بخشی از مقاله
خلاصه
اضافه برداشت از منابع آب زیرزمینی یکی از عمده مشکلاتی است که در بیشتر آبخوانها و بخصوص در مناطق خشک و نیمه خشک صورت میگیرد. از طرفی معمولا بیشترین بهرهبرداری از این منابع از طریق چاهها و قناتهای حفاری شده توسط انسانها است. بنابراین در نظر گرفتن تعامل انسان با این سیستمها در کنار روشهای مدیریتی مرسوم، امری ضروری است. محدودیت پتانسیل منابع آب زیرزمینی در آبخوان آبرفتی دشت اردبیل و عدم توجه به میزان برداشت مجاز و توسعه روزافزون مصارف کشاورزی، شرب و صنعت موجب گردیده که این آبخوان با افت سطح ایستایی و در نتیجه کاهش حجم مخزن روبرو شود.
در این مقاله، به منظور مدیریت بهتر منابع آب زیرزمینی دشت اردبیل از مدل بهینهسازی به منظور تعیین مقدار برداشت بهینه، از مدل عامل بنیان به منظور شبیهسازی رفتاری ذینفعان و از مدل 02 - /2: برای تعیین میزان تغییرات تراز آب زیرزمینی استفاده شده است. به همین منظور ابتدا ذینفعان مهم منطقه مورد مطالعه و مطلوبیت هر یک از آنها تعیین شده و سپس با استفاده از الگوریتم بهینهسازی چندهدفه ازدحام ذرات و اعمال محدودیتهای برداشت، مقادیر مطلوب برای برداشت آب مشخص گردیده است. در مرحله بعد با استفاده از روش برنامهریزی سازشی بهترین گزینه انتخاب شده است.
در مرحله نهایی مدل شبیهسازی رفتاری که در اینجا از روش مدلسازی عاملبنیان استفاده شده است، تعامل هر یک از عاملها را با یکدیگر شبیهسازی کرده و ماکزیمم تقاضای جدید هر یک از مصرف کنندگان را تعیین نموده است. نتایج حاصل نشان میدهد که استفاده از ساختار بیان شده باعث کاهش ماکزیمم تقاضای عاملها تا 20 درصد نسبت به مقدار اولیه میشود. همچنین بر اساس نتایج مدل شبیهسازی آب زیرزمینی، تراز آب زیرزمینی بعد از اعمال مدل عامل بنیان در بیشتر نواحی افزایش یافته است. به خصوص در نواحی غربی آبخوان با توجه به این که میزان تراکم چاهها و میزان برداشتها بیشتر است، این تغییرات محسوستر بوده و تا 1/2 متر میرسد. نتایج بدست آمده از مدل برای فصل بهار نشان دهنده این موضوع است که در صورت در نظر گرفتن برنامه بلند مدت و اعمال سناریوهای مدیریتی مختلف، نتایج میتواند بهتر شود و باعث جبران کسری حجم آبخوان گردد.
-1 مقدمه
منابع آب زیرزمینی به عنوان یکی از منابع حیاتی در تامین آب مورد نیاز بخشهای کشاورزی، صنعت و شرب محسوب میگردد. از طرفی افزایش جمعیت، توسعه صنعت و افزایش روز افزون تقاضا باعث استفاده بیش از حد از این منابع شده است >1@ که عدم کنترل و مدیریت این اضافه برداشت میتواند باعث از بین رفتن آبدهی بلند مدت پایدار شده >2@ و باعث ایجاد اثرات معکوس بر کمیت، کیفیت، نشست زمین و حقابهها شود.
در این میان از جمله مسائل مهمی که در مدیریت سیستم های پیچیده مانند منابع آب زیرزمینی وجود دارد، حل اختلاف میان ذینفعان مختلف است که با مطلوبیت های متضاد با هم درارتباط هستند. بنابراین سیاستهای برداشت از منابع آب زیرمینی باید به گونه تعیین شود تا با در نظر گرفتن مطلوبیتهای هر یک از طرفهای درگیر - مانند توزیع عادلانه، کارایی اقتصادی و .. - ، رضایتمندی ذینفعان مختلف را تا حد امکان تامین کند. از جمله روشهایی که در مدیریت و تخصیص بهینه منابع آبی در سالهای اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، استفاده از روشهای بهینهسازی چند هدفه و سیستمهای انطباقی پیچیده میباشد.
مدلهای عاملبنیان ارتباط مستقیمی با سیستمهای انطباقی پیچیده دارد، که مفهوم ذاتی آن تعریف سیستمها از جزء به کل میباشد و این امکان را برای تصمیمگیرندگان فراهم میسازد تا یک مدل انطباقی پیچیده برای تخصیص منابع آب ایجاد کنند .>3@ مدلهای عاملبنیان در سالهای اخیر توسط محققان زیادی استفاده و توسعه داده شده است. یانگ و همکاران، یک الگوریتم بهینهسازی غیرمتمرکز برای مدیریت حوزه آبخیز با استفاده از شبیهسازی چندعامله پیشنهاد کردهاند.>4@ چو و همکاران، یک مدل شبیهسازی عاملبنیان به منظور تعیین ویژگیهای مصرف کنندگان آب مسکونی توسعه دادهاند.
>5@ چراینمچرز و توماس، یک پکیج نرم افزاری عاملبنیان با برنامهریزی ریاضی بر اساس سیستمهای چند عامله معرفی کردهاند که به صورت بهینهسازی مقید شده به منظور شبیهسازی تصمیمات کشاورزان در سیستمهای کشاورزی ایجاد شده است.>6@ همچنین تاثیر مشخصات کشاورزان در تغییر کاربری زمین و استفاده بیش از حد از آب زیرزمینی متناظر با آن توسط هولتز و پال وستل >7@، مورد مطالعه قرار گرفته است. جولیانی وکاستلتی، به منظور مدلسازی و تحلیل سطوح مختلف همکاری و همچنین تغییر اطلاعات مابین تصمیمگیرندگان مختلف برای اجازه به عاملهای پایین دست برای وفق بهتر خود با رفتارهای بالادست در سیستم منابع آب، از شبیهسازی عامل بنیان استفاده کرده اند .
>8@ اخباری و گریگ، یک رویکرد جدید از مدل عامل بنیان به منظور شبیهسازی رفتار و تعامل ذینفعان پیشنهاد کردهاند که به عنوان یک بازی مدل شده است .>9@ فرهادی و همکاران، یک ساختار عامل بنیان را به منظور دستیابی به راه حلی پایدار برای مدیریت آب زیرزمینی پیشنهاد کردهاند. در این مطالعه، ضرایب تاثیر اجتماعی در مطالعات زیست محیطی و مکانیزم سیاستگذاری به گونهای که ذینفعان را به همکاری با تصمیم گیرندگان تشویق کند، در مدل عامل بنیان گنجانده شده است .>10@
در بهرهبرداری از منابع آبی معمولا ذینفعان مختلف با مطلوبیتهای مختلفی با هم در ارتباط هستند. بنابراین یک مسئله چند هدفه ایجاد میشود که میتوان با استفاده از الگوریتمهای بهینهسازی چندهدفه آن را حل نمود. شوریان و همکاران، یک مدل بهینهسازی چند هدفه به منظور تخصیص بهینه منابع آب به صورت زمانی و مکانی مابین رقابت کنندگان برای تقاضا، با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات1 توسعه دادهاند .>11@ چانگ و همکاران، یک مدل چند هدفه یکپارچه برای حل مشکل تخصیص و برنامه ریزی منابع آب منطقهای بر اساس الگوریتم بهینهسازی چند هدفه ارائه دادهاند .>12@کیلیک و آناک، یک مدل برنامهریزی چند هدفه برای سیستم آبیاری در مقیاس بزرگ به منظور افزایش سود تولید، افزایش مساحت کل نواحی آبیاری و کاهش هدر رفت آب، توسعه دادهاند .
>13@ روزبهانی و همکاران، یک مدل بهینهسازی چند هدفه برای به اشتراک گذاشتن آب میان ذینفعان یک رودخانه مرزی پیشنهاد کرده اند.>14@ ذکری و همکاران، یک چارچوب کلی برای تخمین مقدار بهینه استخراج آب زیرزمینی برای تامین آب شهری تحت عدم قطعیت و شرایط پیچیدهی نوسانات سفرهی آب زیرزمینی و نفوذ آب دریا پیشنهاد کرده اند. به همین منظوربرای حل مسئله چند هدفه از الگوریتم ژنتیک استفاده کردهاند. سپس به منظور انتخاب نزدیکترین حل به حالت ایدهآل از برنامه نویسی سازشی2 استفاده شده است .>15@
در این تحقیق، ابتدا ذینفعان مهم منطقه مورد مطالعه و مطلوبیت هر یک از آنها تعیین شده است. سپس با استفاده از الگوریتم بهینهسازی چندهدفه ازدحام ذرات و اعمال محدودیتهای برداشت، مقادیر مطلوب برای تخصیص آب مشخص گردیده است. در مرحله بعد با استفاده از روش برنامه ریزی سازشی بهترین گزینه انتخاب شده است. و در واقع مدل بهینهسازی میزان آب موجود را برای هر یک از مصرف کنندگان را تعیین کرده است.
در مرحله نهایی مدل شبیهسازی رفتاری، که در اینجا از روش مدلسازی عاملبنیان استفاده شده است، تعامل هر یک از عاملها را با یکدیگر شبیهسازی و ماکزیمم تقاضای هر یک از مصرف کنندگان را تعییین کرده است.در این مقاله ساختار بیان شده بر روی اّبخوان دشت اردبیل اعمال شده است. در ادامه، در بخش مواد و روشها ابتدا ذینفعان به همراه توابع مطلوبیتشان بیان شده سپس روش مدلسازی عاملبنیان، مشخصات منطقه مورد مطالعه و مدل شبیه سازی آب زیرزمینی آورده شده است. در بخش نتایج و بحث و نتیجهگیری نیز نتایج حاصل از اعمال روش پیشنهادی بر روی آبخوان دشت اردبیل ارائه گردیده است.
-2 مواد و روشها
-1-2 مدل بهینهسازی چند هدفه
در بهرهبرداری از منابع آبی به خصوص منابع آب زیرزمینی که سهم بیشتری را در تامین نیاز مصرف کنندگان دارد ذینفعان مختلفی در ارتباط با هم هستند که هر یک در جهت رسیدن به اهداف مورد نظرشان در تعامل اند. در منطقه مورد مطالعه نیز از یک طرف مهمترین مصرف کنندگان منابع آب زیرزمینی که کشاورزان هستند و حدود 88 درصد از آب مصرفی خود را از چاههای متعددی که در محدوده دشت حفر شده استفاده میکنند >16@، سعی در افزایش برداشت و جبران کمبود خود در جهت رسیدن به سود بیشتر را دارند و از طرف دیگر سازمان آب منطقه اردبیل نیز به عنوان ذینفع اصلی و تصمیمگیرنده منطقه نقش کنترل اضافه برداشت و توزیع عادلانه این منبع آبی مهم و حیاتی را ایفا میکند.
بنابراین یک مسئله چند هدفه به صورت روابط - 1 - تا - 4 - تعریف شده است. به همین منطور برای رسیدن به یک راهکار عملی محدوده مطالعاتی به 36 ناحیه مدیریتی تقسیم شده است. در واقع مسئله چندهدفه به صورت کمینه کردن اختلاف میزان آب تخصیص یافته به هریک از این نواحی - مطلوبیت عامل دولتی - و بیشنه کردن برداشت هر ناحیه تا حد ماکزیمم تقاضای - مطلوبیت عامل مصرف کننده - هر یک، تعریف شده است. به منظور توزیع عادلانه آب از ضریب جینی >17@، استفاده شده است. در این تحقیق به منظور حل مسئله چند هدفه از الگوریتم بهنهسازی ازدحام ذرات استفاده شده است. الگوریتم 362 یک الگوریتم جستجوی اجتماعی است که توسط کندی و ابرهارت در سال >18@ 1995، ارائه شده است.
در این روابط G و D توابع هدف مسئله بوده و به ترتیب مربوط به توزیع عادلانه و کمبود آب کشاورزان برای N ناحیه مدیریتی می- باشد. ، ، , و ̅ , به ترتیب میزان آب تعیین شده برای ناحیه i ام و j ام، ماکزیمم و مینیمم آب مربوط به هر ناحیه و میانگین آب تعیین شده برای نواحی مدیریتی میباشد. AW نیز نشان دهندهی میزان کل آب موجود در محدوده مطالعاتی است. در یک مسئله بهینهسازی چند هدفه با چندین هدف متضاد، تعداد جوابهای بهینه زیادی میتواند ایجاد شود.
روشهای تصمیمگیری چند معیاره در کاهش این جوابها به تعداد کمتر و در نهایت انتخاب بهترین گزینه کمک میکند. در این تحقیق از روش &3 به منظور انتخاب گزینهای که کمترین فاصله را از مقدار آرمانی دارد، استفاده شده است. این روش به طور گستردهای توسط محققین مورد استفاده قرار گرفته است .>19@ که در این رابطه، فاصله هر گزینه از نقطه آرمانی، و به ترتیب نشان دهندهی بدترین و بهترین مقدار معیارi ام، عملکرد گزینه از دید معیار i ام، w، n و p نیز به ترتیب وزن نسبی معیار i ام،تعداد معیارها و پارامتر بیان کننده اهمیت فاصله، است.
