تدوین مدل تخصیص عادلانه کمّی و کیفی آب در سیستم‌های رودخانه-مخزن: کاربرد روش بهینه‌سازی سناریوها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار بخش مهندسی عمران و محیط‌ زیست، دانشکده‌ مهندسی، دانشگاه شیراز

2 استاد بخش مهندسی عمران و محیط‌ زیست، دانشکده‌ مهندسی، دانشگاه شیراز

3 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران- محیط‌ زیست، بخش مهندسی عمران و محیط‌ زیست، دانشگاه شیراز

چکیده

مدل تخصیص عادلانه کمّی و کیفی آب در سیستم‌های رودخانه- مخزن امکان تصمیم‌گیری در مورد مقدار تخصیص آب را با لحاظ اثرات بلندمدت جنبه‌های هیدرولوژیکی، اقتصادی و زیست‌محیطی، فراهم می‌نماید. تخصیص آب بر اساس سه معیار عدالت، بهره‌وری و پایداری، با در نظر گرفتن عدم‌قطعیت در پارامترهای هیدرولوژیکی انجام می‌شود. در این روش، ابتدا مدلی برای تخصیص کمّی- کیفی بر اساس سه معیار ذکر شده در مدل بهینه‌سازی GAMS توسعه داده شد. با شناسایی عدم قطعیت موجود در داده‌های ورودی، بر مبنای روش بهینه‌سازی سناریو، سناریوسازی انجام شد. برای هر زیرسناریو، مقدار تخصیص آب به‌وسیله مدل ابتدایی تعیین شد و سپس به‌وسیله مدل ردیاب، مقدار تخصیص آب در هر سناریو به‌دست آمد. کارایی روش پیشنهادی برای سیستم رودخانه-مخزن رودبال، در حوضه آبریز رودخانه رودبال در جنوب شرقی استان فارس واقع در جنوب ایران، ارزیابی شد. پس از بررسی‌های انجام شده مشخص شد، پارامتر دارای عدم قطعیت در منطقه، میزان آورد رودخانه و بحرانی‌ترین پارامتر کیفی، غلظت TDS است. با توجه به عدم قطعیت موجود، سه سناریو ترسالی، نرمال و خشکسالی ایجاد شد. نتایج حاصل از به‌کارگیری مدل پیشنهادی نشان می‌دهد در سال‌های تر و نرمال 100 درصد و در سال‌های خشکسالی نیز به‌طور میانگین 61 درصد نیاز آببران تأمین می‌شود. حجم مخزن نیز همواره بیش از کمترین حجم ممکن (35 میلیون متر مکعب)و مقدار TDS در نقاط کنترلی کمتر از 1000 میلی‌گرم در لیتر (مقدار استاندارد) می‌باشد. مقدار سه معیار در نظر گرفته شده نیز بالاترین مقدار ممکن می‌باشند. براساس نتایج حاصله، سیستم رودخانه-مخزن رودبال، در تأمین نیاز آببران بخش کشاورزی، در سال‌های تر و نرمال مشکلی ندارد و لذا می‌توان در این سال‌ها آب را به‌منظور استفاده در سال‌های خشک، ذخیره‌سازی نمود. در سال‌های خشک، تخصیص آب بین آببران به گونه‌ای صورت گرفته است که شاخص‌های یاد شده دارای بیشترین مقدار باشند و در ضمن حجم ذخیره مخزن به جز در ماه‌های پایانی افق بهینه‌سازی به مقدار حداقل نرسد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Developing a Water Quantity-Quality Equitable Allocation Model in River-Reservoir Systems: Application of Scenario Optimization Technique

نویسندگان [English]

  • Seyyed Hossein Afzali 1
  • Nasser Taledbeidokhti 2
  • Atefeh Pouya 3
  • Mohammad Reza Nikoo 1
1 Assist. Prof. of Civil-Environmental Engineering, Faculty of Engineering, University of Shiraz, Shiraz, Iran
2 Prof. of Civil-Environmental Engineering, Faculty of Engineering, University of Shiraz, Shiraz, Iran
3 Former Graduate Student of Civil-Environmental Engineering, Faculty of Engineering, University of Shiraz, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Water quantity-quality equitable allocation model in river-reservoir systems provides the possibility of decision making on the amount of allocated water by considering the hydrological, economical, and environmental effects. Water allocation is done according to three criteria, namely equity, efficiency, and sustainability by considering uncertainties in hydrological parameters. In this method, at first a water quantity-quality allocation model was developed in GAMS optimization model based on the mentioned three criteria. Scenarios were built based on scenario optimization technique by identifying the uncertainties in the model inputs. Water was allocated using the initial model for each sub-scenario. Afterward, water allocation in each scenario was obtained by the tracking model. To assess the applicability of the proposed method, it was applied to Roodbal river basin in south-east of Fars province, south of Iran. After analyzing basic data, upstream inflow and TDS concentration were identified as the uncertain input and the most critical quality parameter respectively. Due to the existing uncertainty, three scenarios of wet, normal and dry year were built. The results of using the proposed model showed that 100 percent of the users’ demands are supplied in wet and normal years and 61 percent in dry years. The volume of reservoir was always more than minimum volume (35 MCM) and TDS concentration was lower than 1000 mg/L (TDS water quality standard). The value of these three criteria were also at their highest possible. Based on the results of the model, the Roodbad River-Reservoir system faces no problem in supplying agricultural water demands in wet and normal years. Therefor, water can be stored in wet and normal years to be used during dry years. In dry years, water is  allocated to the users in a way that the mentioned criteria have the maximum values and the reservoir storage doesn’t reach the minimum value except for the last month of the optimization period.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water Quality-quantity Allocation
  • Equity
  • River-Reservoir Systems
  • Optimization of Scenarios

 Ab-Niroo Consulting Engineers., 2000, Review of the report of the water resources planning and performance of the Roodbal dam based on the water volumes allocated for different consumption sections, Ministry of Energy, Tehran, Iran. (In Persian)

Alcomo, J. & Gollopim, G., 2009, Building and generation of world water scenarios : Water in changing world, The United Nations World  Water Development Report 3, United Nations World Water Assessment Programme (WWAP).

Dong, C., Schoups, G. & Giesen, N., 2013, "Scenario development for water resource planning and management : A review", Technological Forecasting and Social Change, 80 (4), 749-761.

Dembo, R. S., 1991, "Scenario optimization", Annals of Operations Research, 30(1), 63-80.

Fu, Y. H., Guo, P., Fang, S. & Li, M., 2014, "Optional water resources planning based on interval-parameter two stage stochastic", Transactions of the Chinese Society Agricultural Engineering, 30 (5), 73-81.

Gallopin, G. C. & Rijsberman, F., 2000, "Three global water scenarios", International Journal of Water, 1(1), 16-40.

Karamouz, M. & Araghinezhad, Sh., 2010, Advanced hydrology, University of Amir Kabir Technology, Tehran. (In Persian)

Karimi, A., 2010, "Optimum water allocation modeling at basin scale by integration of waterbasin hydrologic and socio-economic properties and their uncertainties", PhD Thesis, Sharif University of Technology, Tehran, Iran. (In Persian)

Kerachian, R. & Karamouz, M., 2007, "A stochastic conflict resolution model for water quality management in reservoir river systems", Advances in Water Resources, 30(4), 866-882.

Loucks, D. P., Van Beek, E., Stadinger, J. R., Dijkman, J. P. & Villars, M.T., 2005, Water resources system planning and management: An introduction to methods and applications, UNESCO, Paris.

Mojarrad, M., 2011, "Study of well head protection area for a well set from the aquifer of the Bayza and Zarghan basin", MSc Thesis, University of Shiraz, Iran. (In Persian)

Nikoo, M. R., 2011, "Developing a stochastic model for water and waste load allocation in river basins: Application of Game Theory", PhD Thesis, University of Tehran, Iran. (In Persian)

Nikoo, M. R., Karimi, A. & Kerachian, R., 2013, "Optimal long-term operation of reservoir-river systems under hydrologic uncertainties: Application of interval programming", Water Resource Managment, 27(11), 3865-3883.

Nikoo, M.R., Kerachian, R. & Karimi, A., 2012, "A nonlinear interval model for water and waste load allocations in river basins", Water Resources Management, 26 (10), 2911-2926.

Nikoo, M. R., Kerachian, R., Karimi, A., Azadnia, A. A. & Jafarzadegan, K., 2014, "Optimal water and waste load allocation in reservoir–river systems: A case study", Environmental Earth Sciences Journal, 71(9), 4127-4142.

Pouya, A., 2013, "Developing a water quantity- quality allocation model in river basins: Application of Game Theory", MSc. Thesis, University of Shiraz, Iran. (In Persian)

Richard, T., 2002, "Estimates of the damage costs of climate change. Part 1: Benchmark Estimates", Environ. Resour. Econ., 21(1), 47-73.

Syme, G. J., Porter, N. B., Goeft, U. & Kington, E.A., 2008, "Integrating social well being into assessments of water policy: Meeting the challenge for decision makers", Water Pol., 10(4), 323-343.

Tavakoli, A., Kerachian, R., Nikoo, M. R., Soltani, M. & Malakpour Estalaki, S., 2014, "Water and waste load allocation in rivers with emphasis on agricultural return flows: Application of fractional factorial analysis", Environmental Monitoring and Assessment, 186(9), 5935-5949.

Tavakoli, A., Nikoo, M. R., Kerachian, R. & Soltani, M., 2015, "River water quality management considering agricultural return flows: Application of a non-linear two-stage stochastic fuzzy programming", Environmental Monitoring and Assessment, 187(4), 158-187. DOI: 10.1007/s10661-015-4263-6.

United Nations, 2002, "Global challenges global opportunity: Trends in sustainable development", available from <http://www.johannesburgsummit.org/html/documents/summit_docs/criticaltrends_1408. pdf.> Accessed August 21, 2013.

Zheng, H., Wang, Z., Hu, S. & Wei, Y., 2011, "A comparative study of the performance of public water rights allocation in China", Water Resource Management, 26(5), 1107-1123.