تدوین مدل تخصیص کمی وکیفی آب در حوضه‌های آبریز کاربرد تئوری بازی‌ها

دانشکده مهندسی
پایان‌نامه کارشناسی ارشد
در رشته‌ی مهندسی عمران (سازه هیدرولیکی)
تدوین مدل تخصیص کمی وکیفی آب در حوضه‌های آبریز: کاربرد تئوری بازی‌ها
به کوشش
عاطفه پویا
استاد راهنما:
دکتر ناصر طالب بیدختی
دکتر سید حسین افضلی
شهریور1392

به نام خدا
اظهارنامه
اینجانب عاطفه پویا دانشجوی رشته‌ی مهندسی عمران گرایش سازه هیدرولیکی دانشکده‌ی مهندسی اظهار می‌کنم که این پایان‌نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهایی که از منابع دیگران استفاده کرده‌ام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را نوشته‌ام. همچنین اظهار می‌کنم که تحقیق و موضوع پایان‌نامه‌ام تکراری نیست و تعهد می‌نمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.
نام و نام خانوادگی: عاطفه پویا
تاریخ و امضا: 31/6/92

تقدیم به
مادرم، دریای بی کران فداکاری و عشق که وجودم برایش همه رنج بود و وجودش برایم همه مهر
و به :
همسرم، اسطوره زندگیم، پناه خستگیم و امید بودنم
سپاسگزاری
خداوندا پیش و بیش از تو سپاسگزارم که به من توان به انجام رساندن این پژوهش را اعطا نمودی. از اساتید راهنمای گرانقدر و فرزانه‌ام جناب آقای دکتر ناصر طالب بیدختی و جناب آقای دکتر سید حسین افضلی که با مهربانی و صبوری تلاش‌هایم را تکمیل نمودند نهایت تشکر و قدردانی را دارم. از اساتید فرهیخته‌ام جناب آقای دکتر محمدرضا نیکو و جناب آقای دکتر پرویز منجمی نیز نهایت امتنان و تشکر را دارم.
همچنین از کارشناسان و مدیران سازمان آب منطقه‌ای استان فارس کمال تشکر و قدردانی را دارم.
چکیده
تدوین مدل تخصیص کمی وکیفی آب در حوضه‌های آبریز: کاربرد تئوری بازی‌ها
به کوشش
عاطفه پویا
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
صفحه
عنوان
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه2
1-2- اهمیت مسئله3
1-3- هدف5
1-4- سؤالات اساسی تحقیق6
1-5- فرض‌های ساده کننده تحقیق6
1-6- نوآوری‌های تحقیق6
1-7- ساختار پایان‌نامه7

فصل دوم: مرور پیشینه مطالعات
2-1- مقدمه9
2-2- پیشینه مطالعات در زمینه مدیریت منابع آب در حوضه آبریز10
2-3- پیشینه مطالعات در زمینه به کارگیری تئوری بازی‌ها در مدیریت کمی و کیفی منابع آب13
2-4- جمع‌بندی19
فصل سوم: ابزار کارهای مورد استفاده
3-1- مقدمه22
3-2- شبیه‌سازی و بهینه‌سازی23
3-2-1- نرم‌افزار GAMS23
3-2-2- Solver MINOS24
3-2-3- شبیه‌سازی کیفی24
صفحه
عنوان
3-3- تئوری بازی‌ها24
3-3-1- تفاوت میان تصمیم گیری و بازی25
3-3-2- برخی از عوامل تأثیرگذار بر نوع بازی25
3-3-3- بازی همکارانه26
3-3-3-1- هسته27
3-4- تحلیل سناریوها28
3-4-1- تعریف سناریو و سناریوسازی29
3-4-2- روش‌های سناریوسازی30
3-4-3- ساختار عمومی مدل بهینه‌سازی با استفاده از سناریوها31
3-5- شاخص SPI34
3-6- جمع‌بندی36
فصل چهارم: مطالعه موردی: سیستم آبی حوضه رودخانه رودبال
4-1- مقدمه38
4-2- منابع آبی40
4-3- مشخصات سد رودبال به عنوان اصلی‌ترین منبع ذخیره آب سطحی در حوضه رودخانه رودبال40
4-4- نیازهای آبی41
4-4-1- نیاز صنعت و معدن41
4-4-2- نیاز شرب42
4-4-3- نیاز بخش کشاورزی42
4-4-3-1- نیاز شبکه آبیاری43
4-4-3-2- نیاز کشاورزان سنتی43
4-5- خصوصیات اقتصادی بخش کشاورزی44
4-6- جمع‌بندی44
فصل پنجم: ساختار مدل پیشنهادی
5-1- مقدمه51
5-2- ساختار مدل پیشنهادی51
5-3- تدوین مدل بهینه‌سازی تخصیص اولیه کمی وکیفی آب54
صفحه
عنوان
5-3-1- عدالت54
5-3-2- کارایی55
5-3-3- پایداری55
5-3-4- مدل شبیه‌سازی کیفیت آب56
5-3-5- تدوین مدل قطعی تخصیص اولیه57
5-4- تدوین مدل غیرقطعی برمبنای روش بهینه‌سازی سناریوها60
5-5- تدوین مدل تخصیص کمی و کیفی همکارانه62
5-6- بازتوزیع سود ائتلاف با استفاده از مدل‌ بازی همکارانه FVLC63
5-6-1- بازی دو جانبه همکارانه FVLC63
5-6-2- نحوه تبدیل بازی چندجانبه به بازی دو جانبه64
5-7- جمع‌بندی65
فصل ششم: نتایج مدل پیشنهادی
6-1- مقدمه67
6-2- نتایج مدل تخصیص کمی و کیفی در حالت اولیه و همکارانه67
6-3- صحت سنجی مدل79
6-4- جمع‌بندی82
فصل هفتم: خلاصه، جمع‌بندی و پیشنهادات
خلاصه، جمع‌بندی و پیشنهادات84
منابع86
فهرست جدول‌ها
صفحه

عنوان
جدول 3-1- استاندارد وضعیت بارش براساس SPI36
جدول 4-1- مقادیر سطح، حجم و ارتفاع مخزن سد رودبال41
جدول 4-2- مقادیر تبخیر و بارش بر سطح مخزن سد46
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 الف48
جدول 4-7- الگوی کشت و سطح زیر کشت پیشنهادی برای ارضی آببران در سالهال نرمال- الگوی تیپ ب48
جدول 4-8- الگوی کشت و سطح زیر کشت پیشنهادی برای ارضی آببران در سالهال خشک- الگوی تیپ پ49
جدول 4-9- عملکرد و قیمت محصولات کشاورزی در منطقه49
جدول 6-1- شاخص SPI در منطقه68
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 FVLC81
فهرست شکل‌ها
صفحه

عنوان
شکل 4-1- موقعیت قرارگیری منطقه مورد مطالعه39
شکل 4-2- منحنی سطح – حجم – ارتفاع مخزن سد45
شکل 4-3- شکل شماتیک آببران کشاورزی منطقه مورد مطالعه42
شکل 5-1- ساختار مدل پیشنهادی52
شکل 6-1- عملکرد مخزن در سناریو ترسالی70
شکل 6-2- عملکرد مخزن در سناریو نرمال70
شکل 6-3- عملکرد مخزن در سناریو خشک71
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 خشکسالی74
شکل 6-9- مقایسه سود حاصل از تخصیص همکارانه وغیرهمکارانه در سناریو خشک75
شکل 6-10- مقایسه نسبت تأمین نیاز آببر سوم در حالت نرمال و حالتی که TDS در آورد رودخانه حداکثر است، در سناریو نرمال80
شکل 6-11- مقایسه مقدار رها شده از مخزن در حالت نرمال و حالتی که آورد رودخانه %80 کاهش یافته است، در سناریو نرمال80

فصل اول
مقدمه1-1- مقدمهرشد 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 رویکرد تخصیص همزمان کمی و کیفی آب، براساس سه شاخص یاد شده تلاش شده است، ضمن تخصیص بهینه آب بین آببران، بار آلودگی وارد‌شده توسط آن‌ها که متأثر از مقدار آب تخصیص داده شده است، به گونهای باشد که استانداردهای زیست‌محیطی نیز تأمین شود. سپس با رویکرد تئوری بازی‌ها، مدلی به منظور تخصیص کمی و کیفی منابع آب ارائه می‌گردد که بتواند ضمن توجه به مطلوبیت‌های طرف‌های درگیر و جلب رضایت 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 مسئلهبشر تقریباً‌ یک درصد کل آب روی زمین را مورد بهره‌برداری قرار می‌دهد که به صورت آب‌های سطحی (جویبارها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها) و یا آب‌های زیرزمینی (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. بهره‌برداری بهینه‌ از منابع آب به عنوان یکی از مسائل پایه در تحلیل سیستم‌های منابع آب در چند دهه گذشته مورد توجه محققین قرار داشته است که از عمده‌ترین دلایل آن میتوان به ارزش اقتصادی حاصل از بهره‌برداری بهینه از منابع آب، افزایش نیازهای آبی و کمبود منابع آب در دسترس اشاره کرد. از طرفی کیفیت آب نیز از پارامترهای مهمی است که بسته به مورد استفاده، از طریق ارگانهای مختلف دارای محدودیت‌هایی است. بدین معنی که برای مصارف مختلف استانداردهای مختلفی برای کیفیت آب تعیین گردیده است از اینرو کیفیت آب نیز از پارامترهای تعیین کننده در تعیین سیاست بهره‌برداری 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 استانهای کشور در تولید محصولات کشاورزی میباشد و با توسعه کشاورزی 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- هدفیکی از موارد مهم در بحث بهره‌برداری کمی وکیفی 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 نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *