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 چگونگی تخصیص منابع آب در یک حوضه آبریز تأثیر می‌گذارند. در نظر گرفتن این عوامل در طریقه تخصیص منابع آب، لحاظ عدم‌قطعیت‌های موجود در عوامل مذکور و وجود ذینفعان متعدد در یک حوضه آبریز باعث می­گردد اعمال یک رویکرد جامع و پایدار در بهره­برداری از منابع آبی حوضه آبریز، امری پیچیده و دشوار باشد. در این پایان‌نامه با در نظر داشتن اهمیت موضوع، آغاز 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 بهره گیری شده می باشد. در مرحله بعد با بهره گیری 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 بهره گیری شده می باشد.کارایی مدل پیشنهادی در حوضه آبریز رودخانه رودبال در استان فارس مورد ارزیابی قرار گرفته می باشد.
واژگان کلیدی: تخصیص کمی و کیفی، تئوری بازی، بهینه‌سازی سناریوها، بازی همکارانه
 
 
 
فهرست مطالب
 
 

صفحه

عنوان                                                                                         
 
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه…………………………….. 2
1-2- اهمیت مسئله……………………….. 3
1-3- هدف………………………………. 5
1-4- سؤالات اساسی پژوهش………………….. 6
1-5- فرض‌های ساده کننده پژوهش…………….. 6
1-6- نوآوری‌های پژوهش……………………. 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 بهره گیری
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

صفحه

عنوان                                                                                         
 
3-3- تئوری بازی‌ها………………………. 24
3-3-1- تفاوت میان تصمیم گیری و بازی……. 25
3-3-2- بعضی 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 بهره گیری 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

صفحه

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 بهره گیری از مدل‌ بازی همکارانه FVLC                                                63
5-6-1- بازی دو جانبه همکارانه FVLC…….. 63
5-6-2- چگونگی 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: اختصار، جمع‌بندی و پیشنهادات
اختصار، جمع‌بندی و پیشنهادات……………….. 84
منابع…………………………………. 86
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول‌ها

صفحه

 
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
 

صفحه

 
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 می باشد، در سناریو نرمال    80
شکل 6-11- مقایسه مقدار رها شده از مخزن در حالت نرمال و حالتی که آورد رودخانه %80 کاهش یافته می باشد، 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 می باشد چگونگی­ بهره­برداری بهینه از منابع آب، بحثی چالش برانگیز باشد. در چند دهه اخیر نظر سیاستگزاران و تصمیم­گیران بخش آب با در نظر داشتن 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 گردد، به سوی توسعه سیاست­های پایدار در تخصیص منابع آب، جلب شده می باشد. به همین علت رویکرد برنامه‌ریزی مبتنی بر مدیریت عرضه[2] که با هدف بیشینه‌سازی عرضه آب برای تقاضاهای آبی اقدام می کند، امروزه جای خود را به رویکردهایی داده می باشد 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 طریقه تخصیص منابع آب، لحاظ عدم‌قطعیت‌های موجود در عوامل مذکور و وجود ذینفعان متعدد در یک حوضه آبریز باعث می گردد 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 می باشد. 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 آغاز با رویکرد تخصیص همزمان کمی و کیفی آب، براساس سه شاخص یاد شده کوشش شده می باشد، ضمن تخصیص بهینه آب بین آببران، بار آلودگی وارد‌شده توسط آن‌ها که متأثر از مقدار آب تخصیص داده شده می باشد، به گونه­ای باشد که استانداردهای زیست‌محیطی نیز تأمین گردد. سپس با رویکرد تئوری بازی‌ها، مدلی به مقصود تخصیص کمی و کیفی منابع آب ارائه می گردد که بتواند ضمن در نظر داشتن مطلوبیت‌های طرف‌های درگیر و جلب رضایت آنها، سود حاصل در سیستم حداکثر گردد. در مدل­های ارائه شده عدم‌قطعیت موجود در پارامترهای هیدرولوژیکی و اقتصادی به ترتیب با بهره گیری از روش بهینه­سازی سناریوها و مدل بازی FVLC[6] لحاظ شده­اند. این مدل­های بهینه­سازی در محیط نرم­افزار [7]GAMS کدنویسی شده‌اند.
 
 

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه کارشناسی ارشد رشته عمران : معرفی شبکه های عصبی و کاربرد آن در حمل و نقل ریلی

1-2- اهمیت مسئله

 
بشر 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) می باشد و همین مقدار اندک پراکنشی نا­متناسب دارد. با در نظر داشتن 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 می گردد. با چنین اقلیمی، ایران کشوری می باشد 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 می باشد. این در حالی می باشد که الگوهای مدیریتی و رفتاری ما در مصرف همین منابع ناچیز به گونه‌ای می باشد 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 یاد شده می باشد. منابع آب شیرین برای برآوردن نیازهای اولیه بشر، جنبه‌ای حیاتی دارد و حفاظت ناکافی از کیفیت و کمیت این منبع حیاتی منجر به پدید آمدن محدودیت‌های جدی در فرایند توسعه پایدار می گردد و از این رو بهره گیری بهینه کمی و کیفی از منابع آب موجود امری اجتناب ناپذیر می باشد. 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 می باشد که از عمده‌ترین علت های آن می­توان به ارزش اقتصادی حاصل از بهره‌برداری بهینه از منابع آب، افزایش نیازهای آبی و کمبود منابع آب در دسترس تصریح نمود. از طرفی کیفیت آب نیز از پارامترهای مهمی می باشد که بسته به مورد بهره گیری، از طریق ارگان­های مختلف دارای محدودیت‌هایی می باشد. بدین معنی که برای مصارف مختلف استانداردهای مختلفی برای کیفیت آب تعیین گردیده می باشد از اینرو کیفیت آب نیز از پارامترهای تعیین کننده در تعیین سیاست بهره‌برداری از منابع آب موجود می باشد (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 در نظر داشتن نیاز هرچه بیشتر به آب، توجه سیاستگزاران و تصمیم‌گیران بخش آب بیش از پیش به سمت چگونگی مدیریت منابع آب این استان جلب شده می باشد (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 می باشد. رودخانه رودبال به عنوان اصلی­ترین منبع آب سطحی در این منطقه می­باشد. متأسفانه در سال­های اخیر با در نظر داشتن 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 می باشد (مهندسین مشاور آب نیرو، 1390). حال با در نظر داشتن شرایط منطقه و اهمیت موضوع، تخصیص بهینه و کنترل شده منابع آب در سیستم مخزن-رودخانه رودبال امری ضروری می باشد.
 
 

1-3- هدف

 
یکی از موردها 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 می باشد، 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 می باشد که تخصیص بهینه از سیستم رودخانه-مخزن براساس سه معیار ذکر گردیده 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 کوشش شده می باشد مدل به گونه­ای فرمولبندی گردد که در جواب بهینه حاصل معیارهای یاد شده تا حد امکان رعایت گردد. هدف دیگر در این پایان­نامه، ارائه الگوهای تخصیص عادلانه و کارای آب، به گونه­ای که ضمن حفظ کیفیت آب و عدم تخطی از استاندارد کیفیت آب، منافع حاصله از تخصیص آب نیز حداکثر گردد. بدین مقصود براساس تئوری بازی‌ها آغاز ائتلاف­های ممکن بین آببران شکل گرفته و سپس مدلی ارائه گردیده می باشد که علاوه­بر در نظر گرفتن سه معیار ذکر گردیده، 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 بهره گیری گردید.
 
 
 

1-4- سؤالات اساسی پژوهش

 
در بخش قبل اهداف اصلی پایان­نامه تشریح گردیدند. سؤالات اصلی که در قالب مطالعات انجام شده در این پژوهش پاسخ داده شده‌اند، به تبیین زیر می‌باشند:
– آیا می‌توان بر پایه سیاست­های بهینه به دست آمده از مدل بهینه‌سازی تخصیص کمی وکیفی آب، قوانین تخصیص در زمان واقعی را تدوین نمود؟
– آیا درنظر گرفتن عدم‌قطعیت­ها در افزایش بهره­وری سیستم مؤثر می باشد؟
– در مدیریت تخصیص کمی و کیفی آب در سیستم رودخانه-مخزن آیا تلفیق مدل‌های تخصیص کمی و کیفی آب می‌تواند در افزایش بهره‌وری سیستم مؤثر باشد و منجر به بهبود وضعیت کیفیت آب گردد؟
 
 

1-5- فرض­های ساده­کننده پژوهش

 
در این پژوهش فرض‌های زیر درنظر گرفته شده می باشد:
– در منطقه مورد مطالعه فرض شده می باشد امکان عدم تأمین نیاز شرب و صنعت در طی تمام زمان برنامه­ریزی وجود ندارد. پس تأمین نیاز این دو بخش به صورت صد در صد صورت پذیرفته می باشد.
– روستاهای حقابه­بر، به مقصود مدیریت تخصیص آب، گروه­بندی شده­اند و در نهایت چهار آببر به عنوان آببر کشاورزی درنظر گرفته شده می باشد.
– فرض گردیده می باشد مخزن سد به صورت یک تانک با اختلاط کامل اقدام می­کند.
 
 

1-6- نوآوری­های پژوهش

 
نوآوری­های این پژوهش در زمینه مدلسازی تخصیص آب به صورت زیر قابل اظهار می باشد:
1- مدلسازی کمی و کیفی سیستم­های رودخانه-مخزن با لحاظ سه شاخص پایداری، عدالت و بهره­وری.
2- بازتوزیع منافع حاصل از تخصیص کمی و کیفی با تدوین مدل بازی همکارانه FVLC
3- به کارگیری شاخص SPI[8] جهت سناریوسازی در طریقه تحلیل سناریوها
4- تدوین مدل بهینه­سازی سناریویی تخصیص کمی وکیفی آب
 
 

1-7- ساختار پایان­نامه

 
این پایان‌نامه در چهارچوب هفت فصل ارائه شده می باشد. در فصل حاضر کلیات مرتبط با پایان‌نامه مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در فصل بعد مروری بر کارهای پیشین و تحقیقات صورت گرفته در زمینه تخصیص کمی وکیفی آب و به کارگیری تئوری بازی‌ها در تخصیص منابع آب انجام گرفته می باشد. چگونگی عملکرد نرم‌افزارها و روش­های به کار گرفته شده در طریقه مدلسازی، در فصل سوم ارائه شده می باشد. در این پژوهش مورد مطالعاتی جهت ارزیابی مدل ارائه شده، حوضه رودخانه رودبال می­باشد. مشخصات محدوده مذکور در فصل چهار مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. ساختار مدل به کار گرفته شده و نتایج حاصل از کارگیری مدل در منطقه مورد مطالعه به ترتیب در فصل پنج و شش تشریح شده می باشد. در نهایت در فصل هفتم نیز نتیجه­گیری و پیشنهادات برای ادامه­ی پژوهش ارائه شده می باشد.
 
[1]Fuzzy Variable Least Core
[2] Supply Management
[3] Equity
[4] Efficiency
[5] Sustainability
4 Fuzzy Variable Least Core
[7] General Algebraic Modeling System
[8] Standardized Precipitation Index
***ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

تعداد صفحه :118

قیمت : 14700 تومان

***

دسته‌ها: عمران