Βελτιστοποίηση διαχείρισης ρηγματωμένων παράκτιων υδροφορέων με προβλήματα ρύπανσης

Abstract

The Thesis’ objective is optimal management of fractured aquifers with pollution or salinization problems, using genetic algorithms. The Thesis is divided in two parts. The first part deals with an aquifer with pollution plumes and one-dimensional fractures. The plumes threaten an existing pumping system of fresh water wells, so additional wells (AW) are used in order to ensure fresh water supply, while the pollutant remains active. Practical goal is the minimization of total cost of the system of wells, finding the fittest coordinates and flow rates for the AW and also the fittest distribution of the required fresh water flow rate to the existing wells. At first, AW can only operate as pumping wells, while only the pumping cost is taken into account, hence a classic hydraulic control (HC) problem is studied. Then, the cost of the pipe network carrying water from AW to a reservoir and after that the pumped polluted water treatment cost (for low and high cost treatment pollutants) are included. The algorithm can select either a pump and treat or a HC solution. Furthermore, the optional use of additional recharge wells (instead of abstraction) is studied, while an alternative strategy is studied that utilizes the fresh water pumped by AW to satisfy the total flow rate, incorporating the additional connection cost of pumping AW to the existing pipe network. The two-dimensional flow field and pollutant transport are simulated by a particle tracking method and genetic algorithms used for the optimization, with research on the influence of mutation and crossover probabilities. Apart from the algebraic optimization, there is also research on the identification and categorization of the different concepts (flow profiles) produced, namely on the qualitative optimization. User-friendly applications are created that solve the general problem. The second Thesis’ part deals with a coastal fractured aquifer with two zones of different transmissivity, with a fracture in direct contact with the sea. In the simple problem version, two pumping wells of known locations inside the field supply fresh water to a theoretical adjacent settlement. The goal is to optimize the aquifer’s management maximizing total fresh water pumping flow rate, without pumping sea water. In the complex problem version, the wells’ coordinates are unknown variables, hence the goal is also the optimal placement of the two wells. Genetic algorithms are the optimization tool, while the boundary element method simulates the simplified two-dimensional flow fields. There are two approaches for the simulation of the fracture in contact with the sea: a) Fracture is simulated as an internal boundary and is assumed as a linear element of one-dimensional flow and increased transmissivity compared to the zones’ interior, allowing fluid transport across fracture’s boundary elements (assumption of hydraulic head continuity on both sides of fracture). b) Fracture is simulated as an external boundary and is assumed as a coast extension (zero hydraulic head). This approach is conservative and complementary to the previous one. It acts like a safety limit, constituting a primal but safe strategy proposal.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η βέλτιστη διαχείριση ρηγματωμένων υδροφορέων με προβλήματα ρύπανσης ή υφαλμύρισης, με χρήση της μεθόδου των γενετικών αλγόριθμων. Η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος μελετάται η περίπτωση υδροφορέα με κηλίδες ρύπανσης και μονοδιάστατα ρήγματα. Οι κηλίδες απειλούν υπάρχον σύστημα γεωτρήσεων πόσιμου νερού, οπότε χρησιμοποιούνται πρόσθετα πηγάδια (ΠΠ) για την εξασφάλιση παροχής πόσιμου νερού, όσο ο ρύπος παραμένει δραστικός. Στόχος είναι η ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους του συστήματος πηγαδιών, με εύρεση κατάλληλων συντεταγμένων και παροχών των ΠΠ, αλλά και κατάλληλη κατανομή της απαιτούμενης παροχής πόσιμου νερού στα υπάρχοντα πηγάδια. Αρχικά, τα ΠΠ είναι μόνο άντλησης, ενώ λαμβάνεται υπόψη μόνο το κόστος άντλησης, οπότε διαμορφώνεται πρόβλημα υδραυλικού ελέγχου ρύπανσης (ΥΕ). Στη συνέχεια, συμπεριλαμβάνεται και το κόστος δικτύου αγωγών για την απαγωγή του νερού που αντλείται από ΠΠ σε δεξαμενή, ενώ σε επόμενο στάδιο προστίθεται και το κόστος επεξεργασίας του ρυπασμένου αντλούμενου νερού από τα ΠΠ για ρύπο χαμηλού και υψηλού κόστους επεξεργασίας. Ο αλγόριθμος έχει τη δυνατότητα να επιλέξει λύση άντλησης και επεξεργασίας ή ΥΕ. Επίσης, εισάγεται η δυνατότητα προσθήκης πηγαδιών φόρτισης και μελετάται το εναλλακτικό σκεπτικό λύσης με συνεισφορά του αντλούμενου πόσιμου νερού από ΠΠ στη συνολική παροχή, με πρόβλεψη σύνδεσης των ΠΠ άντλησης στο υπάρχον δίκτυο. Η προσομοίωση του διδιάστατου απλοποιημένου πεδίου ροής και της κίνησης του ρύπου γίνεται με τη μέθοδο των κινούμενων σωματιδίων και η βελτιστοποίηση με τη μέθοδο των γενετικών αλγόριθμων, οπότε και διερευνάται η επιρροή των τιμών πιθανότητας μετάλλαξης και διασταύρωσης. Δίνεται βάση στην αναγνώριση και κατηγοριοποίηση των διαφορετικών σκεπτικών (προφίλ ροής) που παράγονται, στην ποιοτική δηλαδή βελτιστοποίηση εκτός της αλγεβρικής. Δημιουργούνται εφαρμογές λογισμικού, φιλικές προς τον χρήστη και που λύνουν το γενικό πρόβλημα. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετάται η περίπτωση παράκτιου ρηγματωμένου υδροφορέα με δύο ζώνες διαφορετικής μεταφορικότητας, με ρήγμα σε επαφή με τη θάλασσα. Στην απλή εκδοχή του προβλήματος, δύο πηγάδια άντλησης γνωστών θέσεων εντός του πεδίου παρέχουν πόσιμο νερό σε υποτιθέμενο παρακείμενο οικισμό. Σκοπός είναι η βελτιστοποίηση διαχείρισης του υδροφορέα αυτού με στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής αντλούμενης παροχής πόσιμου νερού, χωρίς άντληση θαλασσινού νερού. Στην πιο σύνθετη εκδοχή του προβλήματος, άγνωστες μεταβλητές αποτελούν και οι συντεταγμένες των δύο πηγαδιών, οπότε πλέον στόχος είναι και η βέλτιστη χωροθέτηση εκτός της παροχής των δύο πηγαδιών. Η βελτιστοποίηση γίνεται με γενετικούς αλγόριθμους, ενώ η προσομοίωση του διδιάστατου απλοποιημένου πεδίου ροής γίνεται με τη μέθοδο των οριακών στοιχείων. Εξετάζονται δύο περιπτώσεις προσομοίωσης του ρήγματος σε επαφή με τη θάλασσα για διάφορα μήκη ρήγματος: α) Το ρήγμα προσομοιώνεται ως εσωτερικό όριο και θεωρείται γραμμικό στοιχείο με μονοδιάστατη ροή και αυξημένη μεταφορικότητα σε σχέση με τις ζώνες του πεδίου, που επιτρέπει όμως τη μεταφορά ρευστού εγκάρσια των οριακών στοιχείων του ρήγματος (παραδοχή συνέχειας του πιεζομετρικού φορτίου εκατέρωθεν του ρήγματος). β) Το ρήγμα προσομοιώνεται ως εξωτερικό όριο και θεωρείται συνέχεια της ακτογραμμής με μηδενικό δυναμικό. Η θεώρηση αυτή είναι συντηρητική και έχει σκοπό να λειτουργήσει συμπληρωματικά στην προηγούμενη. Λειτουργεί σαν όριο ασφαλείας και είναι δυνατόν να αποτελέσει μια πρώτη, αλλά σίγουρη και ασφαλή, πρόταση διαχείρισης ρηγματωμένου παράκτιου υδροφορέα.