Su dağıtım şebekelerinde ek klorlama planlarının simülasyon optimizasyon modelleri kullanılarak belirlenmesi

Abstract

Su dağıtım şebekelerinde dezenfeksiyon amacıyla klorlama işlemi yapılmaktadır. Bu işlemin etkin bir şekilde yapılabilmesi için şebeke boyunca her düğüm noktasındaki bakiye klor konsantrasyonlarının standartlarda belirtilen alt ve üst limit değerler arasında bulunması gerekmektedir. Pratikte klorlama işlemi genellikle depo veya arıtma tesisi gibi tek bir noktadan şebekeye klor eklenerek yapılmaktadır. Ancak, bu şekilde yapılan klorlama işlemi sonucunda klorun eklendiği nokta civarındaki klor konsantrasyonlarının yüksek olması, şebeke boyunca bu değerin giderek azalma eğilimine girmesi söz konusu olmaktadır. Bu durumun önüne geçebilmek için kullanılan en etkili yöntemlerden biri şebekeye tek bir noktadan klor enjekte etmek yerine ek klorlama istasyonlarının kurulmasıdır. Bu sayede şebeke boyunca daha üniform klor dağılımının elde edilmesi mümkün olmaktadır. Bu çalışmanın amacı alt ve üst bakiye klor konsantrasyon limitlerini sağlayacak şekilde; su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarının yerlerinin ve şebekeye enjekte edilecek klor miktarlarının belirlenebildiği bir simülasyon-optimizasyon modeli geliştirmektir. Geliştirilen model simülasyon aşamasında düğüm noktalarında farklı ölçüm zamanlarındaki bakiye klor konsantrasyonlarını literatürde önerilmiş olan tepki matrisi yaklaşımı ile belirlemektedir. İlgili yaklaşımın kullanılabilmesi için gerekli tepki katsayıları incelenen su dağıtım şebekesinin hidrolik ve su kalitesi analizlerini yapılabildiği EPANET programı üzerinde modellenmesi ile belirlenmiştir. Geliştirilen simülasyon modeli ardından diferansiyel gelişim algoritmasına (DGA) dayanan bir optimizasyon modeline entegre edilerek farklı durumlar için ek klorlama planları belirlenmiştir. Ayrıca geliştirilen modelin farklı optimizasyon parametreleri ve mutasyon stratejileri bakımından performansının değerlendirildiği detaylı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar geliştirilen model ile su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarının yerlerinin ve optimum klorlama planlarının etkin bir şekilde belirlenebildiğini göstermiştir.

Disinfection of the water in distribution networks is usually performed by means of the chlorine injection. In order to perform this task efficiently, the residual chlorine concentrations for each consumer point must satisfy the residual chlorine limits specified in the standards. In practice, chlorination process is performed by means of the chlorine injection from a single point like the outlet of tank or treatment plants. However, such chlorination process results with high chlorine concentrations around the injection points whereas its value tends to gradually decrease towards the endpoints of the network. One of the most effective methods to prevent these effects is to establish the booster chlorination stations instead of chlorine injection at a single point. In this way, it is possible to obtain a more uniform chlorine distribution throughout the network. The objective of this study is to develop a simulation-optimization model which can simultaneously determine the locations and chlorine injection rates of the booster stations by maintaining the lower and upper residual concentration limits. In the simulation part of the developed model, the residual chlorine concentrations at different junction points and times are calculated through the response matrix approach proposed in literature. In order to use this approach, the required response coefficients are determined by modeling the hydraulics and water quality processes of the network on EPANET model. The developed simulation model is then integrated to an optimization model in which Differential Evolution (DE) optimization algorithm is used to determine the chlorination for different conditions. Furthermore, a detailed sensitivity analysis is performed to evaluate the model performance for different optimization parameters and mutation strategies. Identified results indicated that the proposed model can be effectively used to determine the locations and chlorine injection rates of the booster stations in water distribution networks.