Kentsel atıksu toplama sistemlerinin dinamik tasarımı için entegre bir simülasyon-optimizasyon yaklaşımı

Abstract

Bu çalışmada, kentsel atıksu toplama sistemlerinin dinamik tasarımı için entegre bir simülasyon-optimizasyon yaklaşımı geliştirilmiştir. Geliştirilen yaklaşım, Amerika Birleşik Devletleri – Çevre Koruma Ajansı (US-EPA) tarafından geliştirilen Yağmur Suyu Yönetim Modeli (SWMM) ve sezgisel Armoni Arama (HS) optimizasyon yaklaşımının simülasyon-optimizasyon çerçevesi dahilinde karşılıklı entegrasyonundan oluşmaktadır. Literatürde atıksu toplama sistemi tasarımı problemlerini çözmek için kullanılan diğer yaklaşımlardan farklı olarak geliştirilen simülasyon modeli kapsamında hidrolik akış sürecinin benzeşimi dinamik dalga modeli dikkate alınarak kararsız akış koşulları için gerçekleştirilmiştir. Bu sayede pratikte karşılaşılan akış sürecinin benzeşimi daha doğru olarak yapılmıştır. Geliştirilen SWMM tabanlı dinamik simülasyon modeli ardından HS tabanlı bir optimizasyon modeline entegre edilmiştir. Bu modelin temel amacı toplam sistem maliyeti minimize edilecek şekilde her bir borunun eğimini belirlemektir. Bu aşamada, optimizasyon sürecinde dikkate alınması gereken fiziksel ve yönetimsel kısıtların tümü ceza fonksiyonu yaklaşımı ile dikkate alınmıştır. Önerilen yaklaşımın uygulanabilirliği iki örnek problem üzerinde değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen yaklaşımın sadece dinamik tasarım problemini etkili bir şekilde çözmediğini, aynı zamanda literatürde farklı yaklaşımlar kullanılarak elde edilenlerle karşılaştırılabilir sonuçlar elde edilebildiğini göstermiştir.

In this study, an integrated simulation-optimization approach is developed for dynamic design of the urban wastewater collection systems. The proposed approach consists of the mutual integration of the United States Environmental Protection Agency (US-EPA) Storm Water Management Model (SWMM) and heuristic harmony search (HS) optimization approach within the simulation-optimization framework. Unlike the previous approaches for solving the wastewater collection system design problems, the proposed approach simulates the hydraulic flow process by considering the unsteady flow conditions based on the dynamic-wave approach. In this way, the flow process encountered in practice is simulated more accurately. The developed SWMM-based dynamic simulation model is then integrated into an HS-based optimization model. The main objective of the HS based optimization model is to determine the slope of the pipes by minimizing the total system cost. During the optimization process, all the physical and managerial constraints of the problem are considered by means of the penalty function approach. The applicability of the proposed approach is evaluated by solving two example problems. Identified results indicated that the proposed approach not only efficiently solves the dynamic design problem, but also provides comparable results with those obtained by using different approaches in literature.