فایل مدیریت مخازن سدهای حوضه گاماسیاب استان کرمانشاه با استفاده از مدل WEAP

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده
امروزه آب به عنوان کلید توسعه، در جوامع بشری اهمیت فوق-العاده¬ای پیدا کرده و کشور ایران نیز از این قاعده مستثنی نمی¬باشد. بویژه آنکه این کشور در منطقه خشک و نیمه خشک جهان قرار دارد. شرايط آب و هوايي حاكم بر استان کرمانشاه  و محدوديت هاي موجود در منابع آب زيرزميني، بهره وري بيشتر از منابع آب هاي سطحي را اجتناب ناپذير مي نمايد. از سوي ديگر عدم بهره برداري از پتانسيل¬ آب¬هاي سطحي استان، افزایش جمعيت و به تبع آن افزايش نيازها در سنوات اخير، باعث برداشت بي¬رويه و غير اصولي از منابع آب زيرزميني اغلب دشت¬هاي استان شده است. در دهه¬های گذشته با رشد قابلیت¬های نرم¬افزاری، امکان توسعه مدل¬های رایانه¬ای فراهم شده است که به نوبه خود نقش بسزایی در بهینه¬سازی و شبیه¬سازی منابع آب داشته است. امروزه تجزیه و تحلیل مسائل منابع آب با استفاده از مدل¬های هیدرولوژیکی که فرآیندهای از قبیل بارش، تبخیر، نفوذ و رواناب را شبیه¬سازی می¬کنند، از جایگاه ویژه¬ای برخوردار است. یکی از پر کاربردترین این نرم¬افزارها در سال¬های اخیر نرم¬افزار WEAP بوده است. WEAPدر زمینه برنامه¬ریزی و ارزیابی پروژه¬های آبی، اجزای مختلف یک حوضه و رودخانه را گرد هم می¬آورد. این تحقیق در حوضه گاماسیاب که زیر حوضه شمال شرقی حوضه کرخه است، انجام شده است. هدف از این تحقیق بررسی جامع منابع آب سطحی حوضه گاماسیاب با توجه به سدهای در دست ساخت و مطالعه بوده است. بخش اعظم این حوضه در استان کرمانشاه و سرشاخه¬ آن در استان همدان قرار دارد. رودخانه اصلی این حوضه رودخانه گاماسیاب است که برروی شاخه¬های آن در استان کرمانشاه سدهای جامیشان، قشلاق علیا و آناهیتا (کبوتر لانه) در دست ساخت، و سد بیستون در پایین دست آنها در دست مطالعه است. بمنظور ساخت مدل WEAP تعریف مسئله  قالب زمانی، محدوده مکانی، اجزای سیستم و طراحی مسئله انجام گردیده است. سپس با اعمال سناریوهای مختلف وضعیت طرح در شرایط آینده با توجه به سیاست گذاری¬های موجود، سنجیده شده است. در این پژوهش داده¬های هیدرولوژیکی 41 ساله حوضه گاماسیاب جهت کالیبراسیون مورد استفاده قرار گرفته است و سناریوها نیز در دوره ای 40 ساله جهت بررسی عملکرد سد و نیز تأثیر سدهای بالادست بر سد پایین دست، با کمک نرم¬افزار WEAP، به کار گرفته شده¬اند. در شبیه¬سازی حوضه، از روش مونتانا جهت برآورد نیاز زیست محیطی استفاده و گامهای زمانی بصورت ماهانه در نظر گرفته شده است. نتایج به دست آمده نشانگر عملکرد مناسب سد بیستون در تأمین نیازهای مربوطه بوده است. سدهای بالا دست با کمبود آب در تأمین تقاضاهای حوضه مواجه بوده و برای جبران باید راهکارهای مناسبی اندیشیده شود. بیشترین کمبود در بخش کشاورزی سد قشلاق مشاهده شده است و توان تعریف شده انتقال خط انتقال آب از رودخانه گاماسیاب به سد بیستون مناسب می باشد.

کلمات کلیدی: مدیریت منابع آب، حوضه گاماسیاب، استان کرمانشاه، آب سطحی، مدل WEAP 
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                                         صفحه

فصل اول: کلیات
1-1 مقدمه ...................................................................................................................................................................................2
1-2 مصارف آب ..........................................................................................................................................................................2
1-3 مدیریت جامع منابع آب....................................................................................................................................................3
1-3-1 مفاهیم.......................................................................................................................................................................4
1-3-2 مدیریت جامع حوضه رودخانه..............................................................................................................................5
1-3-3 استفاده از مدل¬سازی در مدیریت و برنامه ریزی منابع آب............................................................................6
1-4 نرم¬افزار  WEAP................................................................................................................................................................6
1-5 اهداف تحقیق.......................................................................................................................................................................8
1-6 ضرورت تحقیق.....................................................................................................................................................................9
1-7 ساختار پایان نامه................................................................................................................................................................10
فصل دوم: پیشینه تحقیق
2-1 مقدمه...................................................................................................................................................................................12
2-2 مدل¬سازی سیستم¬های منابع آب در سطح حوضه آبریز..........................................................................................12
2-2-1 شبیه سازی سیستم منابع آب...........................................................................................................................13
2-2-2 انواع روش¬های شبیه سازی................................................................................................................................14
2-2-3 بهینه سازی منابع آب.........................................................................................................................................16
2-2-3-1 انواع مدل¬های بهینه-سازی............................................................................................................................17
2-2-4 انواع مدل¬های هیدرولوژیکی.............................................................................................................................23
2-3 مدیریت منابع آب...........................................................................................................................................................25
2-3-1 تعریف مسأله و انتخاب متدولوژی...................................................................................................................25
2-3-2 محدوده مکانی، افق زمانی و مقیاس...............................................................................................................25
2-3-3 تمام فرآیندهای هیدرولوژیکی..........................................................................................................................25
2-3-4 تعیین داده¬های مورد نیاز و آماده سازی آنها............................................................................................... 26
2-3-5 تشکیل مدل، واسنجی و اعتبار سنجی..........................................................................................................26
2-3-6 ارزیابی گزینه¬های مدیریتی..............................................................................................................................27
2-4 مدیریت یکپارچه منابع آب ........................................................................................................................................27
2-5 انتخاب مدل .................................................................................................................................................................29
2-5 مدل WEAP ............................................................................................................................................................32
2-6 پیشینه استفاده از مدل مدیریتی WEAP .........................................................................................................34
فصل سوم: مواد و روش
3-1 مقدمه ..........................................................................................................................................................................41
3-2 ابعاد مکانی مسئله ....................................................................................................................................................41
3-3 حوضه رودخانه ..........................................................................................................................................................43
3-3-1 رودخانه گاماسیاب ........................................................................................................................................43
3-3-2 رودخانه خرمرود ...........................................................................................................................................44
3-3-3 رودخانه دینور ...............................................................................................................................................44
3-4 داده¬های هیدرولوژیکی ...........................................................................................................................................45
3-4-1 ایستگاه¬های حوضه ......................................................................................................................................46
3-4-1-1 ایستگاه پل¬چهر ................................................................................................................................46
3-4-1-2 ایستگاه دوآب ..................................................................................................................................46
3-4-1-3 ایستگاه آران ....................................................................................................................................47
3-4-1-4 ایستگاه پل¬حاجی آباد ...................................................................................................................47
3-4-1-5 ایستگاه حیدر آباد .........................................................................................................................47
3-4-1-6 ایستگاه پیرسلمان .........................................................................................................................47
3-4-1-7 ایستگاه کله جوب .........................................................................................................................47
3-4-2 دبی رودخانه ..............................................................................................................................................48
3-4-3 تبخیر ..........................................................................................................................................................50
3-5 سدهای حوضه ......................................................................................................................................................50
3-6 تقاضای آب ............................................................................................................................................................53
3-6-1 نیاز کشاورزی ............................................................................................................................................53
3-6-2 نیاز صنعت .................................................................................................................................................54
3-6-3 نیاز شرب ...................................................................................................................................................55
3-6-4 نیاز زیست محیطی .................................................................................................................................56
3-7 واسنجی و اعتبار سنجی مدل ..........................................................................................................................56
3-7-1 گام زمانی ..................................................................................................................................................56
3-7-2 واسنجی مدل ...........................................................................................................................................57
3-7-3 اعتبار سنجی مدل ..................................................................................................................................58

فصل چهارم: بررسی سناریوهای مختلف
4-1 مقدمه ..............................................................................................................................................................64
4-2 سناریوی 1 .....................................................................................................................................................64
4-2-1 سناریوی 1 الف .................................................................................................................................65
4-2-2 سناریوی 1 ب ...................................................................................................................................66
4-3 سناریو 2 .........................................................................................................................................................67
4-3-1 سناریو 2 الف .....................................................................................................................................67
4-3-2 سناریو 2 ب .......................................................................................................................................69
4-4 سناریو 3 ........................................................................................................................................................70

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1 مقدمه ...........................................................................................................................................................74
5-2 نتیجه گیری ................................................................................................................................................74
5-3  پیشنهادات .................................................................................................................................................75

منابع ......................................................................................................................................77

پیوست ................................................................................................................................................................80

فهرست اشکال
شکل                                                                                                                                                صفحه
فصل دوم: پیشینه تحقیق
شکل 2-1 نمونه شبکه گره یال در نرم¬افزار WEAP ........................................................................................................14
شکل 2-2 گستره مدل¬های شبیه¬سازی از داده¬گرا تا فرآیندگرا.........................................................................................15

فصل سوم: مواد و روش
شکل 3-1 موقعیت حوضه گاماسیاب .....................................................................................................................................42
شکل 3-2 طرح شماتیک رودخانه و ایستگاه¬های حوضه ...................................................................................................45
شکل 3-3 میانگین سالانه دبی عبوری در ایستگاه پل چهر ..............................................................................................49
شکل 3-4 مقایسه دبی شبیه سازی شده با دبی اندازگیری شده ....................................................................................58
شکل 3-5 درصد زمانی حجم سد آناهیتا (کبوترلانه) در ضرایب مختلف نیازها ..........................................................59
شکل 3-6  درصد زمانی حجم سد بیستون در ضرایب مختلف نیازها ............................................................................60
شکل 3-7 درصد زمانی حجم سد قشلاق در ضرایب مختلف نیازها ...............................................................................61
شکل 3-8 درصد زمانی حجم سد جامیشان در ضرایب مختلف نیازها ..........................................................................61
شکل 3-9   مقایسه نمودار درصد زمانی حجم سدهای حوضه در حالت پر یا خالی...................................................62

فصل چهارم: نتایج
شکل 4-1 طرح شماتیک سناریو 1 ......................................................................................................................................64
شکل 4-2 نمودار درصد زمانی حجم سد بیستون در سناریو 1 الف .............................................................................65
شکل 4-3 مقایسه نمودار درصد زمانی حجم سد بیستون در سناریو 1 الف و ب .....................................................67
شکل 4-4 درصد پوشش نیازهای حوضه در سناریو 2 الف ............................................................................................68
شکل 4-5 نمودار درصد زمانی حجم سدهای حوضه گاماسیاب سناریو2 الف ...........................................................69
شکل 4-6 مقایسه نمودار درصد حجم سد بیستون در دو حالت سناریو 2 ................................................................70
شکل 4-7 درصد پوشش نیازهای حوضه ...........................................................................................................................71
شکل 4-8 حجم پوشش نیافته نیازهای حوضه در سناریو 3 .........................................................................................71

فهرست جداول
جدول                                                                                                                                               صفحه

فصل سوم: مواد و روش
جدول  3-1 مشخصات فیزیوگرافی دشت¬های مطالعاتی رودخانه گاماسیاب .................................................................43
جدول 3-2 مشخصات جغرافیایی ایستگاه¬های حوضه .........................................................................................................48
جدول 3-3 میزان تبخیر از سطح آزاد در محل ساختگاه سد ...........................................................................................50
جدول 3-4 مشخصات سدهای حوضه ....................................................................................................................................53
جدول 3-5 متوسط مصرف سرانه شهری کل محدوده طرح .............................................................................................55
جدول 3-6 میزان نیاز زیست محیطی (مترمکعب بر ثانیه) ..............................................................................................56

فصل چهارم: نتایج
جدول 4-1 درصد اعتماد پذیری در پوشش نیازهای سد های حوضه سناریوی 2 .....................................................68 

فصل اول
کلیات 
1-1  مقدمه
تامین آب تمیز مبنای اصلی استفادۀ پایدار از منابع طبیعی است. در سال 1940 حجم آب تمیز مصرفی جهان 1500 کیلومتر مکعب در سال بوده است حال آنکه در سال 2000 این مقدار به 5000 کیلومتر مکعب در سال رسیده است. تعداد کشورهایی که با بحران آب مواجه هستند از 7 کشور در سال 1955 به 20 کشور در سال 2000 رسیده¬اند و این تعداد به 34 کشور در سال 2025 خواهند رسید. اصلی ترین موضوعات جهانی در قرن 21 عبارتند از امنیت غذایی و کیفیت محیط زیست که هر دو موضوع به مدیریت حوزه¬های آبخیز بستگی دارند. همچنین محدودیت¬ منابع، رشد جمعیت، خصوصیت روان بودن آب، فعالیت¬های اقتصادی و به تبع آن رشد تقاضای آب باعث شده است که خصوصیات هیدرولوژیکی حوضه آبریز، خصوصیات اقتصادی-اجتماعی ذی¬نفعان و خصوصیات زیست محیطی رودخانه بیش از پیش به هم پیوسته گردند. به همین علت امروزه اثرات یکی بر دیگری در فاصله¬ای نزدیک¬تر و زمانی کوتاه¬تر نمودار گشته و در بلند مدت روند عرضه و تقاضای آب در حوضه آبریز را دچار تغییرات شدیدتری می¬نماید. عدم توجه به تعامل خصوصیات هیدرولوژیکی، اقتصادی-اجتماعی و زیست محیطی، تخصیص آب به متقاضیان را با محدودیت مواجه می¬کند. از این رو جهان با معضلات فزاینده ای در زمینه بهبود کیفیت آب و تامین تقاضای روبه رشد آن، مواجه است.

1-2  مصارف آب
استفاده از آب به دو دسته عمده تقسیم می¬گردد:
1-    استفاده¬های مصرفی آب (آبیاری کشاورزی، صنعتی و شهری)
2-    استفاده¬های غیر مصرفی آب (برق آبی، تفریحی و زیست محیطی)
 در کشورهای جهان از بین استفاده¬های مصرفی آب، آبیاری بیشترین سهم را داراست (حدود 70% که این مقدار در ایران حدود 92% می¬باشد)[1]. این درحالی است که با رشد جمعیت علاوه بر مصارف آبیاری، نیاز مصارف شهری و صنعتی نیز در حال افزایش است. این مسئله سبب رقابت بین مصرف کنندگان شده، که تبعاً نیازمند راهکارهای جدیدی جهت مدیریت عرضه آب است. علیرغم توسعۀ تکنولوژی و تکنیکهای کشاورزی، در بسیاری از مناطق جهان تولید مواد غذایی و رشد جمعیت نه تنها همگون نیست (تعدادی از کشورهای آفریقایی)، بلکه حتی با افزایش درخواست مواد غذایی مواجه هستیم. اگرچه نقش عوامل مدیریتی و سیاسی در تأمین مواد غذایی انکار ناپذیر است، اما تنزل کمیت و کیفیت منابع خاک و آب دلیل اصلی کمبود مواد غذایی است. با توجه به اينكه آب يكي از نهاده¬هاي توليد اكثر بخشهاي اقتصادي است، مقدار توليد و شاخص¬هاي اقتصادي-اجتماعي وابسته به آن، مانند؛ اشتغال نيروي كار، درآمد حاصل از فروش توليدات و ارزش افزوده توليد، عرضه كمی و كيفي آب را با محدوديت مواجه مي¬كند. 
سياست¬گذاران و تصميم¬گيران زمينه تخصيص آب با توجه به بهم پيوستگي خصوصيات هيدرولوژيكي، اقتصادي-اجتماعي-زیست محیطی، و براي پرهيز از اشتباه در تصمیم¬گيري¬ سعي مي¬كنند اولويتهاي لازم را برای لحاظ اين به هم پيوستگي، در تحليل سياست¬ها و ارزيابي دقيق¬تر اثرات آنها اعمال نمايند. به همين علت رويكرد برنامه¬ريزي مبتني بر مديريت عرضه  كه با هدف بيشينه سازي عرضه آب براي تقاضاهاي آبي عمل مي¬كند، امروزه به رويكرد مديريت توامان عرضه و تقاضاي  آب تبديل مي¬گردد.

1-3  مدیریت جامع منابع آب
مفهوم مديريت جامع منابع آب در دهه ۸۰ قرن بيستم ميلادي در پاسخ به مشكلات مديريت آب مطرح گرديد. در مديريت جامع منابع آب به جاي بهره¬گيري از روش قديمي مديريت از بالا به پايين يا به عبارت ديگر برنامه¬ريزي جامع آب كه در آن تمركز بر روي موجوديت آب و توسعه منابع است، از روش جديدتر مديريت از پايين به بالا يا به عبارت ديگر برنامه¬ريزي جامع سياست¬هاي آب كه در آن اندركنش موجود بين بخش¬هاي مختلف نيز دخيل گرديده است، استفاده مي¬شود.
یکی از نکات اساسی در تعریف و اعمال برنامه¬ریزی و مدیریت یکپارچه منابع آب، تأکید بر تمرکز برنامه¬ریزی و مدیریت در مقیاس و سطح حوضه آبریز به عنوان واحد مکانی تحلیل به جای اکتفا به برنامه¬ریزی مجزا در سطح پروژه¬های منفرد است. بنابراین پرواضح است که برنامه¬ریزی تخصیص بهینه منابع آب بین مصارف و محل¬های مصرف رقیب نیز بایستی در واحد مکانی و اشل حوضه آبریز صورت پذیرد. در نتیجه مدیریت یکپارچه منابع آب در سطح حوضه آبریز  و یا IRBM، موضوعی دارای اهمیت و قابل توجه برای طراحان، برنامه¬ریزان، مدیران و قانون گذاران حیطه مسائل آب بوده که در آن به موضوع مدیریت سیستم¬های آبی بعنوان امری تأثیرگذار در محیط طبیعی و اجتماعی-اقتصادی در برگیرنده آنها پرداخته می¬شود. 
اگر مدیریت یکپارچه منابع آب در حوضه آبریز را به معنای رعایت یکپارچگی و جامع¬نگری از منظر:
1-    احتساب و تحلیل تمامی عناصر و المان¬های پخش شده در گستره مکانی سیستم با هم و روی هم و در تعامل با هم (Spatial Integrity)
2-    یکپارچگی تحلیل در گستره زمانی و یا به عبارتی توجه به شرایط هم حال و هم آینده و تغییر پذیری رفتار حوضه در اشل زمانی مناسب و معرف (Temporal Integrity)
3-    دیدن منابع آب  سطحی و زیرزمینی و حتی منابع خاک با هم و در تعادل با هم (Resource Integrity) در کنار مدیریت مصارف به شکل یکپارچه تحت معیارها و اولویت¬بندی¬های مختلف (Demand Management)
4-    احتساب همزمان اهداف کمی در کنار اهداف کیفی (Quantity-Quality Integrity)
5-    پذیرش و لحاظ کردن تعدد اهداف تأمین آب، تولید برق، کنترل سیلاب، حفظ اکولوژی و محیط زیست (Multi-Objective Aspects)، ضمن توجه به ملاحظات اقتصادی-اجتماعی و مناسبات اداری و سازمانی (Institutional Aspects) در سطح حوضه آبریز
بدانیم، طبیعتا بایستی در جستجوی آندسته از روش¬ها و مدل¬های ریاضی و تحلیل سیستمی باشیم که قابلیت و سنخیت بیشتر در احتساب جنبه¬های پنج¬گانه فوق از مدیریت یکپارچه را دارا می¬باشند. اصولا با گسترش افق دید و تحلیل از برنامه¬ریزی برای یک طرح و پروژه مضوعی و محلی خاص به برنامه¬ریزی در سطح و اشل بسیار بزرگتر نظیر کل حوضه آبریز و حتی برهم¬کنش آن با حوضه مجاور، هدف اصلی استفاده از یک رویکرد مبتنی بر یکپارچه¬نگری و تبع تحلیل و مدل¬سازی یکپارچه، آنهم با پتانسیل یکپارچه¬نگری از جنبه¬های مختلف اشاره شده در بالا و نه صرفا جنبه مکانی آن است. این خصوصیت مهم واقعیتی است که متدولوژی و روش-های تحلیل و مدل¬سازی متعاقب آن خود بخود بایستی در برابر آن پاسخگو باشند. بنابراین توانایی در برآوردن نیاز فوق است که مبنای انتخاب متدولوژی و روش¬های تحلیل سیستمی مؤثر و سپس مدل¬ها و بسته¬های نرم¬افزاری توسعه یافته بر اساس این روش¬ها در برنامه¬ریزی تخصیص آب در سطح حوضه آبریز خواهند بود. که این تحقیق در راستای اعمال اصول فوق در سطح حوضه آبریز گاماسیاب انجام می¬پذیرد.