Using Multi-Objective Optimization To Maximize Multiple Benefits For Sustainable Drainage Design

For many years, drainage design was mainly about providing sufficient network capacity. This traditional approach had been successful with the aid of computer software and technical guidance. However, the drainage design criteria had been evolving due to rapid population growth, urbanisation, climate change and increasing sustainability awareness. Sustainable drainage systems that bring benefits in addition to water management have been recommended as better alternatives to conventional pipes and storages. Although the concepts and good practice guidance had already been communicated to decision makers and public for years, network capacity still remains a key design focus in many circumstances while the additional benefits are generally considered secondary only. Yet, the picture is changing. The industry begins to realise that delivering multiple benefits should be given the top priority while the drainage service can be considered a secondary benefit instead. The shift in focus means the industry has to adapt to new design challenges. New guidance and computer software are needed to assist decision makers. For this purpose, we developed a new decision support system. The system consists of two main components – a multi-criteria evaluation framework for drainage systems and a multi-objective optimisation tool. Users can systematically quantify the performance, life-cycle costs and benefits of different drainage systems using the evaluation framework. The optimisation tool can assist users to determine combinations of design parameters such as the sizes, order and type of drainage components that maximise multiple benefits. In this paper, we will focus on the optimisation component of the decision support framework. The optimisation problem formation, parameters and general configuration will be discussed. We will also look at the sensitivity of individual variables and the benchmark results obtained using common multi-objective optimisation algorithms. The work described here is the output of an EngD project funded by EPSRC and XP Solutions.

Optimization Of Groundwater Remediation With New Efficient Parallel Algorithm For Global Optimization

Application of optimization algorithm to PDE modeling groundwater remediation can greatly reduce remediation cost. However, groundwater remediation analysis requires a computational expensive simulation, therefore, effective parallel optimization could potentially greatly reduce computational expense. The optimization algorithm used in this research is Parallel Stochastic radial basis function. This is designed for global optimization of computationally expensive functions with multiple local optima and it does not require derivatives. In each iteration of the algorithm, an RBF is updated based on all the evaluated points in order to approximate expensive function. Then the new RBF surface is used to generate the next set of points, which will be distributed to multiple processors for evaluation. The criteria of selection of next function evaluation points are estimated function value and distance from all the points known. Algorithms created for serial computing are not necessarily efficient in parallel so Parallel Stochastic RBF is different algorithm from its serial ancestor. The application for two Groundwater Superfund Remediation sites, Umatilla Chemical Depot, and Former Blaine Naval Ammunition Depot. In the study, the formulation adopted treats pumping rates as decision variables in order to remove plume of contaminated groundwater. Groundwater flow and contamination transport is simulated with MODFLOW-MT3DMS. For both problems, computation takes a large amount of CPU time, especially for Blaine problem, which requires nearly fifty minutes for a simulation for a single set of decision variables. Thus, efficient algorithm and powerful computing resource are essential in both cases. The results are discussed in terms of parallel computing metrics i.e. speedup and efficiency. We find that with use of up to 24 parallel processors, the results of the parallel Stochastic RBF algorithm are excellent with speed up efficiencies close to or exceeding 100%.

A Diagnostic Assessment Of Evolutionary Multiobjective Optimization For Water Resources Systems

This study contributes a rigorous diagnostic assessment of state-of-the-art multiobjective evolutionary algorithms (MOEAs) and highlights key advances that the water resources field can exploit to better discover the critical tradeoffs constraining our systems. This study provides the most comprehensive diagnostic assessment of MOEAs for water resources to date, exploiting more than 100,000 MOEA runs and trillions of design evaluations. The diagnostic assessment measures the effectiveness, efficiency, reliability, and controllability of ten benchmark MOEAs for a representative suite of water resources applications addressing rainfall-runoff calibration, long-term groundwater monitoring (LTM), and risk-based water supply portfolio planning. The suite of problems encompasses a range of challenging problem properties including (1) many-objective formulations with 4 or more objectives, (2) multi-modality (or false optima), (3) nonlinearity, (4) discreteness, (5) severe constraints, (6) stochastic objectives, and (7) non-separability (also called epistasis). The applications are representative of the dominant problem classes that have shaped the history of MOEAs in water resources and that will be dominant foci in the future. Recommendations are provided for which modern MOEAs should serve as tools and benchmarks in the future water resources literature.

Subsídios para a gestão dos planos de aplicação de vinhaça (PAV): um estudo de caso da região de Piracicaba

Concomitantemente à produção de etanol, a partir da fermentação de diferentes matérias-primas (cana-de-açúcar, beterraba, milho, trigo, batata, mandioca), produz-se a vinhaça. A vinhaça da cana-de-açúcar é gerada na proporção média de 12 litros para cada litro de etanol. O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar (570 milhões de toneladas, em 2009) com a produção de 27 bilhões de litros/ano de etanol, no ciclo 2009/2010, basicamente para fins carburantes, e, portanto, a quantidade de vinhaça produzida é da ordem de 320 bilhões de litros/ano. Dentre as possíveis soluções para a destinação da vinhaça, tais como: concentração, tratamento químico e biológico ou produção de biomassa, é sua aplicação no solo a forma mais usual de disposição. No entanto, sua aplicação no solo não pode ser excessiva nem indiscriminada, sob pena de comprometer o ambiente e a rentabilidade agrícola e industrial da unidade sucroalcooleira. A necessidade de medidas de controle sobre a aplicação de vinhaça no solo do Estado de São Paulo, que concentra a produção de 60% do etanol produzido no Brasil, levou à elaboração da Norma Técnica P4.231, em 2005. A constatação do cumprimento dos itens desta Norma é uma das ações do agente fiscalizador, no monitoramento da geração e destinação da vinhaça pelos empreendimentos produtores de etanol. Os itens 5.7.1 e 5.7.2, desta Norma, tornam obrigatório o encaminhamento à CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo), para fins de acompanhamento e fiscalização, até o dia 02 de abril de cada ano, o PAV (Plano de Aplicação de Vinhaça). Com o intuito de proporcionar melhor entendimento da Norma P4.231, contribuir para otimização de sua aplicabilidade e melhoria e perceber a realidade prática da aplicação da vinhaça, foram analisados PAVs protocolados na Agência Ambiental de Piracicaba, licenças concedidas, processos de licenciamento e realizadas vistorias a campo. Conclui-se que a Norma P4.231 representa um avanço no gerenciamento do uso da vinhaça no Estado de São Paulo, por disciplinar a disposição de vinhaça no solo, tornando obrigatórios: demarcações de áreas protegidas e núcleos populacionais, caracterização de solo e da vinhaça, doses máximas a serem aplicadas, estudos da geologia e hidrogeologia locais, monitoramento das águas subterrâneas, impermeabilização de tanques e dutos. Estabelece critérios a serem obedecidos por lei, e todos são condutas de boas práticas de proteção ao meio, que repercutem em maior rentabilidade agrícola e industrial. A Norma P4.231 é bem elaborada, complexa e extensa, o que a torna de difícil execução. Para facilitar sua aplicabilidade, sugere-se o estabelecimento de um cronograma de prioridades: impermeabilização dos tanques e dutos, drenos testemunha com funcionamento otimizado e boa caracterização do que está sendo aplicado, se vinhaça pura ou se misturada a águas residuárias. Das oito empresas deste estudo, apenas quatro (as maiores) vêm protocolando os PAVs com regularidade, desde 2005. As informações apresentadas foram incompletas e, em alguns casos, precárias. Mesmo com lacunas, os dados fornecidos, desde o início da obrigatoriedade do PAV, foram de utilidade para esboçar o perfil da atividade sucroalcooleira na região estudada.