Βελτιστοποίηση αντλήσεων παράκτιων υδροφορέων με χρήση του μοντέλου SWI

Abstract

Στόχος της διπλωματικής είναι να μελετήσει το φαινόμενο της υφαλμύρωσης, δηλαδή της εισαγωγής θαλασσινού νερού σε υπόγειους υδροφορείς, μέσω του προγράμματος SWI (Sea Water Intrusion). Για το πρόγραμμα αυτό θα αναλυθούν οι παραδοχές που κάνει καθώς και οι μαθηματικές εξισώσεις που επιλύονται κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης. Επειδή το πρόγραμμα αυτό βρίσκεται ακόμα σε στάδιο ανάπτυξης και η λειτουργία του είναι αρκετά περίπλοκη έγινε μία προσπάθεια δημιουργίας προϋποθέσεων διευκόλυνσης της λειτουργίας του προγράμματος. Σε δεύτερο στάδιο επιχειρήθηκε η εκτέλεση βελτιστοποίησης άντλησης νερού από τον υδροφορέα, που είναι και ο απώτερος σκοπός της εργασίας. Το πρώτο στάδιο της εργασίας, σχετίζεται με τη λειτουργία του προγράμματος SWI. Γίνεται μία συνοπτική περιγραφή του μοντέλου SWI που θα χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του υδροφορέα. Αναλύονται ο τρόπος προσέγγισης του προβλήματος καθώς και οι παραδοχές που έχουν γίνει. Παρουσιάζονται συνοπτικά οι μαθηματικές εξισώσεις της μεθόδου καθώς και η διαδικασία επίλυσής του. Σημειώνεται ότι το πρόγραμμα αυτό, έχει έναν μεγάλο βαθμό δυσκολίας τόσο στην εκμάθησή του όσο και στην εκτέλεσή του, καθώς δεν έχει αναπτυχτεί σε γραφικό περιβάλλον στο οποίο να μπορεί ο χρήστης να εισάγει τα δεδομένα του εκάστοτε προβλήματος. Όλες οι μεταβλητές, για να τις αναγνωρίσει το SWI, θα πρέπει να βρίσκονται σε κατάλληλα διαμορφωμένα αρχεία, στον ίδιο φάκελο με το πρόγραμμα, την ώρα που αυτό θα εκτελεστεί. Η διαμόρφωση των αρχείων είναι πολύ αυστηρή, καθώς μικρές παρεκκλίσεις κάνουν το πρόγραμμα μη εκτελέσιμο χωρίς να υπάρχει κάποια ένδειξη, που να οδηγεί τον χρήστη να βρει το λάθος. Για διευκόλυνση της χρήσης του προγράμματος, στα πλαίσια της εργασίας, δημιουργήθηκαν σε περιβάλλον MATLAB, υποπρογράμματα, τα οποία δέχονται από τον χρήστη τα δεδομένα του προβλήματος και στη συνέχεια συνθέτουν αυτόματα, τα αρχεία με την κατάλληλη διάρθρωση, ώστε να μπορεί να τα αναγνωρίσει το SWI. Το δεύτερο στάδιο της εργασίας, σχετίζεται με την βελτιστοποίηση της άντλησης. Απώτερος σκοπός, είναι να βρεθεί η μεγαλύτερη τιμή παροχής άντλησης που μπορεί να εξασφαλιστεί από τον υδροφορέα, χωρίς όμως τον κίνδυνο υφαλμύρωσής του. Η διαδικασία αυτή είναι επαναληπτική, εκτελείται επίσης σε περιβάλλον MATLAB και πραγματοποιήθηκε με τον αλγόριθμο PATTERN SEARCH. Σημειώνεται ότι είναι η πρώτη φορά που εφαρμόζεται βελτιστοποίηση παράκτιου υδροφορέα σε συνδυασμό με το πρόγραμμα SWI.

The objective of the research is to study problems of seawater intrusion in coastal aquifers, using the program SWI (Sea Water Intrusion). The ultimate goal of the research is to perform an optimization of the drawing of water from the aquifer. The mathematical equations are presented and the pertinent assumptions are discussed. It is noted that the program is still under development, which presents several difficulties in its utilization. The first stage of the project is related to the problem of coastal aquifer simulation based on SWI. This is very difficult, because of its lack of graphical interface. All variables, in order to be identified by the program, must be placed in properly defined files, in the same folder with the program. The structure of these files is very strict and the slightest deviation causes the program not to run and without any indication about what is wrong. In order to make the use of SWI easier, several sub-programs are created in MATLAB, based on user input and automatically creating the necessary files needed. The second stage of the thesis is related to optimization of water extraction from coastal aquifers. The objective is to find the maximum pumping rate, i.e. the water the aquifer may provide, while protecting the aquifer from seawater intrusion. This is an optimization procedure and is also executed in MATLAB. The optimization method is based on the Pattern Search algorithm. Notice that it is the first time that optimization is combined with the SWI simulation program.