fazi optimizacija u hidrodinamičkoj analizi za potrebe projektovanja sistema odbrane od ...

316 Pages·2015·10.33 MB·Croatian

UNIVERZITET U BEOGRADU

RUDARSKO-GEOLOŠKI FAKULTET

Dragoljub I. Bajić

FAZI OPTIMIZACIJA U
HIDRODINAMIČKOJ ANALIZI ZA
POTREBE PROJEKTOVANJA SISTEMA
ODBRANE OD PODZEMNIH VODA

doktorska disertacija

Beograd, 2015
UNIVERSITY OF BELGRADE

FACULTY OF MINING AND GEOLOGY

Dragoljub I. Bajić

FUZZY OPTIMIZATION IN THE
HYDRODYNAMIC ANALYSIS FOR THE
PURPOSES OF GROUNDWATER
CONTROL SYSTEM DESIGN

Doctoral Disseration

Belgrade, 2015
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________

Mentori:

Dr Dušan Polomčić, redovni profesor, uža naučna oblast: vodosnabdevanje i
menadžment podzemnih voda
Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet

Dr Igor Jemcov, vanredni profesor, uža naučna oblast: vodosnabdevanje i
menadžment podzemnih voda
Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet

Članovi komisije:

Dr Veselin Dragišić, redovni profesor, uža naučna oblast: vodosnabdevanje i
menadžment podzemnih voda
Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet

Dr Vesna Ristić Vakanjac, vanredni profesor, uža naučna oblast:
vodosnabdevanje i menadžment podzemnih voda
Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet

Dr Tina Dašić, vanredni profesor, uža naučna oblast: vodoprivredni i
hidroenergetski sistemi
Univerzitet u Beogradu, Građevinski fakultet

Datum odbrane: _____________________________
i
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________

ZAHVALNICA
Ovom prilikom iskazao bih zahvalnost svojim mentorima dr Dušanu Polomčiću i dr
Igoru Jemcovu, koji su svojim savetima i zalaganjem doprineli kvalitetu i izradi ovoga
rada. Takođe, zahvalnost bih iskazao i članovima komisije: dr Veselinu Dragašiću, dr
Vesni Ristić Vakanjac i dr Tini Dašić.
Zahvaljujem se i Ministarstvu prosvete, nauke i tehnološkog razvoja za sufinansiranje
naučnih skupova u inostranstvu i eksperimentalnog dela doktorske disertacije. Posebno
želim da se zahvalim dr Zoranu Stevanoviću, rukovodiocu projekta „Potencijal i
podloge za održivo korišćenje podzemnih voda“.

ii
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
APSTRAKT

Sistemi za odbranu od podzemnih voda se koriste za zaštitu hidrotehničkih objekata,
priobalja, meliorativnih područja, naselja, rudnika, predstavljajući značajne segmente
bez kojih bi funkcionalnost ovih objekata bila dovedena u pitanje. Posebno složeni
sistemi odbrane od podzemnih voda se karakterišu kod ležišta mineralnih sirovina,
imajući u vidu njihovu dinamičnost, koja se ogleda u stalnom širenju ležišta, kao i
činjenicu da ova ležišta prodiru duboko u stensku masu različitog strukturnog tipa
poroznosti, a time i u podzemne vode, različite po hidrodinamičkim osobinama.

Površinski kop „Buvač“, uzev u obzir njegove karakteristike, predstavlja složen sistem
propraćen intenzivnim promenama koje se dešavaju tokom eksploatacije mineralnih
sirovina, a značajnim i u pogledu problematike odbrane od podzemnih voda. Upravo
ovakav sistem zahteva stalno prilagođavanje novonastalim uslovima, što uslovljava
uspostavljanje i razvoj metodskih postupaka za uspešnu odbranu od podzemnih voda u
uslovima kontinuiranih promena. Parcijalni pristup rešavanja ove problematike najčešće
ne dovodi do efikasnog, odnosno, do optimalnog rešenja sistema odbrane od podzemnih
voda. Integracijom različitih faktora koji podrazumevaju tehničke karakteristike sistema
odbrane od podzemnih voda, uticaje na životnu sredinu, ekonomske kriterijume i
njihove podkriterijume, moguće je sveobuhvatnije sagledati predmetnu problematiku.

U cilju rešavanja ovog zadatka primenjeni su različiti postupci: metoda
hidrodinamičkog modeliranja režima podzemnih voda, kombinacija teorije fazi logike i
geostatistike i teorije fazi logike i višekriterijumske optimizacije.

Za projektovanje i izbor karakteristika sistema odbrane od podzemnih voda primenjena
je metoda hidrodinamičkog modeliranja režima podzemnih voda. Tako su definisani
elementi sistema za odbranu od podzemnih voda, njihove karakteristike (npr. kapaciteti
bunara), njihov raspored u planu i profilu, redosled izvođenja drenažnih objekata, a sve
to je povezano sa šemom i dinamikom izvođenja pripremnih i eksploatacionih radova na
površinskom kopu.
iii
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
Rezultat primene metode hidrodinamičkog modeliranja režima podzemnih voda
predstavlja dobijajnje više varijantnih rešenja, tj. „scenarija“/„alternativa“ sistema
odbrane od podzemnih voda, te je tako omogućeno sagledanje efekata rada različitih
sistema odbrane.

Povodom podataka i parametara koji se razmatraju u hidrogeologiji često se javlja
pitanje sigurnosti, preciznosti i kompletnosti u smislu obima. Da bi se prevazišli takvi
problemi, određeni podaci mogu biti subjektivno izraženi u vidu „znanja“ od strane
eksperta, što zahteva heuristički pristup rešavanju problema pomoću fazi logike. Jedan
od osnovnih ulaznih parametara za hidrodinamički model - koeficijent filtracije je
određivan primenom fazi kriginga, odnosno, kombinacijom fazi logike i geostatističke
metode kriginga.

U dosadašnjoj praksi rešavanja problematike dreniranja površinskih kopova prilikom
izbora optimalnog rešenja najčešće se rukovodilo ekonomskim kriterijumima. U
doktorskoj disertaciji je primenjena savremena metoda odlučivanja u cilju izbora
optimalnog sistema odbrane od podzemnih voda, te su „težine“ svih rešenja utvrđivane
primenom metode fazi optimizacije, tj. fazi analitičko hijerarhijskog procesa, baziranog
na trougaonim fazi brojevima. Primenom navedene metode analizirani su različiti
kriterijumi i njihovi podkriterijumi, koji utiču na donošenje optimalnog rešenja. Shodno
navedenom, omogućena je održiva odluka o izboru sistema odbrane od podzemnih voda
dobijena prethodnom hidrodinamičkom analizom.

Ključne reči: upravljanje podzemnim vodama, procena hidrogeoloških parametara,
hidrodinamički model, fazi logika, trougaoni fazi brojevi, znanje eksperta, optimizacija

Naučna oblast: geološko inženjerstvo
Uža naučna oblast: vodosnabdevanje i menadžment podzemnih voda
UDK: 622.586:510.644(043.3)
556.18:510.644(043.3)
532.5:510.644(043.3)
iv
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
ABSTRACT

Groundwater control systems are used to safeguard hydraulic structures, riparian lands,
hydraulic reclamation zones, populated areas, mining operations, and the like. They
constitute important functional segments, without which the safety of such structures or
areas would be compromised. Especially complex protection systems against
groundwater are found in mining operations, given the dynamics resulting from constant
expansion and the fact that such operations reach deep into rock masses of varying
structural porosity and, consequently, come into contact with groundwaters that feature
different hydrodynamic properties.

In view of its characteristics, the open-pit mine “Buvač” is an intricate system that
undergoes major changes during the course of ore extraction, which are coupled with
significant issues relating to groundwater. In such circumstances, a groundwater control
system needs to continually adapt to new conditions and methodical procedures have to
be developed for effective protection against groundwater in a constantly changing
environment. A partial approach seldom leads to an effective or optimal protection
solution. A comprehensive study of the problem is needed, which integrates various
factors, including technical characteristics of the protection system, environmental
impact, and economic criteria and sub-criteria.

Different methods are applied to address the task: hydrodynamic modeling of the
groundwater regime, a combination of the fuzzy logic theory and geostatistics, and the
fuzzy logic theory and multicriteria optimization.

Hydrodynamic modeling of the groundwater regime was the method used to design and
select the characteristics of the protection system against groundwater. This included the
definition of the protection system components, their characteristics (e.g. well capacity),
distribution in plan view and elevation, and sequence of construction of drainage
components, all closely linked with the configuration and timetable of preparatory and
extraction activities in the open-pit mine.

v
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
The outcome of hydrodynamic modeling of the groundwater regime included several
scenarios/alternatives of the protection system against groundwater, in order to gain
insight into the effectiveness of different protection system approaches.

With regard to hydrogeological data and parameters, the question of reliability,
accuracy and completeness is often raised. To overcome the problem, some data may be
expressed subjectively, based on expert judgment. This requires a heuristic approach to
problem solving by means of fuzzy logic. One of the main input parameters of the
hydrodynamic model - hydraulic conductivity - was determined by fuzzy kriging (i.e. a
combination of fuzzy logic and geostatistical kriging).

In the past, optimal open-pit mine drainage solutions have generally been based on
economic criteria. In the present doctoral thesis, however, a contemporary decision-
making method is applied to select the optimal protection system against groundwater.
The “weights” of all potential solutions were determined by fuzzy optimization (i.e. a
fuzzy analytical-hierarchical process), based on triangular fuzzy numbers. Various
criteria and sub-criteria, which affect the selection of the optimal solution, were
analyzed applying this method. As a result of the hydrodynamic analysis, it was
possible to reach a sustainable decision regarding the selection of the groundwater
control system.

Key words: groundwater management, assessment of hydrogeological parameters,
hydrodynamic model, fuzzy logic, triangular fuzzy numbers, expert judgment,
optimization

Scientific discipline: Geological Engineering
Particular area of study: water supply and groundwater management
UDC: 622.586:510.644(043.3)
556.18:510.644(043.3)
532.5:510.644(043.3)

vi
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
SADRŽAJ

I UVODNA RAZMATRANJA ........................................................................................1

II TEORIJSKI DEO ......................................................................................................... 8

1. Sistemi odbrane od podzemnih voda ............................................................... 8
1.1. Analiza uslova za odbranu od podzemnih voda ............................... 9
1.2. Hidrogeološka istraživanja za potrebe projektovanja sistema za
odbranu od podzemnih voda ........................................................... 15
1.3. Odbrana i metode odbrane od podzemnih voda ............................. 18
1.4. Elementi sistema odbrane od podzemnih voda .............................. 23
1.5. Faktori i kriterijumi za izbor elemenata sistema za odbranu od
podzemnih voda .............................................................................. 39
2. Hidrodinamička analiza režima podzemnih voda .......................................... 46
2.1. Rešavanje hidrogeoloških problema primenom hidrodinamičke
analize ............................................................................................. 49
2.2. Hidrogeološki model ...................................................................... 52
2.3. Trodimenzionalni hidrodinamički model režima podzemnih voda
................................................................................................................ 54
2.3.1. Prevođenje hidrogeološkog modela u hidrodinamički
model .............................................................................. 56
2.3.1.1. Geometrizacija i diskretizacija prostora i vremena
.................................................................................................... 59
2.3.1.2. Granični i početni uslovi ............................................... 59
2.4. Etaloniranje hidrodinamičkog modela ............................................ 67
2.5. Analiza osetljivosti hidrodinamičkog modela ................................ 71
2.6. Verifikacija hidrodinamičkog modela ............................................ 72
2.7. Prognozni proračuni hidrodinamičkog modela - eksploatacija
hidrodinamičkog modela ................................................................ 73
2.8. Noveliranje hidrodinamičkog modela ............................................ 74
2.9. Prikaz rezultata hidrodinamičkog modeliranja ............................... 75
vii
Dragoljub I. Bajić Doktorska disertacija
______________________________________________________________________
3. Primena fazi logike u hidrogeologiji i hidrodinamici .................................... 77
3.1. Istorijat razvoja i osnovni koncept fazi logike ................................ 77
3.2. Terminologija fazi logike ............................................................... 84
3.3. Fazi skupovi u fazi logici ................................................................ 87
3.3.1. Funkcija pripadnosti fazi skupa (μ) i njeni oblici ............ 88
3.3.2. Osnovni operatori fazi skupova ....................................... 95
3.3.3. Fazi relacije .................................................................... 101
3.4. Fazi brojevi ................................................................................... 105
3.5. Aritmetički operatori fazi brojeva ................................................ 113
3.5.1. Operacije sa jednim operatorom .................................... 113
3.5.2. Binarne operacije ........................................................... 114
3.6. Primena fazi logike u geostatistici - fazi kriging .......................... 116
3.7. Primena fazi logike u optimizaciji ................................................ 123
3.7.1. Izbor kriterijuma za fazi optimizaciju ............................ 126
3.7.2. Metoda analitičko hijerarhijskog procesa (AHP metoda)
.................................................................................................. 129
3.7.3. Osnovni koncept fazi analitičko hijerarhijskog procesa
(FAHP) .......................................................................... 133
3.7.4. Prikaz koncepta fazi optimizacije i izbor metode .......... 137

III EKSPERIMENTALNI DEO, REZULTATI I DISKUSIJA .................................. 153

1. Izbor i karakteristike eksperimentalnog područja istraživanja - površinski kop
„Buvač“ ........................................................................................................ 153
1.1. Klimatske, hidrografske i hidrološke karakteristike istražnog
područja ........................................................................................ 154
1.2. Geološke karakteristike istražnog područja .................................. 155
1.3. Hidrogeološke karakteristike istražnog područja ........................ 160
2. Hidrogeološki model površinskog kopa „Buvač“ ....................................... 167
3. Prvi trodimenzionalni hidrodinamički model režima izdani površinskog kopa
„Buvač“ ........................................................................................................ 171
3.1. Diskretizacija strujnog polja istražnog područja .......................... 172
viii