Βελτιστοποίηση σχεδιασμού υδροδυναμικού ελέγχου ρύπων για προστασία υδρογεωτρήσεων, με χρήση μεθευρετικών αλγορίθμων
Creators: name: Καλοφωλιάς, Δημήτριος Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Βελτιστοποίηση
Διαχείριση υπογείων υδατικών πόρων
Υδροδυναμικός έλεγχος
Optimization
Groundwater resources management
Hydraulic control

description: Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη δυνατότητα προστασίας υδρογεωτρήσεων από μία κηλίδα ρύπανσης, μέσω της εγκατάστασης και λειτουργίας γεωτρήσεων ελέγχου στην ευρύτερη περιοχή. Η κίνηση των ρύπων προσομοιώνεται με τη μέθοδο των κινουμένων σημείων, ενώ για τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης του συστήματος των υφισταμένων υδρογεωτρήσεων όπως και της τοποθέτησης και διαχείρισης των γεωτρήσεων ελέγχου χρησιμοποιούνται οι παρακάτω πέντε μεθευρετικοί αλγόριθμοι: O Γενετικός Αλγόριθμος (Genetic Algoritmh), η Βελτιστοποίηση Σμήνους Σωματιδίων (Particle Swarm Optimization), ο Αλγόριθμος Αναζήτησης Αρμονίας (Harmony Search Algorithm), ο Αλγόριθμος Διαφορικής Εξέλιξης (Differential Evolution) και ο Αλγόριθμος OMMA (One More Metaheuristic Algorithm). Ο OMMA είναι ένας νέος αλγόριθμος ο οποίος σχεδιάστηκε ειδικά για το πρόβλημα βελτιστοποίησης που διερευνά η παρούσα διατριβή. Η διαδικασία βελτιστοποίησης αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση μιας αντικειμενικής συνάρτησης κόστους του σχεδιασμού υδροδυναμικού ελέγχου ρύπων για την προστασία υδρογεωτρήσεων, η οποία περιλαμβάνει το πραγματικό κόστος εγκατάστασης και άντλησης και ένα εικονικό κόστος, το οποίο προκύπτει από ποινές, που επιβάλλονται όταν παραβιάζονται οι περιορισμοί του προβλήματος. Οι μεταβλητές απόφασης είναι οι παροχές άντλησης ή φόρτισης των υφιστάμενων υδρογεωτρήσεων καθώς και οι θέσεις και οι παροχές άντλησης ή φόρτισης των γεωτρήσεων ελέγχου της ρύπανσης. Το δε κόστος της αντικειμενικής συνάρτησης αποτελείται από το κόστος άντλησης υφιστάμενης και νέας γεώτρησης, το κόστος εγκατάστασης νέας γεώτρησης, το κόστος υδραυλικού δικτύου μεταφοράς νερού, καθώς και ένα εικονικό κόστος το οποίο προσομοιώνεται μέσω ποινών που επιβάλλονται όταν παραβιάζονται οι υδραυλικοί και τεχνικοί περιορισμοί του προβλήματος. Εξετάζονται συνολικά τέσσερις περιπτώσεις (σενάρια) για βάθη αρχικής πιεζομετρικής στάθμης από την επιφάνεια του εδάφους 50m και 100m, και χρόνους αποπληρωμής της επένδυσης δύο ετών και είκοσι ετών, και αξιολογούνται τόσο οι προτεινόμενες τεχνικές λύσεις όσο και οι αποδόσεις των μεθευρετικών αλγορίθμων.
description: This thesis deals with the protection of groundwater wells, by means of hydrodynamic control of a contaminant plume via installation and operation of control wells in the study area. Contaminant transport is simulated by means of a particle tracking technique, while five metaheuristic algorithms are designed and applied to optimize flow rates of the existing wells as well as the location and management of the control wells: Genetic Algoritmh, Particle Swarm Optimization, Harmony Search Algorithm, Differential Evolution and OMMA (One More Metaheuristic Algorithm). The last one is introduced in this study for the first time. The optimization process aims at minimization of an objective function, consisting of the actual additional pumping cost and installation cost plus a virtual cost, resulting from penalty functions. Penalties are imposed, whenever problem constraints are violated. The decision variables are the pumping or injection flow rates of the existing wells plus location and pumping or injection flow rates of the control wells. The objective function costs constist among other of the pumping cost of the existing and the new (control) wells, installation cost the control wells and pipeline cost. Four case studies are examined, consisting of various combinations of initial piezometric level and capital return period of the installation cost. Finally, the suggested technical solutions as well as the robustness of the metaheuristic algorithms are evaluated.