طراحی سامانه کنترل خودکار به‌منظور توزیع عادلانه آب در شرایط کم‌آبی و نوسانات جریان ورودی، مطالعه موردی شبکه آبیاری رودشت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آبیاری و زهکشی، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران، پاکدشت، تهران، ایران

2 استادیار گروه مهندسی آبیاری پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

چکیده

سابقه وهدف: شرایط غیرمعمول بهره‌برداری کانال‌های آبیاری به سبب تشدید خشکسالی‌های پی‌در‌پی در اکثر شبکه‌های کشور عملکرد ضعیف شبکه‌های آبیاری کشور در توزیع عادلانه آب بین مصرف‌کنندگان را سبب شده است. در این شرایط بهره‌گیری از راهبردهای نوین در بهبود فرآیند بهره‌برداری مورد توجه قرار گرفته که اجرای آن نیازمند وجود سامانه کنترل خودکار در کانال می‌باشد و اصولاً با شیوههای بهرهبرداری مرسوم اکثر شبکه‌های کشورمان انجام پذیر نیست.
مواد و روشها:در این تحقیق، سامانه کنترل خودکار مرکزی پیش‌بین جهت بهره‌برداری کانال اصلی آبیاری طراحی شد. همچنین شبیه‌سازی هیدرولیک جریان در کانال با استفاده از مدل ساده شده انتگرالی- تاخیری در محیط نرم‌افزارمتلب انجام گرفت. با تعریف متغیر جدید تفاوت خطای سطح آب بین بازه‌های کانال آبیاری، استراتژی بهره‌برداری تفاوت خطای سطح آب به‌عنوان بخش نرم‌افزاری سامانه بهره‌برداری به کنترل‌گر پیش‌بین اضافه شد. کانال مورد مطالعه در این تحقیق، کانال اصلی شبکه‌ی آبیاری رودشت است که با دو مشکل عمده نوسانات ورودی و کم‌آبی مواجه می‌باشد. براین اساس سناریوهای بهره‌برداری مختلفی با استفاده از اطلاعات واقعی بهره‌برداری کانال انتخاب شد و سامانه کنترل خودکار در شرایط مختلف بهره‌برداری مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور سنجش کارایی استراتژی بهره‌برداری تفاوت خطای سطح آب در توزیع عادلانه آب بین آبگیرهای واقع در کانال اصلی، بهره‌برداری کانال با و بدون بهره‌گیری از استراتژی بهره‌برداری مذکور بررسی شد.
یافتهها: نتایج تحقیق حاکی از عملکرد مطلوب سامانه کنترل خودکار در مدیریت بهره‌برداری کانال آبیاری تحت نوسانات ملایم و شدید بود به نحوی‌که میزان شاخص عدالت محاسبه شده به ترتیب 21/1 و 33/4 درصد برای دو سناریوی مذکور بدست آمد. با افزودن سناریوی کم‌آبی، ضرورت به‌کارگیری استراتژی «بهره‌برداری تفاوت خطای سطح آب» توسط کنترل‌گر پیش‌بین مشخص شد، زیرا با مقادیر بدست آمده 22/15 و 5/22 درصدی شاخص عدالت دیگر کنترل‌گر به‌تنهایی قادر به پیاده‌سازی توزیع عادلانه به نحو مطلوب نبوده است. همچنین نتایج نشان داد به‌کارگیری استراتژی مذکور به ترتیب سبب بهبود 13 و 17 درصدی شاخص عدالت توزیع آب در سناریوهای نوسان ملایم و نوسانات شدید شد.
نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان داد که در شرایط وخیم بهره‌برداری، به‌کارگیری استراتژی‌های بهره‌برداری به منظور ارتقا عملکرد سامانه‌های کنترل ضروری است. مزیت عمده بهره‌گیری از استراتژی‌ بهره‌برداری تفاوت خطای سطح آن است که بدون هیچ‌گونه نیاز به صرف هزینه اضافی جهت تغییر در زیرساخت سامانه کنترل خودکار، میزان مطلوبیت عدالت توزیع آب قابل بهبود است. راهبرد اختلاف خطای رقوم سطح آب به عنوان یک روش سیستماتیک در توزیع عادلانه آب بین آب بران در طول کانال اصلی، می‌تواند در بهبود عملکرد سامانه‌های کنترل خودکار نقش قابل توجهی را در شرایط کم آبی ایفا نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design of Automatic Control System to Equitable Water Distribution under Water Shortages and Inflow Fluctuation Operational Conditions, Case study of Roodasht Irrigation district

نویسنده [English]

  • Mehdi Yaltaghian Khiabani 1
1 Irrigation and Drainage department, Aburaihan College, Pakdasht, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Unconventional operational conditions within main irrigation canals, due to intensifying following drought conditions, has resulted to poor performances of the irrigation districts in water distribution between the water holders from the equity perspectives. Accordingly have convinced the managers to employ the modern operational strategies. However, hiring these smart operational strategy need automatic control systems and getting the advantages of the approach is quite impossible by using the conventional operational methods.
Materials and methods: An automatic control system, using Model Predictive Control, is designed and tested in the present study. Also, simulation of the hydraulic conditions of the irrigation canal is accomplished by a simplified mathematical model of Integrator-Delay (ID) model in Matlab. Moreover, the operational strategy of different error gets employed by the MPC controller by defining a new state variable of the “Difference Error”. The Roodasht main irrigation canal is selected as the case study of the research, due to special hydraulic conditions of this canal, including consequent water shortages periods as well as inflow fluctuation at the canal head-gate. Accordingly, a wide range of operational scenarios is chosen based on the practical operational information. Then, the performance of the designed MPC controller with and without employing the operational strategy is evaluated by the equity indicator within the operational conditions.
Results: The obtained results indicate that execution of the MPC controller is reasonable enough to handle both of the regular and severe inflow fluctuations. The equity performance indicator shows that MPC controller distributes irrigation water almost equitably under the frequent and severe inflow fluctuations so that the corresponding values obtained 1.21 and 4.33 percent respectively. However, the results reveal that equitable water distribution has not achieved when water shortages scenario has appeared. During the water shortages, MPC could not be able to meet the equity objective. So, the water level difference operational strategy is required to be employed by the MPC controller. According to the results, significant improvement equal to 13 and 17 percent has been achieved in equity index after upgrading the MPC controller with the strategy.
Conclusion: This study reveals the necessity of employing the operational strategy to improve the performance of the controller within the severe operational conditions. The main advantages upon upgrading the control systems with the operational policy, including the procedure used in this study, has not imposed and extra charges to the control system. Therefore, getting the advantages of the strategies is highly suggested to implement reasonable performances of the system. The developed plan for this study is recommended for the operation of those irrigation districts suffering from water scarcity. The strategy is capable of reasonably water distribution in a systematic manner between the off-takes locating along the canal.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Equitable Distribution
  • Irrigation Canal
  • Operational Management
  • Modernization