کلمات کلیدی: شبکه توزیع آب، بهینه‌یابی چند متغیره،اطمینان‌پذیری، جانمایی، بزین فهرست مطالبعنوان صفحه فصل اول: مقدمه............. 21-1- مقدمه................ 21-2- ضرورت انجام تحقیق.......... 31-3- اهداف پایان نامه............ 41-4- ساختار پایان نامه........... 5 فصل دوم: مروری بر کارهای پیشینیان2-1- مقدمه..................................... 72-2- محاسبات شبکه های توزیع آب................. 82-2-1- محدودیت های طراحی شبکه آب.............. 82-2-2-روابط حاکم بر جریان های هیدرولیکی....... 82-3- بهینه یابی................................ 102-3-1-مفاهیم بهینه یابی....................... 102-3-2- روشهای بهینه یابی...................... 112-3-2-1- روشهای تحلیلی .................... 112-3-2-2- روشهای بهینه‌سازی تکاملی .......... 122-3-2-2-1- الگوریتم ژنتیک.................. 122-3-2-2-2-آنيلينگ شبيه‌سازي شده............. 142-3-2-2-3-جستجوي ممنوع..................... 152-3-2-2-4-سيستم کلونی مورچگان.............. 162-3-2-بهينه‌يابي شبكه های آبرسانی.............. 172-3-3-بهینه سازی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزيع آب و اطمینان پذیری: ........................................ 21 فصل سوم: مواد و روش ها3-1- معرفی شهرک بزین........................... 283-1-1- معرفی منطقه مورد مطالعه................ 283-1-2- وضعیت آبرسانی.......................... 293-2- فلومتر الکترومغناطیسی ABB................. 31عنوان صفحه3-3- نرم افزارهای استفاده شده در این پایان نامه323-3-1- نرم افزار مدل سازی شبکه آبرسانی WaterGEMS 323-3-2- نرم افزار GIS.......................... 353-3-2-1- تعریف GIS........................ 353-3-2-2- مختصری از تاریخچه................. 363-3-2-3- ویژگی های GIS..................... 363-3-2-4- معرفی نرم افزار ArcGIS............. 373-3-3- نرم افزار متلب......................... 383-3-3-1- توضیحات نرم افزار................. 383-3-3-1- ساختار نرم افزار متلب............. 393-4-تست مدل (صحت سنجی و کالیبراسیون مدل)....... 403-5- انتخاب روش بهینه یابی..................... 413-5-1-بهینه‌یابی چند متغیره طراحی شبکه‌های توزيع آب و اطمینان پذیری:......................................... 433-5-2- محاسبه تابع هدف........................ 45 فصل چهارم: نتایج و بحث پیرامون آن4-1- نتایج مطالعات در وضعیت موجود ............ 544-1-1- بررسی و تحلیل دبی ورودی به شهرک بزین در سال های 1388 تا 1391........................................... 554-1-1-1- نمودار دبی ورودی در سال 1388....... 564-1-1-2- نمودار دبی ورودی در سال 1389....... 574-1-1-3- نمودار دبی ورودی در سال 1390....... 574-1-1-4- نمودار دبی ورودی در سال 1391....... 584-1-2- میزان تغییرات دبی، جمعیت و سرانه مصرف.. 594-1-3- دبی ورودی شهرک بزین در فصل مختلف سال... 604-1-4- دبی ورودی شهرک بزین بصورت روزانه....... 634-1-5- فشار ورودی شهرک بزین بصورت سالانه....... 664-2- آماده‌سازی مدل کامپیوتری .................. 694-2-1- جمع‌آوری داده‌های ورودی ................. 694-2-2- کلیات.................................. 694-2-3- نیازهای آبی............................ 744-2-4- آرایش شبکه............................. 74عنوان صفحه4-2-5- اجرای برنامه........................... 794-3- کالیبراسیون............................... 794-3-1- بررسی وضعیت موجود با استفاده از اندازه گیری پارامترها و مقایسه با نرم افزار............................ 794-4. بهینه‌یابی شبکه............................ 834-4-1- تاثیر تغییر قطر بر اطمینان پذیری و تابع هدف844-4-2- جانمایی‌های مختلف شبکه و مقایسه آنها.... 914-4-2-1- معرفی سناریوهای مختلف شبکه ....... 924-4-2-2- اطمینان پذیری هر جانمایی.......... 964-4-2-2- به دست آوردن تابع هدف کمینه....... 984-4-3- مقایسه آرایش های مختلف شبکه با توجه به اطمینان پذیری و تابع هدف....................................... 1004-4-3- تغییر اطمینان پذیری معلوم و مقایسه تابع های هدف1024-3-5- نصب شیر فشارشکن (PRV) در ورودی شبکه و بررسی اثرات آن104 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات5-1- نتیجه گیری ............................... 1055-2- پیشنهادات................................. 106 فهرست منابع.................................... 107 فهرست جدول‌ها عنوان صفحه جدول 4-1- دبی ورودی شهرک بزین طی سال های 88 تا 91 55جدول 4-2- جدول تعداد مشترکین و سرانه مصرف طی سالهای 88 تا 91 60جدول 4-3- میزان دبی ورودی در فصل بهار.......... 61جدول 4-4- میزان دبی ورودی در فصل تابستان....... 62جدول 4-5- میزان دبی ورودی در فصل پاییز......... 62جدول 4-6- میزان دبی ورودی در فصل زمستان........ 63جدول 4-7- اطلاعات گره های شبکه.................. 76جدول 4-8- اطلاعات لوله های شبکه................. 78جدول 4-9- مقایسه فشار اندازه گیری شده و فشار محاسبه شده در 10 نقطه ............................................... 81جدول 4-10- مراحل کالیبراسیون................... 82جدول 4-11- لوله های شبکه و سرعت در آنها ....... 85جدول 4-12- گره های شبکه و فشار آنها ........... 86جدول 4-13- درصد اطمینان پذیری در هر بار کاهش قطر لوله 87جدول 4-14- تغییر قیود تابع هدف (قیود مربوط به هزینه، سرعت و فشار............................................... 89کمینه و بیشینه و اطمینان پذیری) در هر تکرار... 91جدول4-14- محاسبه اطمینان پذیری برای 10 جانمایی.. 97جدول4-15- اطمینان پذیری 10 جانمایی.............. 98جدول4-16-جملات تابع هدف برای 10 جانمایی.......... 99جدول 4-17- مقایسه تابع هدف و اطمینان پذیری برای هر جانمایی 101جدول 4-18- مقایسه تابع هدف با تغییر اطمینان پذیری معلوم برای هر جانمایی موجود.................................. 103 فهرست شکلهاعنوان صفحه شکل 2-1- شبكه شاخه اي،شبكه حلقه اي ......... 7شكل 2-2- برنامه ريزي ديناميكي.................. 19شکل 3-1- عکس هوایی شهرک بزین................... 29شکل 3-2- فلومتر ورودی شهرک بزین................ 30شکل 3-3- عدد نمایش داده شده توسط فلومتر ورودی شهرک بزین 30شکل 3-4- فلومتر الکترومغناطیسی ................ 31شکل 4-1- محل نصب فلومتر در ورودی شبکه شهرک بزین54شکل 4-2- میزان دبی ورودی در فصول مختلف سال 91.. 61شکل 4-3– نقشه اتوکد منطقه بزین................. 70شکل 4-4– نقشه اتوکد لوله های منطقه بزین........ 70شکل 4-5- نقشه شماتیک شبکه شهرک بزین و چهار ناحیه اصلی 71شکل 4-6– نقشه خطوط هم ارتفاع شهرک بزین در نرم افزار اتوکد 72شکل 4-7- نقشه ارتفاعی GIS شهرک بزین ........... 72شکل 4-8- عکس های شهرک بزین..................... 74شکل 4-9-مدل WaterGEMS شهرک بزین و نمایش گره های شبکه75شکل 4-10- مدل WaterGEMS شهرک بزین و نمایش لوله های شبکه 77شکل 4-11- مدل WaterGEMS شهرک بزین و نمایش مخزن آب 78شکل 4-12- 10 نقطه فشارسنجی شده ................. 80شکل 4-13- مراحل کالیبراسیون.................... 83شکل4-14- شکل شماتیک ناحیه های شهرک بزین........ 91شکل4-15- جانمایی موجود (1-11)................... 92شکل4-15- جانمایی 2-11........................... 92شکل4-16- جانمایی 3-11........................... 93شکل4-17- جانمایی 4-11........................... 93شکل4-18- جانمایی 5-11........................... 94عنوان صفحهشکل4-19- جانمایی 6-11........................... 94شکل4-20- جانمایی 7-11........................... 95شکل4-21- جانمایی 8-11........................... 95شکل4-22- جانمایی 9-11........................... 96شکل4-23- جانمایی 10-11.......................... 96شکل4-24- نصب شیر فشارشکن در ورودی شبکه ........ 105 فهرست نمودارها عنوان صفحه نمودار 4-1- میزان دبی ورودی به سیستم در طول سال 138856نمودار 4-2- میزان دبی ورودی به سیستم در طول سال 138957نمودار 4-3- میزان دبی ورودی به سیستم در طول سال 139058نمودار 4-4- میزان دبی ورودی به سیستم در طول سال 139159نمودار 4-5- میزان دبی ورودی در روز 6 فروردین 1391 64نمودار 4-6- میزان دبی ورودی در روز 2 مرداد 1391. 64نمودار 4-7- میزان دبی ورودی در روز 10 آذر 1391.. 65نمودار 4-8- میزان دبی ورودی در روز 26 بهمن 1391. 65نمودار 4-9- میزان فشار فلومتر ورودی شهرک بزین به صورت سالانه در سال 1391....................................... 66نمودار 4-10- میزان فشار فلومتر ورودی شهرک بزین در روز 6 فروردین 91............................................. 67نمودار 4-11- میزان فشار فلومتر ورودی شهرک بزین در روز 2 مرداد 91............................................... 67نمودار 4-12- میزان فشار فلومتر ورودی شهرک بزین در روز 10 آذر 91............................................... 68نمودار 4-13- میزان فشار فلومتر ورودی شهرک بزین در روز 26 بهمن 91............................................... 68نمودار 4-14- درصد کاهش قطر لوله ها، افزایش سرعت قابل قبول و فشار قابل قبول...................................... 87نمودار 4-15- درصد کاهش قطر لوله ها، افزایش سرعت و اطمینان پذیری ............................................... 88نمودار 4-16- رفتار جملات تابع هدف در 13 تکرار تغییر قطر 90نمودار 4-17- تغییرات درصد اطمینان پذیری و تابع هدف در هر تکرار و کاهش قطر....................................... 91نمودار 4-18-جملات تابع هدف برای 10 جانمایی....... 100نمودار 4-19- مقایسه تابع هدف و اطمینان پذیری برای هر جانمایی102نمودار 4-20- فشار هیدرولیکی گره‌ها، قبل و بعد از نصب شیر فشارشکن ............................................... 105 فصل اول مقدمه 1-1- مقدمه آب سر منشاء تولید تلاش و تمدن است. خداوند در قرآن کریم هستی حیات هر چیزی را به آب وابسته دانسته است و تداوم حیات را در گرو وجود آب دانسته است. اهمیت آب شرب و آبیاری در کشاورزی مخصوصا در کشاورزی ایران بر کسی پوشیده نیست. اگر تمام مشکلات و مسائل مربوط به آب شرب و تولید کشاورزی را در در یک کفه ترازو و مشکلات و مسائل مربوط به آب را در طرف دیگر قرار دهیم مشکلات مربوط به آب سنگین تر خواهد بود. کشور ایران در بخش نیمه خشک کره زمین قرار دارد. پس خارج از ذهن نیست که آب از قدیم الایام ارزش بسیار والایی نسبت به دیگر مناطق داشته است. در گذشته با وجود مشکلات فراوان و نبود امکانات فنی برای دسترسی به آبهای زیرزمینی، دست به حفر چاه و ایجاد قنات وغیرهزدند.بر خلاف نفت و کالاهای دیگر، آب را نمی توان در حجم زیاد از جایی به جای دیگر انتقال داد و لذا مصرف آن فقط به منابع محلی محدود است. البته شکی نیست که توسعه و اجرای طرح های آبی از نظر بالابردن استاندارد و سطح زندگی مردم الزامی است و اگر بخواهیم به مردم کمک شود باید توسعه برنامه‌های آبی صورت گیرد. اما این کار بدون تخلیه آبهای زیر زمینی و خشک شدن رودخانه ها و یا از بین رفتن جنگلها به آسانی حاصل نخواهد شد. 1-2- ضرورت انجام تحقیق آب یکی از بزرگترین چالش‌های قرن حاضر است که می تواند سر منشاء بسیاری از تحولات مثبت و منفی جهان قرار گیرد. 5/96 درصد از کل آب موجود در کره زمین در دریاها و اقیانوسها و 5/2 درصد از آن به عنوان آب تازه و شیرین می باشد. از آبهای شیرین 97 درصد در یخچالهای قطبی، 20 درصد در سفره‌های زیر زمینی و تنها 1 درصد در سطح زمین قرار دارد] 1[.5/2 درصد از کل آب های زمین شیرین است که حدود 6/68 درصد آن به صورت جامد در یخچالهای قطبی و قله کوه ها قرار دارد. 1/30 درصد آن در زیرزمین قرار گرفته است. 006/0 درصد از کل آبهای شیرین در رودخانه ها جاری است و 003/0 درصد آن به عنوان آبهای بیولوژیکی در اندام حیوانات و گیاهان قرار گرفته است ]1[.آب آشامیدنی، آبی با کیفیت مناسب بدون اثرات منفی کوتاه‌مدت یا بلند مدت است. در بسیاری از نقاط جهان، دسترسی راحت و ارزان به آب آشامیدنی وجود ندارد. در این مناطق بیشتر افراد از آبی استفاده می‌کنند که یا دارای میکروب و آلودگی است یا به سبب داشتن املاح و ذرات بیش از اندازه، در طولانی مدت برای بدن خطرآفرین هستند. وجود منابع آب آشامیدنی مطمئن، از نیازهای اولیه انسان و یکی از اهداف اولیة عرصه های بین‌المللی در دهه بین‌المللی "آب برای زندگی (2005-2015)"[1] می‌باشد]2[.همزمان با رشد جمعیت در جهان و رشد و توسعه صنایع مختلف، آلودگی آب آشامیدنی، تبدیل به یکی از اساسی‌ترین مشکلات جهان گردیده‌است. سازمان بهداشت جهانی (WHO) بيان می‌کند که وقتی منابع آب آشامیدنی، کم و میزان خدمات، نامناسب باشند، شهرها در معرض بیشترین تهدیدهای محیط زیستی قرار می‌گیرند (گزارش توسعه جهانی آب، 2003[2](]3[. وجود این مسئله باعث می‌شود نیاز به سیستم توزیع آب مطمئن و کافی در شهرها مورد توجه قرار گیرد. مسئله تامین آب شرب سالم، در آینده‌ای نه چندان دور یکی از اصلی ترین چالش‌های جهانیان خواهد شد.