Su dağıtım şebekelerinde ek klorlama planlarının simülasyon optimizasyon modelleri kullanılarak belirlenmesi
Determination of the booster chlorination plans in water distribution networks using simulation optimization models
Yazar: ŞERİFE GÖKÇE
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TAMER AYVAZ
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Su dağıtım şebekelerinde dezenfeksiyon amacıyla klorlama işlemi
yapılmaktadır. Bu işlemin etkin bir şekilde yapılabilmesi için şebeke boyunca her
düğüm noktasındaki bakiye klor konsantrasyonlarının standartlarda belirtilen alt
ve üst limit değerler arasında bulunması gerekmektedir. Pratikte klorlama işlemi
genellikle depo veya arıtma tesisi gibi tek bir noktadan şebekeye klor eklenerek
yapılmaktadır. Ancak, bu şekilde yapılan klorlama işlemi sonucunda klorun
eklendiği nokta civarındaki klor konsantrasyonlarının yüksek olması, şebeke
boyunca bu değerin giderek azalma eğilimine girmesi söz konusu olmaktadır. Bu
durumun önüne geçebilmek için kullanılan en etkili yöntemlerden biri şebekeye
tek bir noktadan klor enjekte etmek yerine ek klorlama istasyonlarının
kurulmasıdır. Bu sayede şebeke boyunca daha üniform klor dağılımının elde
edilmesi mümkün olmaktadır.
Bu çalışmanın amacı alt ve üst bakiye klor konsantrasyon limitlerini
sağlayacak şekilde; su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarının
yerlerinin ve şebekeye enjekte edilecek klor miktarlarının belirlenebildiği bir
simülasyon-optimizasyon modeli geliştirmektir. Geliştirilen model simülasyon
aşamasında düğüm noktalarında farklı ölçüm zamanlarındaki bakiye klor
konsantrasyonlarını literatürde önerilmiş olan tepki matrisi yaklaşımı ile
belirlemektedir. İlgili yaklaşımın kullanılabilmesi için gerekli tepki katsayıları
incelenen su dağıtım şebekesinin hidrolik ve su kalitesi analizlerini yapılabildiği
EPANET programı üzerinde modellenmesi ile belirlenmiştir. Geliştirilen
simülasyon modeli ardından diferansiyel gelişim algoritmasına (DGA) dayanan
bir optimizasyon modeline entegre edilerek farklı durumlar için ek klorlama
planları belirlenmiştir. Ayrıca geliştirilen modelin farklı optimizasyon
parametreleri ve mutasyon stratejileri bakımından performansının
değerlendirildiği detaylı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar
geliştirilen model ile su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarının
yerlerinin ve optimum klorlama planlarının etkin bir şekilde belirlenebildiğini
göstermiştir.

Abstract:
Disinfection of the water in distribution networks is usually performed by
means of the chlorine injection. In order to perform this task efficiently, the
residual chlorine concentrations for each consumer point must satisfy the residual
chlorine limits specified in the standards. In practice, chlorination process is
performed by means of the chlorine injection from a single point like the outlet of
tank or treatment plants. However, such chlorination process results with high
chlorine concentrations around the injection points whereas its value tends to
gradually decrease towards the endpoints of the network. One of the most
effective methods to prevent these effects is to establish the booster chlorination
stations instead of chlorine injection at a single point. In this way, it is possible to
obtain a more uniform chlorine distribution throughout the network.
The objective of this study is to develop a simulation-optimization model
which can simultaneously determine the locations and chlorine injection rates of
the booster stations by maintaining the lower and upper residual concentration
limits. In the simulation part of the developed model, the residual chlorine
concentrations at different junction points and times are calculated through the
response matrix approach proposed in literature. In order to use this approach, the
required response coefficients are determined by modeling the hydraulics and
water quality processes of the network on EPANET model. The developed
simulation model is then integrated to an optimization model in which Differential
Evolution (DE) optimization algorithm is used to determine the chlorination for
different conditions. Furthermore, a detailed sensitivity analysis is performed to
evaluate the model performance for different optimization parameters and
mutation strategies. Identified results indicated that the proposed model can be
effectively used to determine the locations and chlorine injection rates of the
booster stations in water distribution networks.