποίηση κόστους κατασκευής φραγμάτων και μεταφοράς υλικών. Παρόλο που δεν πρόκειται για μελέτη περίπτωσης, για λόγους ρεαλισμού, η θεωρητική περιοχή μελέτης βασίζεται σε υπολεκάνη απορροής του ποταμού Ενιπέα Θεσσαλίας. Το προκαταρκτικό στάδιο περιλαμβάνει τη χρήση του ελεύθερου λογισμικού QGIS, για σχεδιασμό/απεικόνιση του ψηφιακού υποβάθρου υψομέτρων, τις χρήσεις γης, τον γεωλογικό/υδρολιθογεωλογικό χάρτη της περιοχής και το υδρογραφικό δίκτυο του ποταμού Ενιπέα. Με βάση συγκεκριμένα κριτήρια επιλέγονται 40 πιθανές θέσης κατασκευής φραγμάτων με τρία πιθανά ύψη στέψης και 4 πιθανές θέσεις δανειοθαλάμων. Το πρώτο στάδιο υπολογισμών περιλαμβάνει τον υπολογισμό των όγκων και των εμβαδών των πλημμυρισμένων περιοχών ανάντη κάθε πιθανής θέσης φράγματος για κάθε ύψος στέψης, των εμβαδών της διατομής κάθε θέσης φράγματος, και των αποστάσεων των πιθανών θέσεων φραγμάτων από τις πιθανές θέσεις δανειοθαλάμων, με τη βοήθεια των λογισμικών ArcGIS, QGIS, AutoCAD. Η αντικειμενική συνάρτηση που πρέπει να ελαχιστοποιηθεί με τη μέθοδο των γενετικών αλγόριθμων περιλαμβάνει: α) το όφελος από την αντιπλημμυρική προστασία, ανάλογο του όγκου νερού ανάντη των φραγμάτων, αυξημένο σε θέσεις ανάντη οικισμών και οδικού δικτύου, συνυπολογίζοντας οφέλη/ζημίες στις πλημμυρισμένες περιοχές, β) το όφελος από τον πιθανό τεχνητό εμπλουτισμό του υδροφόρου ορίζοντα και την εκμετάλλευση του ανάντη των θέσεων φραγμάτων αποθηκευμένου νερού για άμεση άρδευση γειτονικών καλλιεργειών, ανάλογο του όγκου νερού ανάντη των φραγμάτων, γ) το κόστος κατασκευής των φραγμάτων, ανάλογο του όγκου λιθοδομής, και δ) το κόστος μεταφοράς των απαιτούμενων αδρανών υλικών από τις 4 πιθανές θέσεις των δανειοθαλάμων. Το μεγάλο πλήθος επαναλήψεων της διαδικασίας βελτιστοποίησης και η συστηματική διερεύνηση των προτεινόμενων ως βέλτιστων λύσεων οδηγεί στην αναγνώριση πολλών εναλλακτικών λύσεων και στρατηγικών για το βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος των μικρών φραγμάτων.
description: The purpose of the diploma thesis is the optimal management of surface water resources of a mountainous/semi-mountainous area with an appropriate design of a system of small solid stone dams and the corresponding borrow-pit. The selection of the appropriate number of dams in appropriate locations and with the appropriate dam height in the hydrographic network bed is investigated to maximize flood protection, groundwater recharge or irrigation by surface water, and minimize dam construction and stonework transportation costs. Although this is not a case study, for added realism, the theoretical study area is loosely based on a sub-basin of the Enipeas River in Thessaly. The preliminary stage includes the use of the free software QGIS, to design/present the digital elevation model, the land uses, the geological/hydrolithological map of the area and the hydrographic network of the Enipeas River. Based on specific criteria, 40 possible dam construction locations with 3 possible dam heights and 4 possible borrow-pit locations are selected. The first stage of calculations involves the calculation of the volumes and areas of the flooded areas upstream of each potential dam location for each dam height, the cross-sectional areas of each dam location, and the distances of the potential dam locations from the potential levee locations, with the help of ArcGIS, QGIS, AutoCAD software. The objective function to be minimized by a genetic algorithm includes: a) the benefit from flood protection, proportional to the volume of stored water upstream of the dams, enhanced in locations upstream of settlements and road network, taking into account benefits/damages in the flooded areas, b) the benefit from the possible artificial recharge of the underlying aquifer and the exploitation of the upstream of the dam sites of stored water for direct irrigation of nearby crops, proportional to the volume of water upstream of the dams, c) the cost of dam construction, proportional to the volume of stonework, and d) the cost of stonework transportation from the 4 possible borrow-pit locations to the dams. The large number of iterations of the optimization process and the systematic investigation of the proposed optimal solutions leads to the identification of many alternative solutions and strategies for the optimal design of the small dam system.