Βελτιστοποίηση της διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων με τη χρήση γενετικών αλγορίθμων

Abstract

As an essential element found in nature, water plays a decisive role in preserving the balance between various ecosystems. Climatic changes, human intervention and the ever-growing needs of mankind in water, all lead to the lack of water, which becomes a very intense and serious issue to cope with, especially in arid and semi-arid coastal areas, where the coastal aquifers are a significant part of the fresh water reserves. Some coastal areas are extremely dense populated, therefore fresh water needs are high. However, proximity of these areas to the sea, calls for a need in paying particular attention and using special groundwater management techniques. In these areas, high groundwater demand leads to a decrease of the groundwater level and a decrease or interruption of the groundwater flow to the sea, causing the inflow of seawater to the main body of the aquifer. A major issue in maintaining the coastal aquifers in these areas, is the maximization of the groundwater extraction rates with no intrusion of seawater into the pumping wells. What this doctoral thesis proposes, with a view to coping with this problem, is the use of a computational simulation and optimization tool to calculate the maximum overall water flow rate and the optimum layout of a pumping well system in coastal aquifers. Our suggestion focuses on combining the boundary element method (BEM) and genetic algorithms to achieve the goal set. The BEM calculates the water flow rate values passing from the aquifer boundaries and defines those coastal sections where pure sea water inflows to the aquifer. The genetic algorithm method is applied to determine the optimum combination of flow rate and pumping wells positioning, without inducing intrusion of seawater to the wells. Genetic algorithms are optimization and searching algorithms, based on Darwin's Theory of Evolution and its cornerstone being the natural selection, and on certain principles of Genetics. Although most of the optimization and searching methods are generally functioning by analysing successively in a single instant a potential solution, genetic algorithms are simultaneously analysing all together a potential solution collection. Each such potential solution structure is called a "chromosome". The key element in every genetic algorithm is the evaluation function which calculates and assigns to each chromosome a fitness value, admeasuring the extent to which this chromosome could possibly contribute to the issue in question. A simple genetic algorithm is composed of the "Selection", "Crossover" and "Mutation" main genetic operators, by means of which a transition from one generation to another takes place, till the best possible solution is found.

Ως βασικό στοιχείο της φύσης το νερό παίζει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση των ισορροπιών μεταξύ των οικοσυστημάτων. Οι κλιματικές αλλαγές, η παρέμβαση του ανθρώπου και οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες του σε νερό δημιουργούν την έλλειψη νερού, ένα πολύ έντονο και σοβαρό πρόβλημα ιδιαιτέρως στις άνυδρες και ημιάνυδρες παραθαλάσσιες περιοχές, όπου οι παράκτιοι υδροφορείς αποτελούν σημαντικό μέρος του γλυκού νερού. Μερικές παραλιακές περιοχές είναι εξαιρετικά πυκνοκατοικημένες, επομένως οι ανάγκες σε γλυκό νερό είναι μεγάλες. Όμως η γειτνίαση με τη θάλασσα δημιουργεί την ανάγκη ιδιαίτερης προσοχής και ειδικών τεχνικών στη διαχείριση των υπόγειων νερών. Σε αυτές τις περιοχές οι αυξημένες ανάγκες σε υπόγειο νερό δημιουργούν πτώση της στάθμης του νερού στον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα και μείωση ή διακοπή της ροής του υπόγειου νερού προς τη θάλασσα, προκαλώντας την εισροή θαλάσσιου νερού προς το κύριο σώμα του υδροφόρου εδάφους, με αποτέλεσμα την υφαλμύρωση του υπόγειου νερού. Σε αυτές τις περιοχές ένα βασικό πρόβλημα διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων είναι η απόληψη της μέγιστης δυνατής παροχής χωρίς εισροή θαλάσσιου νερού στα πηγάδια άντλησης. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος προτείνεται σε αυτή τη διδακτορική εργασία ένα υπολογιστικό εργαλείο προσομοίωσης-βελτιστοποίησης για την εύρεση της μέγιστης συνολικής παροχής και τη βέλτιστη διάταξη των πηγαδιών άντλησης σε παράκτιους υδροφορείς. Συγκεκριμένα προτείνουμε ένα συνδυασμό των μεθόδων των οριακών στοιχείων και των γενετικών αλγόριθμων για την επίτευξη αυτού του στόχου. Με τη μέθοδο των οριακών στοιχείων υπολογίζονται οι τιμές των παροχών που διέρχονται από τα όρια του υδροφορέα και προσδιορίζονται τα τμήματα της ακτής στα οποία εμφανίζεται καθαρή εισροή θαλάσσιου νερού στον υδροφορέα. Η μέθοδος των γενετικών αλγόριθμων εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό του βέλτιστου συνδυασμού παροχών και θέσεων των πηγαδιών άντλησης, χωρίς εισροή νερού από τη θάλασσα. Οι γενετικοί αλγόριθμοι είναι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης και αναζήτησης. Βασίζονται στη θεωρία της φυσικής επιλογής και σε αρχές της γενετικής. Ενώ οι συνηθισμένες μέθοδοι βελτιστοποίησης και αναζήτησης δουλεύουν, γενικά, διαδοχικά αναλύοντας κάθε στιγμή μια πιθανή λύση, οι γενετικοί αλγόριθμοι δουλεύουν ταυτόχρονα με μια συλλογή πιθανών λύσεων, καθεμιά από τις οποίες αποκαλείται χρωμόσωμα. Κεντρικό στοιχείο κάθε γενετικού αλγόριθμου είναι η συνάρτηση αποτίμησης, η οποία υπολογίζει την αξία και αποδίδει μια τιμή σε κάθε χρωμόσωμα, προσμετρώντας την έκταση κατά την οποία μπορεί το χρωμόσωμα αυτό να προσφέρει μια λύση στο εξεταζόμενο πρόβλημα.