برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

پایان‌نامه کارشناسی ارشد

در رشته‌ی مهندسی عمران (سازه هیدرولیکی)

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

استاد راهنما:

دکتر ناصر طالب بیدختی

دکتر سید حسین افضلی

شهریور1392
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
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 [1]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 عمومی مدل بهینه‌سازی با استفاده از سناریوها                                                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- بازتوزیع سود ائتلاف با استفاده از مدل‌ بازی همكارانه FVLC                                                63
5-6-1- بازی 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 وضعیت بارش براساس SPI…… 36
جدول 4-1- مقادیر 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- منحنی 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

یک مطلب دیگر :

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[2] 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[3]، بهره­وری[4] و پایداری[5]، 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 كمی و كیفی 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 كه استانداردهای زیست‌محیطی نیز تأمین شود. سپس با رویکرد تئوری بازی‌ها، مدلی به منظور تخصیص كمی و كیفی 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[6] لحاظ شده­اند. این مدل­های بهینه­سازی در محیط نرم­افزار [7]GAMS کدنویسی شده‌اند.

1-2- اهمیت مسئله

بشر تقریباً‌ یک درصد كل آب روی زمین را مورد بهره‌برداری قرار می‌دهد كه 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 كیفیت آب نیز از پارامترهای مهمی است كه بسته به مورد استفاده، از طریق ارگان­های مختلف دارای محدودیت‌هایی است. بدین معنی كه برای مصارف مختلف استانداردهای مختلفی برای كیفیت آب تعیین گردیده است از اینرو كیفیت آب نیز از پارامترهای تعیین كننده 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- هدف