بهینه سازی روند پاکسازی آلاینده های نفتی امتزاج ناپذیر سبک lnapls از آبهای زیرزمینی آلوده

در خلال قرن گذشته در بسیاری از نقاط جهان به طور فزاینده ای منابع آب با مواد lnapl (سیالات امتزاج ناپذیر سبکتر از آب) آلوده شده اند. این سیالات یک خطر جدی برای منابع آب به شمار رفته و برای جلوگیری از مشکلات زیست محیطی و بهداشتی، آبهای آلوده به این مواد بایستی به سرعت پاکسازی شوند. این مواد در حرکت خود به سمت پایین تحت تاثیر نیروهای گرانش و مویینگی قرار گرفته و پیش بینی رفتار آنها بر اساس میزان این دو نیرو انجام می شود. همچنین در صورت نفوذ عمقی به زمین و رسیدن به سطح آبهای زیرزمینی به صورت یک لایه نازک روی آن قرار گرفته و حرکت می کنند. شایان توجه است در صورتی که سطح آب زیرزمینی نوسان داشته باشد، مواد نفتی متحرک در مناطقی که قبلاً آب زیرزمینی در آن جریان داشته به حالت پسماند در خواهند آمد. مواد نفتی پسماند قطراتی از سیال هستند که بر اثر نیروی مویینگی بین حفرات خاک در تله افتاده و امکان حرکت آزادانه از آنها گرفته شده است. با توجه به میزان قابل توجه نیروی مویینگی به ویژه در خاکهای با بافت ریزدانه، پاکسازی این مواد بسیار دشوار و در مواردی غیر ممکن خواهد بود. روشهای جدیدی برای پاکسازی آبهای آلوده به lnapl ها بدون برداشت خاکهای آلوده ابداع شده اند که اکثر آنها مبتنی بر پمپاژ آبهای آلوده هستند. در تحقیق موجود، مروری بر روشهای پاکسازی آبخوانهای آلوده به این مواد انجام و در نهایت یک روش به عنوان روش مناسب برای آبخوانهای عمیق و نفوذ پذیر انتخاب شده است. روش انتخاب شده، تخلیه دوپمپه بوده که راندمان بالایی در پاکسازی مواد lnapl از آبهای زیرزمینی دارد. این روش مبتنی بر استفاده همزمان از دو پمپ متحرک(یکی برای آب و دیگری برای نفت) است. در سالهای اخیر محققان همواره به دنبال بهینه سازی این روش بوده اند، به گونه ای که حتی الامکان از تبدیل مواد نفتی متحرک به مواد پسماند جلوگیری شود. در رابطه ای که اخیراً ارایه شده است با ایجاد یک رابطه خطی بین دبی آب و نفت، از به وجود آمدن مواد نفتی پسماند جلوگیری می شود در حالی که مزیت این روش که راندمان بالا در پاکسازی است، همچنان حفظ می گردد. برای شبیه سازی روند پاکسازی نیاز به یک مدل شبیه ساز بود. مدل شبیه ساز انتخاب شده در این تحقیق با نام utchem، یک مدل سه بعدی بوده و بر اساس تفاضلات محدود کار می کند. این مدل به سفارش سازمان محیط زیست آمریکا توسعه داده شده و جزء جامع ترین مدلهای موجود برای پیش بینی رفتار جریانهای چند فازی می باشد. البته در این تحقیق تنها از قابلیتهای اصلی این مدل برای شبیه سازی فرآیندهای اصلی کیفی آب زیرزمینی نظیر انتقال، دیسپرژن و دیفیوژن استفاده و از فرآیندهایی چون جذب، تجزیه بیولوژیکی، انتقال دما، مواد فعال در سطح و واکنشهای شیمیایی صرف نظر گردیده است. از طرف دیگر با توجه به اینکه هدف نهایی این تحقیق بهینه سازی روند پاکسازی می باشد، فرم کلاسیک الگوریتم ژنتیک به عنوان یک روش مناسب بهینه سازی برای کمینه کردن تابع هدف(مقدار هزینه) انتخاب شده است. این الگوریتم با یافتن بهترین مکان برای حداکثر 3 چاه از بین 9 چاه محتمل و نیز بهترین دبی چاههای انتخاب شده برای پمپهای آب و نفت (در محدوده تعیین شده توسط کاربر) مقدار کل هزینه های لازم برای پاکسازی را کمینه می کند. البته چاه مرکزی توسط برنامه نوشته شده در مرکز سطح هاله آلودگی قرار گرفته و مکان بقیه چاههای محتمل نسبت به آن تعیین می گردد. مزیت این الگوریتم استفاده آسان و سادگی برنامه نویسی با آن می باشد که البته در این تحقیق از روش باینری این الگوریتم به علت کارکرد ساده تر استفاده شده است. در نهایت برنامه توسعه داده شده در این تحقیق با نام lr optimizer برای بهینه سازی روند پاکسازی آبخوان اطراف پالایشگاه اصفهان به lnapl ها به عنوان یک مطالعه موردی، مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این بهینه سازی مکان و دبی چاههای پمپاژ آب و نفت را مشخص نموده است. الگوریتم استفاده شده در این تحقیق می تواند با پیشنهادات داده شده ارتقاء یافته و زمان اجرای کمتری را به خود اختصاص دهد. چکیده در خلال قرن گذشته در بسیاری از نقاط جهان به طور فزاینده ای منابع آب با مواد lnapl (سیالات امتزاج ناپذیر سبکتر از آب) آلوده شده اند. این سیالات یک خطر جدی برای منابع آب به شمار رفته و برای جلوگیری از مشکلات زیست محیطی و بهداشتی، آبهای آلوده به این مواد بایستی به سرعت پاکسازی شوند. این مواد در حرکت خود به سمت پایین تحت تاثیر نیروهای گرانش و مویینگی قرار گرفته و پیش بینی رفتار آنها بر اساس میزان این دو نیرو انجام می شود. همچنین در صورت نفوذ عمقی به زمین و رسیدن به سطح آبهای زیرزمینی به صورت یک لایه نازک روی آن قرار گرفته و حرکت می کنند. شایان توجه است در صورتی که سطح آب زیرزمینی نوسان داشته باشد، مواد نفتی متحرک در مناطقی که قبلاً آب زیرزمینی در آن جریان داشته به حالت پسماند در خواهند آمد. مواد نفتی پسماند قطراتی از سیال هستند که بر اثر نیروی مویینگی بین حفرات خاک در تله افتاده و امکان حرکت آزادانه از آنها گرفته شده است. با توجه به میزان قابل توجه نیروی مویینگی به ویژه در خاکهای با بافت ریزدانه، پاکسازی این مواد بسیار دشوار و در مواردی غیر ممکن خواهد بود. روشهای جدیدی برای پاکسازی آبهای آلوده به lnapl ها بدون برداشت خاکهای آلوده ابداع شده اند که اکثر آنها مبتنی بر پمپاژ آبهای آلوده هستند. در تحقیق موجود، مروری بر روشهای پاکسازی آبخوانهای آلوده به این مواد انجام و در نهایت یک روش به عنوان روش مناسب برای آبخوانهای عمیق و نفوذ پذیر انتخاب شده است. روش انتخاب شده، تخلیه دوپمپه بوده که راندمان بالایی در پاکسازی مواد lnapl از آبهای زیرزمینی دارد. این روش مبتنی بر استفاده همزمان از دو پمپ متحرک(یکی برای آب و دیگری برای نفت) است. در سالهای اخیر محققان همواره به دنبال بهینه سازی این روش بوده اند، به گونه ای که حتی الامکان از تبدیل مواد نفتی متحرک به مواد پسماند جلوگیری شود. در رابطه ای که اخیراً ارایه شده است با ایجاد یک رابطه خطی بین دبی آب و نفت، از به وجود آمدن مواد نفتی پسماند جلوگیری می شود در حالی که مزیت این روش که راندمان بالا در پاکسازی است، همچنان حفظ می گردد. برای شبیه سازی روند پاکسازی نیاز به یک مدل شبیه ساز بود. مدل شبیه ساز انتخاب شده در این تحقیق با نام utchem، یک مدل سه بعدی بوده و بر اساس تفاضلات محدود کار می کند. این مدل به سفارش سازمان محیط زیست آمریکا توسعه داده شده و جزء جامع ترین مدلهای موجود برای پیش بینی رفتار جریانهای چند فازی می باشد. البته در این تحقیق تنها از قابلیتهای اصلی این مدل برای شبیه سازی فرآیندهای اصلی کیفی آب زیرزمینی نظیر انتقال، دیسپرژن و دیفیوژن استفاده و از فرآیندهایی چون جذب، تجزیه بیولوژیکی، انتقال دما، مواد فعال در سطح و واکنشهای شیمیایی صرف نظر گردیده است. از طرف دیگر با توجه به اینکه هدف نهایی این تحقیق بهینه سازی روند پاکسازی می باشد، فرم کلاسیک الگوریتم ژنتیک به عنوان یک روش مناسب بهینه سازی برای کمینه کردن تابع هدف(مقدار هزینه) انتخاب شده است. این الگوریتم با یافتن بهترین مکان برای حداکثر 3 چاه از بین 9 چاه محتمل و نیز بهترین دبی چاههای انتخاب شده برای پمپهای آب و نفت (در محدوده تعیین شده توسط کاربر) مقدار کل هزینه های لازم برای پاکسازی را کمینه می کند. البته چاه مرکزی توسط برنامه نوشته شده در مرکز سطح هاله آلودگی قرار گرفته و مکان بقیه چاههای محتمل نسبت به آن تعیین می گردد. مزیت این الگوریتم استفاده آسان و سادگی برنامه نویسی با آن می باشد که البته در این تحقیق از روش باینری این الگوریتم به علت کارکرد ساده تر استفاده شده است. در نهایت برنامه توسعه داده شده در این تحقیق با نام lr optimizer برای بهینه سازی روند پاکسازی آبخوان اطراف پالایشگاه اصفهان به lnapl ها به عنوان یک مطالعه موردی، مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این بهینه سازی مکان و دبی چاههای پمپاژ آب و نفت را مشخص نموده است. الگوریتم استفاده شده در این تحقیق می تواند با پیشنهادات داده شده ارتقاء یافته و زمان اجرای کمتری را به خود اختصاص دهد.