ارائه مدل شبيه ساز-بهينه ساز كمي و كيفي بهره‌برداري از آبخوان به منظور تعديل غلظت آلاينده‌ها با استفاده از الگوريتم فاخته

Simulation-Optimization Quantitative and qualitative model operation of aquifer in order to adjust pollutant concentrations using Cuckoo algorithm

سابقه و هدف: رشد جمعيت و توسعه كشاورزي و صنعتي نيا ز روز افزون به استفاده از منابع آب زيرزميني را موجب مي گردد. از اين رو كيفيت اين منابع از اهميت ويژه اي برخوردار است. در برخي آبخوان ها به علت توزيع ناهمگون منابع آلاينده، برداشت متمركز بي رويه در نقاط خاص و يا تفاوت جنس آبخوان، كيفيت آب آن در نواحي مختلف بسيار متغير است. در اين مو ارد در صورت عدم امكان حذف آلودگي، مي توان با اجراي سياست بهينه ب هره برداري، غلظت آلاينده ها را تا حد امكان در سطح آبخو ان يكنواخت كرد. هدف از اين پژوهش ، ارائه يك مدل شبيه ساز - بهينه ساز آب هاي زيرزميني، جهت تعيين دبي بهينه پمپاژ چاه هاي بهره برداري به منظور به حداقل رساندن گراديان غلظت آلاينده ها در نقاط متفاوت آبخوان بود، به گونه اي كه نياز آبي نيز تأمين شود. به عبارت ساده تر، دبي برداشت از چاه ها به گونه اي تعيين شود كه كيفيت آب از لحاظ يك پارامتر كيفي خاص در تمام سطح آبخوان يكسان باشد مواد و روش ها: ابتد ا مدل شبيه ساز كمي و كيفي آبخوان در محيط نرم افزار GMS ايجاد گرديد. براي دستيابي به هدف اصلي اين پژوهش (تعيين دبي بهينه چاه ها جهت كمينه نمودن گراديان غلظت EC در سطح آبخوان)، نياز به تلفيق مدل شبيه ساز با الگوريتم بهينه ساز (فاخته) مي باشد. با توجه به اين كه نرم افزار GMS تنها يك رابط گرافيكي بين كاربر و مدل هاي شبيه سازي آبخوان ( MODFLOW و MT3DMS) بوده و منبع باز نمي باشد، امكان تلفيق مدل شبيه ساز و بهينه ساز وجود نداشت. بنابراين برنامه اي در محيط برنامه نويسي MATLAB نوشته شد كه توانايي اجراي مدل هاي MODFLO W و MT3DMS را داشت. با توجه به منبع باز بودن كد مربوطه، امكان تلفيق الگوريتم بهينه ساز و مدل هاي شبيه ساز كمي و كيفي به وجود آمد. در نهايت با تركيب مدل شبيه ساز و الگوريتم بهينه سازي ( COA)، مدل شبيه ساز - بهينه ساز حاصل گرديد. يافته ها: پس از تهيه مدل شبيه ساز - بهينه ساز، مدل به تعداد 1500 بار در يك دوره 5 ساله اجرا و همگرايي پس از 1000 بار اجراي آن حاصل شد. مقدار تابع هدف (ميانگين قدر مطلق اختلاف غلظت هاي محاسباتي در محل چاه ها) بر اساس دبي هاي بهينه در انتهاي دوره شبيه سازي برابر 1800 ميكروموس بر سانتي متر محاسبه گرديد كه اين مقدار بر اساس شبيه سازي مدل براي پنج سال آينده، در صورت ناديده گرفتن دبي هاي بهينه (ادامه روند برداشت كنوني) برابر 2055 ميكروموس بر سانتي متر خواهد گرديد.

Background and Objectives: Population growth and agricultural development and industrialization causes the increasing need to use groundwater resources. Hence, the quality of these resources has particular importance. In some aquifers, due to the heterogeneous distribution of pollution resources, excessive centralized harvest in particular areas or gender difference in the aquifer, the water quality in different areas is highly variable. In these cases, if there is no way to eliminate contaminant, the concentration of pollutant can be uniformed by optimal policy operation in the aquifer. The aim of this study was presenting a Simulation-Optimization model of groundwater in order to determine the optimum discharge of operation wells so as the gradient of pollutant concentration was minimized and water needs to be provided. On the other hand, the discharge of wells extractions can be determined in a way that water quality, as a specific qualitative parameter, is same in all over the aquifer. Materials and Methods: The simulation qualitative and quantitative model of aquifer was produced in GMS environment. In order to achieve the main aim of this study (determining the optimum discharge of wells in order to minimize the gradient of EC concentration in aquifer), it is required to combine the simulation model with optimization algorithm (cuckoo). Since GMS is only the graphical interface between user and aquifer simulation models (such as MODFLOW and MT3DMS) and it is not open source code so a code was written in the Matlab environment that could run MODFLOW and MT3DMS models. Since that code was open source, it was possible to combine optimization algorithm and qualitative and quantitative model. Finally simulation optimization model was produced by combining simulation model and optimization algorithm (COA). Results: After providing simulation- optimization model, model was executed in a 5 year period and 1500 times, the mentioned model was converged after 1000 times executing. The amount of objective function (the mean of absolute difference of computed concentration in the wells) was computed according to the optimum discharges at the end of simulation period that was 1800 micro mohs/cm that this amount will be 2055 micro mohs/cm for the next 5 year according to the model simulations if optimum discharges (continuing the current extraction trend) is overlooked. Conclusion: Results show that if optimum extraction policy was applied compared to overlooking that, the gradient of EC concentration in selected wells decreases 12 percent in addition to this, by comparing the amount of initial concentration of EC and the amount of concentration after simulation, it was obvious that these amounts was decreased significantly in the wells so it can be said that applying the policy of extraction not only normalized the concentration gradient but also was effective in reducing EC concentration