طراحي سامانه كنترل خودكار به‌منظور توزيع عادلانه آب در شرايط كم‌ آبي و نوسانات جريان ورودي، مطالعه موردي شبكه آبياري رودشت

Design of Automatic Control System to Equitable Water Distribution under Water Shortages and Inflow Fluctuation Operational Conditions, Case study of Roodasht Irrigation district

سابقه و هدف: شرايط غير معمول بهره‌برداري كانال‌هاي آبياري به سبب تشديد خشكسالي‌هاي پي‌ در‌ پي در اكثر شبكه‌هاي كشور عملكرد ضعيف شبكه‌هاي آبياري كشور در توزيع عادلانه آب بين مصرف‌كنندگان را سبب شده است. در اين شرايط بهره‌گيري از راهبردهاي نوين در بهبود فرآيند بهره‌برداري مورد توجه قرار گرفته كه اجراي آن نيازمند وجود سامانه كنترل خودكار در كانال مي‌باشد و اصولاً با شيوه هاي بهره برداري مرسوم اكثر شبكه‌هاي كشورمان انجام پذير نيست. مواد و روش ها:در اين تحقيق، سامانه كنترل خودكار مركزي پيش‌بين جهت بهره‌برداري كانال اصلي آبياري طراحي شد. همچنين شبيه‌سازي هيدروليك جريان در كانال با استفاده از مدل ساده شده انتگرالي- تاخيري در محيط نرم‌افزارم تلب انجام گرفت. با تعريف متغير جديد تفاوت خطاي سطح آب بين بازه‌هاي كانال آبياري، استراتژي بهره‌برداري تفاوت خطاي سطح آب به‌ عنوان بخش نرم‌افزاري سامانه بهره‌برداري به كنترل‌گر پيش‌بين اضافه شد. كانال مورد مطالعه در اين تحقيق، كانال اصلي شبكه‌ي آبياري رودشت است كه با دو مشكل عمده نوسانات ورودي و كم‌آبي مواجه مي‌باشد. براين اساس سناريوهاي بهره‌برداري مختلفي با استفاده از اطلاعات واقعي بهره‌برداري كانال انتخاب شد و سامانه كنترل خودكار در شرايط مختلف بهره‌برداري مورد ارزيابي قرار گرفت. به منظور سنجش كارايي استراتژي بهره‌برداري تفاوت خطاي سطح آب در توزيع عادلانه آب بين آبگيرهاي واقع در كانال اصلي، بهره‌برداري كانال با و بدون بهره‌گيري از استراتژي بهره‌برداري مذكور بررسي شد. يافته ها: نتايج تحقيق حاكي از عملكرد مطلوب سامانه كنترل خودكار در مديريت بهره‌برداري كانال آبياري تحت نوسانات ملايم و شديد بود به نحوي‌كه ميزان شاخص عدالت محاسبه شده به ترتيب 1/21 و 4/33 درصد براي دو سناريوي مذكور بدست آمد. با افزودن سناريوي كم‌آبي، ضرورت به‌كارگيري استراتژي «بهره‌برداري تفاوت خطاي سطح آب» توسط كنترل‌گر پيش‌بين مشخص شد، زيرا با مقادير بدست آمده 15/22 و 22/5 درصدي شاخص عدالت ديگر كنترل‌گر به‌ تنهايي قادر به پياده‌سازي توزيع عادلانه به نحو مطلوب نبوده است. همچنين نتايج نشان داد به‌كارگيري استراتژي مذكور به ترتيب سبب بهبود 13 و 17 درصدي شاخص عدالت توزيع آب در سناريوهاي نوسان ملايم و نوسانات شديد شد. نتيجه‌گيري: نتايج اين تحقيق نشان داد كه در شرايط وخيم بهره‌برداري، به‌كارگيري استراتژي‌هاي بهره‌برداري به منظور ارتقا عملكرد سامانه‌هاي كنترل ضروري است. مزيت عمده بهره‌گيري از استراتژي‌ بهره‌برداري تفاوت خطاي سطح آن است كه بدون هيچ‌گونه نياز به صرف هزينه اضافي جهت تغيير در زيرساخت سامانه كنترل خودكار، ميزان مطلوبيت عدالت توزيع آب قابل بهبود است. راهبرد اختلاف خطاي رقوم سطح آب به عنوان يك روش سيستماتيك در توزيع عادلانه آب بين آب بران در طول كانال اصلي، مي‌تواند در بهبود عملكرد سامانه‌هاي كنترل خودكار نقش قابل توجهي را در شرايط كم آبي ايفا نمايد.

Background and objectives: Unconventional operational conditions within main irrigation canals, due to intensifying following drought conditions, has resulted to poor performances of the irrigation districts in water distribution between the water holders from the equity perspectives. Accordingly have convinced the managers to employ the modern operational strategies. However, hiring these smart operational strategy need automatic control systems and getting the advantages of the approach is quite impossible by using the conventional operational methods. Materials and methods: An automatic control system, using Model Predictive Control, is designed and tested in the present study. Also, simulation of the hydraulic conditions of the irrigation canal is accomplished by a simplified mathematical model of Integrator-Delay (ID) model in Matlab. Moreover, the operational strategy of different error gets employed by the MPC controller by defining a new state variable of the “Difference Error”. The Roodasht main irrigation canal is selected as the case study of the research, due to special hydraulic conditions of this canal, including consequent water shortages periods as well as inflow fluctuation at the canal head-gate. Accordingly, a wide range of operational scenarios is chosen based on the practical operational information. Then, the performance of the designed MPC controller with and without employing the operational strategy is evaluated by the equity indicator within the operational conditions. Results: The obtained results indicate that execution of the MPC controller is reasonable enough to handle both of the regular and severe inflow fluctuations. The equity performance indicator shows that MPC controller distributes irrigation water almost equitably under the frequent and severe inflow fluctuations so that the corresponding values obtained 1.21 and 4.33 percent respectively. However, the results reveal that equitable water distribution has not achieved when water shortages scenario has appeared. During the water shortages, MPC could not be able to meet the equity objective. So, the water level difference operational strategy is required to be employed by the MPC controller. According to the results, significant improvement equal to 13 and 17 percent has been achieved in equity index after upgrading the MPC controller with the strategy. Conclusion: This study reveals the necessity of employing the operational strategy to improve the performance of the controller within the severe operational conditions. The main advantages upon upgrading the control systems with the operational policy, including the procedure used in this study, has not imposed and extra charges to the control system. Therefore, getting the advantages of the strategies is highly suggested to implement reasonable performances of the system. The developed plan for this study is recommended for the operation of those irrigation districts suffering from water scarcity. The strategy is capable of reasonably water distribution in a systematic manner between the off-takes locating along the canal.