بهینه‌سازی طراحی شبکه توزیع آب با استفاده از WaterGEMS و الگوریتم برنامه‌ریزی درجه دوم متوالی: مطالعه موردی شبکه زعفرانیه بیرجند

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

2 دانشجوی دکتری مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

سابقه و هدف: شبکه‌های توزیع آب شهری در مناطق نیمه‌خشک مانند بیرجند از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند، زیرا بیش از ۸۰٪ هزینه تأمین آب مربوط به شبکه توزیع است. شهرک زعفرانیه، با پیش‌بینی افزایشی در تقاضای آب تا افق ۱۴۳۳، نیازمند طراحی شبکه‌ای کم‌هزینه و پایدار است؛ شبکه‌ای که بتواند در عین تأمین فشار مناسب برای همه مشترکین، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه و عملیاتی را به حداقل برساند. در این پژوهش، رویکردی ترکیبی با عنوان SQP–WDN معرفی شد که شبیه‌سازی هیدرولیکی دقیق شبکه توزیع آب (WDN) در نرم‌افزار WaterGEMS و بهینه‌سازی طراحی با استفاده از الگوریتم دنباله‌ای برنامه‌ریزی درجه‌دوم (SQP) در محیط MATLAB را هم‌زمان به کار می‌گیرد. هدف اصلی این روش تعیین قطر بهینه لوله‌ها برای تحقق هزینه حداقلی شبکه و حفظ رعایت تمام قیود هیدرولیکی از جمله فشار حداقل در گره‌ها و سرعت مجاز در لوله‌ها است.
مواد و روش‌ها: شبکه توزیع آب مورد مطالعه شامل 21 گره مصرفی و 27 خط لوله است که به کمک نقشه‌های توپوگرافی و داده‌های ارتفاعی گره‌ها (بین ۱۴۸۵ تا ۱۵۶۵ متر) در نرم‌افزار WaterGEMS مدل‌سازی شد. مصرف ساعتی هر گره براساس میانگین نتایج سه روش هندسی، حسابی و فایر تعیین شد که مقدار آن بین 06/1 تا 67/17 مترمکعب در ساعت متغیر است. ضریب زبری لوله‌ها مطابق معیار هیزن–ویلیامز برابر ۱۳۰ و محدوده مجاز سرعت جریان در لوله‌ها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه لحاظ شد. همچنین حداقل فشار موردنیاز در تمام گره‌ها ۳۰ متر ستون آب تعریف گردید. در طراحی اولیه، مخزن اصلی (گره R-1) با ارتفاع ثابت ۱۵۶۵ متر در نظر گرفته شد و جریان اولیه در شرایط پایدار به میزان 9/37 لیتر بر ثانیه از طریق لوله شماره ۲۷ به سمت گره J-20 (با ارتفاع 80/1521 متر) برقرار شد. با اجرای شبیه‌سازی WaterGEMS، افت هد بر اساس رابطه هیزن–ویلیامز محاسبه شد و نقاطی که در زمان پیک مصرف فشار در آن‌ها به زیر حد مجاز می‌رسیدند، شناسایی گردیدند. این نقاط بحرانی نشان می‌داد شبیه‌سازی اولیه بدون بهینه‌سازی قادر به تأمین فشار مناسب در همه نواحی نیست. برای حل مسئله تعیین قطر بهینه لوله‌ها، الگوریتم SQP در محیط MATLAB اجرا شد. در این الگوریتم، تابع هدف عبارت بود از حداقل‌سازی هزینه کل شبکه که هزینه هر لوله براساس طول و قطر آن محاسبه می‌شد. هم‌زمان برای حفظ قیود مربوط به سرعت، عبارتی به عنوان جریمه در نظر گرفته شد؛ به‌طوری که در صورت خروج سرعت جریان از بازه مجاز (بیش از ۲ یا کمتر از 3/0 متر بر ثانیه)، ارزش هدف افزایش یافته و انتخاب آن قطر نامطلوب تلقی می‌شد. قیود اصلی طراحی، شامل بقای جرم در هر گره (مجموع جریان‌های ورودی و خروجی برابر صفر) و حفظ محدودیت فشار در رنج تعریف‌شده بود. برای اجرای یک چرخه خودکار شبیه‌سازی و بهینه‌سازی، اسکریپت VBA در WaterGEMS توسعه یافت تا تبادل داده توسط MATLAB انجام شود. پیش از اعمال نهایی روش بر شبکه زعفرانیه، صحت الگوریتم SQP–WDN بر شبکه مرجع دوحلقه‌ای الپروویتز و شامیر آزموده شد. این شبکه شامل هفت گره و هشت خط لوله به طول یک‌هزار متر با ضریب زبری ۱۳۰ و مخزن با ارتفاع ۲۱۰ متر بود. حداقل هد در گره‌ها حدود ۳۰ متر تعریف شد و پس از اجرای بهینه‌سازی، نتایج شامل قطر لوله‌ها، فشار در گره‌ها و هزینه کل شبکه با نتایج مطالعات معتبر بین‌المللی و داخلی مقایسه گردید. تطابق هزینه نهایی در حدود ۴۲۰٬۰۰۰ دلار با پژوهش‌های معتبر نشان داد که مدل هیدرولیکی و الگوریتم بهینه‌سازی قادر به بازتولید دقیق رفتار شبکه مرجع هستند. این اعتبارسنجی دقت و قابلیت اطمینان روش را تأیید کرد.
یافته‌ها: پس از اعتبارسنجی موفق، الگوریتم ترکیبی SQP–WDN برای شبکه زعفرانیه اجرا شد. در این مرحله، قطر محاسباتی هر لوله (خروجیSQP ) در مقابل قطر نهایی تجاری (نزدیک‌ترین اندازه استاندارد بزرگ‌تر یا مساوی قطر محاسباتی) قرار گرفت. نتایج نشان داد در هشت لوله از بیست‌و‌هفت خط لوله (از جمله لوله‌های شماره ۱، ۴، ۵، ۶، ۷، ۱۳، ۱۴ و ۲۷)، قطر محاسباتی تئوری دقیقاً با قطر تجاری مطابقت داشت. برای مثال، لوله شماره ۲۷ که نقش اساسی در انتقال جریان بالای آب از مخزن به کل شبکه داشت، هم قطر محاسباتی و هم قطر تجاری ۲۵۰ میلی‌متر انتخاب شد؛ به‌طوری که حداقل فشار در گره‌های انتهایی (حدود 15/60 متر آب) به خوبی تأمین گردید. برای بقیه لوله‌ها، قطر تجاری کمی بزرگ‌تر از قطر تئوری برگزیده شد تا افت فشار در مسیرهای بحرانی کاهش یابد و حاشیه اطمینان هیدرولیکی تقویت گردد. به‌عنوان نمونه، قطر محاسباتی لوله شماره ۲ معادل 49/79 میلی‌متر بود، اما قطر تجاری ۹۰ میلی‌متر به کار رفت تا در شرایط پیک، حداقل فشار در گره J-2 به بیش از 14/66 متر آب برسد. این حدود رواداری اجرایی سبب شد افت فشار شبکه کاهش یابد و نقاط انتهایی پایدارتر شوند. در نهایت، هزینه نهایی شبکه زعفرانیه پس از تطبیق قطرها با اندازه‌های تجاری حدود ۲۱٬۶۲۳٬۹۵۴٬۰۰۰ ریال محاسبه شد. اگرچه هزینه تئوری صرفاً بر اساس قطرهای دقیق محاسباتی ممکن بود اندکی کمتر باشد، ولی انتخاب قطرهای استاندارد بزرگ‌تر به دلیل جلوگیری از مشکلات اجرایی، اقتصادی و حفظ پایداری هیدرولیکی، معقول ارزیابی شد. در تمام شرایط بهره‌برداری—اعم از نرمال و پیک مصرف—فشار تمام گره‌ها بالاتر از حداقل تعریف‌شده (حدود ۳۰ متر آب) و سرعت آب در همه لوله‌ها بین 3/0 تا ۲ متر بر ثانیه باقی ماند. تحلیل خروجی‌های گرافیکی نیز نشان داد که با افزایش قطر تجاری در شاخه‌های بحرانی، نقطه‌هایی که سرعت جریان پیش از بهینه‌سازی به نزدیکی حد مجاز می‌رسید، به سرعتی کمتر دست یافته و افت هد کل شبکه کاهش یافته است.
نتیجه‌گیری: روش ترکیبی SQP–WDN نشان داد که می‌تواند هزینه سرمایه‌گذاری شبکه توزیع آب شهرک زعفرانیه را کاهش داده و در عین حال عملکرد هیدرولیکی شبکه را در همه شرایط تضمین کند. با بهره‌گیری از شبیه‌سازی دقیق WaterGEMS و الگوریتم SQP در MATLAB، قطر بهینه لوله‌ها تعیین شد و پس از تطبیق با قطرهای تجاری، هزینه نهایی حدود 624/21 میلیارد ریال محاسبه شد. خودکارسازی فرایند انتقال داده‌ها به کمک VBA موجب کاهش خطاهای انسانی و صرفه‌جویی در زمان شد. این چارچوب یکپارچه و کم‌خطا برای طراحی شبکه‌های کوچک تا متوسط در مناطق با محدودیت منابع آبی کاربردی است و می‌تواند به‌عنوان الگویی عملی برای مطالعه و پیاده‌سازی پروژه‌های مشابه در سایر نواحی مورد استفاده قرار گیرد. پیشنهاد می‌شود در مطالعات بعدی، ترکیب SQP با روش‌های فراابتکاری، توسعه رویکردهای چندهدفه و اعمال بهینه‌سازی استوار در شبکه‌های بزرگ‌تر بررسی گردد تا پایداری و کارایی طرح‌ها بیش از پیش ارتقاء یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of Water Distribution Network Design Using WaterGEMS and Sequential Quadratic Programming Algorithm: A Case Study of Birjand Zaferanieh Network

نویسندگان [English]

  • Mahdi Naseri 1
  • Raziyeh Shamshirgaran 2
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Ph.D. Candidate in Water Resources Engineering and Management, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Urban water distribution networks (WDNs) account for over 80 % of total water-supply costs in semi-arid regions such as Birjand, Iran. In the Zafaraniyeh residential district, anticipated increases in water demand through the planning horizon of 1433 necessitate a cost-effective and hydraulically reliable network design. This study introduces an integrated methodology—referred to as SQP–WDN—that concurrently leverages detailed hydraulic simulation in Bentley WaterGEMS and constrained nonlinear optimization via the Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm in MATLAB. The main objective of this method is to determine the optimal pipe diameters that minimize total network investment while ensuring all hydraulic constraints, including minimum node pressures and allowable flow velocities, are rigorously satisfied.
Materials and Methods: The target network comprises 21 demand nodes and 27 pipeline segments, modeled in WaterGEMS using high-resolution topographic maps and nodal elevation data ranging from 1485 to 1565 m above mean sea level. Hourly water demand at each node; varying from approximately 1.06 m³/h to 17.67 m³/h; was estimated by averaging results obtained from three demand-estimation techniques (geometric, arithmetic, and Fire’s method). All pipes were assigned a Hazen–William’s roughness coefficient of C = 130. Hydraulic constraints imposed on the system included a maximum allowable flow velocity of 2.0 m/s, a minimum permissible velocity of 0.3 m/s. Additionally, the minimum required pressure at all nodes was defined as 30 meters of water head. In the initial network configuration, the principal reservoir (Node R-1) was fixed at an elevation of 1565 m and supplied flow at a steady rate of 37.9 L/s through pipe segment 27 to Node J-20 (elevation 1521.8 m). WaterGEMS was used to perform steady-state hydraulic simulations, applying the Hazen–Williams’s formulation to calculate head losses. Critical sections, where simulated nodal pressures dropped below the defined minimum under peak-demand conditions, were identified, indicating the necessity of an optimization procedure to ensure sufficient pressure throughout the network. To address the pipe-sizing problem, the SQP algorithm was implemented in MATLAB. The objective function was formulated to minimize the total cost of all pipeline segments, with each segment’s cost determined by a cost–diameter polynomial calibrated to prevailing market prices. A velocity-penalty term was incorporated into the objective so that, if a candidate pipe diameter resulted in flow velocity exceeding 2.0 m/s or falling below 0.3 m/s, the objective value increased substantially, rendering that diameter choice suboptimal. The primary design constraints included mass-balance at each node (net inflows equal net outflows) and maintenance of nodal pressures within the allowable range. To automate the iterative coupling between WaterGEMS and MATLAB, a VBA script was developed in WaterGEMS to export simulation outputs (nodal pressures, pipe flows, lengths, and nominal diameters) into an Excel workbook after each simulation. MATLAB then ingested these data, evaluated the objective function and constraints, and updated pipe diameters accordingly. In the subsequent iteration, MATLAB recorded the revised diameters back into the Excel file, and WaterGEMS reran the hydraulic simulation. This bidirectional data exchange continued until convergence criteria were met—specifically, when successive changes in the total cost and pipe diameters fell below predefined tolerances. Prior to applying SQP–WDN to the Zafaraniyeh network, the methodology was validated on the benchmark two‐loop network introduced by Alperovitz and Shamir. This validation network comprised seven nodes and eight identical 1000 m pipelines (Hazen–Williams C = 130) supplied by a reservoir at 210 m elevation, with a fixed minimum head requirement of 30 m at each node. After performing SQP optimization on this benchmark, the resulting pipe diameters, nodal pressures, and total network cost were compared against established results from widely cited studies. The total cost achieved was approximately USD 420 000, which closely matched published values. This agreement confirmed the accuracy and reliability of the hydraulic model in WaterGEMS and the SQP-based optimization routine in MATLAB.
Results: Following successful validation, SQP–WDN was deployed on the Zafaraniyeh network. For each of the 27 pipeline segments, the “theoretical” diameter output by SQP was compared to the nearest commercially available nominal size that was equal to or larger than the computed diameter. In eight segments (Nos. 1, 4, 5, 6, 7, 13, 14, and 27), the computed diameters exactly matched standard market sizes. For example, in Segment 27—which serves as the main feed from the reservoir (Node R-1) to the network—SQP recommended a 250 mm pipe, corresponding precisely to a commercially stocked 250 mm diameter. This choice ensured that terminal node pressures remained above 60.15 m of head, thereby satisfying all minimum pressure requirements. The remaining 19 segments were each assigned the next larger standard diameter to introduce a hydraulic safety margin and reduce head losses in critical branches. For instance, Segment 2’s SQP‐computed diameter was approximately 79.49 mm, but the nearest available size was 90 mm; adopting 90 mm-maintained Node J-2’s minimum pressure above 66.14 m under peak‐demand conditions. Overall, selecting slightly larger commercial sizes for susceptible segments reduced head loss in critical pipelines, enhanced pressure stability, and mitigated the risk of substandard performance due to construction tolerances or future demand fluctuations. After reconciling computed diameters with market-available sizes, the total capital cost of the Zafaraniyeh distribution network was estimated at 21 623 954 000 IRR (approximately USD 485 000 at the 2025 exchange rate). Although this figure is marginally higher than the theoretical cost if exact diameters (that may not exist commercially) were used, it represents a practical and cost-effective solution given market constraints. Steady-state simulations of the final network configuration confirmed that, under both normal and peak‐demand scenarios, all nodal pressures exceeded their respective minimum thresholds and all flow velocities remained within the allowable range of 0.3–2.0 m/s. Graphical outputs further illustrated that branches where velocities were previously near the upper limit achieved a significant reduction in flow velocity after adopting the larger commercial diameters; head losses in these branches decreased accordingly, leading to improved overall hydraulic performance.
Conclusion: The combined SQP–WDN framework successfully reduced the investment cost of the Zafaraniyeh WDN while guaranteeing satisfactory hydraulic performance under all operating conditions. By integrating detailed hydraulic modeling in WaterGEMS with a robust SQP optimizer in MATLAB and automating the data exchange via VBA scripting, the method efficiently determined optimal pipe diameters and translated them into practical, commercially available sizes. The resulting network design—totaling approximately 21.624 billion IRR—meets or exceeds all hydraulic constraints, including minimum node pressures and velocity limits. This integrated approach provides a reliable blueprint for designing small to mid‐sized distribution networks in water‐scarce regions. Future research should explore hybrid optimization strategies that combine SQP with heuristic or metaheuristic algorithms, develop multi‐objective formulations (e.g., minimizing cost, energy use, and water age), and implement robust optimization techniques to address uncertainties in demand projections and network parameters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water distribution network
  • Optimization
  • Sequential Quadratic Programming (SQP)
  • Pipe design
  • Hydraulic simulation