بخشی از مقاله
کاربردهای نرم افزارWEAP در برنامه ریزی منابع آب
چکیده
نرم افزار WEAP ابزاری برای برنامه ریزی یکپارچه منابع آب می باشد که چهارچوبی جامع، انعطاف پذیر و کاربر دوست برای برنامه ریزی و تحلیل سیاستها فراهم کرده است. تعداد زیادی از کارشناسان، WEAP را
به عنوان مدلی سودمند معرفی کردهاند. در سراسر دنیا، مناطق زیادی با چالشهای جدی در زمینه مدیریت منابع آب مواجه هستند. تخصیص منابع محدود آب و نگرانیهای مربوط به کیفیت آب، برنامهریزی در شرایط متغیر اقلیمی، عدم قطعیتها و نیاز به توسعه و بکارگیری راهبردهای استفاده از منابع آب در جهت توسعه پایدار، از جمله مسایل مورد توجه متولیان برنامه ریزی است. مدلهای مرسوم منبع-گرا (که تمرکز آنها بیش از مصارف آب بر منابع آب است)، برای بررسی گزینههای مختلف مدیریتی همیشه مناسب نیستند.
در طول دهه اخیر نگرش یکپارچه در توسعه طرحهای منابع آب افزایش یافته است و نیازها، مسائل کیفی، مسائل اقتصادی و سایر موارد مربوط به منابع آب در کنار هم مورد توجه قرار گرفتهاند. WEAP نیز
این مسائل را همراه یکدیگر در یک ابزار کاربردی برای برنامهریزی منابع آب و تحلیل سیاستها بکار میگیرد. WEAP قادر است مسائل مربوط به مصارف از قبیل الگوهای مصرف آب، بازده اقتصادی، راهبردهای استفاده
مجدد از آب، هزینه ها و الگوهای تخصیص آب و همچنین مسایل مربوط به منابع از قبیل جریان رودخانه، منابع آب زیرزمینی، مخازن و خطوط انتقال آب را شبیه سازی کند. WEAP این امکان را فراهم کرده است که
مؤلفههای طبیعی (نیازهای تبخیر و تعرقی، رواناب، دبی پایه و ...) و همچنین مؤلفههای ساخته شده (سدها، پمپهای آب زیرزمینی و ...) در سیستمهای آبی شبیهسازی شود و به برنامه ریز اجازه میدهد که به محدوده وسیعی از عوامل و مؤلفه های مهم در مدیریت منابع آب دسترسی پیدا کند. حاصل این کار، ابزاری کارآمد برای آزمایش کردن گزینههای مدیریتی توسعه منابع آب است.
واژههای کلیدی: برنامه ریزی منابع آب ، سیستم منابع آب و کاربردهای نرم افزار WEAP
-1 مقدمه
نرم افزار WEAP بر اساس اصل مقدماتی موازنه آب عمل میکند و میتوان آن را در سامانههای
شهری، کشاورزی در یک حوضه آبریز یا در چندین سامانه حوضه رودخانهای مورد استفاده قرار داد. WEAP قادر به شبیه سازی طیف وسیعی از دادهها (اعم ازمولفههای طبیعی و ساخته شده) از قبیل
رواناب، دبی پایه، تغذیه طبیعی آبهای زیرزمینی، تحلیل نیازها، ذخیره آب، حقابهها و اولویتهای
تخصیص، بهرهبرداری از مخزن، تولید برقابی، روندیابی آلودگی و کیفیت آب، ارزیابیهای آسیب پذیری و نیازهای اکوسیستم است. همچنین با داشتن زیر برنامه تحلیل اقتصادی، به کاربر اجازه میدهد که مقایسه سود و هزینه را برای طرحها انجام دهد.
ساختار اطلاعات و میزان جزئیات را میتوان به سادگی و با توجه به نیازهای موجود، به شکل دلخواه معرفی نمود تا بتوان نیازها و دادههای مورد نیاز برای تحلیل سیستم را وارد مدل کرد. در بکارگیری WEAP معمولا مراحل زیر انجام می شود :[1]
-1 تعریف طرح: مشخصات زمانی (دوره زمانی، گامهای زمانی و ...) ، مرزهای مکانی، مولفههای سیستم و تنظیمات مربوط به مسئله معرفی میشوند.
-2 وضعیت فعلی (سال اول شبیه سازی): نیازهای آبی، بارهای آلودگی و منابع وارد مدل می-
شوند. این مرحله را میتوان به عنوان گام واسنجی در نظر گرفت.
-3 گزینهها (سناریوها): مجموعهای از فرضیات مربوط به تأثیرات تغییر سیاستها، هزینهها و شرایط اقلیمی در آینده در این مرحله تعریف میشوند.
-4 ارزیابی: گزینهها با توجه به کفایت آب، هزینهها و سودها، سازگاری با اهداف زیست محیطی و حساسیت نسبت به عدم قطعیتها در متغیرهای کلیدی مورد ارزیابی قرار میگیرند .[2]
-2 قابلیتهای مدل
قابلیتها و امکاناتی در نرم افزار وجود دارد که کاربر میتواند مدل واقعی و یا طرح مورد نظر خود را بر اساس موارد ذیل برای نرم افزار تعریف نماید .[1]
-1-2 شماتیک طرح شماتیک طرح، الگوریتم و جانمایی سیمای طرح است که میتواند در غالب موارد ذیل انجام
پذیرد.
-1-1-2 مناطق نیاز مناطق نیاز به مجموعهای از مصرف کنندگان اطلاق میشود که در منطقهای خاص از سیستم، از
آب استفاده کرده و یا برداشت مهمی از منابع آب انجام میدهند. در مدل این امکان فراهم شده است که نیازها به صورت یک عدد که در برگیرنده تمام نیازهاست وارد شود و یا اینکه هر نیاز به صورت جزئی و جداگانه در نظر گرفته شود. یعنی نیازهای کشاورزی، شهری، صنعتی و غیره مشخص شود. این اطلاعات را میتوان تا حد دلخواه گسترش داد.
-2-1-2 منابع آب منابع آبی به دو بخش اصلی منابع آبهای سطحی و زیرزمینی تقسیم میشوند که در ادامه
توضیح داده شده است.
-1-2-1-2 آبهای سطحی
2
رودخانهها و انشعابات در مدل WEAP از طریق گرههای رودخانهای به هم متصل میشوند. دیگر
رودخانهها ممکن است به صورت شاخههای فرعی وارد سیستم شوند یا از طریق انشعابات از جریان اصلی خارج گردند. در این مدل امکان تعریف 9 نوع گره اصلی رودخانهای و تعداد نامحدودی زیر گره را دارا میباشد که گرههای اصلی شامل مخازن، نیروگاههای برقابی رودخانهای (جریانی)، دبی حداقل، برداشت، انشعاب، نقاط اتصال شاخهها، نقاط بازگشت جریان، نقاط اندازهگیری جریان و مخزن محلی میباشد.
-2-2-1-2 آبهای زیرزمینی نقاط مربوط به منابع آب زیرزمینی میتوانند دارای جریان طبیعی، نفوذ از طریق آبخیزها،
بازگشت از تصفیه خانههای فاضلاب، اندرکنش با رودخانهها و قابلیت ذخیره درون ماهانه هستند. نقاط آب زیرزمینی را میتوان به هر تعدادی از نقاط نیاز مرتبط کرد. کاربر باید برای هر خط ارتباطی میان آب زیرزمینی و نقاط نیاز، اولویتی را تعیین کند. جریانهای بازگشتی از مناطق نیاز و تصفیه خانه های فاضلاب میتوانند به آبهای زیرزمینی بازگردند.
-3-2-1-2 سایر منابع سایر منابع موجود در سیستم را می توان با مقادیر کمی ماهانه آب شبیه سازی کرد، ولی دارای
قابلیت ذخیره درون ماهانه نیستند. این منابع را میتوان با هر تعداد از نقاط نیاز مرتبط کرد. کاربر بایستی برای هر خط ارتباطی میان این منابع و نقاط نیاز اولویت تعیین نماید. جریانهای بازگشتی از نقاط نیاز و تصفیه خانههای فاضلاب میتوانند به مخازن محلی بازگردند، اما از آنجا که سایر منابع دارای قابلیت ذخیره آب نیستند، WEAP آبی را به داخل آنها باز نمیگرداند.
-3-1-2 خطوط انتقال خطوط انتقال، آب را از منابع سطحی (گرههای مربوط به مخازن و نقاط برداشت آب)، آبهای
زیرزمینی و سایر منابع به مناطق نیاز انتقال میدهند. بعلاوه، خطوط انتقال میتوانند فاضلابهای خروجی از مناطق نیاز و تصفیه خانههای فاضلاب را برای استفاده مجدد به نقاط نیاز بازگردانند.
-4-1-2 خطوط رواناب/نفوذ خطوط جریان، رواناب و نفوذ را از آبخیزها به رودخانهها، مخازن و منابع آب زیرزمینی انتقال
میدهند. رواناب و نفوذ آبخیزها، آب حاصل از بارندگی، ذوب برف، آبیاری و ظرفیت رطوبتی خاک است که توسط تبخیر و تعرق یا جذب توسط خاک، مصرف نمیشود. رواناب آبخیز را میتوان به صورت رواناب یا یک جریان رودخانهای در نظر گرفت.
-5-1-2 خطوط جریان بازگشتی
3
آبی که در یک منطقه نیاز مصرف نشده است میتواند به یک یا تعداد بیشتری از نقاط نیاز، تصفیه خانههای فاضلاب، گرههای آبهای سطحی و یا زیرزمینی هدایت شود. جریانهای بازگشتی بر حسب درصد خروجی مشخص میشوند.
-6-1-2 تصفیه خانههای فاضلاب تصفیه خانههای فاضلاب، آب را از نقاط نیاز دریافت کرده، آلایندهها را حذف و سپس جریان
تصفیه شده را به یک یا تعداد بیشتری از نقاط نیاز، نقاط رودخانهای یا منابع آب محلی باز می-
گردانند. تصفیه خانه فاضلاب میتواند جریان ورودی خود را از چند نقطه نیاز تأمین نماید. نمونهای از سیمای طرح وترد شده در نرمافزار در شکل 1 ارائه شده است.
شکل:1 نمونهای از سیمای طرح وارد شده در محیط نرم افزار ]1[ WEAP
-2-2 چگونگی اولویتهای تخصیص آب این مدل میتواند تا 99 مرتبه از اولویتهای نیاز را در نظر بگیرد. ضمنا دو نقطه نیاز میتوانند
دارای اولویت تخصیص یکسان باشند. اگر اولویتها یکسان باشند، میزان نسبت تخصیص آب بین آنها مساوی خواهد بود، در غیر این صورت ابتدا نیازهای دارای اولویت بیشتر تأمین خواهند شد و سپس سایر نقاط نیاز از آب بهره مند میشوند.
-3-2 شبیه سازی مولفههای کیفی آب
WEAP قادر به مدلسازی کیفی آب شامل تولید آلودگی در نقاط نیاز، حذف آلایندهها در تصفیه
خانههای فاضلاب، جریانهای آلوده ورودی به منابع آب سطحی و زیرزمینی میباشد. در قسمت تعریف پارامترهای کیفی برای شبیه سازی در حوضه آبریز میتوان تا 10 مولفه کیفی را در سیستم
4
وارد نمود. برای هر مولفه کیفی باید روش شبیه سازی کیفی را مشخص نمود. WEAP میتواند چهار
نوع روش شبیه سازی کیفی آبهای سطحی را در مورد مولفه های کیفی بکار برد.
الف- مولفههای پایدار: مولفههای پایدار دارای هیچ زوالی نمیباشند. غلظت در طول رودخانه براساس اختلاط ساده و میاگین وزنی غلظت از تمام ورودیها محاسبه میشود.
ب- مولفههای دارای نرخ زوال مرتبه اول: این نوع مولفهها به صورت تابعی لگاریتمی حذف می-
شوند.
ج - BOD یا میزان اکسیژن مورد نیاز مواد بیوشیمیایی د- DO یا میزان اکسیژن محلول
برای مدل کردن BOD و DO لازم است که اطلاعات مربوط به دما نیز در مدل وارد شود. در WEAP دو روش برای این منظور در نظر گرفته شده است. روش اول استفاده از پارامترهای دیگر و
مدل کردن دما در سیستم است. در این روش دما با توجه به سایر پارامترهای اقلیمی یعنی دمای هوا، رطوبت، باد و عرض جغرافیایی محاسبه میشود. در روش دوم، اطلاعات دمایی مورد نیاز برای هر بازه از رودخانه توسط کاربر به مدل معرفی میشود .[3]
-4-2 قابلیتهای زمانی مدل در این مدل، توسط کاربر، سالی به عنوان سال پایه مطالعات برنامه ریزی منابع آب انتخاب شده
و سالی نیز به عنوان سال پایانی سناریوها انتخاب میشود. یکی از مهمترین ویژگیهایی که باعث برتری WEAP بر مدلهای مشابه آن میشود، قابلیت تعیین تاریخ توسط کاربر است. بدین معنا که
کاربر قادر است ماهها را بطور مثال به صورت ماههای شمسی در مدل وارد کرده و تعداد روزهای هر ماه را نیز مشخص سازد (شکل .(2 این مزیت بخصوص در طرحهای برنامه ریزی منابع آب در کشور ما قابل اهمیت است. در مدلهایی که انعطاف لازم را برای تبدیل ماهها ندارند، برای مواردی همچون تبخیر و یا آبدهی مخزن، ناچار از ضرایبی برای تبدیل استفاده میشود که علاوه بر عدم دقت ذاتی، کاری کم و بیش زمانبر است.
5
شکل:2 نمونه تعریف ماههای شمسی در نرم افزار ]1[ WEAP
-5-2 قابلیت مقایسه گزینه های مختلف
تعریف گزینهها در WEAP در واقع قلب سیستم برنامه ریزی منابع آب در این مدل است. با
تعریف گزینهها میتوان شرایط حوضه آبریز را پس از اعمال گزینههای مختلف مدیریتی کنترل نموده و با یکدیگر مقایسه نمود. در واقع همانگونه که بیان شد، گزینهها برای پاسخ به سؤالاتی به صورت »اگر این اتفاق میافتاد، چه می شد؟« طراحی میشوند.
مدیریت گزینه در WEAP بسیار ساده است. همواره بعد از تعریف اجزای مدل، یک گزینه به نام گزینه پایه (Reference) به صورت خودکار توسط مدل ایجاد میشود. سپس میتوان گزینههای
مختلف را به طور شاخهای به این گزینه پایه اضافه نمود. نمونهای از پنجره مدیریت گزینهها در شکل 3 آورده شده است.
در شکل 4 نمونهای از نتایج خروجی مدل که گزینههای مختلف را با یکدیگر مقایسه میکند، نشان داده شده است.
شکل:3 نمونهای از پنجره مدیریت گزینهها در ]4[ WEAP
