برنامه توزیع و تحویل بهینه آب با استفاده ازالگوریتم‌های WOAو HSA (مطالعه موردی: شبکه فرعی آبیاری اراضی جازموریان(دشت جیرفت))

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهیدباهنرکرمان.ایران

2 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه باهنر کرمان، کرمان ، ایران

3 بخش مهندسی آب دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

چکیده

مسئله تحویل و توزیع آب در شبکه آبیاری، یکی از مسائل مهم جهت تحقق اهداف شبکه و رسیدن به راندمان مطلوب می‌باشد و با تأثیر روی اندازه سازه‌های تحویل، ظرفیت کانال‌ها و هزینه احداث، موجب طراحی کارآمد شبکه می‌شود. به‌علاوه عملکرد ضعیف کانال‌های آبیاری از یک طرف و تأثیر آن در کاهش بهره‌وری آب کشاورزی از طرف دیگر ضرورت ارائه برنامه‌ریزی‌های مؤثر در بهره-برداری بهینه ازکانال‌ها را ایجاب نموده است. این نوع مسئله یک مسئله بهینه‌سازی چندهدفه، چندمتغیره وچندمحدودیتی است و حل آن نیازمند روش‌های بهینه‌سازی قدرتمندی مانند الگوریتم‌های تکامل‌گرا می‌باشد. در این تحقیق دو مدل بهینه‌سازی براساس الگوریتم‌های HSA (الگوریتم جستجوی هارمونی) و WOA(الگوریتم بهینه‌سازی وال) جهت ارائه ترتیب و نوبت‌بندی انشعابات در کانال‌های آبیاری به منظور کاهش ظرفیت کانال اصلی و کاهش زمان آبیاری توسعه داده شده است. به این منظور ابتدا تعداد انشعابات، ماکزیمم ظرفیت هر کانال، سطح تحت پوشش هر انشعاب، نیاز ناخالص آبیاری، دور آبیاری و تعداد بلوک‌ها به‌عنوان ورودی به مدل معرفی شدند. پس از اجرای مدل بهترین نوبت انشعابات در هر بلوک، حداقل ظرفیت کانال توزیع‌کننده و حداقل زمان آبیاری درشرایط بهینه به‌عنوان خروجی ارائه گردید. جهت کنترل و بررسی برنامه تدوین شده، برنامه بهینه تحویل آب درشبکه فرعی آبیاری اراضی جازموریان(دشت جیرفت) با استفاده از دو مدل فوق استخراج شد و ضمن تطبیق با توابع استاندارد جهت بررسی صحت الگوریتم‌ها، مشخص گردید مدل HSA درهر دوفاکتور دبی و زمان، نسبت به مدل WOA عملکرد بهتری دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimal Programming for Delivery and Distribution of Water Using WOA and HSA algorithms (Case study: Jazmurian land irrigation sub-network (Dasht Jiroft) )

نویسندگان [English]

  • bentolhoda kamali pour 1
  • Koroush qaderi 2
  • Mohmmad Mehdi Ahmadi 3
1 shahid bahonar university of kerman.Iran
2 Water engineering department, Agriculture faculty, Bahonar university of Kerman, Kerman, Iran.
3 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran;
چکیده [English]

The issue of water delivery and distribution in the irrigation network is one of the important issues to realize the goals of the network and achieve the desired efficiency, and by affecting the size of the delivery structures, the capacity of the channels and the cost of construction, it causes the efficient design of the network. In addition, the poor performance of irrigation canals on the one hand and its effect on the reduction of agricultural water productivity on the other hand has necessitated the provision of effective planning for the optimal exploitation of canals. This type of issue is a multi-objective, multi-variable and multi-constraint optimization problem, and its solution requires powerful optimization methods such as evolutionary algorithms. In this research, two optimization models based on the HSA (Harmony Search Algorithm) and WOA (Whale Optimization Algorithm) algorithms are developed to provide the order and sequence of branches in irrigation canals in order to decreasing in main channel capacity and decreasing in irrigation time. For this purpose, first the number of branches, the maximum capacity of each channel, the area covered by each branch, the gross irrigation requirement, the irrigation cycle, and the number of blocks were introduced as inputs to the model. After implementing the model of the best turn of branches in each block, the minimum capacity of the distributor channel and the minimum irrigation time in optimal conditions were presented as outputs. In order to control and check the developed program, the optimal water delivery program in the irrigation sub-network of Jazmurian lands (Dasht Jiroft) was extracted using the above two models, and while matching with standard functions to check the accuracy of the algorithms, the HSA model was determined in each two-factor discharge and time has a better performance than the WOA model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • WOA and HSA algorithms
  • Optimization
  • Programming Delivery and Distribution of Water
  • Irrigation network

مراجع

حسن­پور، ز.، شاهی­نژاد، ب.، ترابی­پوده، ح. و جباری، آ. 1400. طراحی بهینه شبکه­های توزیع آب با استفاده از الگوریتم بهینه­سازی گروه میگوها. نشریه مهندسی عمران و محیط زیست. 51(4): 31-43.
خدادادی، س.ا.، یاسی، م. و منعم، م.ج. 1396. ارزیابی عملکرد و ارائه الگوی بهینه تحویل آب در شبکه آبیاری زرینه­رود. نشریه مدیریت آب و آبیاری. 7(1):105-119.
خدادادی،  س.ا.، یاسی، م. و منعم، م.ج. 1400. بهینه­سازی الگوی تحویل آب در سناریوهای کاهش تخصیص آب شبکه آبیاری زرینه­رود با استفاده از الگوریتمPSO . تحقیقات آب و خاک ایران. 52(5): 1179-1192 .
جهاندیده، ا. و امامی، س. 1401. ارائه مدلی برای تخصیص آب شبکه آبیاری و زهکشی با استفاده از روشهای هوشمند تکاملی. نشریه مدیریت آب در کشاورزی. 9(1):  31-44.
خلیفه، س.، بارانی، غ.، خلیفه، و. و ذونعمت کرمانی، م. 1398. بهینه­سازی شبکه توزیع آب با الگوریتم ژنتیک موجود در مدلwater Gems
 ( مطالعه موردی: شهر رویدر استان هرمزگان(. نشریه مهندسی عمران فردوسی32(3).
غلامی، م.،  رهنما، م. و ابراهیمی، ح. 1386 . ارائه برنامه بهینه توزیع آب در شبکه­های آبیاری با استفاده از تئوری الگوریتم ژنتیک )مطالعه موردی شبکه آبیاری درود زن فارس). پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید باهنر کرمان.
قادری نسب، ف.، قادری،ک. و رهنما، م. 1394. برنامه تحویل وتوزیع بهینه آب در شبکه آبیاری با استفاده از الگور یتم­های بهینه­سازی تکاملی(مطالعه موردی شبکه آبیاری زیرسد جیرفت). نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 9(5): 830-841.
کاکویی، س. و عمادی، ع. 1392  . کاربرد الگوریتم جامعه مورچگان در بهینه­سازی توزیع آب مطالعه موردی کانال MC شبکه آبیاری البرز. مجله پژوهش­های حفاظت آب­و خاک، 20(2): 179-193.
محمدی اقدم،ک.، میرزایی، ای.، پورمحمد، ن. و پورمحمودآقابابا، م. 1393. الگوریتم بهینه­سازی گروه ذرات دینامیکی جهشی برای طراحی شبکه­های توزیع آب. نشریه آب وفاضلاب. 1394(4).
منصوری،ر و ترابی،ح. 1394. به­کارگیری الگوریتم تکامل تفاضلی (DE) برای بهینه­سازی شبکه توزیع آب(مطالعه موردی: شبکه آبیاری تحت­فشار اسماعیل­آباد). نشریه دانش آب و خاک. 25 ( 2/4 ): 81 تا 95.
منصوری،ر و محمدی­زاده،م. 1397. کاربرد الگوریتم نیروی مرکزی  (CFO) در بهینه­سازی شبکه توزیع آب آبیاری. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 13(1): 101-114.
منعم،م .ج و قدوسی،ح. 1393. شببیه­سازی و بهینه­سازی عملکرد شبکه­های آبیاری در شرایط مختلف بهره­برداری با استفاده از الگوریتم جامعه مورچگان. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 8(4): 654-663.
منعم،م .ج. ، نجفی،م .ر. و خوشنواز،ص . 1386 . برنامه ریزی بهینه تحویل آب در کانال آبیاری با استفاده از الگوریتم ژنتیک. تحقیقات منابع آب ایران.3(1): 1 -11.
منعم،م.ج. و نوری، م.ع. 1389 . کابرد الگوریتم بهینه سازی PSOدر توزیع و تحویل بهینه آب در شبکه آبیاری، مجله آبیاری وزهکشی ایران. 4(1): 73 -82 .
میربیک سبزواری، م.، ترابی پوده، ح. و یونسی، ح.ا. 1398. ارزیابی عملکرد الگوریتم بهینه­یابی جستجوی هارمونی در بهره­برداری بهینه از سیستم­های چند مخزنه و تک­مخزنة واقعی (مطالعه موردی:  سد دز). مجله پژوهش آب ایران، 13(4): 27-38.
میرکماندار، ب و قادری،ک. 1400 . برنامه تحویل و توزیع بهینه آب با استفاده از الگوریتم PSO )مطالعه موردی: شبکه آبیاری سد نساء شهرستان بم(. نشریه آبیاری وزهکشی ایران.16(2): 421-431.
نجارزادگان،م.ر. و معینی، ر. 1401. بهینه­سازی طراحی شبکه توزیع آب شهری با استفاده از الگوریتم ارتقا یافته کلونی زنبورعسل مصنوعی. نشریه آب وتوسعه پایدار. 9(3): 97-106.
 
Hussien, A. G., Hassanien, A. E., Houssein, E. H., Amin, M. and Azar, A. T. 2020. New binary whale optimization algorithm for discrete optimization problems. Engineering Optimization. 52(6):945-959.
Attarzadeh, F., Ziaei, A.N., Davary, K. and Fallah Choulabi, E. 2022. Comparison of Five Evolutionary Algorithms for Calibration of Water Distribution Networks. Iranian Hydraulic Association Research Article Journal of Hydraulics. 17(2): 21-45
Bashiri Atrabi, H., Qaderi, K., E. Rheinheimer, D. and Sharif,i E. 2015. Application of Harmony Search Algorithm to Reservoir Operation Optimization. Water Resour Manage. 29: 5729–5748.
Chambers, R. Managing Canal Irrigation: Practical Analysis from South Asia. 1988. New Delhi.  Bombay. Calcutta: Oxford and IBH Publishing Co Pvt Ltd. and Cambridge University Press.
Darvishi, E. and Kordestani, T. 2019. Multi-objective optimization of water scheduling in irrigation canal network using NSGA-II. Journal of Applied Research in Water and Wastewater. 12: 95–99.
Dudley, N.J. and Burt, O.R. 1973. Stochastic reservoir management and system design for irrigation. Water Resour. Res. 9: 507–522.
El-Ghandour, H. A. and Elbeltagi, E. 2018. Comparison of Five Evolutionary Algorithms for Optimization of Water Distribution Networks. Journal of Computing in Civil Engineering. 32 (1): 04017066. Doi: 10.1061/ (ASCE) CP.1943-5487.0000717.
Ezzeldin, R. and Djebedjian, B. 2020. Optimal design of water distribution networks using whale optimization algorithm. Urban Water Journal. 17(1): 14-22. doi=10.1080/1573062X.2020.1734635
Geem, Z. W.2009. Harmony search optimization to the pump-included water distribution network design. Civil Engineering and Environmental Systems. 6(3): 211–221.
Geem, Z. W., Kim, J. H. and Jeong, S. H. 2011. Cost efficient and practical design of water supply network using harmony search. African Journal of Agricultural Research. 6(13): 3110-3116.
International Commission on Irrigation and Drainage (ICID). 1989. Planning the management, operation, and maintenance of irrigation and drainage systems. A guide for the preparation of strategies and manuals. World Bank. USA: The World Bank.
Janat Rostami, S., Kholghi, M. and Bozorg Haddad, O. 2010. Management of reservoir operation system using improved harmony search algorithm. Water and Soil Science.University of Tabriz. 20(1): 61-71. (In Persian)
Joeres, E. F. and Liebman, J. C. 1971. Operating rules for joint operation of raw water resources. Water Resour. Res. 7: 225–235.
Kaghazchi, A., Hashemy Shahdany, S. and Roozbahani, A. 2021. Simulation and evaluation of agricultural water distribution and delivery systems with a Hybrid Bayesian network model. Journal of Agriculture Water Management. 245, 106578.
Kalaipriyan, T., Amudhavel, J. and Sujatha, P. 2017. Whale Optimization Algorithm for Combined Heat and Power Economic Dispatch. Advances and Applications in Mathematical Sciences. 17(1): 197–211. doi:10.1155/2017/6563498.
Kaveh, A. and Ghazaan, M. I. 2017. Enhanced whale optimization algorithm for sizing optimization of skeletal structures. Mech. Based Des. Struct. Mach.45 (3):345–362.
Lee, K. S. and Geem, Z. W. 2005. A new meta-heuristic algorithm for continuous engineering optimization: Harmony search theory and practice. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 194: 3902-3933.
Liu, Y., Yang, T., Zhao, R., Li, Y., Zhao, W. and Ma, X. 2018.  Irrigation Canal System Delivery Scheduling Based on a Particle Swarm Optimization Algorithm.  Journal of Water. 10(9): 1281.
Mafarja, M. and Mirjalili, S. 2017. Hybrid Whale Optimization Algorithm with simulated annealing for feature selection. 18-Neurocomputing. 260: 302–312.
Mahdavi, M., Fesanghary, M. and Damangir, E. 2007. An improved harmony search algorithm for solving optimization problems.  Applied Mathematics and Computation. 188: 1567-1579.
Maier, H. R., Kapelan, Z., Kasprzyk, J., Kollat, J., Matott, L. S., Cunha, M .C., Dandy, G. C., Gibbs, M. S., Keedwell, E., Marchi, A., et al. 2014. Evolutionary algorithms and other metaheuristics in water resources: Current status, research challenges and future directions. Environmental Modelling & Software. 62: 271–299.
Meredith, D. D.1973. Design and planning of engineering systems. Molecules. 9: 705–712.
Mirjalili, S. and Lewis, A. 2016. The Whale Optimization Algorithm. Advances in Engineering Software. 95: 51–67. Doi: 10.1016/j. advengsoft.2016.01.008.
Mirjalili, S., Mirjalili, S. M., Saremi, S. and Mirjalili, S. 2020. Whale Optimization Algorithm: Theory, Literature Review. and Application in Designing Photonic Crystal Filters. In Nature-Inspired Optimizers, edited by S. Mirjalili, J. Dong, and A. Lewis, Studies in Computational Intelligence.Vol:811.:219–238. Cham: Springer.
Mulvihill, W. E. and Dracup, J. A. 1971. Optimal timing and sizing of a conjunctive urban water supply treatment facilities. Water Resources Research.7: 463–478.
Mousavi, S.Z., Akhondali, A.M., Naseri, A., Eslamian, S., and Saadati, S. 2021. Evaluation of whale and particle swarm optimisation algorithms in optimal allocation of water resources of irrigation network to maximise net benefit case study: Salman Farsi. International journal of Hydrology Science and Technology. 12(3): 333–345.
Paudyal, G. N., Pandit, D. S. and Goto, A. 1991. Optimization of design of on-farm channel network in an irrigation area. Irrigation and Drainage Systems. 5(4): 383-395
Pawed, A.W., Mathur, Y. P.and Kumar, R. 2013.  Optimal water scheduling in irrigation canal network using particle swarm optimization.  IRRIGATION AND DRAINAGE. 62: 135–144.
Touma, H. J. 2016. Study of the economic dispatch problem on IEEE 30-bus system using whale optimization algorithm.  Int. J. Eng. Technol. Sci .5(1): 11-18.
United Nations (UN). 1995. Guidebook to Water Resources, Use and Management in Asia and the Pacific. Water Resources and Water Use. Water Resources Series No. 74. United Nations: New York. NY. USA.
Zhao, W., Ma, X., Kang, Y., Ren, H., Su, B. 2009. Optimal Model on Canal water Distribution Based on Dynamic Penalty Function and Genetic Algorithm. IFIP Advances in Information and Communication Technology. 294(2): 1347-1357
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 17، شماره 4 - شماره پیاپی 100
مهر و آبان 1402
صفحه 771-786

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار