Optimal operation of multi-reservoir system using Atom search optimization

Abstract

This research aims to apply optimization technique using conditional atom search optimization (CASO) with reservoir simulation model for searching optimal rule curves of multi-reservoir system. The minimal average excess water per year were used as the objective functions for searching procedure. The network reservoir consists of 5 reservoirs located in Sakon Nakhon province, Thailand including the Huai Nam Bo reservoir, the Upper Huai Sai-1 reservoir, the Upper Huai Sai-2 reservoir, the Upper Huai Sai-3 reservoir, and the Huai Sai Khamin reservoir. This study considered the monthly reservoir rule curves, the average monthly inflow into reservoirs from 2005 - 2020 years, the downstream water demand from reservoirs, hydrological data and physical data of the reservoirs. In addition, the performance of the new obtained rule curves was evaluated by comparison between operation with single reservoir and operation with multi-reservoirs network.

The results were displayed situations of water shortage and excess water in term of frequency, duration time, average water and the highest water. In addition, the efficiency of searching optimal rule curves between using CASO and using conditional genetic algorithm (CGA) techniques were performed. The results shown that the new obtained rule curves from the multi-reservoir system case had an average excess water of 43.828 MCM/year which less than optimal curves from the single reservoir case of average excess water of 45.788 MCM/year. An analysis of downstream reservoir of the network reservoir derived water from above reservoirs of the Upper Huai Sai-1 reservoir, the Upper Huai Sai-2 reservoir and the Upper Huai Sai reservoir-3 was investigated. The results shown that the new obtained rule curves of the ASO operated as network reservoir was higher performance than operated as single reservoir. In addition, they can reduce the amount of time that water exceeding the river capacity at Huai Sai Weir by 1 month from the original period

การบริหารจัดการน้ำของเครือข่ายอ่างเก็บน้ำหลายอ่างที่ดำเนินการในรูปแบบอ่างเดี่ยวจะทำให้อ่างเก็บน้ำที่อยู่ตอนล่างประสบปัญหาการขาดแคลนน้ำหรือปัญหาการน้ำไหลล้นสูงมากขึ้น การปฏิบัติการอ่างเก็บน้ำแบบเครือข่ายเป็นแนวทางลดปัญหาน้ำท่วมและภัยแล้งในพื้นที่ท้ายอ่างที่สอดคล้องกับลักษณะทางกายภาพของลุ่มน้ำที่มีความซับซ้อน การวิจัยครั้งนี้มีความมุ่งหมายเพื่อประยุกต์ใช้วิธีการหาค่าเหมาะสมที่สุดด้วยเทคนิควิธีค้นหาอะตอม (ASO) ร่วมกับแบบจำลองการเลียนแบบระบบอ่างเก็บน้ำ เพื่อค้นหาโค้งควบคุมที่เหมาะสมของเครือข่ายอ่างเก็บน้ำ โดยมีฟังก์ชันวัตถุประสงค์ของการค้นหาคือค่าเฉลี่ยของการขาดแคลนน้ำต่อปีน้อยที่สุด และค่าเฉลี่ยของการไหลล้นต่อปีน้อยที่สุด ระบบเครือข่ายอ่างเก็บน้ำที่ศึกษาประกอบด้วยอ่างเก็บน้ำ จำนวน 5 แห่ง ในพื้นที่จังหวัดสกลนคร ได้แก่ อ่างเก็บน้ำห้วยน้ำบ่อ อ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 1 อ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 2 อ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 3 และอ่างเก็บน้ำห้วยทรายขมิ้น การศึกษานี้พิจารณาโค้งควบคุมแบบรายเดือน ใช้ข้อมูลปริมาณน้ำท่าเฉลี่ยรายเดือนที่ไหลเข้าอ่างเก็บน้ำตั้งแต่ปี พ.ศ. 2548 - พ.ศ. 2563 ข้อมูลความต้องการใช้น้ำจากอ่างเก็บน้ำ ข้อมูลอุทกวิทยา และข้อมูลทางกายภาพของอ่างเก็บน้ำ นอกจากนี้ยังได้ประเมินประสิทธิภาพของโค้งควบคุมที่ได้จากแบบจำลองโดยเปรียบเทียบระหว่างกรณีที่ดำเนินการแบบอ่างเดี่ยวและดำเนินการแบบเครือข่ายอ่างเก็บน้ำ ซึ่งจะแสดงผลเป็นสถานการณ์น้ำขาดแคลนและน้ำไหลล้น ในรูปแบบความถี่ ปริมาณน้ำเฉลี่ย และปริมาณน้ำสูงสุด นอกจากนี้ยังประเมินประสิทธิภาพในการค้นหาคำตอบโค้งควบคุมด้วยเทคนิค ASO กับการค้นหาคำตอบด้วยเทคนิค GA

ผลการศึกษาพบว่า โค้งควบคุมที่ได้จากการพิจารณาดำเนินการแบบเครือข่ายอ่างเก็บน้ำ มีปริมาณการไหลล้นเฉลี่ย 43.828 ล้าน ลบ.ม./ปี น้อยกว่ากรณีพิจารณาดำเนินการแบบอ่างเดี่ยวที่มีปริมาณการไหลล้นเฉลี่ย 45.788 ล้าน ลบ.ม./ปี การวิเคราะห์ปริมาณน้ำที่ไหลลงอ่างเก็บน้ำห้วยทรายขมิ้นซึ่งเป็นอ่างเก็บน้ำที่อยู่ตอนล่างของระบบอ่างเก็บน้ำเครือข่าย จากปริมาณน้ำระบายของเครือข่ายอ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 1 อ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 2 และอ่างเก็บน้ำห้วยทรายตอนบน 3 ผลการศึกษาพบว่า ประสิทธิภาพของโค้งควบคุมที่พัฒนาด้วย ASO กรณีดำเนินการแบบเครือข่ายอ่างเก็บน้ำ มีประสิทธิภาพดีกว่าโค้งควบคุมที่พิจารณาดำเนินการแบบอ่างเดี่ยวและโค้งควบคุมเดิม สามารถลดระยะเวลาที่น้ำเกินความจุลำน้ำบริเวณฝายห้วยทรายได้ 1 เดือน จากระยะเวลาเดิม 2 เดือน ผลการศึกษายังพบว่าประสิทธิภาพในการค้นหาคำตอบด้วยเทคนิค ASO ใช้เวลาในการค้นหาคำตอบได้เร็วกว่าเทคนิค GA อีกด้วย