Su dağıtım şebekelerinde ek klorlama planlarının simülasyon optimizasyon modelleri kullanılarak belirlenmesi

Abstract

Su dağıtım şebekelerinde dezenfeksiyon amacıyla klorlama işlemiyapılmaktadır. Bu işlemin etkin bir şekilde yapılabilmesi için şebeke boyunca herdüğüm noktasındaki bakiye klor konsantrasyonlarının standartlarda belirtilen altve üst limit değerler arasında bulunması gerekmektedir. Pratikte klorlama işlemigenellikle depo veya arıtma tesisi gibi tek bir noktadan şebekeye klor eklenerekyapılmaktadır. Ancak, bu şekilde yapılan klorlama işlemi sonucunda kloruneklendiği nokta civarındaki klor konsantrasyonlarının yüksek olması, şebekeboyunca bu değerin giderek azalma eğilimine girmesi söz konusu olmaktadır. Budurumun önüne geçebilmek için kullanılan en etkili yöntemlerden biri şebekeyetek bir noktadan klor enjekte etmek yerine ek klorlama istasyonlarınınkurulmasıdır. Bu sayede şebeke boyunca daha üniform klor dağılımının eldeedilmesi mümkün olmaktadır.Bu çalışmanın amacı alt ve üst bakiye klor konsantrasyon limitlerinisağlayacak şekilde; su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarınınyerlerinin ve şebekeye enjekte edilecek klor miktarlarının belirlenebildiği birsimülasyon-optimizasyon modeli geliştirmektir. Geliştirilen model simülasyonaşamasında düğüm noktalarında farklı ölçüm zamanlarındaki bakiye klorkonsantrasyonlarını literatürde önerilmiş olan tepki matrisi yaklaşımı ilebelirlemektedir. İlgili yaklaşımın kullanılabilmesi için gerekli tepki katsayılarıincelenen su dağıtım şebekesinin hidrolik ve su kalitesi analizlerini yapılabildiğiEPANET programı üzerinde modellenmesi ile belirlenmiştir. Geliştirilensimülasyon modeli ardından diferansiyel gelişim algoritmasına (DGA) dayananbir optimizasyon modeline entegre edilerek farklı durumlar için ek klorlamaplanları belirlenmiştir. Ayrıca geliştirilen modelin farklı optimizasyonparametreleri ve mutasyon stratejileri bakımından performansınındeğerlendirildiği detaylı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlargeliştirilen model ile su dağıtım şebekelerinde ek klorlama istasyonlarınınyerlerinin ve optimum klorlama planlarının etkin bir şekilde belirlenebildiğinigöstermiştir.

Disinfection of the water in distribution networks is usually performed bymeans of the chlorine injection. In order to perform this task efficiently, theresidual chlorine concentrations for each consumer point must satisfy the residualchlorine limits specified in the standards. In practice, chlorination process isperformed by means of the chlorine injection from a single point like the outlet oftank or treatment plants. However, such chlorination process results with highchlorine concentrations around the injection points whereas its value tends togradually decrease towards the endpoints of the network. One of the mosteffective methods to prevent these effects is to establish the booster chlorinationstations instead of chlorine injection at a single point. In this way, it is possible toobtain a more uniform chlorine distribution throughout the network.The objective of this study is to develop a simulation-optimization modelwhich can simultaneously determine the locations and chlorine injection rates ofthe booster stations by maintaining the lower and upper residual concentrationlimits. In the simulation part of the developed model, the residual chlorineconcentrations at different junction points and times are calculated through theresponse matrix approach proposed in literature. In order to use this approach, therequired response coefficients are determined by modeling the hydraulics andwater quality processes of the network on EPANET model. The developedsimulation model is then integrated to an optimization model in which DifferentialEvolution (DE) optimization algorithm is used to determine the chlorination fordifferent conditions. Furthermore, a detailed sensitivity analysis is performed toevaluate the model performance for different optimization parameters andmutation strategies. Identified results indicated that the proposed model can beeffectively used to determine the locations and chlorine injection rates of thebooster stations in water distribution networks.