Βελτιστοποίηση διαχείρισης γεωθερμικών και υπόγειων υδατικών πόρων

Abstract

The current PhD thesis deals with the optimization of geothermal and underground water resources management and it consist of ten chapters. The first chapter includes basic notions on the hydrologic cycle, water reserves, underground water resources, water pollution and water resources management. In the second chapter, basic geothermal energy principles are presented, along with a historic review concerning the evolution of the use of geothermal energy, both in Greece and globally. The third chapter contains general data concerning genetic algorithms and also an analysis of their use in optimization problems. The fourth chapter contains a brief description of the four problems studied in this thesis. They are four different problems of underground aquifer-geothermal field management that share a common feature. In all of them, the object of research is the optimal well layout and distribution of discharge, for a given number of pumping wells. - The first problem addresses the utilization of an underground water aquifer, which is hydrologically infinite and homogeneous. - In the second problem, the aquifer is divided (by a linear boundary described by the equation y= ax +b) into two semi-planes of different transmissivity. - The third problem deals with the utilization of an underground aquifer, which is hydrologically infinite and homogeneous, but divided into four zones of different geothermal water temperature. - In the fourth problem, the underground aquifer is defined by two constant head boundaries, which intersect, forming a 120° angle. To solve the respective flow simulation problem, an approximate form of the method of images is introduced. In an introductory step, the aforementioned form is optimized, using genetic algorithms. The respective criterion is the degree of observance of the boundary condition on the two constant head boundaries. The fifth chapter contains the flow chart of the programs that were created in order to determine optimal (or suboptimal) solutions to the problems outlined in the fourth chapter. Furthermore, it contains extracts of the programs, along with the necessary explanations, for the better understanding of their operation. In the sixth chapter the optimal solutions to the first three problems are studied, using the programs that have been written in the Quick Basic programming language. The seventh chapter is an operation manual for the programs written in the Visual Basic programming language, which were developed in the frame of this thesis for the solution of the aforementioned problems. In the eighth chapter, applications of the programs written in the Visual Basic programming language are presented. It contains a series of results derived for different sets of input data. This process aims at better understanding of the problems, confirmation of the correct program operation and, of course, determination of the optimal solutions. The ninth chapter contains a theoretical analysis of pumping cost minimization, for an aquifer that consists of two zones of different transmissitivy. In chapter ten, the conclusions drawn from the four studied problems and the optimization tool used, are presented. The thesis also includes an appendixes, it contains results of test runs that were executed for the second problem.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης γεωθερμικών και υπόγειων πόρων και αποτελείται από δέκα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στον υδρολογικό κύκλο, τα αποθέματα νερού, τους υπόγειους υδατικούς πόρους, τη ρύπανση του νερού και τη διαχείριση των υδατικών πόρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τις βασικές έννοιες σχετικά με τη γεωθερμική ενέργεια, καθώς και μία ιστορική αναδρομή της εξέλιξης της χρήσης της γεωθερμίας στην Ελλάδα και διεθνώς. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται γενικά στοιχεία σχετικά με τους γενετικούς αλγόριθμους και αναλύεται η χρήση τους σε προβλήματα βελτιστοποίησης. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιέχεται μία σύντομη περιγραφή των τεσσάρων προβλημάτων που εξετάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Πρόκειται για τέσσερα διαφορετικά προβλήματα διαχείρισης υπόγειου υδροφορέα-γεωθερμικού πεδίου, κοινό χαρακτηριστικό των οποίων αποτελεί το ζητούμενο της βέλτιστης διάταξης και κατανομής παροχών για δεδομένο αριθμό πηγαδιών άντλησης. - Στο πρώτο πρόβλημα εξετάζεται η εκμετάλλευση υπόγειου υδροφορέα, υδραυλικώς άπειρου και ομογενή. - Στο δεύτερο πρόβλημα ο υδροφορέας δεν είναι ομογενής, αλλά χωρίζεται από ένα ευθύγραμμο όριο με εξίσωση y= ax + b, σε δύο ημιεπίπεδα με διαφορετική μεταφορικότητα. - Στο τρίτο πρόβλημα εξετάζεται η αξιοποίηση ενός υπογείου υδροφορέα, υδραυλικώς άπειρου και ομογενή, που χωρίζεται σε τέσσερις ζώνες διαφορετικής θερμοκρασίας γεωθερμικού νερού. - Στο τέταρτο πρόβλημα ο υπόγειος υδροφορέας καθορίζεται από δύο όρια δεξαμενής τεμνόμενα υπό γωνία 120°. Για την επίλυση του υδραυλικού προβλήματος εφαρμόζεται προσεγγιστικά η μέθοδος των εικόνων. Για τη βελτιστοποίηση της προσέγγισης εφαρμόζεται πάλι η μέθοδος των γενετικών αλγορίθμων με κριτήριο τον βαθμό τήρησης της οριακής συνθήκης στα δύο ευθύγραμμα όρια σταθερού φορτίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται το λογικό διάγραμμα του αλγορίθμου των προγραμμάτων που δημιουργήθηκαν για την εύρεση των βέλτιστων λύσεων στα προβλήματα που αναλύθηκαν στο τέταρτο κεφάλαιο. Επίσης παρατίθενται ορισμένα αποσπάσματα των προγραμμάτων, μαζί με τις απαραίτητες επεξηγήσεις, για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας τους. Στο έκτο κεφάλαιο διερευνάται η εύρεση βέλτιστων λύσεων στα τρία πρώτα προβλήματα με τη χρήση προγραμμάτων που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Quick Basic. Το έβδομο κεφάλαιο αποτελεί έναν οδηγό χρήσης των προγραμμάτων, που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic, λειτουργούν σε περιβάλλον Windows και αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής για την επίλυση των προαναφερθέντων προβλημάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο εφαρμόζονται τα προγράμματα που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Παρατίθεται μια σειρά αποτελεσμάτων που προέκυψαν με απλές διαφοροποιήσεις των δεδομένων που εισάγονται. Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η καλύτερη κατανόηση των προβλημάτων, η επιβεβαίωση της καλής λειτουργίας των προγραμμάτων και τέλος ή εύρεση βέλτιστων λύσεων. Στο ένατο κεφάλαιο μελετάται θεωρητικά η ελαχιστοποίηση του κόστους άντλησης σε υδροφορέα με δύο ζώνες διαφορετικής μεταφορικότητας. Τέλος, στο δέκατο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που αναφέρονται στα τέσσερα προβλήματα υδραυλικής που μελετήθηκαν και στο εργαλείο βελτιστοποίησης που χρησιμοποιήθηκε. Η διατριβή περιλαμβάνει και ένα παράρτημα, στο οποίο δίνονται αποτελέσματα από δοκιμαστικά τρεξίματα για την επίλυση του δεύτερου προβλήματος.

Die voliegende Promotion beschäftigt sich mit der Optiierung der Nutzung geotherischer und unterirdischer Wasservorkommen und besteht aus zehn Kapiteln. Im ersten Kapitel erfolgt eine Einführung in die Theorieu des hydrologischen Zyklus, der Wasservorräte, der unterirdischen Wasservorkommen, der Verschmutzung des Wassers und der Nutzung der Wasservorkommen. In Kapitel zwei warden die wesentlichen Begriffe der geothermischen Energie erläutert und es erfolgt eine synoptische Chronologie der Nutzung der Geothermie in Griechenland und international. Im dritten Kapitel warden die allgemeinen Begriffe der genetischen Algorithmen erläutert und deren Nutzung in Optimierungsproblemen analysiert. Im vierten Kapitel warden die vier Problemstellungen beschrieben, die Gegenstand dieser Studie sind. Es handelt sich dabei um vier unterschiedliche Problemstellungen der Nutzung eines unterirdischen, geothermischen Aquifers, deren gemeinsame Zielsetzung die optiale Anordnung und Verteilung von Kapazitäten für eine gegebene Anzahl von Pumpquellen ist. - In der ersten Problemstellung wird die Nutzung eines unterirdischen Aquifers, hydrologisch unendlich und homogeny untersucht. - In der zweiten Problemstellung ist der Aquifer nicht homogeny, sondern wird durch eine gerade Grenze mit der Gleichung y= ax +b in zwei Teilebenen unterschiedlicher Trransmissivität aufgeteilt. - In der dritten Problemstellung wird ein unterirdischer Aquifer untersucht, der hydrologisch unendlich und homogeny ist und in vier Zonen unterschiedlicher Temperatur des geothermischen Wassers aufgeteilt wird. - In der vierten Problemstellung wird der Aquifer durch die Grenzen zweier Speicher, die such im 120 Winkel treffen definiert. Die Lösung erfolgt durch Näherung mit Hilfe der Methode der Bilder. Die Optimierung der Näherung erfolgt mit Hilfe generischer Algorithmen mit Kriterium den Grad der Einhaltung der Randbedingung in den beiden geraden Grenzen konstanter Kapazaität. Im fünften Kapitel wird das Ablaufdiagramm der Algorithmen der Programme, die der Optimierung der Lösungen der Problemstellungen des vierten Kapitels dienen vorgestellt. Außerdem warden –für ein besseres Verständnis der Funktion der Programme- Auszüge des Quellcodes der Programme erläutert. In Kapitel sechs wird die Lösungsfindung der ersten drei Problemstellungen erörtert, die mit Hilfe von Programmen in der Programmiersprache Quick Basci erfolgte. Das siebte Kapitel liefert eine Art Bedienungsanleitung zu den Programmen, die im Rahmen dieser Studie zur Lösung der oben genannten Problemstellungen in der Programmiersprache Visual Basic entwickelt wurden und unter dem Betriebssystem Windows laufen. In Kapitel acht warden die Visual Basic Programme angewandt. Es wird eine Reihe an Resultaten vorgestellt, die aus simplen Variationen der Input-Daten erfolgen. Ziel dieses Vorgehens ist zum einen ein besseres Verständnis der Problemstellungen und zum anderen die Bestätigung der Funktion der Programme und zuletzt die Findung der optimalen Lösungen. Im neunten Kapitel erfolgt eine theoretische Analyse der Minimierung der Pumpkosten bei Anwendung in einem Aquifer mit zwei Transmissivitätszonen. Zu gutter Letzt warden im zehnten Kapitel die Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu den vier Problemstellungen und dem entwickelten Optimierungs-Tool präsentiert. Die beinhaltet ein Anhange, wo sich die Resultate von Testläufen zur Lösung der zweiten Problemstellung finden.