مقاله تخصیص آب در مقیاس حوضه آبریز : مقایسه دو مدل MODSIM - DSS و MIKEBASIN با یکدیگر

بخشی از مقاله

چکیده:

افزایش تقاضا برای آب و نیز افزایش آلودگی منابع آب باعث عدم توازن بین عرضه و تقاضا شده است. ماهیت یکپارچه سیستم های منابع آب نیز که بیانگر تاثیر متقابل بین بخش های مختلف حوضه رودخانه و سیستم منابع آب می باشد باعث افزایش پیچیدگی تخصیص و مدیریت منابع آب در سطح حوضه رودخانه شده است. مدلهای DSS زیادی برای شبیه سازی و مدیریت تخصیص آب در حوضه رودخانه توسعه یافته است که از بین این مدلها دو مدل MODSIM و MIKE BASIN کاربرد زیادی دارند. در این مطالعه ضمن معرفی توانائیها وضعف های دو مدل، مکانیسم تخصیص آب و نیز سایر قابلیت های این دو مدل باهم مقایسه گردیده است. نتایج این مطالعه نشان داد که هر دو مدل با توجه به اهداف شبیه سازی، اهمیت مواردی که باید شبیه سازی گردد، و نیز اطلاعات و داده هایی که از حوضه رودخانه در دست می باشد، قابل استفاده است.

مکانیسم تخصیص آب در مدل MIKE BASIN تفاوت قابل ملاحظه ای با مدل MODSIM دارد چرا که در این مدل فرآیند تخصیص از بالا به پایین بوده و موقعیت های برداشت آب از رودخانه در تخصیص آب موثر می باشد. در حالی در MODSIM تخصیص مستقل از موقعیت گره تقاضا بوده و صرفا به اولویت آن بستگی دارد. مدل MODSIM در شبیه سازی قراردادها، قوانین و مقرارت قانونی و نیز مبادله آب قابلیت های بیشتری نسبت به MIKE BASIN دارد.

مقدمه

سیستم منابع آب در یک حوضه رودخانه و مؤلفههای این سیستم ماهیت یکپارچه و سیستمی دارند بطوریکه تغییر در بخشی از سیستم، سایر بخشهای سیستم را تحت تأثیر قرار میدهد. لذا داشتن دید حوضه ای و یکپارچه به مدیریت منابع آب می تواند به درک بهتری از سیستم و اثرات متقابل بخشهای مختلف آن بر روی هم کمک نماید. این امر نیازمند استفاده از قابلیتهای کامپیوتر برای پردازش حجم بالایی از دادهها و محاسبات میباشد.

مدلهای پشتیبان تصمیم - 1DSS - در منابع آب، از جمله مدلهای شبیه ساز حوضه رودخانه، به دلیل داشتن رابط گرافیکی قوی و نیز قابلیت ارتباط با پایگاههای داده، مدلسازی حوضه رودخانه را برای کاربران مدیران آب بسیار راحت نموده و امکان ایجاد یک دید بصری بر روی حوضه و مؤلفههای آن را فراهم کرده است. از جمله این مدلها می توان MODSIM و MIKE BASIN را نام برد که تخصیص آب را بر اساس مکانیسم اولویت- پایه انجام میدهند.

از جمله کارهای مقایسه ای انجام شده، ارزیابی مدلهای منابع آب طرح WAM2 بوده است.در این طرح مدل WRAP با مدلهای MODSIM، MIKEBASIN و HEC-PREPRO مقایسه و سپس به عنوان مدل برتر انتخاب گردید. وزارت نیرو - 1388 - برای انتخاب مدل مناسب برای برنامه ریزی منابع در حوضه های شرق کشور چند مدل DSS پرکاربرد در منابع آب را از دیدگاههای مختلف بررسی نموده است. و بر اساس معیارهای : - 1 نحوه مدلسازی سیستمهای طبیعی و زیرساخت های مرتبط، - 2 سیستمهای اقتصادی- اجتماعی، - 3 نحوه تخصیص آب بین مصارف و منابع، - 4 امکانات جانبی، - 5 کاربرد مدلها، - 6 قیمت آنها ، مدلهای WEAP, MODSIM, MIKE BASIN, RIBASIM, WBalMo را مقایسه نموده است.

البته در این بررسی فقط امکانات کلی این مدلها را مقایسه نموده و به جزئیات این مدل ها پرداخته نشده و برای منطقه یا مثال خاصی نیز بکار گرفته نشده اند. با توجه به این مطالعه نرم افزار RIBASIM هم درشبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی و هم در نظر گرفتن جزئیات مختلف روند تخصیص آب از هر چهار مدل دیگر قویتر تشخیص داده شد. همچنین مقایسه مدلهای AQUATOOL, MODSIM, RIBASIM, WARGI-SIM, WEAP برای ارزیابی اقدامات کاهش اثرات خشکسالی در جنوب ایتالیا - Sechi and Sulis, 2010 - نشان داد که مدلهای RIBASIM وWARGI-SIM تنها از الگوریتم شبیه سازی در شیوه سنتی اگر-آنگاه استفاده میکنند.

مدلهای AQUATOOL و MODSIM و WEAP اضافه بر شبیه سازی از روشهای بهینه سازی تک دورهیا به عنوان مکانیسم موثر اما نه دقیقاً واقعگرایانه برای انجام شبیه سازی استفاده می کنند. کریمی و موسوی - - 1390 مکانیسم تخصیص آب بر اساس اولویت و چگونگی استفاده از آن در حل مسئله تخصیص را در دو مدل MODSIM و WEAP با هم مقایسه نمودند. این مقایسه ابتدا در قالب یک مثال انجام گرفت و سپس برای یک مطالعه موردی در حوضه اترک بکار گرفته شد.

مهم ترین تفاوت موجود در فرمولبندی دو مدل وجود قید برابری و همچنین عامل اولویت عرضه - Supply Preference - در مدل WEAP میباشد. قید برابری باعث میشود که کمبودها در مدل WEAP بین گرههای با اولویت یکسان به نسبت نیازهای آنها تقسیم شود. اما MODSIM کمبودها را به طور یکنواخت توزیع نمیکند و برای تقاضاهای با اولویت یکسان به صورت تصادفی آب را به یک گره تخصیص میدهد به همین خاطر در چنین شرایطی تابع هدف مدل MODSIM دارای جواب چندگانه میباشد.

باقری و مرید - - 1390 ضمن مقایسه قابلیتها و امکانات شبیه سازی و بهینه سازی مدلهای WEAP و MIKE BASIN، نتایج دو مدل را برای رودخانه تالوار بر اساس شاخصهای اطمینان پذیری و عملکرد مقایسه نمودند. این مطالعه نشان داد که از نظر سرعت اجرای مدل و پردازش دادهها هر دو مدل تقریباً مشابه عمل می کنند و مدت زمان اجرا در هر دو مدلنسبتاً یکسان میباشد. اما مدل MIKE BASIN به دلیل داشتن زیر برنامه های کیفی و آب زیرزمینی مدل جامعتری میباشد در حالی که مدل WEAP فاقد چنین زیر برنامههایی بوده و در صورت نیاز به مدلهای خارجی وصل میشود.

با توجه به مقایسات انجام شده، مدل های MODSIM و MIKE BASIN در برخی موارد بر اساس مشخصات و اطلاعات کلی با هم مقایسه شدهاند و هر یک از این مدلها نیز با مدلهای دیگر به صورت مطالعه موردی و با جزئیات دقیق تر مقایسه شدهاند. اما این دو مدل تاکنون به صورت دقیقتر با همدیگر مقایسه نشده اند. هدف از این مطالعه آشنایی با قابلیتها، نقاط قوت و ضعف و نیز مکانیسم تخصیص آب در مدلهای MODSIM و . MIKE BASIN مقایسه آنها با یکدیگر میباشد که این کار بوسیله دو مثال انجام شده است.

مواد و روشها:

مدل : MODSIM -DSS

مدل MODSIM یک سیستم پشتیبان تصمیم گیری - DSS - جامع مدیریت حوضه رودخانه میباشد. که توسط Labadie and Shafer در سال 1978طراحی و بطور پیوسته توسعه داده شده است. این مدل رایگان بوده و تحت زبان برنامه نویسی C++.NET کد نویسی شده است. یکی از مهم ترین قابلیتهای این نرم افزار چارچوب دات نت آن میباشد که امکان اختصاصی کردن MODSIM برای قوانین بهره برداری، دادههای ورودی، گزارش های خروجی، و دسترسی به مدلهای خارجی که همزمان با آن اجرا شوند را فراهم میکند. مکانیسم تخصیص آب در سطح حوضه در MODSIM با حل پی در پی یک مسئله بهینه سازی شبکه جریان انجام میشود. 

در رابطه - - 1 هدف مینیمم کردن هزینه یا جریمه دبی اختصاص داده شده به تمام لینکهای شبکه میباشد. که در این رابطهqk بیانگر دبی در k امین لینک بوده و Ck هزینه یا فاکتور وزنی و یا اولویت حق آبه هر واحد از جریان در لینک K ام بوده و A مجموعه تمام لینکها یا بازوها در شبکه میباشد . در رابطه - Oi - 2 و Ii به ترتیب بیانگر مجموعه خروجیها و ورودیها به گره i ام میباشند. در صورتی که مقدار bit مثبت باشد به این معنی است اختلاف مجموع ورودیها و خروجیها به گره i ام در دروه t ام مثبت بوده که به معنای ورودی - Gain - به آن گره در آن دوره میباشد. منفی بودن مقدار bit نیز بیانگر تلفات در گره i ام در دوره t ام میباشد.

در این رابطهN بیانگر مجموعه تمام گرهها میباشد. بطوریکه این رابطه باید برای تمام گره ها صادق باشد. پارامترهای bit ، lit و Uit , تابعی از بردار جریان در شبکه بوده که Uit حد بالای جریان در لینک k ام بوده و lit حد پایین جریان در لینک k ام میباشد. این غیر خطی بودنها به دلیل وابسته بودن جریان به محاسبه تبخیر، جریان برگشتی آب زیرزمینی، تلفات کانال و نیاز حداقل جریان رودخانه میباشد.

در رابطه تابع هدف مقدار Ck برای لینکها متناسب با گرههای مقصد که دبی در این لینک ها به آنها اختصاص داده میشود محاسبه میگردد. برای محاسبه این ضریب برای مخزن از رابطه - 4 - و برای گرههای تقاضا - - Demand از رابطه - 5 - استفاده میگردد. مقدار OPRPk بیانگر اولویت مخزن k ام، و DEMRk هم بیانگر اولویت گره تقاضای k ام میباشد. از این مدل برای مدلسازی بهره برداری تلفیقی از منابع آب - - Fredericks et al., 1998, Larson and Spinazola, 2000، ارزیابی کمی - کیفی تخصیص آب - Azevedo et al. , 2000, Campbell et al., 2001, Dai and Labadie, 2001 - و نیز به عنوان تصمیم یار - Labadie et al., 2005 - برای برخی حوضه ها استفاده گردیده است.

مدل :MIKEBASIN

این نرم افزار توسط شرکت دانمارکی DHI توسعه یافته است. به طور کلی حیطه عمل این نرم افزار در مسائلی از قبیل تخصیص آب، استفاده تلفیقی، بهره برداری از مخازن و مسائل کیفی آب است. در زمینههای خاصتری از جمله: - 1 تحلیل دسترسی آب - 2 برنامه ریزی زیر ساخت ها - 3 ارزیابی پتانسیل آبیاری و عملکرد مخزن - 4 تخمین ظرفیت تأمین آب - 5 تعیین الزامات تصفیه فاضلاب - 6 تحلیل تقاضای چند بخشی آب، نیز بکار رفته است.

این نرم افزار از یک رابطه موازنه جرم در وضعیت شبه دائمی3 برای مدلسازی حرکت آب استفاده میکند. و توانایی روندیابی جریان به روشهای ماسکینگهام و مخزن خطی را دارد. رواناب در این نرم افزار به سه روش قابل تعیین است: - 1 با داشتن سری زمانی مربوطه، - 2 استنتاج از روی مقادیر مشاهده شده جریان - 3 به وسیله مدلسازی بارش- رواناب - مدل . - NAM قاعده بهره برداری از مخزن در MIKE BASIN به صورتی ساده مدل میشود که مخزن را به سه صورت دریاچه، مخزن با منحنی فرمان و بصورت استخر مدل میکند. این نرم افزار میتواند قواعد بهره برداری بین چند مخزن را نیز لحاظ نماید.