معرفي يك مدل رياضي جديد براي ارزيابي و بهينه سازي عملكرد كانال‌هاي آبياري

Introduction of a New Mathematical Model for the Evaluation and Optimization of Irrigation Canal Performance

عملكرد ضعيف كانال‌هاي آبياري و تأثير آن در كاهش بهره‌وري آب كشاورزي ضرورت ارائه روش‌هاي مؤثر در بهره برداري بهينه از كانال‌هاي آبياري را ايجاب نموده است. در اين مقاله مدل رياضي جديدي معرفي مي‌شود كه قادر است عملكرد موجود كانال را ارزيابي نموده و براساس نياز پايين دست دريچه‌هاي آبگير، تنظيم بهينه سازه‌هاي آبگير و كنترل را به‌منظور نيل به عملكرد بهينه در شرايط و محدوديت‌هاي واقعي طرح ارائه نمايد. در اين مدل تابع هدف به‌صورت تركيبي خطي از شاخص‌هاي راندمان، كفايت، عدالت و پايداري در تحويل آب در نظر گرفته شده است. رابطه تابع هدف و مقادير تنظيم سازه‌ها رابطه غير صريحي است كه از طريق شبيه سازي هيدروديناميك ميسر بوده و براي بهينه سازي آن بايستي از روش‌هاي بهينه سازي عددي سود جست. در اين مدل از روش بهينه سازي (SA(Simulated Annealing كه يك روش عددي با ساختار تصادفي هوشمند است در تركيب با مدل هيدروديناميك شبيه سازي سيستم انتقال آب آبياري (ICSS) (Irrigation Conveyance System Simulation) استفاده شده است. قابليت انعطاف در كوچك گرفتن طول گام‌هاي تصادفي در الگوريتم SA مانع از بروز هرگونه ناپايداري و ناهمگرايي در تركيب با مدل هيدروديناميك است. علاوه بر آن توانايي SA در خروج از بهينه‌هاي محلي و همگرايي به سوي بهينه سراسري از جنبه نظري و در كاربردهاي عملي به اثبات رسيده است. هم‌چنين در مدل توسعه يافته ICSS براي بهينه سازي تحويل (ICSS-DOM) (ICSS-Delivery Optimization Model) تمهيدات لازم براي تحليل حساسيت ضرايب وزني شاخص‌ها در تابع هدف نيز در نظر گرفته شده است. به‌منظور آزمون و ارزيابي مدل تهيه شده از داده‌هاي واقعي يك كانال توزيع‌كننده از شبكه آبياري دز استفاده شده و براي اعتبار سنجي نتايج مدل، علاوه بر مقايسه با وضع موجود از روش‌هاي رياضي نيز استفاده به عمل آمده است. نتايج حاصل حاكي از آن است كه مدل مورد نظر قادر است پاسخ‌هاي معتبري را با صحت و دقت كافي در زمان نسبتاً كوتاهي ارائه نمايد. اين مدل مي‌تواند به عنوان ابزاري كارآمد و سودمند براي ارزيابي و بهينه سازي عملكرد كانال‌هاي آبياري مورد استفاده قرار گيرد.

Poor performance of irrigation canals and its effect on decreasing of Agricultural water productivity require attention for their improvement. In this paper a new mathematical model is introduced which could present optimal operation considering downstream requirements of turnouts, canal inlet flow, actual constraints and real conditions of canal system. Four performance indicators of delivery including efficiency, adequacy, equity and stability are considered as an objective function in the process of optimization. Since this objective function is an implicit function of decision variables (regulation of turnouts and control structures) and hydraulic parameters, it is necessary to implement hydrodynamic model, using numerical optimization methods. SA (Simulated Annealing) technique is a numerical meta – heuristic intelligent search method which is used in combination with a hydrodynamic model (ICSS) (Irrigation Conveyance System Simulation.) for performance optimization of canal system. Theoretically it is proven that SA technique is capable of tending towards global optimum solution asymtotically. Taking short random steps in SA algorithm guarantees avoiding instability in hydrodynamic model. The developed model has been applied on E1R1 Distributary canal of Dez irrigation network for ten days. The results indicated that optimal performance improved very well in comparison with the present situation.In this model the weighting coefficients of indicators are determined using sensitivity analysis in optimization process. Consistency test on the derived coefficients shows that proposed method is appropriate. Applying weighting coefficients for performance indicators in the processes of optimization has resulted in 7 to 21 percent improvement compared to the case of equall weighting coefficients. Also, the results indicate that the developed model (ICSS-DOM) (ICSS-Delivery Optimization Model) is an efficient tool for the evaluation and optimization of irrigation canal performance, producing good and valid results in a relatively short and suitable time.