Iranian Jornal of Watershed Management Science&Engineering

fa ارزیابی اثرگذاری روش‌های توسعه کم پیامد بر کنترل رواناب‌های شهری با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی Evaluating the effect of low-impact development methods on urban runoff control using optimization algorithms عمومى General پژوهشي Research در دهه‌های اخیر، توسعه بی‌رویه شهرنشینی، تخریب پوشش گیاهی، تغییر کاربری اراضی موجب افزایش رواناب‌ها و تشدید سیلاب‌های شهری شده است. در این زمینه، مدیریت کمیت و کیفیت رواناب‌ها اهمیت ویژه‌ای یافته است تا هم حجم و دبی رواناب‌ها کاهش یابد و هم امکان استفاده مجدد از آنها فراهم گردد. در این مقاله، برای اولین بار 16 ترکیب مختلف از 7 روش توسعه کم پیامد ((LID شامل بام سبز، باغچه بارانی، بشکه استحصال باران، ترانشه نفوذ، روکش نفوذپذیر، سامانه نگهداشت زیستی و جوی باغچه با هدف کنترل سیلاب در یک حوزه آبخیز شهری در ناحیه 7 منطقه 5 شهر تهران بکار گرفته شد. مدلسازی هیدرولیکی و هیدرولوژیکی روشها با استفاده از مدل SWMM انجام شد و نتایج با الگوریتم‌های بهینه‌سازی فراابتکاری گرگ خاکستری و ژنتیک رتبه‌بندی نامغلوب در محیط MATLAB تلفیق گردید. در حالی که اکثر مطالعات پیشین بر روی بهینه‌سازی تک‌هدفه روش‌های توسعه کم پیامد متمرکز شده اند، این پژوهش یک رویکرد نوآورانه بهینه‌سازی چندهدفه را معرفی می‌کند که از ادغام مدل SWMM با الگوریتم‌های NSGAII و GWO حاصل شده و به طور همزمان به توابع هدف مشتمل بر کاهش حجم رواناب، کاهش هزینه روش&lrm;های توسعه کم پیامد و همچنین به حداقل‌رساندن کاهش عملکرد روشها در طول دوره بهره‌برداری می‌پردازد. در این پژوهش با توجه به بهینه‌سازی انجام شده توسط الگوریتم‌ها، روش ترکیبی سامانه نگهداشت زیستی، بام سبز، جوی باغچه و ترانشه نفوذ به عنوان روش ترکیبی منتخب معرفی شد. ترکیب بهینه‌سازی‌شده پیشنهادی الگوریتم GWO با برتری نسبت به الگوریتم دیگر و با هزینه‌ای در حدود 900,000 تا 1,200,000 دلار، منجر به کاهش 60-70 درصدی حجم رواناب و کاهش حدود 70 درصدی دبی اوج جریان در خروجی‌های حوضه‌ مطالعه شد. نتایج این پژوهش به کارشناسان و مدیران شهری در امور مختلفی مانند طراحی، ارزیابی عملکرد، برآورد هزینه و انتخاب ترکیب‌های بهینه از روش‌های مختلف توسعه کم پیامد یاری می‌رساند.   Extended Abstract Introduction In recent decades, rapid urban growth, vegetation loss, and land use changes have led to increased runoff and urban flooding. Floods in cities disrupt daily life, challenge urban services, and damage infrastructure. Therefore, effectively managing the quantity and quality of runoff has become essential for reducing flooding and facilitating the reuse of water. This study aims to apply Low Impact Development (LID) methods and optimize their combinations using metaheuristic algorithms, including the non-dominated sorting genetic algorithm and gray wolf optimizer for flood control in an urban watershed in Tehran. Methodology The study area is located in District 7 and parts of District 1 in Region 5 of Tehran. This area is especially significant due to the densely populated residential and commercial centers, heavy rainfall events, insufficient channel capacity, and urban waste, which result in flooding and frequent problems in its drainage system. For the first time, this research utilized sixteen various combinations of 7 LID methods, including green roof, rain garden, rain barrel, infiltration trench, permeable pavement, bioretention system, and vegetative swale to control floods in the urban watershed. Hydraulic and hydrological modeling were conducted using the SWMM model, and the results were integrated and evaluated using NSGA-II and GWO in MATLAB. The innovative approach of this research simultaneously addresses runoff reduction, cost efficiency, and service performance sustainability. Introducing a desirable optimization algorithm, it proposed a suitable optimized combination for urban flood control in the study area. Results <h2 style="text-align:justify; text-indent:14.2pt">Considering the results of calibration and validation of SWMM, the accuracy and appropriate performance of the SWMM model in simulating flood volume were confirmed. The results of simulating total runoff and peak discharge without implementing LID methods showed that the drainage network of the study area is not suitable for rainfall with a 25-year return period, and the drainage network is unable to transfer the runoff completely. Modeling LID methods for 25-year, 6-hour rainfall, separately and in various combinations, indicated that the greatest effectiveness of LIDs on reducing runoff volume and discharge is associated with combinations of three or four methods. Comparing the answers provided by the optimization algorithms, the Pareto fronts generated by the GWO algorithm suggested suitable solutions for various values of all three objective functions, due to their better density and distribution. Therefore, the optimized combination proposed by the GWO algorithm, which included bioretention systems, green roofs, vegetative swales, and infiltration trenches, demonstrated the best performance by surpassing another method, and could reduce runoff volume by 60 to 70 percent and peak discharge by 70 percent in the study area. The cost of implementing the combination is approximately $900,000 to $1,200,000.</h2> Discussion and Conclusion The development of urban areas and the conversion of the natural regions into cities have led to an increase in impervious surfaces, runoff, and risk of flooding in these areas. LID methods have been proposed as an effective solution to mitigate these challenges and improve the performance of urban infrastructure. This study conducted multi-objective optimization of LID methods in an urban watershed using the SWMM model and the NSGA-II and GWO algorithms. Unlike previous studies that mainly emphasized single-objective optimization, this research simultaneously focused on minimizing runoff volume, minimizing cost, and the sustainability of methods’ performance. The findings showed that the combination of bioretention systems, green roofs, vegetative swales, and infiltration trenches is very effective in controlling runoff and flooding in the study area. The GWO algorithm is more efficient compared to NSGA-II, achieving a significant reduction of 60 to 70 percent in runoff volume at a reasonable cost. The proposed solutions of this research can play a crucial role in reducing water loss in arid and semi-arid regions, thereby facilitating the optimal utilization of water resources. Ultimately, the simulation-optimization approach serves as a reliable and effective tool for urban planning experts and flood control specialists to improve the quality and quantity of urban water by selecting the best combination of LID methods.   الگوریتم بهینه‌سازی گرگ خاکستری, الگوریتم ژنتیک رتبه‌بندی نامغلوب, روش‌های توسعه کم پیامد, کنترل سیل, مدل مدیریت آب باران Flood Management, Gray Wolf Optimizer, Low impact development methods, Non-dominated sorting genetic algorithm II, Storm Water Management Model 0 0 http://jwmsei.ir/browse.php?a_code=A-10-121-4&slc_lang=fa&sid=1 Sedigheh Modarresi Tabatabaei صدیقه مدرسی طباطبایی hedyeh_modarres@yahoo.com 100319475328460018914 100319475328460018914 No Tarbiat Modares University دانشگاه تربیت مدرس Hamidreza Moradi حمید رضا مرادی hrmoradi@modares.ac.ir 100319475328460018915 100319475328460018915 Yes Tarbiat Modares University دانشگاه تربیت مدرس Mehdi Vafakhah مهدی وفاخواه vafakhah@modares.ac.ir 100319475328460018916 100319475328460018916 No Tarbiat Modares University دانشگاه تربیت مدرس Javad Vahidi جواد وحیدی jvahidi@iust.ac.ir 100319475328460018917 100319475328460018917 No Iran University of Science and Technology دانشگاه علم و صنعت