تدوین مدل تخصیص کمی وکیفی آب در حوضه‌های آبریز: کاربرد تئوری بازی‌ها
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته عمران و نقشه برداری (آموزش_و_پژوهش)
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
تدوین مدل تخصیص کمی وکیفی آب در حوضه‌های آبریز: کاربرد تئوری بازی‌ها
عوامل متعددی مانند خصوصیات هیدرولوژیکی، اقتصادی و زیست‌محیطی بر نحوه تخصیص منابع آب در یک حوضه آبریز تأثیر می‌گذارند. در نظر گرفتن این عوامل در روند تخصیص منابع آب، لحاظ عدمقطعیتهای موجود در عوامل مذکور و وجود ذینفعان متعدد در یک حوضه آبریز باعث میشود اعمال یک رویکرد جامع و پایدار در بهرهبرداری از منابع آبی حوضه آبریز، امری پیچیده و دشوار باشد. در این پایاننامه با توجه به اهمیت موضوع، ابتدا مدلی جهت تخصیص همزمان کمی وکیفی منابع آب در سیستم رودخانه-مخزن براساس سه معیار عدالت، بهرهوری و پایداری تدوین گردیده و سپس جهت لحاظ عدمقطعیتهای موجود از روش بهینهسازی سناریوها استفاده شده است. در مرحله بعد با استفاده از تئوری بازی‌ها مدل همکارانه با هدف حداکثرسازی سود حاصل از تخصیص آب در سیستم تدوین شده و از رویکرد بازی همکارانه FVLC جهت بازتوزیع سود حاصل از تخصیص همکارانه استفاده شده است.کارایی مدل پیشنهادی در حوضه آبریز رودخانه رودبال در استان فارس مورد ارزیابی قرار گرفته است.
واژگان کلیدی: تخصیص کمی و کیفی، تئوری بازی، بهینهسازی سناریوها، بازی همکارانه
فهرست مطالب
عنوان
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه 2
1-2- اهمیت مسئله 3
1-3- هدف 5
1-4- سؤالات اساسی تحقیق 6
1-5- فرضهای ساده کننده تحقیق 6
1-6- نوآوری‌های تحقیق 6
1-7- ساختار پایاننامه 7
فصل دوم: مرور پیشینه مطالعات
2-1- مقدمه 9
2-2- پیشینه مطالعات در زمینه مدیریت منابع آب در حوضه آبریز 10
2-3- پیشینه مطالعات در زمینه به کارگیری تئوری بازی‌ها در مدیریت کمی و کیفی منابع آب 13
2-4- جمع‌بندی 19
فصل سوم: ابزار کارهای مورد استفاده
3-1- مقدمه 22
3-2- شبیهسازی و بهینهسازی 23
3-2-1- نرمافزار GAMS 23
3-2-2- Solver MINOS 24
3-2-3- شبیهسازی کیفی 24
عنوان
3-3- تئوری بازی‌ها 24
3-3-1- تفاوت میان تصمیم گیری و بازی 25
3-3-2- برخی از عوامل تأثیرگذار بر نوع بازی 25
3-3-3- بازی همکارانه 26
3-3-3-1- هسته 27
3-4- تحلیل سناریوها 28
3-4-1- تعریف سناریو و سناریوسازی 29
3-4-2- روش‌های سناریوسازی 30
3-4-3- ساختار عمومي مدل بهينه‌سازي با استفاده از سناريوها 31
3-5- شاخص SPI 34
3-6- جمع‌بندی 36
فصل چهارم: مطالعه موردی: سیستم آبی حوضه رودخانه رودبال
4-1- مقدمه 38
4-2- منابع آبی 40
4-3- مشخصات سد رودبال به عنوان اصلیترین منبع ذخیره آب سطحی در حوضه رودخانه رودبال 40
4-4- نیازهای آبی 41
4-4-1- نیاز صنعت و معدن 41
4-4-2- نیاز شرب 42
4-4-3- نیاز بخش کشاورزی 42
4-4-3-1- نیاز شبکه آبیاری 43
4-4-3-2- نیاز کشاورزان سنتی 43
4-5- خصوصیات اقتصادی بخش کشاورزی 44
4-6- جمع‌بندی 44
فصل پنجم: ساختار مدل پیشنهادی
5-1- مقدمه 51
5-2- ساختار مدل پیشنهادی 51
5-3- تدوین مدل بهینهسازی تخصیص اولیه کمی وکیفی آب 54
عنوان
5-3-1- عدالت 54
5-3-2- کارایی 55
5-3-3- پایداری 55
5-3-4- مدل شبیهسازی کیفیت آب 56
5-3-5- تدوین مدل قطعی تخصیص اولیه 57
5-4- تدوین مدل غیرقطعی برمبنای روش بهینهسازی سناریوها 60
5-5- تدوین مدل تخصیص کمی و کیفی همکارانه 62
5-6- بازتوزيع سود ائتلاف با استفاده از مدل بازي همكارانه FVLC 63
5-6-1- بازي دو جانبه همكارانه FVLC 63
5-6-2- نحوه تبدیل بازی چندجانبه به بازی دو جانبه 64
5-7- جمع‌بندی 65
فصل ششم: نتایج مدل پیشنهادی
6-1- مقدمه 67
6-2- نتایج مدل تخصیص کمی و کیفی در حالت اولیه و همکارانه 67
6-3- صحت سنجی مدل 79
6-4- جمع‌بندی 82
فصل هفتم: خلاصه، جمع‌بندی و پیشنهادات
خلاصه، جمع‌بندی و پیشنهادات 84
منابع 86
فهرست جدول‌ها
عنوان
جدول 3-1- استاندارد وضعيت بارش براساس SPI 36
جدول 4-1- مقادير سطح، حجم و ارتفاع مخزن سد رودبال 41
جدول 4-2- مقادیر تبخیر و بارش بر سطح مخزن سد 46
جدول 4-3- نیاز ماهانه و سالانه مصارف صنعتی از سد رودبال (میلیون مترمکعب) 46
جدول 4-4- نیاز ماهانه و سالانه مصارف شرب از سد رودبال (میلیون مترمکعب) 46
جدول 4-5- نیاز آبی ناخاص محصولات پیشنهادی (مترمکعب در هر هکتار) 47
جدول 4-6- الگوی کشت و سطح زیر کشت پیشنهادی برای ارضی آببران در سالهال پرآبی- الگوی تیپ الف 48
جدول 4-7- الگوی کشت و سطح زیر کشت پیشنهادی برای ارضی آببران در سالهال نرمال- الگوی تیپ ب 48
جدول 4-8- الگوی کشت و سطح زیر کشت پیشنهادی برای ارضی آببران در سالهال خشک- الگوی تیپ پ 49
جدول 4-9- عملکرد و قیمت محصولات کشاورزی در منطقه 49
جدول 6-1- شاخص SPI در منطقه 68
جدول 6-2- مقدار آب تخصیص داده شده به آببران در حالت همکارانه و غیرهمکارانه(MCM) 76
جدول 6-3- حد بالا و پایین سود بازتوزیع شده توسط FVLC 81
فهرست شکل‌ها
عنوان
شکل 4-1- موقعیت قرارگیری منطقه مورد مطالعه 39
شکل 4-2- منحني سطح - حجم - ارتفاع مخزن سد 45
شکل 4-3- شکل شماتیک آببران کشاورزی منطقه مورد مطالعه 42
شکل 5-1- ساختار مدل پیشنهادی 52
شکل 6-1- عملکرد مخزن در سناریو ترسالی 70
شکل 6-2- عملکرد مخزن در سناریو نرمال 70
شکل 6-3- عملکرد مخزن در سناریو خشک 71
شکل 6-4- نسبت مقدار آب تخصیص داده شده به نیاز آبی (آببراول) 72
شکل 6-5- نسبت مقدار آب تخصیص داده شده به نیاز آبی (آببردوم) 72
شکل 6-6- نسبت مقدار آب تخصیص داده شده به نیاز آبی (آببرسوم) 73
شکل 6-7- نسبت مقدار آب تخصیص داده شده به نیاز آبی (آببرچهارم) 73
شکل 6-8- تغییرات TDS در نقاط کنترل کیفی در حالت خشکسالی 74
شکل 6-9- مقایسه سود حاصل از تخصیص همکارانه وغیرهمکارانه در سناریو خشک 75
شکل 6-10- مقایسه نسبت تأمین نیاز آببر سوم در حالت نرمال و حالتی که TDS در آورد رودخانه حداکثر است، در سناریو نرمال 80
شکل 6-11- مقایسه مقدار رها شده از مخزن در حالت نرمال و حالتی که آورد رودخانه %80 کاهش یافته است، در سناریو نرمال 80
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
رشد جمعیت و شهرنشینی، افزایش تولیدات کشاورزی و تغییرات آب و هوا از یک سو وکمبود منابع آب شیرین در دسترس از سوی دیگر باعث شده است نحوه بهرهبرداری بهینه از منابع آب، بحثی چالش برانگیز باشد. در چند دهه اخیر نظر سیاستگزاران و تصمیمگیران بخش آب با توجه به افزایش رقابت بر سر آب در میان فعالیتهای مختلف انسانی و تأثیر آن بر محیط‌زیست و پرهیز از تصمیمگیریهایی در زمینه تخصیص آب که در آینده پاسخگویی به آن با مشکل مواجه شود، به سوی توسعه سیاستهای پایدار در تخصیص منابع آب، جلب شده است. به همین علت رویکرد برنامهریزی مبتنی بر مدیریت عرضه که با هدف بیشینه‌سازی عرضه آب برای تقاضاهای آبی عمل میکند، امروزه جای خود را به رویکردهایی داده است که عواملی مانند کیفیت آب، عدالت، سود اقتصادی و پایداری در سیستم را در نظر میگیرد (Zheng et al., 2011). در نظر گرفتن این عوامل در روند تخصیص منابع آب، لحاظ عدمقطعیتهای موجود در عوامل مذکور و وجود ذینفعان متعدد در یک حوضه آبریز باعث میشود اعمال یک رویکرد جامع و پایدار در بهرهبرداری از منابع آبی حوضه آبریز، امری پیچیده و دشوار باشد.
در این پایاننامه مدل کمی و کیفی جهت تخصیص آب در سیستمهای رودخانه-مخزن در قالب یک مدل بهینهسازی ریاضی فرمولبندی و پیشنهاد گردیده است. این مدل، امکان تصمیم‌گیری در مورد مقدار تخصیص آب به متقاضیان را با لحاظ اثرات بلندمدت خصوصیات هیدرولوژیکی، اقتصادی و زیست‌محیطی، در قالب سه معیار عدالت، بهرهوری و پایداری، با در نظر گرفتن عدم‌قطعیت در پارامترهای هیدرولوژیکی و اقتصادی را برای دست‌اندرکاران بخش آب فراهم مینماید.
در این مدل ابتدا با رويکرد تخصيص همزمان كمي و كيفي آب، براساس سه شاخص یاد شده تلاش شده است، ضمن تخصيص بهينه آب بين آببران، بار آلودگي وارد‌شده توسط آنها که متأثر از مقدار آب تخصیص داده شده است، به گونهای باشد كه استانداردهاي زيست‌محيطي نيز تأمين شود. سپس با رویکرد تئوري بازي‌ها، مدلی به منظور تخصيص كمي و كيفي منابع آب ارائه مي‌گردد که بتواند ضمن توجه به مطلوبيت‌هاي طرف‌هاي درگير و جلب رضايت آنها، سود حاصل در سیستم حداکثر شود. در مدلهای ارائه شده عدم‌قطعیت موجود در پارامترهای هیدرولوژیکی و اقتصادی به ترتیب با استفاده از روش بهینهسازی سناریوها و مدل بازی FVLC لحاظ شدهاند. این مدلهای بهینهسازی در محیط نرمافزار GAMS کدنویسی شدهاند.
1-2- اهمیت مسئله
بشر تقريباً یک درصد كل آب روي زمين را مورد بهره‌برداري قرار مي‌دهد كه به صورت آب‌هاي سطحي (جويبارها، رودخانه‌ها و درياچه‌ها) و يا آب‌هاي زيرزميني (چشمه و چاه) است و همین مقدار اندک پراکنشی نامتناسب دارد. با توجه به توزیع نامناسب زمانی و مکانی بارندگی و همچنین ناکافی بودن ریزش‌های جوی (متوسط بارندگی 250 میلی متر)، ایران در رده کشورهای خشک و نیمه خشک جهان دسته بندی می‌گردد. با چنین اقلیمی، ایران کشوری است که سهم کمتری از همین مقدار اندک منابع آب می‌برد. افزایش جمعیت (از 10 میلیون نفر در سال 1925 به 68 میلیون نفر در سال 2005)، توسعه بهداشت، کشاورزی و صنایع نیز افزایش تقاضای آب را در پی داشته است. این در حالی است که الگوهای مدیریتی و رفتاری ما در مصرف همین منابع ناچیز به گونهای است که گویی مشکلی در این باره وجود ندارد؛ چنانچه در گزارش سال 2007 بانک جهانی، سرعت کاهش منابع آب شیرین در ایران 6 برابر میانگین جهانی عنوان شده است. منابع آب شیرین برای برآوردن نیازهای اولیه انسان، جنبه‌ای حیاتی دارد و حفاظت ناکافی از کیفیت و کمیت این منبع حیاتی منجر به پدید آمدن محدودیتهای جدی در فرایند توسعه پایدار میشود و از این رو استفاده بهینه کمی و کیفی از منابع آب موجود امری اجتناب ناپذیر است. بهره‌برداري بهينه از منابع آب به عنوان يکي از مسائل پايه در تحليل سيستم‌هاي منابع آب در چند دهه گذشته مورد توجه محققين قرار داشته است که از عمده‌ترین دلایل آن میتوان به ارزش اقتصادي حاصل از بهره‌برداري بهينه از منابع آب، افزايش نيازهاي آبي و کمبود منابع آب در دسترس اشاره کرد. از طرفي كيفيت آب نيز از پارامترهاي مهمي است كه بسته به مورد استفاده، از طريق ارگانهاي مختلف داراي محدوديت‌هايي است. بدين معني كه براي مصارف مختلف استانداردهاي مختلفي براي كيفيت آب تعيين گرديده است از اينرو كيفيت آب نيز از پارامترهاي تعيين كننده در تعيين سياست بهره‌برداري از منابع آب موجود است (مجرد، 1391).
باتوجه به نیاز کشاورزی بیش از 94 درصد از کل مصرف آب در بخش کشاورزی میباشد. استان فارس یکی از مهمترین استانهاي کشور در تولید محصولات کشاورزي میباشد و با توسعه کشاورزي در این استان و با توجه به نیاز هرچه بیشتر به آب، توجه سیاستگزاران و تصمیمگیران بخش آب بیش از پیش به سمت نحوه مدیریت منابع آب این استان جلب شده است (مجرد، 1391).
منطقه داراب با دارا بودن پتانسیل بالقوهای که در زمینه کشاورزی دارد، از قدیم یکی از قطب‌های بزرگ کشاورزی و باغداری در استان فارس بوده است. رودخانه رودبال به عنوان اصلیترین منبع آب سطحی در این منطقه میباشد. متأسفانه در سالهای اخیر با توجه به خشکسالی، آب رودخانه به شدت کاهش یافته و کشاورزان برای تأمین نیاز خود دست به حفر چاههای عمیق و نیمه عمیق متعددی در دشت داراب زدهاند و با برداشت بیش از حد و غیر اصولی باعث شدهاند امروز دشت داراب یکی از دشتهای ممنوعه باشد. سازمان آب جهت کنترل آبهای سطحی در این منطقه و بهبود شرایط، سد مخزنی رودبال را بر روی رودخانه رودبال احداث نموده است (مهندسین مشاور آب نیرو، 1390). حال با توجه به شرایط منطقه و اهمیت موضوع، تخصیص بهینه و کنترل شده منابع آب در سیستم مخزن-رودخانه رودبال امری ضروری است.
1-3- هدف
يكي از موارد مهم در بحث بهره‌برداري كمي وكيفي از منابع آب موجود،که تاکنون در بهره برداری بهینه کمی و کیفی از سیستم رودخانه-مخزن مورد توجه قرار نگرفته است، برداشت بهینه از سیستم رودخانه-مخزن براساس سه معیار عدالت، پایداری و بهرهوری میباشد. به همین دلیل هدف اصلی در این پایاننامه ارائه مدلی بوده است که تخصیص بهینه از سیستم رودخانه-مخزن براساس سه معیار ذکر شده را با لحاظ عدم‌قطعیتها مشخص کند. در راستای رسیدن به این مقصود، براساس مطلوبیتها و محدودیتهای موجود مدلی جهت شبیهسازی و بهینهسازی تخصیص منابع آب در محیط برنامهنویسی GAMS تهیه و سعی شده است مدل به گونهای فرمولبندی شود که در جواب بهینه حاصل معیارهای یاد شده تا حد امکان رعایت شود. هدف دیگر در این پایاننامه، ارائه الگوهاي تخصيص عادلانه و كاراي آب، به گونهاي که ضمن حفظ كيفيت آب و عدم تخطي از استاندارد کيفيت آب، منافع حاصله از تخصيص آب نيز حداكثر گردد. بدین منظور براساس تئوری بازی‌ها ابتدا ائتلافهای ممکن بین آببران شکل گرفته و سپس مدلی ارائه گردیده است که علاوهبر در نظر گرفتن سه معیار ذکر شده، تخصیص به هر یک از آببران را با هدف حداکثر سازی سود اقتصادی حاصل در ائتلاف انجام دهد. در نهایت از بازی همکارانه FVLC جهت بازتوزیع سود حاصل در ائتلافها استفاده شد.
1-4- سؤالات اساسی تحقیق
در بخش قبل اهداف اصلی پایاننامه تشریح گردیدند. سؤالات اصلی که در قالب مطالعات انجام شده در این تحقیق پاسخ داده شدهاند، به شرح زیر می‌باشند:
- آیا مي‌توان بر پايه سياستهاي بهينه به دست آمده از مدل بهينه‌سازي تخصيص کمی وکیفی آب، قوانين تخصیص در زمان واقعي را تدوين کرد؟
- آیا درنظر گرفتن عدم‌قطعیتها در افزایش بهرهوری سیستم مؤثر است؟
- در مدیریت تخصیص کمی و کیفی آب در سیستم رودخانه-مخزن آيا تلفيق مدل‌هاي تخصيص کمي و کيفي آب مي‌تواند در افزايش بهره‌وري سيستم مؤثر باشد و منجر به بهبود وضعيت كيفيت آب گردد؟
1-5- فرضهای سادهکننده تحقیق
در این تحقیق فرضهای زیر درنظر گرفته شده است:
- در منطقه مورد مطالعه فرض شده است امکان عدم تأمین نیاز شرب و صنعت در طی تمام زمان برنامهریزی وجود ندارد. لذا تأمین نیاز این دو بخش به صورت صد در صد صورت پذیرفته است.
- روستاهای حقابهبر، به منظور مدیریت تخصیص آب، گروهبندی شدهاند و در نهایت چهار آببر به عنوان آببر کشاورزی درنظر گرفته شده است.
- فرض گردیده است مخزن سد به صورت یک تانک با اختلاط کامل عمل میکند.