Mfumo wa SWMM–NSGA-II ni mbinu ya uigaji na uboreshaji inayounganisha uzalishaji wa mvua-mtiririko, hidrodinamiki ya mto inayobadilika kwa wakati na maamuzi ya uendeshaji wa malango na vituo vya pampu katika mtandao wa mito unaoathiriwa na maji kujaa na kupwa, chini ya uboreshaji wenye malengo mengi. Katika utafiti huu, muundo huo ulitumika kwenye mtandao wa mito ya mifereji ya maji wa kaskazini katika mji wa Yuyao, China, na tukio la Typhoon In-Fa likatumika kama hali wakilishi ya kihidrologia. Wakati injini ya SWMM Dynamic Wave ilipohesabu viwango vya maji na mitiririko inayobadilika kwa wakati katika mtandao wa mito, NSGA-II iliboresha ratiba ya uendeshaji ya saa 72 ya vituo sita vya vizuizi/malango vinavyodhibitiwa pamoja na jumla ya vitengo 13 vya pampu katika Taojialu, Leanhu na Simen. Katika seti ya mwisho ya Pareto, suluhisho 36 zisizo na ukiukaji wa vikwazo vya kihidroliki zilipatikana; fahirisi ya adhabu ya kiwango cha maji ilikuwa 39,29–51,59 m², nishati ya kusukuma ilikuwa 914,15–1364,00 GJ na idadi ya mabadiliko ya hali ilikuwa 184–256. Katika suluhisho la maelewano lenye uzani sawa, thamani hizi zilikuwa 42,65 m², 967,82 GJ na 215 mtawalia. Ikilinganishwa na uendeshaji wa kihistoria, mkusanyiko wa saa 72 wa kuzidi kiwango-lengo katika vituo vitatu vya udhibiti ulipungua kutoka 25,43 m·h hadi 8,11 m·h, yaani kwa %68,1. Hata hivyo, kiwango hiki hakiwezi kufasiriwa kama athari ya algoriti ya uboreshaji pekee; kuongezwa kwa vituo vya pampu vya Taojialu na Leanhu, ambavyo havikuwepo katika hali ya msingi ya kihistoria, pia ni sehemu ya matokeo.

Hitimisho kuu la kihidroliki la utafiti ni kwamba majukumu tofauti yanaonekana kati ya miundombinu ya pwani na miundombinu iliyo ndani ya mtandao wa mito. Taojialu na miundombinu mingine ya kutolea maji iliyo karibu na bahari huamua madirisha ya kujaa/kupwa kwa maji na uwezo wa mifereji ya kulazimishwa wakati wa maji kujaa sana, ilhali miundombinu ya ndani kama Simen, Xihenghe, Doumen na Leanhu hudhibiti ugawaji upya wa maji ndani ya mtandao na uhamishaji wa upungufu wa kiwango cha maji unaosababishwa na sehemu za kutolea maji za pwani kwenda maeneo ya ndani.

Tatizo la utafiti

Katika mitandao ya mito ya tambarare za pwani zenye mwinuko mdogo, udhibiti wa mafuriko hautegemei kiasi cha mvua pekee. Mvua kubwa inapokutana na kiwango cha juu cha maji ya bahari kwa wakati mmoja, utoaji wa maji kuelekea baharini kwa nguvu ya uvutano unaweza kuzuiwa kwa kiasi kikubwa. Katika mfumo wa mifereji wa kaskazini wa Yuyao, Taojialu Sluice kwa kawaida huruhusu uondoaji wa maji kwa uvutano wakati kiwango cha nje cha maji ya bahari kiko chini vya kutosha. Maji yanapoinuka, tofauti inayofaa ya head kati ya viwango vya maji ya ndani na nje hupungua au hata kugeuka; kwa hiyo dirisha la uondoaji wa maji kwa uvutano hupungua.

Ili kushinda kizuizi hiki cha kihidroliki, kituo cha pampu cha kutolea maji baharini cha Taojialu kiliendelezwa. Lango na pampu si mbadala wa kila mmoja bali hukamilishana: katika kipindi kinachofaa cha maji kupwa, utoaji kwa uvutano unaweza kuwa wa kiuchumi, ilhali wakati wa maji kujaa sana, kusukuma kwa kulazimishwa kunaweza kuendeleza utoaji wa maji kwenda nje. Hata hivyo, kwa kuwa débit ya pampu, head ya kihidroliki, ufanisi na matumizi ya nishati hubadilika kulingana na hali ya kujaa/kupwa kwa maji, mfumo hauwezi kusimamiwa kwa mbinu rahisi ya “washa pampu” au “fungua lango” pekee.

Mbinu ya SWMM–NSGA-II Hufanyaje Kazi?

Mbinu ya SWMM–NSGA-II kwanza huiga kila ratiba tarajiwa ya lango-pampu kwa SWMM kwa hidrodinamiki inayobadilika kwa wakati, kisha NSGA-II hupunguza kwa pamoja udhibiti wa kiwango cha maji, nishati ya kusukuma na idadi ya mabadiliko ya hali ya vifaa miongoni mwa ratiba zinazowezekana kihidroliki pekee. Kwa hivyo, uboreshaji hauendeshwi juu ya vigezo dhahania vya uamuzi tu, bali juu ya uigaji kamili wa kidinamiki unaowakilisha athari ya pamoja ya mvua, mtiririko, uhifadhi katika mto, kiwango cha maji ya bahari na miundombinu ya kihidroliki.

Eneo la utafiti na mtandao wa kihidroliki

Modeli inawakilisha mtandao uliounganishwa wa mito unaoathiriwa na maji kujaa na kupwa katika tambarare ya pwani ya kaskazini-magharibi ya mji wa Yuyao, Mkoa wa Zhejiang. Mtandao huu si mfumo wa mifereji wenye muundo wa mti tu; una matawi, vitanzi na miunganisho ya mtiririko ambayo inaweza kubadilisha mwelekeo. Kwa hiyo, mwelekeo wa mtiririko katika miunganisho haukuwekwa mapema, bali ulihesabiwa kwa nguvu na SWMM kulingana na mgawanyo wa mvua-mtiririko, gradienti za kiwango cha maji, uhifadhi wa mtandao wa mito, maji kujaa/kupwa na hali za malango na pampu.

Modeli ya eneo la utafiti ina miunganisho 111 ya mifereji wazi, nodi 70 za hesabu, mipaka 5 ya kuingiza mtiririko wa juu, mipaka 4 ya kiwango cha maji ya chini ya mto na mabonde madogo 58. Sehemu za mito ya asili ziliwakilishwa kwa vipimo vya sehemu zisizo za kawaida, huku mifereji ya kutengenezwa ikiwakilishwa kwa upana wa chini, miteremko ya pembeni na kina cha juu kilichotokana na michoro ya kihandisi. Kila muunganisho ulipewa sehemu moja wakilishi; hivyo, sehemu ilichukuliwa kuwa thabiti kwenye muunganisho huo lakini inaweza kubadilika kati ya miunganisho inayofuatana.

Hidrodinamiki ya SWMM Dynamic Wave

Suluhisho la Dynamic Wave la SWMM hutumia milinganyo ya Saint–Venant ya mwelekeo mmoja ya mwendelezo na momentum:

\[ \frac{\partial A}{\partial t}+\frac{\partial Q}{\partial x}=q_{\ell} \]

\[ \frac{\partial Q}{\partial t} +\frac{\partial(Q^2/A)}{\partial x} +gA\frac{\partial H}{\partial x} +gAS_f=0 \]

Hapa, \(A\) ni eneo la sehemu ya mtiririko, \(Q\) ni débit, \(q_{\ell}\) ni ingizo la upande kwa kila kitengo cha urefu, \(H\) ni head ya kihidroliki na \(S_f\) ni mteremko wa msuguano. Mlinganyo wa mwendelezo huwakilisha uhusiano kati ya uhifadhi na uhifadhi wa wingi, huku mlinganyo wa momentum ukiwakilisha kwa pamoja athari za inertia, gradienti ya head ya kihidroliki na msuguano kwenye mtiririko. Kwa mtandao wa Yuyao wenye miteremko midogo ambako athari ya backwater ni muhimu, uundaji huu ni wa maana hasa; kwa sababu kubadilika kwa mwelekeo wa mtiririko wa ndani na athari za backwater zinazotokana na maji kujaa/kupwa zinaweza kujumuishwa katika modeli.

Utafiti haukuunda kisuluhishi kipya huru kwa milinganyo hii tofauti. Suluhisho la namba lilitekelezwa kwa injini iliyopo ya hesabu ya EPA SWMM Dynamic Wave.

Modeli ya mvua-mtiririko

Mabonde madogo yalibainishwa kwa kutathmini kwa pamoja topografia, muundo wa barabara na mtandao wa mito, mgawanyo wa mifereji na matumizi ya ardhi. Modeli ya upenyezaji ya Horton ilitumika. Uwiano wa maeneo yasiyopenyeza uliwekwa kulingana na matumizi ya ardhi; uhifadhi katika depression, vigezo vya Horton na ukwaru wa uso vilibainishwa awali kutokana na thamani zilizotumika katika matumizi ya awali ya SWMM na baadaye vikakalibishwa wakati wa kuzalisha upya tukio.

Uwakilishi wa mfumo wa pampu na malango

Katika modeli kuna vituo 10 vya vizuizi/malango na vituo vitano huru vya pampu: Taojialu, Simen, Leanhu, Houqingjiang na Xihenghe. Katika uboreshaji, vituo sita vya vizuizi/malango na jumla ya vitengo 13 halisi vya pampu katika Taojialu, Leanhu na Simen vilitumika kama vigezo vya uamuzi.

Kituo cha Pampu cha Taojialu kina vitengo vitano vinavyofanana. Débit ya kubuni ya kila kitengo ni 40 m³/s, head ya kubuni ya kusukuma ni 3,05 m na anuwai ya head ya kufanya kazi inayokubalika ni 0,40–5,74 m. Jumla ya débit ya kubuni iliyosakinishwa ya vitengo vitano ni 200 m³/s; hata hivyo, utafiti unaeleza wazi kwamba hii si débit thabiti inayoweza kupatikana kila wakati. Kwa kuwa kiwango cha nje cha maji ya bahari na kiwango cha ndani cha forebay hubadilika, head ya papo hapo ya pampu, débit na ufanisi pia hubadilika.

Kwenye curve ya tabia ya chanzo ya kitengo cha Taojialu, hatua ya ufanisi bora iko takribani kwenye \(Q=36{,}47\) m³/s na \(\eta=80{,}8\%\).

Kituo cha Pampu cha Leanhu kina vitengo vinne vya 30 m³/s na kila kitengo kina nguvu iliyosakinishwa ya 2200 kW. Katika kituo cha Simen kuna vitengo vinne vya pampu vya 25 m³/s na katika hesabu ya nishati nguvu ya kawaida ya 1250 kW ilitumika kwa kila kitengo.

Kwa Nini Maji Kujaa/Kupwa Hubadilisha Matumizi ya Nishati ya Pampu ya Pwani?

Katika kituo cha pampu cha pwani cha Taojialu, kiwango cha nje cha maji ya bahari hubadilisha head ya kihidroliki ya papo hapo kati ya forebay na tailwater; kwa kuwa mabadiliko haya ya head hubadilisha débit ya pampu na ufanisi wa kihidroliki, kufanya kazi kwa muda uleule katika nyakati tofauti kunaweza kusababisha matumizi tofauti ya nishati na athari tofauti ya uondoaji wa maji. Kwa hiyo, muda wa kusukuma au idadi ya kuwasha/kuzima pekee hauelezi matumizi ya nishati.

Uhusiano wa mtiririko wa kizuizi

Vizuizi vilimodelishwa ndani ya SWMM kama miunganisho ya orifice na mtiririko ukahesabiwa kwa uhusiano ufuatao:

\[ Q=C_d A_o\sqrt{2g\Delta H_0} \]

Hapa, \(C_d\) ni mgawo madhubuti wa débit, \(A_o\) ni eneo la tundu na \(\Delta H_0=H_u-H_d\) ni tofauti ya head ya kihidroliki ya juu na chini ya mto katika lango. Makala inasisitiza hasa kwamba \(\Delta H_0\) haipaswi kufasiriwa kama hasara ya upanuzi ya aina ya Borda. Thamani zilizotumika za \(C_d=0{,}32\), \(0{,}34\) na \(0{,}36\) si migawo bora ya maabara ya orifice; ni migawo ya kihandisi inayowakilisha athari ya pamoja ya jiometri halisi ya muundo, kubanwa kwa mtiririko na upinzani wa ndani wa kihidroliki.

Tathmini ya modeli kwa tukio la Typhoon In-Fa

Modeli ilikalibishwa kwa kuzalisha upya mchakato wa Typhoon In-Fa kati ya 22–28 Julai 2021. Hidrografu zilizozingatiwa za débit ya juu ya mto, kiwango cha maji ya chini ya mto na mfululizo wa maji kujaa/kupwa zilitumika kama masharti ya mipaka ya kihidroliki; uchunguzi wa mvua kama ingizo la mvua-mtiririko; na rekodi za kihistoria za uendeshaji wa vizuizi na pampu kama viingizo vya udhibiti.

Utendaji wa modeli ulilinganishwa katika vituo vya kiwango cha maji vya Yuyao, Dongpu, Linshan na Mazhu.

Thamani zote za R² ni 0,942 au zaidi. Hata hivyo, thamani hizi za utendaji si za tukio huru la uthibitishaji, bali ni za kuzalisha upya tukio la Typhoon In-Fa lililotumika katika kalibrashi. Kwa hiyo, matokeo yanaonyesha uwezo wa modeli kuzalisha upya tukio hilo hilo, lakini hayathibitishi kwamba kiwango hicho hicho cha usahihi kitaendelea kiotomatiki katika mchanganyiko mwingine wa typhoon na maji kujaa/kupwa.

Dirisha la uboreshaji la saa 72

Uboreshaji ulianza tarehe 25 Julai 2021 saa 08:00 na ukamalizika tarehe 28 Julai 2021 saa 08:00. Dirisha la jumla la \(72\) saa liligawanywa katika vipindi vya udhibiti vya \(2\) saa kila kimoja, jumla \(N=36\) vipindi.

Ili kuepuka kuweka viwango vya awali vya maji kwa hiari, uigaji endelevu wa awali ulifanywa kutoka 22 Julai saa 08:00 hadi 25 Julai saa 08:00 kwa kutumia mvua iliyozingatiwa, mtiririko, viwango vya chini ya mto na rekodi za kihistoria za uendeshaji; hali ya kihidroliki iliyopatikana mwisho wa uigaji huu ilitumika kama sharti la pamoja la mwanzo la hot-start kwa suluhisho zote tarajiwa.

Kwa Nini Mipaka ya Kiwango cha Maji ni Vikwazo Vigumu Badala ya Kazi ya Lengo?

Katika utafiti, mipaka ya chini na ya juu ya kiwango cha maji iliyowekwa kwa Linshan, Dongpu na Mazhu si malengo yanayopendelewa, bali ni bahasha ya lazima ya uendeshaji ambayo kila ratiba tarajiwa lazima ibaki ndani yake kwa saa 72. Kwa hiyo, ratiba inayokiuka mpaka wa kiwango cha maji haikubaliwi katika seti ya mwisho ya Pareto hata kama inafanya vizuri katika malengo mengine; uboreshaji hutathmini tu ratiba zinazowezekana kihidroliki zinazotimiza \(CV=0\) kama suluhisho za mwisho.

Vizingiti vya kiwango cha maji vya vituo vya udhibiti

Mpaka wa chini wa 2,50 m si kiwango cha chini cha maji cha ulimwengu mzima kisichowezekana kufikiwa kimwili. Ni mpaka wa chini wa uendeshaji unaolenga kulinda uhifadhi wa kawaida wa usambazaji wa maji. Kwa kuwa kuachia maji kupita kiasi mapema kunaweza kusababisha upotevu usio wa lazima wa uhifadhi wa usambazaji wa maji iwapo mvua iliyotabiriwa haitatokea, uboreshaji haukuruhusiwa kushuka chini ya mpaka huu.

Ukiukaji wa kizuizi

Kwa kituo cha udhibiti \(i\) na wakati wa tathmini \(t_k\), ukiukaji wa rekodi moja ulifafanuliwa kama:

\[ v_i(t_k)=\max\left(0,\ h_i(t_k)-U_i,\ L_i-h_i(t_k)\right) \]

Hapa \(U_i\) ni mpaka mgumu wa juu na \(L_i\) ni mpaka mgumu wa chini wa kiwango cha maji.

Ukiukaji wa jumla wa vikwazo:

\[ CV=\sum_{i=1}^{N_s}\sum_{k=0}^{K-1}v_i(t_k)\Delta t_{out} \]

ulihesabiwa hivyo. \(N_s=3\). \(CV=0\) humaanisha kwamba ratiba tarajiwa inatimiza mipaka yote migumu ya kiwango cha maji katika kipindi chote cha tathmini.

Lengo la kwanza: adhabu ya kuzidi kiwango cha maji

\[ F_1(X)= \sum_{i=1}^{N_s} \sum_{k=0}^{K} \left[\max\left(0,h_i(t_k)-h_i^*\right)\right]^2 \]

Hapa \(h_i^*\) ni lengo la udhibiti wa kipindi cha mafuriko la kituo. Viwango vilivyo juu ya lengo pekee ndivyo vinavyoadhibiwa; thamani iliyo kwenye lengo au chini yake hutoa adhabu sifuri. Neno la mraba huongeza athari ya kuzidi kwa kiasi kikubwa zaidi kadiri kuzidi kunavyoongezeka. \(F_1\) si integral ya wakati na haina kizidishi cha hatua ya wakati; kwa hiyo ni fahirisi ya vipindi yenye kitengo m².

Lengo la pili: nishati ya kusukuma

Kwa Taojialu, débit ya jumla:

\[ Q_T(t_k)=\sum_{m=1}^{5}q_{T,m}(t_k) \]

na nguvu ya kitengo kimoja cha pampu:

\[ P_{T,m}(t_k)= \frac{\rho g q_{T,m}(t_k)H_T(t_k)} {1000\,\eta_{T,m}(t_k)} \]

ilihesabiwa. Hapa \(q_{T,m}\) ni débit ya papo hapo ya kitengo, \(H_T\) ni tofauti ya head ya forebay-tailwater inayobadilika kwa wakati, na \(\eta_{T,m}\) ni ufanisi wa pampu. Kwa pampu isiyofanya kazi, débit na nguvu ni sifuri.

Kwa kuwa curve za kina za head-ufanisi za Leanhu na Simen hazikutumika katika modeli, matumizi ya nishati ya vituo hivyo yalihesabiwa kwa mbinu ya nguvu ya kawaida × muda wa kufanya kazi.

Nishati ya pampu ya saa 72:

\[ E_{pump}(X)= \sum_{k=0}^{K-1}P_T(t_k)\Delta t_E+E_{rated} \]

ilipatikana, na thamani za kWh zikabadilishwa kwa:

\[ F_2(X)=0.0036\,E_{pump}(X) \]

kuwa GJ.

Lengo la tatu: idadi ya mabadiliko ya hali

\[ F_3(X)= \sum_{j=1}^{N_c} \sum_{n=1}^{N} |s_{j,n}-s_{j,n-1}| \]

Hapa \(N_c=19\), ambayo ni jumla ya vituo sita vya vizuizi/malango vinavyodhibitiwa na vitengo 13 tofauti vya pampu. Kwa lango, 0/1 humaanisha limefungwa/limefunguliwa; kwa pampu, 0/1 humaanisha imezimwa/inafanya kazi. Kila kufungua, kufunga, kuanzisha au kusimamisha huhesabiwa kama mabadiliko moja ya hali kwa kifaa husika.

Vikwazo vya uendeshaji

Malango yaliyo karibu na bahari yalilazimishwa kufungwa ili kuzuia mtiririko wa kurudi nyuma wakati kiwango cha nje cha maji ya bahari kilikuwa juu kuliko kiwango cha maji ya ndani:

\[ u_{g,n}=0,\qquad H_n^{tide}>H_{g,n}^{in} \]

Wakati kiwango cha maji katika forebay ya pampu kinashuka chini ya thamani ya chini salama, pampu husika husimamishwa. Muda wa chini wa kuendelea kufanya kazi kwa pampu na kuendelea kwa hali ya lango ni saa 2. Kwa kila kifaa kinachodhibitiwa, idadi ya juu ya mabadiliko ya hali yanayoruhusiwa katika dirisha la uendeshaji la saa 24 ni 8.

Usimbaji wa kijeni

Kwa vituo sita vya vizuizi/malango, mfululizo wa hali wa biti 36 kwa kila kimoja ulitumika. Pampu tano za Taojialu ziliunda block ya \(5N=180\), pampu nne za Leanhu block ya \(4N=144\), na pampu nne za Simen block ya \(4N=144\) biti.

Urefu wa jumla wa kromosomu:

\[ L=6N+(5+4+4)N=19N=684 \]

ulikuwa hivyo. Kwa hiyo, kila jeni huwakilisha hali ya jozi ya kituo fulani cha lango au kitengo halisi cha pampu katika kipindi fulani cha udhibiti cha saa 2 ndani ya upeo wa muda wa saa 72.

Kromosomu ya Jeni 684 Inawakilisha Nini?

Kromosomu ya jozi yenye jeni 684 husimba hali zote za kufunguka-kufungwa au kufanya kazi-kusimama za vituo sita vya vizuizi/malango vinavyodhibitiwa pamoja na vitengo 13 halisi vya pampu katika vipindi 36 vya udhibiti vya saa mbili ndani ya ratiba moja tarajiwa ya uendeshaji. Kwa hivyo, individwali inayoboreshwa na NSGA-II si alama dhahania, bali ni mlolongo wa moja kwa moja wa uendeshaji wa lango-pampu wa saa 72 unaoweza kutekelezwa.

Muunganisho wa NSGA-II na PySWMM

NSGA-II ilitekelezwa katika programu maalum ya Python. Ukubwa wa population ulikuwa 360 na idadi ya vizazi 400. Uteuzi wa wazazi ulifanywa kwa mashindano ya jozi kwa kutumia mpangilio wa constrained dominance na crowding distance. Uwezekano wa single-point crossover ulikuwa 0,9.

Katika jeni za pampu, uwezekano wa mutation kwa kila jeni uliwekwa kuwa 0,08. Mutation ya lango, kwa upande mwingine, ilichochewa kwa kujitegemea kwa uwezekano wa 0,08 katika kila kipindi cha udhibiti, na ilipochochewa hali za malango yanayodhibitiwa zilibadilishwa.

PySWMM ni kiolesura kinachotumia ratiba tarajiwa zinazozalishwa na NSGA-II kwenye modeli ya EPA SWMM 5.2.4. PySWMM haisuluhishi milinganyo ya hidrodinamiki; hutuma amri za udhibiti kwa SWMM na kusoma tena kiwango cha maji, débit, hali za malango na pampu. Suluhisho la hidrodinamiki hufanywa katika injini ya SWMM Dynamic Wave. Python 3.8.10 ilitumika katika mazingira ya programu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muunganiko wa uboreshaji

Muunganiko wa seti ya suluhisho zenye malengo mengi ya NSGA-II ulitathminiwa kwa kiashiria cha hypervolume (HV). Malengo matatu yenye vitengo tofauti yalifanyiwa normalisasi kwa kutumia mipaka ya pamoja ya chini na ya juu:

\[ \tilde f_k= \frac{f_k-f_k^{min}} {f_k^{max}-f_k^{min}}, \qquad k=1,2,3 \]

Katika hesabu ya hypervolume, nukta ya marejeo \((1.1,1.1,1.1)\) ilitumika. HV iliongezeka haraka katika vizazi vya mwanzo, kisha ikatulia na kufikia 1,26 katika kizazi cha 400. Chanzo kinaripoti hii kuwa takribani %95 ya kikomo cha juu cha kinadharia.

Seti ya suluhisho za Pareto

Seti ya mwisho ya suluhisho ilikuwa na ratiba 36 zinazoweza kutekelezwa na zisizotawalana, zote zikiwa na \(CV=0\).

Mgongano wa wazi zaidi wa malengo ulionekana kati ya udhibiti wa kiwango cha maji na idadi ya mabadiliko ya hali ya vifaa. Marekebisho ya mara kwa mara ya uendeshaji kwa ujumla yaliweza kutoa udhibiti bora wa kiwango cha maji. Kwa upande mwingine, matumizi ya nishati hayakuonyesha uhusiano wa mwelekeo mmoja na malengo mengine mawili; kwa sababu nishati haitegemei tu idadi ya mara kifaa kinafanya kazi, bali pia muda wa kufanya kazi, mgawanyo wa mzigo kati ya vituo vya pampu, head ya pampu inayotegemea maji kujaa/kupwa katika Taojialu na ufanisi wa pampu.

Kwa Nini Kuwasha na Kuzima Mara Chache Hakumaanishi Nishati Kidogo Kila Wakati?

Idadi ya mabadiliko ya hali hupima tu mara ngapi kifaa kimebadilika kati ya kuwashwa na kuzimwa, wakati matumizi ya nishati hutegemea pampu zinafanya kazi kwa muda gani, katika kituo gani na, kwa Taojialu, chini ya head gani ya kihidroliki. Kwa hiyo, ratiba yenye mabadiliko machache ya hali inaweza kutumia nishati zaidi kwa kuendesha pampu kwa muda mrefu zaidi au katika hali zisizofaa zaidi za head.

Suluhisho nne wakilishi

SWP ilitoa adhabu ya chini zaidi ya kiwango cha maji lakini, kati ya suluhisho nne wakilishi, ilikuwa na matumizi ya juu zaidi ya nishati na idadi kubwa zaidi ya mabadiliko ya hali. SSW, ikiwa na mabadiliko 184 tu ya hali, ilikuwa suluhisho tulivu zaidi kiutendaji, lakini adhabu ya kiwango cha maji iliongezeka. SE ilitoa matumizi ya chini zaidi ya nishati. SC si suluhisho bora kabisa kwa lengo lolote; ilichaguliwa kama suluhisho mfano la maelewano kwa sababu ilitoa umbali mfupi zaidi hadi nukta bora wakati uzani sawa ulitolewa kwa malengo matatu yaliyofanyiwa normalisasi.

Kwa hiyo, SC haipaswi kufasiriwa kama “ratiba moja sahihi kwa kila msimamizi”. Vipaumbele vya usimamizi vikibadilika, ratiba nyingine ya Pareto kati ya suluhisho 36 inaweza kufaa zaidi.

Mgawanyo wa nishati ya pampu kati ya vituo

Katika ratiba ya SE, licha ya kuwa na jumla ya mabadiliko 221 ya hali, matumizi ya nishati ni 914,15 GJ. SSW ilifanya mabadiliko 184 tu ya hali lakini ilitumia 998,09 GJ. Hivyo, licha ya kuwa na mabadiliko 37 zaidi, SE ilitumia nishati 83,94 GJ, yaani takribani %8,41, chini ya SSW. Tofauti kubwa zaidi ilitokea katika kituo cha Leanhu.

Mwitikio wa kiwango cha maji katika vituo vya udhibiti

Katika Dongpu, kiwango cha kilele katika hali ya msingi ya kihistoria ni takribani 3,22 m na muda wa kubaki juu ya kiwango-lengo ni takribani saa 24. Kwa SWP, SE, SSW na SC, viwango vya kilele ni takribani 3,13, 3,15, 3,18 na 3,14 m mtawalia.

Linshan iko karibu zaidi na miundombinu ya kutolea maji ya pwani. Katika hali ya msingi ya kihistoria, kiwango cha kilele ni takribani 3,30 m na muda juu ya lengo ni takribani saa 34. Kwa SWP, SE, SSW na SC, thamani za kilele ni takribani 2,93, 2,97, 2,97 na 2,96 m mtawalia.

Mazhu ilionyesha uhifadhi mkubwa zaidi na mwitikio wa kihidroliki uliochelewa. Kilele cha msingi cha kihistoria ni takribani 3,51 m na muda juu ya lengo ni takribani saa 66. Katika SWP, SE, SSW na SC, viwango vya kilele vimeripotiwa kuwa takribani 3,33, 3,34, 3,38 na 3,35 m mtawalia.

Kuzidi kwa jumla juu ya kiwango-lengo

Kwa kituo \(i\), kuzidi kwa jumla kwa saa 72 kulihesabiwa kwa:

\[ A_i= \sum_{k=0}^{K-1} \max\left(0,h_i(t_k)-h_i^*\right)\Delta t_{out} \]

Kitengo chake ni m·h.

Upungufu wa %68,1 Unapaswa Kufasiriwaje?

Upungufu wa %68,1 unamaanisha kwamba ratiba ya SC yenye uzani sawa, chini ya masharti ya mipaka ya Typhoon In-Fa na katika ssenari ambapo Taojialu na Leanhu zinachukuliwa kuwa zimeanza kufanya kazi, ilipunguza kuzidi kwa jumla kwa kiwango-lengo katika vituo vitatu vya udhibiti kutoka 25,43 m·h katika uendeshaji wa msingi wa kihistoria hadi 8,11 m·h. Thamani hii si athari huru ya algoriti ya uboreshaji pekee; kuingizwa kwa vifaa vipya vya pampu ambavyo havikuwepo katika hali ya msingi ya kihistoria pia ni sehemu ya ulinganisho.

Majukumu tofauti ya kihidroliki ya miundombinu ya pwani na ya ndani

Uboreshaji mkubwa zaidi katika Linshan unahusishwa na ukaribu wa kituo hicho na sehemu za kutolea maji za pwani za Linhaipu na Taojialu. Miundombinu hii huathiri moja kwa moja madirisha ya uondoaji wa maji kwa uvutano wakati wa maji kupwa na uwezo wa uondoaji wa kulazimishwa wakati wa maji kujaa sana.

Mazhu, kwa kuwa iko juu zaidi ya mtiririko, inategemea zaidi si uwezo wa kutolea maji wa pwani pekee, bali pia ingizo la bonde la juu, uhifadhi wa mtandao wa mito na ucheleweshaji wa kuenea kwa upungufu wa kiwango cha maji ndani ya mtandao. Miundombinu ya Simen, Xihenghe, Doumen na Leanhu ilichangia katika kugawa upya maji ndani ya mtandao na kupeleka athari ya sehemu za kutolea maji za pwani hadi maeneo ya ndani.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Uendeshaji wa pamoja wa malango na pampu katika mtandao wa mito ya tambarare unaoathiriwa na maji kujaa/kupwa ni tatizo la malengo mengi ambalo haliwezi kupunguzwa hadi kipimo kimoja cha utendaji.
• Suluhisho zote 36 za mwisho za Pareto zilitimiza mipaka migumu ya kiwango cha maji katika modeli.
• Kuna maelewano dhahiri kati ya udhibiti wa kiwango cha maji na mabadiliko ya hali ya vifaa.
• Hakukuwa na uhusiano rahisi na wa mwelekeo mmoja kati ya nishati ya kusukuma na idadi ya mabadiliko ya hali.
• Katika pampu za kutolea maji za pwani kama Taojialu, kiwango cha nje cha maji ya bahari kinaweza kuathiri moja kwa moja gharama ya nishati kupitia head ya pampu na ufanisi.
• Sehemu za kutolea maji za pwani na miundombinu ya udhibiti wa ndani hazifanyi kazi ileile ya kihidroliki.
• Ratiba ya maelewano yenye uzani sawa ilipunguza kuzidi kwa jumla kwa kiwango-lengo kutoka 25,43 m·h hadi 8,11 m·h katika ssenari ya saa 72 iliyochunguzwa.

Ujumlishaji ambao utafiti hauungi mkono

• Upungufu wa %68,1 si utendaji uliohakikishwa katika typhoon zote au mchanganyiko wote wa mvua na maji kujaa/kupwa.
• Ratiba ya SC si suluhisho moja la optimum kwa mapendeleo yote ya usimamizi.
• Thamani za R², RMSE na MAE katika kuzalisha upya Typhoon In-Fa si uthibitishaji wa tukio huru.
• Utafiti huu haujaonyesha moja kwa moja kwamba uboreshaji utatoa matokeo yale yale katika uendeshaji halisi wa uga.
• Tofauti kati ya hali ya msingi ya kihistoria na hali iliyoboreshwa haiwezi kuhusishwa na algoriti pekee; kuongezwa kwa vifaa vipya vya Taojialu na Leanhu pia hubadilisha ulinganisho.
• Vizingiti vya kiwango cha maji vilivyowekwa si mipaka ya kimwili iliyogunduliwa na uboreshaji; ni thamani za mipaka zilizowekwa mapema kutoka kwenye mpango wa uendeshaji.

Vikwazo vikuu

Kizuizi muhimu zaidi cha utafiti ni utegemezi wake kwa tukio maalum. Uboreshaji unategemea masharti ya mipaka ya mvua, mtiririko wa juu na maji kujaa/kupwa ya Typhoon In-Fa. Njia tofauti za typhoon, muda wa mvua, awamu za maji kujaa/kupwa na hali za mwanzo za bonde zinaweza kutoa seti tofauti za Pareto.

Kizuizi cha pili ni kwamba tathmini ya modeli ilifanywa katika tukio lilelile la kalibrashi. Hakujaripotiwa uthibitishaji katika tukio jingine huru la mafuriko.

Tatu, mapendeleo halisi ya watoa maamuzi kati ya usalama wa kiwango cha maji, nishati na uthabiti wa uendeshaji wa vifaa hayakumodelishwa moja kwa moja katika utafiti. SC ni maelewano wakilishi tu yaliyoundwa kwa kutoa uzani sawa kwa malengo matatu yaliyofanyiwa normalisasi.

Aidha, kwa Leanhu na Simen, hesabu ya nishati inategemea nguvu ya kawaida na muda wa kufanya kazi badala ya curve za kina za tabia ya pampu kwa wakati halisi. Kwa Taojialu, head na ufanisi unaobadilika kwa wakati vimezingatiwa; kwa hiyo kiwango cha undani wa uundaji wa nishati si sawa katika vituo vyote vitatu.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia:Optimal Joint Operation of Multiple Gates and Pumping Stations in a Tidal River Network

Waandishi: Jijiang Chen, Qianshun Xu, Yi Hu, Jian Zhang, Yiqing Gong, Peipei Zhang, Jun Shi na Jingqiao Mao.

Mwandishi wa mawasiliano: Jingqiao Mao.

Jarida: Water.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Rekodi ya bibliografia: Water 2026, 18, 2223.

DOI: 10.3390/w18172223

Tarehe ya kuchapishwa: 7 Septemba 2026.

Hali ya mapitio ya wenzao: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wenzao. Makala ilipokelewa 11 Julai 2026, ikafanyiwa marekebisho 19 Agosti 2026 na kukubaliwa 4 Septemba 2026.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Mbinu kuu: Modeli ya hidrodinamiki ya EPA SWMM 5.2.4 Dynamic Wave, PySWMM, Python 3.8.10 na uboreshaji wenye malengo mengi unaotegemea NSGA-II.

Eneo la utafiti: Yuyao City, Zhejiang Province, China; mtandao wa mito ya mifereji ya kaskazini unaoathiriwa na maji kujaa/kupwa ya Hangzhou Bay.

Ukubwa wa modeli: miunganisho 111 ya mifereji wazi, nodi 70 za hesabu, mipaka 5 ya kuingiza mtiririko wa juu, mipaka 4 ya kiwango cha maji ya chini ya mto na mabonde madogo 58.

Ukubwa wa uboreshaji: vituo sita vya malango/vizuizi + vitengo 13 halisi vya pampu katika Taojialu, Leanhu na Simen; vipindi 36 vya udhibiti vya saa mbili; kromosomu ya jumla ya biti 684.

Uboreshaji: population ya individwali 360, vizazi 400, uwezekano wa 0,9 wa single-point crossover na kanuni zilizowekwa za mutation 0,08.

Ufadhili: Ministry of Education Basic Disciplines and Interdisciplinary Breakthrough Program (JYB2025XDXM907), National Key Research and Development Program of China (2023YFC3209204) na Zhejiang Water Conservancy Science and Technology Program (RC2410).

Upatikanaji wa data: Data za kihidrologia, kihidroliki na uendeshaji wa kihandisi zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano kwa ombi la msingi, kutegemea ruhusa ya mwenye mradi husika.

Mgongano wa maslahi: Qianshun Xu ni mfanyakazi wa Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd.; Jian Zhang ni mfanyakazi wa Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Co., Ltd. Waandishi wengine waliripoti kwamba hawana mgongano wa maslahi ya kibiashara au kifedha.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana Jijiang Chen, Yi Hu na Jingqiao Mao; mbinu Yi Hu na Qianshun Xu; programu na uthibitishaji Yi Hu; uchambuzi Yi Hu na Qianshun Xu; utafiti Jijiang Chen, Yi Hu, Jian Zhang na Jun Shi; rasilimali Jijiang Chen, Jian Zhang na Jun Shi; usimamizi wa data Yi Hu na Jijiang Chen; rasimu ya awali Yi Hu; mapitio na uhariri waandishi wote; usimamizi Yiqing Gong na Jingqiao Mao.

Taarifa ya matumizi ya akili bandia: Waandishi waliripoti kwamba wakati wa kuandaa makala walitumia ChatGPT toleo la 5.5 kwa uhariri wa lugha ya Kiingereza na kuboresha usomaji, kwamba waliangalia na kuhariri wenyewe matokeo yake, na kwamba wanawajibika kwa maudhui ya uchapishaji.

Mpaka mkuu wa tafsiri: Matokeo ni ya uigaji-uboreshaji mahususi kwa tukio yanayotegemea hali za Typhoon In-Fa. Kwa kuwa vituo vya pampu vya Taojialu na Leanhu havikuwa katika huduma wakati wa tukio la 2021, ssenari iliyoboreshwa si marudio ya moja kwa moja ya uendeshaji wa kihistoria wa uga, bali ni ssenari ya baada ya kuanza kutumika inayotegemea modeli na inayojumuisha miundombinu mipya. Uthibitishaji wa ziada unahitajika katika mchanganyiko mwingine wa mvua na maji kujaa/kupwa na katika uendeshaji wa uga wa wakati halisi.