النمذجة الهيدروليكية لشبكات مياه الشرب باستخدام خوارزميات الحل الامثل ضمن إطار البرمجيات التكاملية

اسم الباحث :م. ابراهيم عبد الجليل

المشرف :أ.د.م  عادل يوسف جرجي+ د.م أمجد حامد شاكر

العنوان :النمذجة الهيدروليكية لشبكات مياه الشرب باستخدام خوارزميات الحل الامثل ضمن إطار البرمجيات التكاملية

العنوان باللغة الإنكليزية :Hydraulic Modeling of Drinking Water Systems Using Optimal Solution Algorithms Within the Framework of Integrated

العام :2021

القسم :هندسة وإدارة الموارد المائية

الملخص :أُجريت دراسة تحليلية وصفية، لاستخدام الخوارزميات الجينية، كأحد طرائق الوصول للحلول الأمثلية، في مجال تصميم شبكات المياه، وإدارة عمل المضخات في خطوط الضخ الناقلة للمياه. كما اعتمد المنهج التقاني المعاصر، لإظهار أهمية استخدام التقنيات الحديثة، في تصميم وإدارة تشغيل مشاريع المياه، بالإضافة لتحليل النتائج بشكل إحصائي.

انقسمت الدراسة العملية في هذه الأطروحة لفصلين، الأول عن تصميم شبكة مياه، في إحدى أحياء مدينة حمص (حي الادخار والسكن الشبابي)، وإعادة تأهيلها عن طريق إضافة أنابيب جديدة توصل على التوازي مع الأنابيب القديمة ضمن الشبكة. أما الثاني فتحدث عن تصميم إيجاد جدول تشغيل مناسب ثلاث محطات ضخ متصلة ببعضها. تقوم بإيصال المياه لأربع قرى تقع إلى الجنوب من مدينة حمص.

تتألف الأطروحة من ستة فصول وفصل خاص بالنتائج، وملحقين خُصصا للجداول والأشكال.

الفصل الأول: تم فيه شرح فكرة الخوارزميات الجينية وطريقة عملها رياضياً، مع ذكر محاسنها ومساوئها.

الفصل الثاني: أُفرد هذا الفصل لذكر الدراسات المرجعية وتوضيح ما قام به الباحثون السابقون من تسخير الخوارزميات الجينية في مجال تصميم شبكات المياه، وشرح أهم توابع الهدف المستخدمة في الوصول للحلول الأمثلية في شبكات المياه.

الفصل الثالث: خُصص لتوضيح آلية استخدام الخوارزميات الجينية بمجال إدارة تشغيل المضخات. بنوعيها ثابتة، ومتغيرة سرعة الدوران.

الفصل الرابع: إن تصميم شبكات المياه وخطوط الضخ لا يتم بدون فهم واستخدام خوارزميات الحل الهيدروليكي. لذلك أُفرد هذا الفصل للتعريف بأهم طرائق الحساب الهيدروليكي المستخدمة في برامج الحساب والتصميم الهيدروليكي حاسوبياً.

الفصل الخامس الحالة الدراسية الأولى: خصص هذا الفصل لتصميم شبكة مياه. تم فيها استخدام ثلاث توابع هدف: 1-كلفة أصغرية Minimum Cost، 2-فوائد أعظمية (زيادة الضغط المتوفر بالشبكة) Maximum Pressure، والمفاضلة بين التابعين السابقين trade-off between the cost and benefit. وتم استخدام معامل موثوقية هيدروليكيHydraulic Reliability، لتقييم كل حل أمثلي ناتج عن التوابع الثلاث السابقة، مع تثبيت قيود الحل لكل التوابع. وبنتيجة الدراسة التي اعتمدت على تحليل النتائج احصائياً، تبين أن الحل الناتج عن تابع زيادة الفوائد (زيادة الضغط في العقد)، نتج عنه تصميم ذو موثوقية عالية، نسبة لباقي الحلول الناتجة عن التابعين الآخرين، ولكن الحلول جميعها لم تصل لدرجة موثوقية تتخطى 75%، وذلك بسبب قيد الميزانية Budget constraint الخاص بالمشروع.

ثم تم انتاج تصميم جديد مبني على تدعيم أنابيب الشبكة القديمة، بأنابيب جديدة على التوازي لتساعدها في عملها، ولتحقيق قيود الجريان جميعها، بدل من تبديل الشبكة بشكلٍ كامل،     وذلك لأن عمر مادة الانابيب HDPE أكبر من العمر التصميمي للشبكة، وبالنهاية تم الوصول لحل يحقق موثوقية هيدروليكي تصل إلى 100%، مع وفر مادي كبير تجاوز 62.5%،       من تكلفة الحل الأمثلي المحقق لنفس درجة الموثوقية (100%)، الناتج عن استبدال أنابيب الشبكة بشكلٍ كامل.

الفصل السادس الحالة الدراسية الثانية: تم فيه دراسة استخدام الخوارزميات الجينية في إدارة تشغيل وجدولة عمل المضخات ضمن ثلاث محطات ضخ تعمل بشكل مرتبط ببعضها البعض. في هذه الحالة تم ايجاد الحل الأمثلي الناتج عن استخدام مضخات ثابتة السرعةFixed Speed Pump، وكذلك تم ايجاد الحل الأمثلي باعتبار أن المضخات السابقة، تم تحويلها لمضخات متغيرة السرعة Variable Speed Pumps، بإضافة جهاز تغيير سرعة دوران المحرك Variable Frequency drive، وتم تحليل النتائج احصائياً لتحديد الحل الأمثلي بين استخدام مضخات ثابتة أم متغيرة السرعة.

وبالنتيجة تبين أفضلية المضخات متغيرة السرعة Variable Speed Pumps التي استطاعت العمل، والأداء ضمن القيود الهيدروليكية نفسها، وبوفرٍ مالي في عملية التشغيل تجاوز 15%.

الكلمات المفتاحية : الذكاء الصناعي، الخوارزميات الجينية، مضخات ثابتة السرعة، مضخات متغيرة السرعة، شبكة مياه.

تحميل البحث :