2. ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ
ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Α.Π.Θ.
ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ
ΘΕΜΑ 2010-2011
Ονοματεπώνυμο / ΑΕΜ: ΠΑΥΛΙΔΗΣ ΑΝΘΙΜΟΣ 12516
Σε μία αγροτική περιοχή της βόρειας Ελλάδας, λόγω του έντονου προβλήματος της πτώσης της στάθμης του
υδροφορέα της, ο συνεταιρισμός των αγροτών αποφάσισε να κατανείμει την καλλιεργήσιμη έκταση σε εννέα το
πολύ διαφορετικά είδη καλλιεργειών, με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται το όφελος των αγροτών χωρίς να
βλάπτεται ο υδροφορέας.
Μετά από μελέτη που έγινε βρέθηκε ότι το ισοζύγιο της λεκάνης απορροής, στην οποία ανήκει ο παραπάνω
υδροφορέας, επιτρέπει την άντληση το πολύ Qολ m3 νερού σε κάθε αρδευτική περίοδο. Η ροή του υπόγειου
νερού γίνεται υπό πίεση. Επίσης, σε κανένα σημείο του υδροφορέα, (τα στοιχεία του οποίου δίνονται παρακάτω)
δεν επιτρέπεται η πτώση της στάθμης της πιεζομετρικής επιφάνειας να είναι μεγαλύτερη από Δh. Τέλος, η
διοίκηση του συνεταιρισμού για διοικητικούς λόγους αποφάσισε, ότι κάθε καλλιέργεια θα αρδεύεται από μια
υφιστάμενη γεώτρηση.
Η διοίκηση του συνεταιρισμού επέλεξε να εξετάσει 2 σενάρια κατανομής καλλιεργειών.
Σενάριο 1ο: Η έκταση να κατανεμηθεί σε 4 καλλιέργειες.
Σενάριο 2ο: Η έκταση να κατανεμηθεί σε 9 καλλιέργειες.
Ζητείται να μελετηθούν τα 2 σενάρια και να επιλεγεί αυτό που αποφέρει το μεγαλύτερο όφελος στους αγρότες
έτσι ώστε:
1ον Να ικανοποιούνται οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών.
2ον Η συνολική αρδευόμενη έκταση να είναι τουλάχιστον Α στρέμματα.
3ον Το όφελος των αγροτών από την παραγωγή να είναι το μέγιστο δυνατό.
ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΟΣ
ΑΡΔΕΥΤΙΚΕΣ
ΚΑΘΑΡΑ ΕΣΟΔΑ
ΓΕΩΤΡΗΣΗ X (m) Y (m) ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑΓΚΕΣ
(€/στρ.)
(m3/στρ.)
1 0 0 Τομάτα βιομηχανική 426.1 480
2 1600 0 Ζαχαρότευτλα 136.9 560
3 3200 0 Ηλίανθος 50.0 340
4 0 1600 Καλαμπόκι 78.1 380
5 1600 1600 Καπνός 743.5 340
6 3200 1600 Καρπούζια 655.6 490
7 0 3200 Πατάτες 522.5 280
8 1600 3200 Πεπόνια 690.2 490
9 3200 3200 Σόγια 34.7 340
Συντελεστής Διαπερατότητας Κ=3,9 (x10-4 m/sec)
Πάχος διαπερατού στρώματος a=30 (m)
Πτώση στάθμης της πιεζομετρικής επιφάνειας Δh=8,5 (m)
Ακτίνα επιρροής R=1650 (m)
Ακτίνα γεώτρησης r=0,25 (m)
Συνολική καλλιεργούμενη έκταση Α=10500 (στρ.)
Συνολική ποσότητα άρδευσης Qολ =3.600 (x103 m3/έτος)
Περίοδος άρδευσης: 01/05 -- 30/09
3. Ξεκινώντας τη διερεύνηση του προβλήματος, πρέπει να αναλύσουμε τα δεδομένα που έχουμε.
Αρχικά, γνωρίζουμε ότι το βασικό πρόβλημα για το οποίο έχουμε αναλάβει να βρούμε λύση είναι η
επάρκεια του νερού στις καλλιέργειες σε συνδυασμό με τη διατήρηση της στάθμης του υδροφορέα
σε συγκεκριμένα επίπεδα ώστε να μην υπάρχει πρόβλημα μελλοντικά και τη μεγιστοποίηση των
εσόδων των αγροτών.
Η παροχή του νερού που μπορούμε να έχουμε σε όλη την αρδευτική περίοδο από το
συγκεκριμένο υδροφορέα είναι 3.600.000 κυβικά μέτρα. Η αρδευτική περίοδος αυτή δεν είναι
ολόκληρο το έτος, αλλά από τη 1 Μαïου έως 30 Σεπτεμβρίου, δηλαδή 150 ημέρες.
Η μέγιστη επιτρεπόμενη πτώση στάθμης της πιεζομετρικής επιφάνειας είναι 8,0m (θα ήθελα να
σημειώσω ότι στα αρχικά δεδομένα μου δίνεται 8,5m, αλλά λόγω του μηδενισμού των δεκαδικών
κατά τη διαδικασία των περιορισμών στο πρόγραμμα LinProg, λαμβάνω 8,0 για ομοιογένεια και
ασφάλεια στην επίλυση του προβλήματος).
Αξιοσημείωτη θα πρέπει να είναι και η ακτίνα επιρροής κατά τη διάρκεια μελέτης. Αυτό γιατί η
φυσική σημασία της ακτίνας επιρροής είναι πόσο μακριά από το πηγάδι άντλησης επηρεάζεται η
πτώση στάθμης στον ίδιο υδροφορέα. Άρα, λοιπόν αν προσέξουμε τις αποστάσεις, άντληση από
συγκεκριμένα πηγάδια δεν επηρεάζει κάποια άλλα.
Παράλληλα, πρέπει να αρδευτεί όλη η καλλιεργούμενη έκταση των 10500 στρεμμάτων και οι
αγρότες να έχουν όσο περισσότερα έσοδα είναι δυνατό. Αυτό προφανώς είναι ένας συνδυασμός
μικρότερου κόστους(φθηνές καλλιέργειες-λιγότερη απαιτούμενη άρδευση) και μεγάλου
οφέλους(αποδοτικές καλλιέργειες-μεγάλη ζήτηση στην αγορά).
Γ7 Γ8 Γ9
Γ4 Γ5 Γ6
Γ1 Γ2 Γ3
ΕΙΚΟΝΑ 1
∆ΙΑΤΑΞΗ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ
4. ΣΕΝΑΡΙΟ 1ο
Στο σενάριο αυτό ζητείται η συνολική έκταση να κατανεμηθεί σε 4 καλλιέργειες. Οι τέσσερις αυτές
καλλιέργειες λαμβάνονται ως οι πρώτες 4 από το δεδομένο πίνακα, δηλαδή θα καλλιεργηθούν τα
εξής: Βιομηχανική Τομάτα, Ζαχαρότευτλα, Ηλίανθος και Καλαμπόκι. Οι καλλιέργειες αυτές
αρδεύονται από τις πρώτες 4 γεωτρήσεις που έχουν θέσεις στο επίπεδο Γ1 (0,0), Γ2 (1600,0), Γ3
(3200,0), Γ4 (0,1600) αντίστοιχα.
ΠΤΩΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΠΙΕΖΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ: 8,5 m
ΠΑΧΟΣ ∆ΙΑΠΕΡΑΤΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ: 30 m
ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ∆ΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ: 0,00039 m/sec
ΗΜΕΡΕΣ ΜΕΛΕΤΗΣ: 150 days
ΑΚΤΙΝΑ ΕΠΙΡΡΟΗΣ: 1650 m
ΑΚΤΙΝΑ ΓΕΩΤΡΗΣΗΣ: 0,25 m
ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΟΥΜΕΝΗ ΕΚΤΑΣΗ: 1050 εκτάρια
ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑ ΑΡ∆ΕΥΣΗΣ: 3600000 m3/year
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1
ΚΑΘΑΡΑ ΑΡ∆ΕΥΤΙΚΕΣ
ΓΕΩΤΡΗΣΗ Χ Υ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΣΟ∆Α ΑΝΑΓΚΕΣ
(€/εκτάριο) (m3/εκτάριο)
1 0 0 Βιομηχανική Τομάτα 4261 4800
2 1600 0 Ζαχαρότευτλα 1369 5600
3 3200 0 Ηλίανθος 500 3400
4 0 1600 Καλαμπόκι 781 3800
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2
Όπως φαίνεται παραπάνω έχουν μετατραπεί τα στρέμματα σε εκτάρια.
Επόμενο βήμα είναι η διερεύνηση της πτώσης στάθμης της πιεζομετρικής επιφάνειας του
υδροφορέα. Αυτό θα γίνει με τον τύπο που αρχικά έχει δοθεί. Θα υπολογίσουμε σταδιακά τη λύση,
βρίσκοντας πρώτα τις αποστάσεις μεταξύ των γεωτρήσεων, έπειτα το νεπέριο αριθμό της ακτίνας
επιρροής δια την εκάστοτε απόσταση και αφού βρούμε την παροχή ανά δευτερόλεπτο που
απαιτείται από κάθε καλλιέργεια βρίσκουμε την πτώση στάθμης σε κάθε πηγάδι ανάλογα με την
άντληση.
5. rij 1 2 3 4
1 0,25 1600 3200 1600
2 1600 0,25 1600 2262,7417
3 3200 1600 0,25 3577,708764
4 1600 2262,7417 3577,708764 0,25
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3
ln(Rj/rij) 1 2 3 4
1 8,794824928 0,030771659 0 0,030771659
2 0,030771659 8,794824928 0,030771659 0
3 0 0,030771659 8,794824928 0
4 0,030771659 0 0 8,794824928
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.4
ln(Rj/rij)/(2*π*K*a) 1 2 3 4
1 119,6358855 0,41858646 0 0,41858646
2 0,41858646 119,6358855 0,41858646 0
3 0 0,41858646 119,6358855 0
4 0,41858646 0 0 119,6358855
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.5
qi 0,00037037 0,000432099 0,000262346 0,00029321
qi*ln(Rj/rij)/(2πKa) 1 2 3 4
1 0,044309587 0,000180871 0 0,000122734
2 0,000155032 0,051694518 0,000109814 0
3 0 0,000180871 0,031385958 0
4 0,000155032 0 0 0,035078423
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.6
Στην ανάλυση του συγκεκριμένου προβλήματος θα χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο Simplex ώστε
να ικανοποιήσουμε τους 3 προαναφερθέντες περιορισμούς:
1. Ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών: (>=3.600.000 m3/έτος)
2. Συνολική αρδευόμενη επιφάνεια (<=1050 εκτάρια)
3. Πτώση στάθμης σε οποιοδήποτε δυσμενές σημείο (>=8,0 m)
Πρέπει να σημειωθεί ότι στα αποτελέσματα των πινάκων 1.4, 1.5, 1.6 τα μηδενικά στοιχεία ήταν
κατά τους υπολογισμούς αρνητικά. Επειδή όμως η φυσική σημασία του πίνακα 1.6 είναι η
πτώση στάθμης σε κάθε γεώτρηση κατά την άντληση νερού από την αντίστοιχη γεώτρηση
που φαίνεται γραμμή ή στήλη του πίνακα δε βάζουμε αρνητική τιμή.
Για παράδειγμα, η άντληση από τη γεώτρηση 1 δεν επηρεάζει την πιεζομετρική στάθμη της
γεώτρησης 3 και αντίστροφα.
9. Τα συμπεράσματα που βγάζουμε από την επίλυση είναι τα εξής:
Η απαίτηση για την καλλιεργούμενη έκταση δεν πληρείται, διότι το άθροισμα των 4
καλλιεργειών είναι 814,2 εκτάρια και η απαίτηση είναι 1050 εκτάρια.
Η απαίτηση για ποσότητα άρδευσης μικρότερη από 3.600.000 m3/έτος, επομένως
είμαστε καλυμμένοι.
Οι εκτάσεις κατανεμήθηκαν ως εξής: Βιομηχανική Τομάτα(179,29 εκτάρια),
Ζαχαρότευτλα(153,68 εκτάρια), Ηλίανθος(254,01 εκτάρια) & Καλαμπόκι(227,27 εκτάρια).
Αυτό σημαίνει ότι η πιο συμφέρουσα καλλιέργεια είναι ο ηλίανθος γιατί με βάση την
οικονομία λαμβάνει τη μεγαλύτερη έκταση.
Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι δεν υπάρχει λύση στο πρόβλημά μας. ∆ε μπορούμε με τη δεδομένη
πτώση στάθμης και τις δεδομένες καλλιέργειες να έχουμε τα περισσότερα έσοδα.
Η λύσεις σε αυτό μπορεί να είναι:
Να αλλάξουμε τις καλλιέργειες. Αντί δηλαδή για Βιομηχανική Τομάτα να λάβουμε για
παράδειγμα τη Σόγια ως καλλιέργεια.
Θα μπορούσαμε να αλλάξουμε θέση στις γεωτρήσεις. Αντί δηλαδή ο Ηλίανθος να
αρδεύεται από τη γεώτρηση 3, να αρδεύεται από την 8.
∆ε μπορούμε να αλλάξουμε την πτώση στάθμης του υδροφορέα γιατί μελλοντικά
υπάρχει σοβαρή πιθανότητα να στερέψει ή να υφαλμυρωθεί αν είμαστε κοντά σε
θάλασσα.
Για να βρεθεί λύση λοιπόν στο 1ο σενάριο μπορούμε να αλλάξουμε τις καλλιέργειες με κριτήριο
την οικονομία. Θα βγάλουμε δηλαδή ένα τιμολόγιο δίπλα στα προϊόντα σε €/m3 απαιτούμενου
νερού:
ΚΑΘΑΡΑ ΑΡ∆ΕΥΤΙΚΕΣ
ΤΙΜΟΛΟΓΙΟ
ΓΕΩΤΡΗΣΗ Χ Υ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΣΟ∆Α ΑΝΑΓΚΕΣ
(€/m3)
(€/εκτάριο) (m3/εκτάριο)
Βιομηχανική
1 0 0 Τομάτα 4261 4800 0,88770
2 1600 0 Ζαχαρότευτλα 1369 5600 0,24446
3 3200 0 Ηλίανθος 500 3400 0,14705
4 0 1600 Καλαμπόκι 781 3800 0,20552
5 1600 1600 Καπνός 7435 3400 2,18676
6 3200 1600 Καρπούζια 6556 4900 1,33795
7 0 3200 Πατάτες 5225 2800 1,86607
8 1600 3200 Πεπόνια 6902 4900 1,40857
9 3200 3200 Σόγια 347 3400 0,10205
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.13
Καταλαβαίνουμε ότι ο λόγος που έχουμε μεταφράζεται ως (έσοδα)/(πτώση στάθμης). Θέλουμε να
μεγιστοποιήσουμε τα έσοδα και να ελαχιστοποιήσουμε την πτώση στάθμης. Άρα, το κλάσμα
πρέπει να είναι μέγιστο. Αυτό το συνδυασμό τον βλέπουμε στις καλλιέργειες του Καπνού, του
Καρπουζιού, της Πατάτας και του Πεπονιού.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ξανά τη μέθοδο Simplex ώστε να διερευνήσουμε εκ νέου το
πρόβλημα.
Έγινε η επίλυση εκτός τεχνικής έκθεσης και βρέθηκε ότι ούτε αυτή η προσέγγιση είναι
ικανοποιητική γιατί οι γεωτρήσεις για αυτές της καλλιέργειες είναι γειτονικές και οι πτώσεις
στάθμης είναι μεγάλες και επηρεάζονται πολύ μεταξύ τους.
10. ΣΕΝΑΡΙΟ 2ο
Στο δεύτερο σενάριο ζητείται να κατανεμηθεί η έκταση σε 9 καλλιέργειες. Στην περίπτωση αυτή και
πάλι θα επιλεχθεί ο βέλτιστος τρόπος που θα συνδυάζει την πτώση στάθμης στο επιθυμητό
επίπεδο με τη χρήση των γεωτρήσεων για τις καλλιέργειες που θα επιλεχθούν τελικά ως πιο
συμφέρουσες από την άποψη των εσόδων για τους αγρότες.
Τα δεδομένα είναι τα ίδια με το 1ο σενάριο και είναι τα εξής:
ΚΑΘΑΡΑ ΑΡ∆ΕΥΤΙΚΕΣ
ΓΕΩΤΡΗΣΗ Χ Υ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΣΟ∆Α ΑΝΑΓΚΕΣ
(€/εκτάριο) (m3/εκτάριο)
1 0 0 Βιομηχανική Τομάτα 4261 4800
2 1600 0 Ζαχαρότευτλα 1369 5600
3 3200 0 Ηλίανθος 500 3400
4 0 1600 Καλαμπόκι 781 3800
5 1600 1600 Καπνός 7435 3400
6 3200 1600 Καρπούζια 6556 4900
7 0 3200 Πατάτες 5225 2800
8 1600 3200 Πεπόνια 6902 4900
9 3200 3200 Σόγια 347 3400
ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1
Επειδή στη λύση υπεισέρχονται όλες οι γεωτρήσεις θα πρέπει να γίνει καινούργιος πίνακας ο
οποίος θα υπολογίζει τις αποστάσεις μεταξύ αυτών. Σχηματικά παρουσιάζεται ως εξής:
Γ7 Γ8 Γ9
Γ4 Γ5 Γ6
Γ1 Γ2 Γ3
ΕΙΚΟΝΑ 2
17. Γνωρίζουμε ότι η επαναληπτική διαδικασία σταματάει όταν τα ∆V μηδενιστούν ή γίνουν αρνητικά.
Την θέση των βοηθητικών μεταβλητών την λαμβάνουν οι κύριες, καθώς επίσης αλλάζουν και τα
νούμερα των περιορισμών.
Από τον τελευταίο πίνακα βλέπουμε ότι οι κύριες μεταβλητές που έχουν υπεισέλθει στη λύση είναι
οι Χ3, Χ5, Χ7, Χ8 και Χ9. Αυτό μεταφράζεται στο ότι οι καλλιέργειες που συμφέρει να έχουμε στην
αρδευόμενη έκταση είναι ο Ηλίανθος, ο Καπνός, οι Πατάτες, τα Πεπόνια και η Σόγια.
Καταλαβαίνουμε ότι το 2ο σενάριο μπορεί να επαληθεύσει όλους τους περιορισμούς, διότι:
Το άθροισμα της αρδευόμενης έκτασης είναι:
88,99+143,44+254,86+254,13+308,59=1050 εκτάρια.
Η πτώση στάθμης δε ξεπερνά σε καμία γεώτρηση(δυσμενέστερα σημεία) τα 8,0m.
Ικανοποιούνται οι ανάγκες για νερό όλων των καλλιεργειών.
Βλέπουμε λοιπόν, όπως αναφέρθηκε και στο τέλος του 1ου σεναρίου, ότι πρέπει να υπάρξει
βέλτιστος συνδυασμός μεταξύ των εσόδων που θα αποφέρει η κάθε καλλιέργεια και των
αρδευτικών αναγκών της.
Αυτό γιατί από τη μία πλευρά οι αγρότες επιδιώκουν να έχουν όσο περισσότερα έσοδα είναι
δυνατόν και από την άλλη πλευρά λόγω της απαίτησης για διατήρηση της στάθμης πιεζομετρικού
φορτίου σε συγκεκριμένα επίπεδα πρέπει να μην έχουμε μεγάλες αρδευτικές απαιτήσεις.
Η λύση θα ήταν πολύ πιο απλή και εύκολα εντοπίσιμη με το μάτι εάν η μία γεώτρηση απείχε από τη
γειτονική της απόσταση μεγαλύτερη από την ακτίνα επιρροής της. Θα ήταν μία απλή παρεμβολή
μεταξύ εσόδων και αρδευτικών αναγκών. Όμως τώρα, εξετάζουμε ταυτόχρονα και πόσο θα
επηρεαστούν οι γειτονικές γεωτρήσεις για την επιλογή των καλλιεργειών.
Άρα λοιπόν, το 2ο σενάριο απάντησε εν μέρει και το 1ο αφού θα μπορούσαμε να πούμε ότι 3 από τις
4 καλλιέργειες που είχαμε προβλέψει ότι θα δώσουν τη βέλτιστη λύση εμπεριέχονται στη λύση του
2ου σεναρίου. Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι η τέταρτη καλλιέργεια που θα μπορούσε να
εκλεχθεί θα ήταν ο Ηλίανθος ή οι Πατάτες. Αυτό προφανώς δεν αποτελεί ασφαλή λύση εάν δεν
ακολουθήσουμε ξανά τη μέθοδο Simplex.
Σε άλλη περίπτωση που ίσως θέλαμε να καλλιεργήσουμε μια ομάδα από καλλιέργειες που θα ήταν
απαραίτητες για τη βιωσιμότητα της περιοχής(η περιοχή δε μπορεί να κάνει εισαγωγή σε τομάτες
και πρέπει να είναι αυτάρκης) θα δίναμε βάση στη συγκεκριμένη καλλιέργεια. Πόση έκταση δηλαδή
θα καταλάμβανε και ποιες άλλες καλλιέργειες θα μπορούσαμε να βάλουμε ώστε και πάλι να
πληρούνται οι απαιτήσεις.