رویکرد تئوری بازی‎های رهبر-پیرو و چانه‎زنی نش در تخصیص بهینه بار آلاینده رودخانه، مطالعه موردی رودخانه قشلاق

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، عضو هیات علمی گروه آب و محیط‎زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانش‎آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران- محیط‎زیست، دانشکده محیط‎زیست، کرج، البرز، ایران

چکیده

تخصیص بهینه بار آلودگی یکی از مهمترین مسائل در حوزه مدیریت کیفی منابع آب است. در این مسئله ذی‌نفعان متعددی با اهداف ارتقای شرایط کیفیت آب و پرداخت هزینههای کمتر بابت تصفیه واحدهای آلاینده حضور دارند. با توجه به ماهیت چندگانه و متضاد اهداف در این‌گونه مسائل، مجموعهای از جبهه پرتوی بهینه به‌عنوان پاسخ ارائه می‌شود که انتخاب یکی از این پاسخ‌ها، میتواند سبب ایجاد تعارضاتی شود. به‌منظور مواجهه با تعارضات میان ذی‌نفعان، استفاده از مدل‌ها و مفاهیم تئوری بازی‌ها توصیه می‌شود. در این‌ پژوهش از رویکرد شبیهسازی- بهینهسازی با استفاده از مدل شبیهسازی QUAL2Kw و الگوریتم بهینهسازی هوش جمعی ذرات به‌منظور تخصیص بهینه بار آلودگیهای cBOD (اکسیژن‌خواهی بیولوژیکی کربنه) امتداد رودخانه قشلاق استفاده شد. به‌منظور مواجهه با تعارضات اهداف ذینفعان حاضر در بهرهبرداری از منابع آب این رودخانه از رویکرد تئوری بازی‌ها و تکنیکهای رهبر-پیرو و تئوری چانهزنی نش استفاده می‌شود. بر اساس نتایج حاصل در مسئله این پژوهش، هزینههای احداث، نگهداری و بهرهبرداری تصفیه‌خانهها در بازی استاکلبرگ و تئوری چانهزنی نش به‌ترتیب 57/191 و 39/293 میلیارد ریال و جریمههای تخطی از استانداردهای سازمان حفاظت محیط زیست در این دو بازی به‌ترتیب 86/31 و 89/3 میلیارد ریال برآورد شد. همچنین تعرفه جریمه در بازی استاکلبرگ و تئوری چانهزنی نش به‌ترتیب 75/10 و 3 ریال به ازای هر واحد تخطی از استاندارد مجاز تخلیه cBOD برآورد شد. مقدار تعرفه جریمه برآورد شده در بازی استاکلبرگ به‌مقدار تعرفه کنونی سازمان حفاظت محیط زیست بسیار نزدیک است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Leader- Follower and Nash Bargaining Game Theory Models for Optimum Waste Load Allocation, Gheshlagh River as Case Study

نویسندگان [English]

  • Motahareh Saadatpour 1
  • Helaleh Khoshkam 2
1 Assist. Prof., School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 MSc Graduated Student of Civil and Environmental Engineering, College of Environment, Karaj, Alborz, Iran
چکیده [English]

Waste load allocation (WLA) is one of the most important elements when evaluating in water quality management problems. Due to multiple and sometimes conflict objectives in WLA problems, a set of Pareto optimal solutions is derived with evolutionary algorithms in which one of these Pareto fronts could be influenced by conflicts. In this research study, simulation-optimization approach was applied by QUAL2Kw simulation model and particle swarm optimization (PSO) as optimization algorithm to assign cBOD point source pollutions for specific location along Gheshlagh River. To reduce the conflicts between beneficiaries for the optimum operation of water resources in river, the level leader-follower and the Nash bargaining game theory models were applied. The results showed that the construction, maintenance and operation costs of the treatment plants for leader-follower and Nash bargaining game theories were about 192 and 293 billion Rial, respectively. The penalties for violating the environmental regulations set by the Iranian environmental protection agency (EPA) for the above theory models were found to be about 32 and 3.9 billion Rial, respectively. Furthermore, the estimated penalty tariff for each overdischarge of allowed cBOD under Stackelberg and Nash bargaining game theories were about 10.8 and 3 Rial, per environmental violation, respectively. The estimated penalty tariff in Stackelberg game is extremely close to current Iran’s EPA penalty tariff.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Particle Swarm Optimization Algorithm
  • Leader-Follower Game
  • Nash Bargaining Game
  • Optimum Waste Load Allocation
  • QUAL2Kw Model

 Afshar, A., Kazemi, H. & Saadatpour, M., 2011, "Particle swarm optimization for automatic calibration of large scale Water Quality Model (CE-QUAL-W2): Application to Karkheh Reservoir, Iran", Water Resource Management, 25, 2613-2632.

Al-Ani, D., 2012, "Energy optimization strategy for system-operational problems", PhD Thesis, McMaster University, Canada.

Anandalingam, G. & Apprey, V., 1991, "Multi-level programming and conflict resolution", European Journal of Operational Research, 51, 233-247.

Asheghmoala, M., Fazel, A.M. & Homami, M., 2014, "The effect of river assimilative capacity in determination of allowable water quality parameters in sewages", Environmental Science and Engineering, 1 (4), 37-49. (In Persian)

Benchekroun, H. & Long, N.V., 2001, Leader and follower: A differential game model, McGill University and CIRANO, Montreal, Canada.

Damghani, K.K., Abtahi, A.R. & Tavana, M., 2013, "A new multi-objective particle swarm optimization method for solving reliability redundancy allocation problems", Reliability Engineering & System Safety, 111,  58-75.

Department of Environment (DoE), 2016, "Environmental crime", Viewed 29 July 2016, http://hse.nigc.ir/Portal/File/ShowFile.aspx? > . (In Persian)

Jafari Salim, B., 2009, "Identification of pollution sources and pollution load determination in Gheshlagh river", MSc Thesis, College of Environment, Tehran University. (In Persian)

Kicsiny, R., Piscopo, V., Scarelli, A. & Varga, Z., 2014, "Dynamic Stackelberg game model for water rationalization in drought emergency", Journal of Hydrology, 517, 557-565.

Khoshkam, H., 2016, "Simulation-optimization approach for waste load allocation in river", MSc Thesis, College of Environment, Karaj, Iran. (In Persian)

Nikoo, M.R., Kerachian, R. & Azadnia, A.A., 2012, "A fuzzy transformation model for water and waste load allocation in rivers", Proceedings of International Conference on Ecological, Environmental and Biological Sciences, Dubai, 7-8 th January.

Madani, K., 2010, "Game theory and water resources", Journal of Hydrology, 381, 225-238.

Lee, C.S., 2012, "Multi-objective game-theory models for conflict analysis in reservoir watershed management", Chemosphere, 87, 608-613.

Madani, K., Zarezadeh, M. & Morid, S., 2014, "A new framework for resolving conflicts over transboundary rivers using bankruptcy methods", Hydrology Earth System Science, 18, 3055-3068.

Nikoo, M.R., BahmanBeiglou, P.H. & Mahjouri, N., 2016, "Optimizing multiple-pollutant waste load allocation in rivers: an interval parameter game theoretic model", Water Resources Management, 30(12), 4201-4220.

Pelletier, G. & Chapra, S., 2008, "QUAL2Kw: Theory and documentation; A modeling Framework for simulating river and stream water quality: Documentation and users manual", Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA.

Safari, N., Zarghami, M. & Szidarovszky, F., 2014, "Nash bargaining and leader–follower models in water allocation: Application to the Zarrinehrud River basin, Iran", Applied Mathematical Modelling, 38, 1959-1968.

Szidarovszky, F., 2008, Game Theory, Classnotes of Game Theory Workshop, Sharif University.

Xu, J., Lv, C., Zhang, M., Yao, L. & Zeng, Z., 2015, "Equilibrium strategy-based optimization method for the coal-water conflict: A perspective from China", Journal of Environmental Management, 160, 312-323.

Zhao, L., Qian, Y., Huang, R., Li, C., Xue, J. & Hu, Y., 2012, "Model of transfer tax on transboundary water pollution in China’s river basin", Operations Research Letters, 40, 218-222.