Rehabilitation of irrigation pressurised pipe systems using optimisation techniques

Irrigation systems pipe networks are often branched and possible approach to increase their hydraulic capacity (while keeping capital investment at minimum) is to convert branched systems to looped. However, optimal design of looped hydraulic pipe networks belongs to the class of large combinatorial optimisation problems, which are difficult to handle using conventional operations research techniques. In this study a classical optimisation methodology was applied, linear programming (LP), and the genetic algorithm (GA) to network rehabilitation. The LP method was first used for changing some diameters on the existing pipe network so it could satisfy the increased demand conditions with an unchanged topology (network remains branched). Such a solution was compared with a solution obtained using the GA, with a good agreement of results. When the GA was used to design the looped version of the network rehabilitation, the full advantage of this approach was achieved. Economical comparison of branched and looped options shows that the looped option is for studied irrigation system about 17 % cheaper.

---

Systemy nawodnień ciśnieniowych działają zazwyczaj w schemacie tzw. "gałęziowej sieci" przewodów rozprowadzających wodę. Istnieje możliwość zwiększenia wydajności hydraulicznej systemu poprzez przebudowę sieci gałęziowej w tzw. sieć w postaci pętli z pozostawieniem istniejących średnic przewodów. Dobór optymalnych rozwiązań systemu pracującego w pętli nie może być oparty o konwencjonalne metody obliczeń. Niezbędne jest tu zastosowanie metod z klasy dużych problemów optymalizacji kombinatoryjnej. Do obliczeń hydraulicznych przebudowy istniejącego systemu nawodnień ciśnieniowych zastosowano klasyczne metody optymalizacyjne, a mianowicie: metodę programowania liniowego (LP) oraz metodę algorytmu genetycznego (GA). W pierwszej fazie obliczeń obie metody zastosowano do wymiarowania przewodów sieci "gałęziowej". Uzyskane wyniki wykazały na konieczność zwiększenia średnic przewodów do zaspokojenia wzrastającego zapotrzebowania na wodę. Obie metody dały podobne rezultaty. W drugiej fazie przeprowadzono obliczenia dla sieci w układzie "pętla". Tutaj widocznie uwidoczniły się zalety metodą algorytmu genetycznego (GP) umożliwiając przyjęcie optymalnych rozwiązań rekonstrukcji sieci nawadniającej. Porównanie kosztów przebudowy systemu nawadniającego z pozostawieniem sieci nawadniającej w postaci gałęziowej lub tej zamiany na sieć w postaci pętli wykazało, że to drugie rozwiązanie dla rozpatrywanego przypadku, jest o 17% tańsze.