Гидрологическая оптимизация
Гидрологическая оптимизация применяет методы математической оптимизации (такие как динамическое программирование , линейное программирование , целочисленное программирование или квадратичное программирование ) для решения проблем, связанных с водой. Эти проблемы могут касаться поверхностных , грунтовых вод или их комбинации. Работа носит междисциплинарный характер и может выполняться гидрологами , инженерами-строителями , инженерами-экологами и исследователями операций .
против оптимизации Моделирование
Потоки грунтовых и поверхностных вод можно изучать с помощью гидрологического моделирования . Типичная программа, используемая для этой работы, — MODFLOW . Однако имитационные модели не могут легко помочь в принятии управленческих решений, поскольку моделирование носит описательный характер. Моделирование показывает, что произойдет при определенном наборе условий. Оптимизация, напротив, находит лучшее решение для набора условий. Модели оптимизации состоят из трех частей:
- Цель, например «Минимизировать затраты».
- Переменные решения, которые соответствуют вариантам, доступным руководству.
- Ограничения, которые описывают технические или физические требования, предъявляемые к вариантам.
Чтобы использовать гидрологическую оптимизацию, запускается моделирование для определения коэффициентов ограничений для оптимизации. Затем инженер или менеджер может добавить затраты или выгоды, связанные с набором возможных решений, и решить модель оптимизации, чтобы найти лучшее решение.
проблем, решаемых с помощью оптимизации гидрологической Примеры
- Устранение загрязнений в водоносных горизонтах. [1] Проблема принятия решения заключается в том, где расположить скважины и выбрать скорость закачки, чтобы минимизировать затраты на предотвращение распространения загрязняющих веществ. Ограничения связаны с гидрогеологическими потоками.
- Распределение воды для улучшения водно-болотных угодий. Эта модель оптимизации рекомендует распределение воды и контроль инвазивной растительности для улучшения среды обитания на водно-болотных угодьях приоритетных видов птиц. Эти рекомендации зависят от таких ограничений, как наличие воды, пространственная связь, возможности гидроинфраструктуры, реакция растительности и доступные финансовые ресурсы. [2]
- Максимизация забора воды из скважины с учетом ограничений потока окружающей среды. [3] Цель состоит в том, чтобы как можно точнее измерить влияние использования воды каждым пользователем на других пользователей и на окружающую среду, а затем оптимизировать доступные возможные решения.
- Улучшение качества воды. Простая модель оптимизации определяет сочетание лучших практик управления, позволяющее минимизировать затраты и уменьшить избыток питательных веществ в водосборе. [4]
- Гидрологическую оптимизацию в настоящее время предлагается использовать на «умных» рынках водных ресурсов. [5]
- Оптимизация трубопроводной сети с помощью генетических алгоритмов . [6]
Оптимизация с ограничением PDE [ править ]
Уравнения в частных производных (PDE) широко используются для описания гидрологических процессов, что позволяет предположить, что высокая степень точности гидрологической оптимизации должна быть направлена на включение ограничений PDE в данную оптимизацию . Общие примеры PDE, используемые в гидрологии, включают:
Другие экологические процессы, которые следует рассматривать в качестве входных данных, включают:
См. также [ править ]
- Исследование дренажа
- Географическая информационная система
- Комплексное управление водными ресурсами
- Оптимальное управление
- Анализ трубопроводной сети
- Вода в Калифорнии
Ссылки [ править ]
- ^ Альфельд, Дэвид П.; Малви, Джон М.; Пиндер, Джордж Ф.; Вуд, Эрик Ф. (1988). «Проект восстановления загрязненных подземных вод с использованием моделирования, оптимизации и теории чувствительности: 1. Разработка модели». Исследования водных ресурсов . 24 (3): 431–441. Бибкод : 1988WRR....24..431A . дои : 10.1029/WR024i003p00431 . ISSN 1944-7973 .
- ^ Альминагорта, Омар (2016). «Системное моделирование для улучшения гидроэкологических показателей обвалованных водно-болотных угодий» . Исследования водных ресурсов . 52 (9): 7070–7085. Бибкод : 2016WRR....52.7070A . дои : 10.1002/2015WR018105 . S2CID 31097159 .
- ^ Фейен, Люк; Горелик, Стивен М. (2005). «Система оценки ценности данных о гидравлической проводимости для оптимального управления ресурсами подземных вод в экологически чувствительных районах». Исследования водных ресурсов . 41 (3): 03019. Бибкод : 2005WRR....41.3019F . дои : 10.1029/2003WR002901 . S2CID 108490062 .
- ^ Альминагорта, Омар; Тесфацион, Берекет; Розенберг, Дэвид Э.; Нилсон, Бетани (2013). «Простой метод оптимизации для определения лучших методов управления для снижения нагрузки фосфором на водохранилище Эхо, штат Юта» . Журнал планирования и управления водными ресурсами . 139 : 122–125. doi : 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000224 .
- ^ Сантош, Апурва; Фарид, Амро М.; Юсеф-Туми, Камаль (2014). «Экономическая диспетчеризация в режиме реального времени для стороны энергоснабжения и воды» (PDF) . Прикладная энергетика . 122 : 42–52. Бибкод : 2014ApEn..122...42S . дои : 10.1016/j.apenergy.2014.01.062 .
- ^ Денди, Грэм С.; Симпсон, Ангус Р.; Мерфи, Лоуренс Дж. (1996). «Улучшенный генетический алгоритм для оптимизации трубопроводной сети» (PDF) . Исследования водных ресурсов . 32 (2): 449–458. Бибкод : 1996WRR....32..449D . дои : 10.1029/95WR02917 . hdl : 2440/1073 . S2CID 16097463 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2019 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Бойд, Стивен П .; Ванденберге, Ливен (2004). Выпуклая оптимизация (PDF) . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83378-3 .
- Лукс, Дэниел П.; ван Бик, Eelco (2017) . Планирование и управление системами водных ресурсов: введение в методы, модели и приложения . Спрингер. ISBN 9783319442327 .
- Носедаль, Хорхе ; Райт, Стивен (2006) . Численная оптимизация . Серия Springer по исследованию операций и финансовой инженерии, Springer. ISBN 9780387303031 .
- Цинь, Ювэй; Кавецкий, Дмитрий; Кучера, Джордж (2018). «Надежный алгоритм Гаусса-Ньютона для оптимизации гидрологических моделей: сравнение с алгоритмами отраслевых стандартов» . Исследования водных ресурсов . 54 (11): 9637-9654.
- Тайфур, Гокмен (2017). «Современные методы оптимизации в планировании, проектировании и управлении водными ресурсами» . Управление водными ресурсами . 31 :3205-3233.