Application of Water Cycle (WCA) and Weed (IWO) Algorithms to Multi objective Optimization of Stepped Spillway (Case Study: Down Siah Bisheh Dam)

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Ayatollah ozma Borujerdi, Borujerd, Iran.

2 Masters student, Department of Civil Engineering, Faculty Engineering, University of Ayatollah Ozma Borujerdi , Iran

Abstract

Abstract

Stepped spillways have received special attention today for their simultaneous operation in energy transfer and dissipation. In designing these spillways, the best way is to achieve a design with the highest amount of energy dissipation in the downstream and the lowest design cost. In this study, a multi-objective optimization model based on weed algorithms (IWO) and water cycle (WCA) is used to design stepped spillways with the aim of minimizing implementation costs and maximizing energy dissipation. The efficiency of the developed model was tested on the spillway of the down Siah Bisheh Dam. The results showed that the IWO algorithm has better accuracy and convergence speed than the WCA algorithm in solving the problem of multi-objective stepped spillway optimization. It was also found that using a multi-objective optimization approach can provide a set of answers to designers who can choose a suitable design for implementation in any situation depending on the amount of cost and energy consumption. Comparison between the responses with the lowest concreting volume provided by the IWO compared to the Spillway plan implemented, reduced the concreting volume by 20% and increased the energy dissipation by 12%. For the WCA, it also reduced the volume of concreting by 10 percent and increased energy dissipation by 4.89 percent.

Keywords

References

اکبری‌فرد، س.، قادری، ک.، علیان‌نژاد، م.، 1394. بهره‌برداری بهینه از سیستم مخازن با استفاده از دو الگوریتم چرخه آب(WCA)  و جستجوی گرانشی(GSA)  (مطالعه موردی: حوضه آبریز گرگان‌رود). نشریه سد و نیروگاه برق آبی ایران. 2(۵): ۴۹-۳۷.
اژدری‌مقدم، م.، درخشان علمدارلو، پ. 1397. طراحی بهینه سرریزهای پلکانی جهت حداکثرسازی استهلاک انرژی با استفاده از الگوریتم تکاملی تفاضلی و الگوریتم کرم شب‌تاب و ترکیب هر دو الگوریتم. نشریه سد و نیروگاه برق آبی ایران. ۵(۱۷): ۴۹-۳۹.
حسنعلی‌پور شهرآبادی، ا.، اژدری‌مقدم، م.، و کاویان‌پور، م. 1398. بررسی آزمایشگاهی تأثیر شیب سرریز پلکانی بر رژیم جریان و پارامترهای هیدرولیکی میدان (مطالعه موردی سرریز سدهای سیاه بیشه). مجله پژوهش آب ایران. 13(2): 139-149.
حجتی، ح.، احمدی، ح.، و زراتی، ا. 1396. شبیه‌سازی عددی سرریز پلکانی دریچه‌دار و پتانسیل وقوع پدیده کاویتاسیون در آن. نشریه سد و نیروگاه برق آبی. 4(14): 1-14.
زارعی، ر.، قدوسی، ح.، شاهوردی، ک. (1398). به‌کارگیری الگوریتم علف‌های هرز مهاجم (IWO) و الگوریتم ژنتیک (GA) در بهینه‌سازی بهره‌برداری تلفیقی از سد طازران. نشریه مهندسی آبیاری و آب ایران. 9(35): 113-124.
سهرابی، ز.، سروریان، ج.، مامی‌زاده، ج. 1399. توسعه مدل شبیه‌ساز-بهینه‌ساز دوهدفه برای طراحی بهینه ابعاد هندسی و شیب سرریز پلکانی سد سیاه‌بیشه بالا با استفاده از الگوریتم NSGA-II. مجله تحقیقات آب و خاک ایران. 51(2): 469-478.
شجاع، ف.، سلماسی، ف.، فرسادی‌زاده، د.، ناظمی، ا.، اشرف صدرالدینی، ع. 1391. طراحی بهینه سرریزهای پلکانی جهت حداکثرسازی استهلاک انرژی با استفاده از الگوریتم ژنتیک. مجله دانش آب و خاک. 22(4): 69-83.
قهرمانی، ب.، و بیات، ب. 1396. بهینه‌سازی هندسی سرریز پلکانی سد پایین سیاه بیشه جهت حداکثرسازی استهلاک انرژی با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی گروه ذرات PSO. شانزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، اردبیل.
معینی، ر.، جزائری، پ. 1397. حداقل‌سازی هزینه احداث سرریز پلکانی با استفاده از الگوریتم جستجوی گرانشی. نشریه سد و نیروگاه برق آبی ایران. ۵(۱۸): ۳۶-۲۵.
Azhdary Moghaddam, M., Shahheydari, H. and Jafari Nodushan, E. 2011. Investigation on effect of Discharge, spillway's slope and step's characteristics on the Ogee-stepped spillway on energy dissipation by applying numerical models. Journal of Irrigation and Water Engineering. 1(4): 23-34.
Chatila, J. G., and Jurdi, B. R. 2004. Stepped spillway as an energy dissipater. Journal of Canadian Water Resources. 29(3): 147-158.
Eskandar, H., Sadollah, A., Bahreininejad, A., and Hamdi, M. 2012. Water Cycle Algorithm–A Novel Metaheuristic Optimization Method for Solving Constrained Engineering Optimization Problems. Journal of Computers and Structures. 110: 151-166.
Ferdowsi, A., Farzin, S., Mousavi, S. F., and Karami, H. 2019. Hybrid Bat and Particle Swarm Algorithm for Optimization of Labyrinth Spillway Based on Half and Quarter Round Crest Shapes. Journal of Flow Measurment and Instrument. 66: 209–217.
Ghasemi Rad, M. J. G., Ohadi, S., Jafari-Asl, J., Vatani, A., Ahmadabadi, S. A., and Correia, J. A. 2022. GNDO-SVR: An Efficient Surrogate Modeling Approach for Reliability-Based Design Optimization of Concrete Dams. Journal of Structures. 35: 722-733.
Haddad, O. B., Sharifi, F., and Naderi, M. 2005. Optimum design of stepped spillways using genetic algorithm. In Proceedings of the 6th WSEAS Int. Conf. on Evolutionary Computing, Lisbon, Portugal, 325-331.
Jafari-Asl, J., Kashkooli, B. S., and Bahrami, M. 2020. Using Particle Swarm Optimization Algorithm to Optimally Locating and Controlling of Pressure Reducing Valves for Leakage Minimization in Water Distribution Systems. Journal of Sustainable Water Resources Management. 6(4): 1-11.
Jafari-Asl, J., Seghier, M., Ohadi, S., and van Gelder, P. 2021. Efficient method using Whale Optimization Algorithm for Reliability-Based Design Optimization of Labyrinth Spillway. Journal of Applied Soft Computing, 101: 1-15.
Mehrabian, A. R., and Lucas, C. 2007. A Novel Numerical Optimization Algorithm Inspired from Weed Colonization. Journal of Ecological informatics. 1(4): 355-366.
Mooselu, M. G., Nikoo, M. R., Rayani, N. B., and Izady, A. 2019. Fuzzy Multi-Objective Simulation Optimization of Stepped Spillways Considering Flood Uncertainty. Journal of Water Resources Management. 33(7): 1-15.
Ohadi, S., and Jafari-Asl, J. 2021. Multi-Objective Reliability-Based Optimization for Design of Trapezoidal Labyrinth Weirs. Journal of Flow Measurement and Instrumentation. 77: 1-29.
Ohtsu, I., Yasuda, Y., and Takahashi, M. 2004. Flow Characteristics of Skimming Flows in Stepped Channels. Journal of Hydraulic Engineering. 130(9): 860-869.
Pegram, G. G., Officer, A. K., and Mottram, S. R. 1999. Hydraulics of Skimming Flow on Modeled Stepped Spillways. Journal of hydraulic engineering. 125(5): 500-510.
Premkumar, M., Jangir, P., Sowmya, R., Alhelou, H., Heidari, A.A., and Chen, H., 2020. MOSMA: Multi-objective slime mould algorithm based on elitist non-dominated sorting. IEEE Access. 9: 3229-3248.
Salmasi, F., and Arvanaghi, H. 2013. Effect of Slope on Energy Dissipation over Stepped Spillway. Iranian Journal of Water and Environmental engineering. 1(1): 47-56.
Sori, N., and Mojtahedi, A. 2015. Investigation of Effects of the Geometry on Rate of Energy Dissipation of the Flow over the Stepped Spillway using Fuzzy Inference Systems. Journal of Civil and Environmental Engineering. 45(3): 25-40.
Tabari, M. M. R., and Tavakoli, S. 2016. Effects of Stepped Spillway Geometry on Flow Pattern and Energy Dissipation. Arabian Journal for Science and Engineering. 41(4): 1215-1224.
Iranian Journal of Irrigation & Drainage
Volume 17, Issue 6 - Serial Number 102
March and April 2024
Pages 1131-1143

Files

Share

How to cite

Statistics