بهینه‌سازی پارامترهای طراحی زهکش زیرزمینی باهدف کاهش خسارات محیط زیستی

محورهای موضوعی : کشاورزی و محیط زیست

حامد مازندرانی زاده ¹ , رحیمه زاوش پرگو ² , پیمان دانشکار آراسته ³

1 - استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران* (مسوول مکاتبات)
2 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.
3 - دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

تاریخ دریافت : 1395/08/15 تاریخ پذیرش : 1395/10/08 تاریخ انتشار : 1398/06/01

کلید واژه: الگوریتم تکاملی, کشت و صنعت سلمان فارسی, محیط‌زیست, الگوریتم ژنتیک, زه‌آب,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: قطر، عمق کارگذاری و فواصل لوله‌های زهکش سه متغیر اساسی در طراحی شبکه‌های زهکش زیرزمینی می‌باشند. پساب خروجی از شبکه‌های زهکشی می‌تواند اثرات مخرب زیادی بر محیط‌زیست بر جای بگذارد. انتخاب مناسب متغیرهای طراحی فوق می‌تواند به کاهش خسارت محیطزیستی کمک نماید. هدف از این مقاله، ارایه مدلی به‌منظور انتخاب بهینه پارامترهای طراحی سیستم زهکشی زیرزمینی با هدف کاهش خسارات محیطزیستی ناشی از تخلیه پساب به محیط‌زیست است، به نحوی پس از تخلیه زهاب، غلظت شوری رودخانه از حد مجاز قابل‌قبول بیش‌تر نشود. روش بررسی: به این منظور بیشینه نمودن اختلاف شوری زهاب خروجی و حد مجاز غلظت قابل تخلیه به رودخانه به‌عنوان تابع هدف مدل در نظر گرفته شد. مدل بهینه‌سازی الگوریتم ژنتیک ([1]GA) که یکی از انواع الگوریتم‌های تکاملی است مورداستفاده قرار گرفت، همچنین به منظور شبیه‌سازی انتقال شوری از مدل هوخهات استفاده شد. در مدل هوخهات انتقال آب به زهکش در دو بخش بالا و پایین سطح زهکش به‌صورت مجزا و با شوری‌های متفاوت مدل می‌شود. به‌ منظور ارزیابی مدل پیشنهادی، یکی از واحدهای شرکت کشت و صنعت سلمان فارسی به‌عنوان مطالعه موردی انتخاب شد. برنامه‌نویسی روابط مورد استفاده در این تحقیق شامل تابع شبیه‌سازی انتقال شوری هوخهات و همچنین الگوریتم بهینه‌سازی GA در محیط نرم‌افزار Matlab کد نویسی شده است. یافته‌ها: نتایج نشان می‌دهد عمق کارگذاری لوله‌های زهکش عموماً بر حداقل عمق مجاز نصب منطبق هستند، به‌عبارت‌دیگر ازآن‌جاکه تابع هدف مدل دست‌یابی به حداقل خسارات محیطزیستی است، حداقل عمق نصب به‌عنوان عمق بهینه انتخاب شده است. پارامترهای عمق، قطر و فاصله بهینه به‌دست‌آمده در این مطالعه به ترتیب 3/1، 1/0 و 3/34 متر محاسبه شده است. همچنین نتایج بررسی حساسیت مدل پیشنهادی به تغییر دو فرض اولیه اجرای مدل، حداقل عمق مجاز نصب و عمق تثبیت سطح ایستابی نشان می‌دهد با افزایش حداقل عمق مجاز نصب فاصله زهکش‌ها افزایش یافته و کاهش عمق تثبیت سطح ایستابی باعث افزایش فواصل زهکش‌ها و افزایش غلظت زهاب تخلیه‌شده به محیط‌زیست می‌شود. بحث و نتیجه‌گیری: در این تحقیق و با استفاده از اطلاعات مطالعه موردی شرکت کشت و صنعت سلمان فارسی، به منظور کاهش خسارت محیطزیستی ناشی از اجرای طرح‌های زهکشی، زهکش‌ها در حداقل عمق مجاز نصب قرار داده شوند. [1]- Genetic Algorithm

چکیده انگلیسی:

Background and Objective: Diameter, insertion depth and spacing of drainage pipes are three crucial variables in the design of underground drainage network. Effluents have a great potential to leave lots of damage on the environment. The proper selection of design variables can lead to reducing the environmental damage. The purpose of this paper is to provide a model for selecting optimal design parameters for underground drainage systems to reduce environmental damage, in a way that after the discharge of drainage to the river, river salinity concentration does not exceed the acceptable limit. Method: For this purpose, maximization of difference between drainage water salinity and acceptable limit was considered as the objective function. Genetic Algorithm (GA), kind of evolutionary algorithm, has been used to simulate the transmission and the salt Hooghoudt model was used also. In Hooghoudt model water transition to drainage is modeled in two upper and lower individual part. In order to evaluate the proposed model, an agro-industrial unit Salman Farsi was chosen as case study. Matlab software was employed to program the formula and algorithm which has been used in this research, including Hooghoudt salinity transfer simulation function and GA algorithm optimization. Findings: Results show that the pipe depth is complying with minimum allowable depth. In other words, since the objective function of the model is to achieve minimal environmental damage, the minimum depth of installation is generally chosen. Optimum diameter, insertion depth and spacing have been obtained 1.3, 0.1 and 34.3 respectively. The results of the sensitivity of the model to change of the two basic assumptions, minimum allowable depth and stabilize the water table depth stabilizing, shows by increasing the allowable minimum depth of installation, drainage spacing increases and reducing the depth of the water table stabilizing will increase the drainage intervals and leads to increasing the concentration of drainage water discharged to the environment. Discussion and Conclusion: In this study and by using information about the Salman Farsi agro-industry company, to reduce the environmental damage caused by drainage projects, installation depth of drainage should be equal to the minimum allowable depth.

منابع و مأخذ:

1. Hornbuckle, J.W., Christen, E.W., Faulkner, R.D, 2007. Evaluating a multilevel subsurface drainage system for improved drainage water quality, Agricultural Water Management. Vol. 89, pp: 208–216


2. Christen, E.W., Ayars, J.E., Hornbuckle, J.W, 2001. Subsurface drainage design and management in irrigated areas of Australia. Irrigation Science. Vol. 21, pp: 35–43


3. Valipour, M, 2012. Effect of drainage parameters change on amount of drain discharge in subsurface drainage Systems, Journal of agriculture and veterinary science, Vol. 1, pp: 10-18


4. Valipour, M, 2012, A Comparison between Horizontal and Vertical Drainage Systems (Include Pipe Drainage, Open Ditch Drainage, and Pumped Wells) in Anisotropic Soils, Mechanical and Civil Engineering, Vol. 4, pp:7-12


5. Ghumman A R,Ghazaw Y M, Niazi M F and Hashmi NH., 2011. Impact assessment of subsurface drainage on waterlogged and salinelands. Environment Monitoring Assessment, Vol. 172, pp:189-197


6. Ritzema, HP. Satyanarayana,TV. Raman, S and Boonstra,J.,2008. Subsurface drainage to combat waterlogging and salinity in irrigated landia: lessons learned in farmers fields. Agricultural Water Management Vol. 95, pp:179-189


7. Razi, F, Sotoodehnia A, Daneshkar araste P and Akram, M, 2012. A Laboratory Test on the Effect of Drain Installation Depth on Drain Water Salinity (from a Clay-Loam Soil Profile). Iranian Journal of Soil and Water Research, Vol 43, pp: 281-288, (In Persian)


8. Srinvasulu, A. SujaniRao, C. Lakshmi, G. V. Styanarayana, T. V. Boonstra, J.,2004. Model studies on salt and water balances at Konanki pilot area, Andhra Pradesh, India, Irrigation Drainage System. Vol. 18, pp:11-17


9. Gupta, S. K. 2002. A century of subsurface drainage research in India. Irrigation and Drainage Systems, Vol.16, pp: 69-84


10. Bahceci,I. Dinc, N. Tan,A.F. Agar,A And Sonmez, B., 2006. Water and salt balance studies, using Salt-Mode, to improve subsurface drainage design in the Konya-Cumra plain, Turkey, Agricultural Water Management Vol. 85, pp: 261-271


11. Aslani, F., Nazemi, A., Sadreddini, A., Fakherifard, A., and Ghorbani, M. A. 2010. Underground drainage depth and distance estimates based on drainage water quality. Journal of Soil and Water Research. Vol. 41, pp: 139-146


12. Hajrassoliha, Sh., Dahi, MR., 2003, Water quality for agriculture, 200 pages


13. Goldberg, D.E, 1989. Genetic Algorithm in Search Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, 412p.


14. Zadesh Pargo R., Mazandarani Zadeh H. and Daneshkar Araste P., 2015, Subsurface drainage system design to minimize construction costs with steady-state consideration. Journal of Water Research in Agriculture 29(1): 117-128 (In Persian)


15. Pazira, E. and Homaee, M. 2010. Salt leaching efficiency of subsurface drainage system at presence of diffusing saline water table boundary, 17th Word Congress of the International Commission of Agricultural Engineering (CIGR), Qeuebec City, Canada