کاربرد الگوریتم فراکاوشی SCE و مدل LINGO11 در بهینه سازی ابعاد سدهای خاکی (مطالعه موردی سد برزک)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه مهندسی آب دانشگاه زنجان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی دانشگاه زنجان

3 دانش آموخته دکتری سازه های آبی دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

سدهای خاکی به­عنوان سازه­های مهارکننده آبهای سطحی و کنترل سیلاب، می­بایست قادر به ذخیره آب و جلوگیری از نفوذ آب از بدنه و پایداری در مقابل نیروهای وارده باشند. مسئله مهم در طراحی سدهای خاکی که با مصالح در دسترس ساخته می­شود، تعیین طرحی است که عملکرد مورد انتظار را با ایمنی کافی و کمترین هزینه داشته باشد. با توجه به اینکه بررسی و تحلیل همه گزینه­های ممکن برای انتخاب بهترین طرح، نیازمند صرف وقت و هزینه زیادی می­باشد، طراحی سدهای خاکی می­تواند به عنوان یک مسئله بهینه­سازی فرمول­بندی شود. در این تحقیق، به­منظور طراحی بهینه سدهای خاکی با هدف حداقل نمودن سطح مقطع سد (حجم مصالح مصرفی در واحد طول سد)، مدل برنامه­ریزی غیرخطی ارائه شده است. بهینه­سازی با اعمال محدودیت­هایی که ایمنی شیروانی­ها را تضمین می­کنند، انجام شد. بعلاوه اینکه روابط ریاضی برای تقریب مقادیر ضرایب اطمینان شیروانی­ها، به­صورت روابط رگرسیونی جدیدی تعریف شد. به­منظور یافتن پاسخ بهینه، الگوریتم تکامل ترکیبی جوامع (SCE) با استفاده از برنامه­نویسی توسعه یافت. علاوه بر بهینه­سازی فوق، متغیرهای طراحی با استفاده از نرم‌افزار LINGO نیز بهینه­سازی گردید. سپس طرح اولیه سد خاکی برزک ارائه و کارایی مدل پیشنهادی در طراحی بهینه ابعاد سدهای خاکی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که هر دو روش بهینه­سازی در برآورد مقادیر ابعاد بهینه و در نتیجه حجم مصالح بدنه، عملکرد یکسانی دارند. مساحت مقطع سد در طراحی بهینه برابر با 3/2725 مترمربع بدست آمد در صورتیکه در طرح اولیه، مساحت مقطع آن برابر 7/4400 مترمربع تعیین شده بود؛ بنابراین حجم سد به میزان 38 درصد که مقدار قابل توجهی می­باشد نسبت به طرح اولیه کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Application of SCE Meta Heuristic Method and LINGO11 Model for Optimization of Earth Dams Dimensions (Case Study Barzok Dam)

نویسندگان [English]

  • Hesam Ghoddosi 1
  • Fahimeh Vakili Tanha 2
  • Kazem Shahverdi 3
1 University of Zanjan
2 University of Zanjan
3 Tarbiat Modares University
چکیده [English]

Earth dams as controlling structures of surface flows and floods, must can store the water and prevent of water infiltration from their bodies and resist against forces. Important problem in designing earth dams that constructed with available materials, is determination of design that have expected performance with adequate safety and minimum cost. Because investigating and analyzing all possible options for determination best design requires to spend many of time and cost, designing the earth dams can be formulated as optimization problem. In this study, nonlinear programming model has been presented for designing earth dams optimally with the aim of minimizing the section area of dam (volume of materials that consumed in the dam length unit). Optimization was performed by applying constraints that ensure the safety of slopes that mathematical equations for approximation the values of factors of safety of slopes are defined as the new regression equations. . In order to find the optimal solution, shuffled complex evolution (SCE) algorithm was developed by programming. In addition to previous optimization, design variables were optimized using LINGO software. Then initial design of Barzok earth dam has been presented and performance of the proposed model in optimal designing of earth dams has been studied. Result showed that optimization methods used in this study present same estimation of optimal solution and obtained results from running the SCE optimization model and LINGO model showed that these two optimization methods in the optimization of dam section have same performance. The value of minimum objective function that's mean area of Barzok dam section was determined equal to 2725.3 m2 that in primary design, area of dam section is equal to 4400.7 m2. Therefore dam volume %38 has been reduced that is significant value.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Earth dam
  • LINGO software
  • nonlinear programming
  • Optimization
  • shuffled complex evolution

مراجع

 Abdul Hussain, I. A., Kashyap, D. and Hari  Prasad, K. S. (2007). Seepag  modeling assisted optimal design of a  homogeneous earth dam: Procedure  evolution. Journal of Irrigation and Drainage Engineering.
Dakhlaoui, H., Bargaoui, Z. and Bardossy,A. (2012). Toward a more efficient calibration schema for HBV rainfall-runoff model. Journal of  Hydrology ,444-445,161-179.
Duan, Q., Sorooshian, S. and Gupta, V. k. (1992). Effective and Efficient Global Optimization for             Conceptual Rainfall- Runoff  Models. Journal of  Water  resources research, 28.                        
Duan, Q., Gupta, V.K. and Sorooshian, S.(1993). A shuffled complex evolution  approach for effective and efficient global  theory minimization. Journal of optimization and applications.76(3), 501-521.                           
Duan, Q., Sorooshian, S. and Gupta, V. k. (1994). Optimal use of the SCE-UA global. Optimization  method for calibrating  watershed  models. Journal of hydrology,(158), 265-284.       
Gan,T.Y.,  Diamini, E.M. and Biftu,G.F. (1997). Effects of model complexity and  structure, data quality, and objective  functions on hydrologic modeling. Journal  of Hydrolgy, (192), 81-103.
Geo-Slope International Ltd.(2008). Stability Modeling with SLOPE/W 2007, An Engineering  Methodology, 4th edition. Geo-Slope International Ltd., Calgary: Alberta, Canada.          
Holland, J. H.(1975). Adaptation in Natural and Artificial Systems, University of Michigan  Press,  Ann Arbor.      
Long ,L., Henrik, M. and Dan, R. (2007). Simulation and optimization modelling approach  for operation of the HoaBinh reservoir, Vietnam. Journal of Water Resour Manage,(21), 947–959.
Montaseri,M., Deiminiat,A. and Ghezelsofloo, AA. (2010). Optimization of Clay Core Dimensions  in Earth Dams Using Genetic Algorithm. Journal  of water and soil science, water and soil science, Volume1(3), 73-86 (in Farsi).
Murthy ,G.S.R., Murty, Katta, G. and Raghupathy, G. (2013). Designing earth dams optimally. 40th  Anniversary Volume, IAPQR.    
Nelder, J. A., and Mead, R. (1965). A simplex method for function minimization, Cornput. J., 7(4), 308-313.
Price, W. L. (1987). Global optimization algorithms for a CAD workstation, Journal of Optimization Theory and  Applications., 55(1), 133-146.
Rahimi, H. (2003).Earth dams. Tehran: University of Tehran (In Farsi).               
Ranjan, G., and Rao, A. S. R. (2000). Basic and applied soil mechanics, New Age International Publishers. 
Skahill, B.E., and  Doherty, J. (2006). Efficient accommodation of local minima in watershed model calibration. Journal of Hydrology. (329), 122–139.                    
US. Army corps of engineers. (2003). Engineering and design: Slope stability. Engineering  Manual EM  1110-2-1901, Vicksburg, Miss.
Wu, Y. and Chen, Ji. (2013). Estimating irrigation water demand using an improved method an  optimizing reservoir operation for   water supply and hydropower generation: A case study of  Xinfengjiang reservoir in southern China. Journal of Agricultuarl Water Management, (116), 110-121.
XU, Y.Q., Unami, K. and Kawachi, T. (2003). Optimal hydraulic design of earth dam cross section using saturated- unsaturated seepage flow model. Advances in Water Resources, (26),1-7.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 49، شماره 2
خرداد و تیر 1397
صفحه 233-242

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار