دانلود مقاله ISI انگلیسی شماره 6583 + ترجمه فارسی
عنوان فارسی مقاله

مطالعه ی مقایسه ای دو معیار کنترلی مختلف برای مدیریت زمان- واقعی آب بندهای زیرزمینی شهری

کد مقاله سال انتشار مقاله انگلیسی ترجمه فارسی
6583 2012 9 صفحه PDF 24 صفحه WORD
خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.
عنوان انگلیسی
A comparison study of two different control criteria for the real-time management of urban groundwater works
منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : Journal of Environmental Management, Volume 105, 30 August 2012, Pages 21–29

فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده

1. مقدمه 
2. منطقه مطالعه
3. روش ها
3.1. مدل جریان آب زیرزمینی و رویکرد-EnKF
3.2. ردیابی ذرات و تجزیه و تحلیل خط مسیر 
3.3. تعریف معیار-s% بر اساس مفهوم آب شهر
3.4. کنترل منطق فازی با استفاده از معیار-s% به عنوان حالت کنترلی
جدول 1. پایگاه حاکم فازی اجرا شده برای کنترل حوضه II، بر اساس دانش تخصصی. 
3.5. روش کنترلی چند سطحی با معیار-s
3.6. آزمایش های شبیه سازی (سناریوی I، II، III
4. نتایج 
4.1. شبیه سازی های- آفلاین با استفاده از معیار-s% برای کنترل بهینه
4.2. شبیه سازی های- آفلاین با معیار-Δh (سناریوی III)
4.3. اپلیکیشن-آنلاین
 5. بحث و جمع بندی
 
کلمات کلیدی
کنترل زمان واقعی - کنترل بهینه - زمینه های خوب - آب های زیرزمینی - مانع هیدرولیک - خطوط مسیر ذرات
ترجمه چکیده
ما مقایسه دو معیار کنترلی را برای مدیریت زمان-واقعی میدان چاه آب (حوزه تغذیه کننده چاه آب) ارائه می دهیم. این معیارها برای شبیه سازی بهره برداری از میدان چاه Hardhof در شهر زوریخ، سوئیس، استفاده شدند. این میدان چاه توسط آلودگی منتشر شونده در زیر سطح منطقه اطراف شهر تهدید می شود. اگر نرخ های پمپاژ در چهار چاه افقی افزایش یابند، ریسک جذب آلاینده ها بالاتر است، و می توانند با افزایش تغذیه مصنوعی در چندین حوضه تغذیه و چاه های نشتی و یا با اصلاح توزیع تغذیه مصنوعی کاهش یابند. مدل جریان المان های محدود سه بعدی برای جایگاه Hardhof ساخته شد. معیار کنترلی اول از تفاوت های سر هیدرولیک (معیار-Δh) برای کنترل مدیریت میدان چاه و معیار دوم از روش خط مسیر (معیار-s%) برای کنترل درصد جریان آب به داخل، از منطقه شهری، استفاده کرد. هر دو روش کنترلی، تخصیص تغذیه مصنوعی (AR) را برای نرخ های پمپاژ معلوم در زمان اقتباس کردند. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که (1) مطابق با دو معیار مختلف، تصمیمات مدیریت پیشینه ای، در مقایسه با کنترل بهینه، کمتر کارآمد بودند و (2) توزیع تغذیه مصنوعی محاسبه شده با دو معیار کنترلی نیز از یکدیگر متفاوتند و معیار-%s نتایج بهتری را در مقایسه با معیار-Δh ارائه می دهد. مدیریت تغذیه با معیار-s% به مقدار کمتری تغذیه ی آب نیاز دارد. نسبت بین تغذیه مصنوعی متوسط و ربایش متوسط، برای معیار-Δh1.7 و برای معیار-s% 1.5 می باشد. هر دو معیار به صورت آنلاین آزمایش شدند. این متدولوژی ها با استفاده از روش فیلتر Kalmanدسته ای برای تلفیق 87 اندازه گیری سر آب زیرزمینی در دسترس، برای به روز رسانی مدل در زمان-واقعی، به روش کنترل زمان-واقعی گسترش داده شدند. نتایج اجرای عملیاتی نیز با توجه به کاهش ریسک آلودگی آب رضایت بخش هستند.
ترجمه مقدمه
این مقاله، متدولوژی کنترل زمان-واقعی با استفاده از دو معیار کنترلی مختلف را که برای ربایش امن آب شرب در شهر زوریخ، سوئیس اجرا شده است، ارائه می دهد. میدان چاه Hardhof 15% تقاضای آب شرب شهر را ارائه می دهد و به عنوان یکی از آب بند های اصلی شبکه تامین آب شهری عمل می کند. رشد مناطق مسکونی و صنعتی نزدیک به میدان چاه Hardhof در دهه های اخیر، به ریسک های آلودگی بسیار بالاتر در زمین و در سطح منجر شده است. مبنای پیشینه ای برای مدیریت میدان چاه، متکی بر مناطق تعریف شده حفاظت از سر چاه برای جلوگیری از فعالیت های آلوده کننده در نزدیکی چاه ها و نظارت اضافی کیفیت آب پمپاژ شده بود. مطالعات ردیابی گاه به گاه و مجموعه های نمونه های آب برای مکان یابی و ترسیم منابع آلودگی استفاده شدند. در ضمن، مفهوم HACCP (تجزیه و تحلیل مخاطرات و نقاط کنترلی بحرانی) (WHO، 2010) به عنوان الزام قانونی در سوئیس گنجانیده شد (EDI، 2010). این الزام قانونی، همه تولید کنندگان آب شرب را ملزم به تضمین استاندارد کیفیت آب عرضه شده در هر زمان می کند. بنابراین، جریان احتمالی آب به سمت داخل از بخش های آبخوان که ممکن است حاوی منابع آلودگی باشند، باید تحت نظارت و یا کنترل در زمان-واقعی باشد. حسگرهای آنلاین را می توان برای نظارت بر آبخوان ها و بهره برداری از چاه ها استفاده کرد. این حسگرها داده های سر، دما و یا داده های شیمیایی، به عنوان مثال رسانندگی الکتریکی را در آب زیرزمینی انتقال می دهند و ارزش بالقوه ای برای مدیریت زمان-واقعی میدان های چاه دارند. ما سیستم مدیریت میدان چاه زمان-واقعی را به عنوان ترکیبی از سه بخش فنی در نظر می گیریم: 1) داده های منتقل شده در زمان-واقعی، 2) مدلی که با این داده ها به روز می شود و 3) الگوریتم کنترلی برای محاسبه نرخ های پمپاژ لازم در زمان کنونی و یا به عنوان سیگنال پیش گویانه برای تصمیمات مدیریتی آینده. مطالعه کنونی ما، رویکرد کنترلی را معرفی می کند که از تجزیه و تحلیل خط مسیر ذرات به عنوان معیار کنترلی برای مدیریت زمان-واقعی میدان چاه Hardhof تحت شرایط نیروهای متغیر زمانی (نرخ های تغذیه طبیعی، مراحل رودخانه، شرایط مرزی و مدیریت آب زیرزمینی) استفاده می کند. در مطالعه ی پیشین (Bauser و همکاران، 2010) کنترل زمان-واقعی میدان چاه Hardhof با هدف کاهش جریان آبی که به طور بالقوه آلوده است، به سمت داخل از مرکز شهر به سمت میدان چاه، با استفاده از تفاوت های سر هیدرولیک (بین منطقه میدان چاه و منطقه نزدیک تر به منابع آلودگی) به عنوان معیار کنترل (معیار-Δh) بود. اگر چه نتایج شبیه سازی های آفلاین و برنامه-آنلاین در میدان، رضایت بخش بودند، تمرکز مستقیم بر روی مسیرهای ذرات به مسئله آب آلوده ای که می تواند به چاه های آب شرب برسد، رسیدگی می کند. معیار مبتنی بر مسیرهای ذرات، که از این پس به صورتمعیار-s% ذکر می شود، می تواند به مسیرهای سه بعدی ذرات رسیدگی کند، در حالی که معیار-Δh در اصل سنجه ای دو بعدی است. آب های حاصل از مناطق آلوده هنوز هم می توانند از لایه های عمیق تر در آبخوان جذب شوند. این امر، انگیزه اصلی برای ادامه شبیه سازی های کنترلی بر اساس معیار-s% در این مطالعه بود. روش خطوط مسیر در بسیاری از موارد برای مدیریت منابع آب زیرزمینی استفاده می شود، به عنوان مثال برای برآورد مناطق جذب چاه های در حال بهره برداری و یا برنامه ریزی شده (به عنوان مثال Barپایین، 1994؛ Bayer و همکاران، 2004 Mulligan و Ahlfeld، 2007)، و برای برآورد زمان های سیر آلاینده (به عنوان مثال Shafer، 1987؛ Zheng و همکاران، 1988). پروژه W-SAHaRA با بودجه اتحادیه اروپا (تجزیه و تحلیل تصادفی حفاظت از سر چاه و ارزیابی ریسک) روش های ترسیم را برای مناطق جذب تجزیه و تحلیل کرد (به عنوان مثال Stauffer و همکاران، 2005؛ van Leeuwen و همکاران، 2000). اگر فرض شود که آلاینده ها دستخوش واکنش های شیمیایی و یا پوسیدگی نمی شوند و پراکنده و یا پخش نمی شوند، مساله انتقال آلاینده به مساله ترسیم الگوی جریان تقلیل می یابد (O’Neill، 1990). پخش شدن آلاینده توسط پراکندگی و نفوذ می توانند به دلیل پخش شدن تصادفی "ذرات آلاینده" هنگام حرکتشان از درون آبخوان باشند (به عنوان مثال Phillips و Gelhar، 1978؛ Prickett و همکاران، 1981)، که در مطالعه ما در نظر گرفته نمی شود. چندین مقاله (به عنوان مثال Katsafirakis و همکاران، 2009؛ Varljen و Shafer، 1993) جفت شدگی مدل های خط مسیر ذرات را با متدولوژی های بهینه سازی، برای تطابق با وظایف مدیریت، مانند بهینه سازی زمان بندی های پمپاژ برای میدان های چاه در معرض بخش های آلوده شده ی آبخوان، یا بهینه سازی فرآیندهای بازسازی، نشان می دهند (Bayer و همکاران، 2004). تجزیه و تحلیل خط مسیر برای مدیریت تغذیه مصنوعی برای حفاظت بهتر از منابع آب زیرزمینی در برابر نفوذ آب شور در آبخوان های ساحلی نیز استفاده شده است (Shammas، 2008). مطالعه ی اخیر دیگر (Tiwary و همکاران، 2005) به مدل سازی خط مسیر برای ارزیابی مهاجرت یون از معدن به آب زیرزمینی، به منظور قضاوت در مورد تنزیل کیفیت آب زیرزمینی، می پردازد. اثر آب فاضلاب یا آلاینده های دیگر بر روی منابع آب زیرزمینی در مناطق شهری نیز با استفاده از خطوط مسیر تجزیه و تحلیل شده است (به عنوان مثال Pokrajac، 1999؛ SubbaRao و GurunadhaRao، 1999). هیچ یک از مطالعات ذکر شده از روش خط مسیر برای مدیریت زمان-واقعی یا کنترل زمان-واقعی بهینه ی میدان چاه استفاده نکردند. روش کنترلی می تواند برای موارد شامل میدان های چاهی که به منابع آلودگی بالقوه ی احیا نشده نزدیک در زیرسطح یا میدان های چاه که در معرض تهدید آب و فاضلاب لوله های نشت کننده نزدیک می باشند، مهم باشد. تفاوت مهم با مطالعات ذکر شده این است که مدیریت در این مطالعه مجددا برای هر گام زمانی بهینه سازی می شود. تجزیه و تحلیل خط مسیر در رویکرد ما برای محاسبه درصدهای خطوط مسیر نشات گرفته از بخش به طور بالقوه آلوده ی آبخوان استفاده می شود. سپس این درصدها به عنوان ورودی کنترلی برای کنترل بهینه ی میدان چاه استفاده می شوند (معیار-s%). نتایج کنترل بهینه با استفاده از معیار درصد با نتایج کنترل با معیار-Δh مقایسه می شوند. بخش های زیر مطالعه موردی میدان چاه، متدولوژی، نتایج حاصل، و در نهایت بحث و جمع بندی را ارائه می دهند.
پیش نمایش مقاله
پیش نمایش مقاله مطالعه ی مقایسه ای دو معیار کنترلی مختلف برای مدیریت زمان- واقعی آب بندهای زیرزمینی شهری

چکیده انگلیسی

We present the comparison of two control criteria for the real-time management of a water well field. The criteria were used to simulate the operation of the Hardhof well field in the city of Zurich, Switzerland. This well field is threatened by diffuse pollution in the subsurface of the surrounding city area. The risk of attracting pollutants is higher if the pumping rates in four horizontal wells are increased, and can be reduced by increasing artificial recharge in several recharge basins and infiltration wells or by modifying the artificial recharge distribution. A three-dimensional finite elements flow model was built for the Hardhof site. The first control criterion used hydraulic head differences (Δh-criterion) to control the management of the well field and the second criterion used a path line method (%s-criterion) to control the percentage of inflowing water from the city area. Both control methods adapt the allocation of artificial recharge (AR) for given pumping rates in time. The simulation results show that (1) historical management decisions were less effective compared to the optimal control according to the two different criteria and (2) the distribution of artificial recharge calculated with the two control criteria also differ from each other with the %s-criterion giving better results compared to the Δh-criterion. The recharge management with the %s-criterion requires a smaller amount of water to be recharged. The ratio between average artificial recharge and average abstraction is 1.7 for the Δh-criterion and 1.5 for the %s-criterion. Both criteria were tested online. The methodologies were extended to a real-time control method using the Ensemble Kalman Filter method for assimilating 87 online available groundwater head measurements to update the model in real-time. The results of the operational implementation are also satisfying in regard of a reduced risk of well contamination.

مقدمه انگلیسی

This paper presents a real-time control methodology using two different control criteria which has been put into practice for the safe abstraction of drinking water in the city of Zurich, Switzerland. The Hardhof well field delivers 15% of the drinking water demand of the city and serves as one of the main waterworks of the urban water supply net. The growth of residential and industrial areas close to the Hardhof well field over recent decades has led to much higher potential contamination risks in the ground and at the surface. The historic basis for well field management relied on defined well head protection zones to avoid contaminating activities close to the wells and the additional monitoring of the pumped water quality. Sporadic tracer studies and collections of water samples were used to locate and delineate contamination sources. Meanwhile the HACCP concept (Hazard Analysis and Critical Control Points) (WHO, 2010) was incorporated as a legal obligation in Switzerland (EDI, 2010). It requires all producers of drinking water to guarantee the quality standard of the supplied water at any time. Therefore, the possible inflow of water from parts of the aquifer which may contain sources of contamination must be monitored or controlled in real-time. Online-sensors can be used for the monitoring of aquifers and the operation of wells. These sensors transfer head data, temperature or chemical data, e.g. electrical conductivity in the groundwater and have potential value for the real-time management of well fields. We consider a real-time well field management system as a combination of three technical parts: 1) real-time transferred data, 2) a model that is updated with this data, and 3) a control algorithm calculating the necessary pumping rates at current time or as a predictive signal for future management decisions. Our current study introduces a control approach which uses path line analysis of particles as control criterion for the real-time management of the Hardhof well field under conditions of temporally variable forcings (natural recharge rates, river stages, boundary conditions and groundwater management).

نتیجه گیری انگلیسی

The %s-criterion is a surrogate control criterion. For each day the path lines are calculated with the instantaneous flow field, assuming that all conditions stay constant. If the %s-criterion is optimally controlled (i.e., %s = 0) for each day of the time period between 1st of January 2004 and 23rd of August 2005, the criterion can be regarded as conservative and robust because its requirement regarding optimality (i.e., %s = 0) does not allow inflow of city water. The limitations of the %s-criterion lie within the maximum travel time for the calculation of the path lines. We chose a maximum of 200 days as abort criterion for the calculation of the path lines which has no implications on the validity of the results (more than 99.5% of the particles reached the defined control planes in x-, y- and z-direction or the defined boundaries of the river or the city domain). In comparison to the path line method, a transport model for the transient simulation of electrical conductivity in the groundwater would be better suited to estimate EC values in the horizontal wells. However, this is far from trivial as the EC of the groundwater is modified during its transport below the city. The space-time distribution of the processes and sources that result in the EC-increase of the city water are largely unknown and therefore it is difficult to simulate these processes in a reliable manner. A dense network of online sensors that measure EC could alleviate this problem, and these measurement data could be assimilated by a transport model to update the spatial distribution of EC in time. So far, the online application in the field showed that the %s-criterion for the control leads to reduced (measured) EC values of the pumped drinking water, indicating a reduced inflow of city water. The CPU-time per optimization iteration is ca. 2.5 min yielding 12.5 min for 5 iterations. This is the main reason to limit the number of particles to 1350. The number of particles could be adapted to 2000 or even 3000 in order to produce better results in terms of resolution. The introduced %s-concept could be used for different classes of problems, mainly for all groundwater model calculations using the finite element approach. Well sites without artificial recharge basins, yet threatened by all kinds of contamination in the soil or groundwater could rely on this concept in order to adapt the necessary abstraction rates in real-time.

خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.