بخشی از مقاله
چکیده
منابع آب، یکی از پایه های اصلی توسعه پایدار به حساب میآید و در سال های گذشته در زمینه برنامهریزی صحیح در مدیریت آب، سرمایه گذاری قابل توجهی انجام پذیرفتهاست. تخصیص بهینه آب از دیرباز در بین جوامع بشریمورد توجه محققان و دانشمندان مهندسی آب بوده است. در راستای رویکرد سیستماتیک میتوان گفت که تخصیص بهینه، حلقهای از سیستم یکپارچه عرضه و تقاضا - منابع و مصارف - است. در این تحقیق محدوده مطالعاتی شامل سد علویان و شبکه آبیاری و زهکشی صوفیچای در پاییندست آن در نظر گرفته شد. اراضی کشاورزی این محدوده شامل 4 منطقه با وسعتهای متفاوت بودند.
به منظور بهینهسازی مصرف آب آمار و اطلاعات زیادی از منابع و مصارف در منطقه مورد مطالعه جمع آوری شدند. در تحقیق حاضر برای تخصیص بهینه آب در طول فصل زراعی در شبکه آبیاری و زهکشی صوفیچای ابتدا به بررسی وضعیت منابع آب موجود اعم از آب موجود در مخزن سد علویان، سفرههای آب زیرزمینی، بارندگی موثر، آب برگشتی از شهر مراغه پرداخته شد. برای پیشبینی آورد رودخانه صوفیچای از شبکه عصبی در محیط نرمافزار MATLAB استفاده شد و در ادامه نیازهای موجود در محدوده طرح که شامل نیاز شرب و صنایع شهر مراغه، نیازهای زیست محیطی و نیاز آبی محصولات کشاورزی در شبکه آبیاری و زهکشی بررسی و برآورد شد. نتایج حاصل از این تحقیق حاکی از توانایی شبکه های عصبی مصنوعی در تخصیص بهینه آب در منطقه بود.
مقدمه
در قرن اخیر و بعد از پایان جنگ جهانی دوم، همزمان با پیشرفت تکنولوژی ساخت سازههای عظیم، بکارگیری نگرش سیستماتیک در تحلیل و حل مسایل تخصیص منابع - بالاخص منابع پایه مانند آب - بین نیازهای بخشهای مختلف بر پایه اصول برنامهریزی ریاضی، سبب جهش بزرگی در مسیر اهداف توسعه بخشی و فرابخشی شده است. منابع آب، یکی از پایه های اصلی توسعه پایدار به حساب میآید و در سال های گذشته در زمینه برنامهریزی صحیح در مدیریت آب، سرمایه گذاری قابل توجهی انجام پذیرفتهاست.
تخصیص بهینه آب از دیرباز در بین جوامع بشری مورد توجه محققان و دانشمندان مهندسی آب بوده است. در راستای رویکرد سیستماتیک میتوان گفت که تخصیص بهینه حلقهای از سیستم یکپارچه عرضه و تقاضا - منابع و مصارف - است.مدیریت عرضه به مجموعه اقدامات سازهای و غیرسازهای میگویند که جهت تامین مصارف و تقاضاها انجام میشود که شامل بررسی مقادیر منابع آب موجود و قابل استحصال و میزان استفاده از این منابع و روشهای انتقال آب میباشد.
در سال های اخیر روش های پیشرفتهای بر مبنای استفاده از روشهای محاسباتی از قبیل شبکههای عصبی، منطقفازی، الگوریتم ژنتیک و الگوریتمهای موازی ژنتیک مطرح شده است که به طور گسترده در مسائل پیچیده مهندسی به کار گرفته میشوند.شبکههای عصبی مصنوعی - ANN - ابزار مناسبی برای مدلسازی سیستمهای غیرخطی میباشند. شبکههای عصبی مصنوعی مدلهای ریاضی ساده شده شبکههای عصبی بیولوژیک را ارائه می کنند. این شبکهها در برگیرنده قابلیت درک و تعمیم راه حلهای معنیدار برای مسائلی از نمونه ها، حتی در مواردی که دادههای ورودی دارای خطا و یا ناقص باشند؛ و سازگار نمودن راهحلها با شرایط متغیر و پردازش سریعتر اطلاعات میباشند.
یک سیستم ممکن است غیرخطی و چندمتغیره باشد و متغیرهای دخیل ممکن است دارای روابط داخلی پیچیدهای باشند. شبکههای عصبی مصنوعی توانایی مطابقت با این پیچیدگیها را دارند و دقت آنها با افزایش هر چه بیشتر داده های ورودی، افزایش می یابد. همچنین شبکه های عصبی مصنوعی توانایی استخراج رابطه بین داده های ورودی و خروجی یک فرآیند را بدون هیچ گونه اطلاع از اصول آن دارند.
به دلیل تواناییهای تعمیم یافته تابع استخراجی، نیازی به هیچگونه فرضی در مورد رابطه - خطی یا غیرخطی - بین دادههای ورودی و خروجی نیست. در پیشبینی جریان - آورد رودخانه - بهطور کلی مدلهای همبستگی، سریهای زمانی، شبکه عصبی و سیستم استنتاج فازی بیشترین کاربرد را دارند. اما باید توجه کرد که عوامل موثر در فرآیندهای هیدرولوژیک بسیار متنوع هستند، و اعمال کلیه آنها در مدلهای طراحی شده تقریبا غیرممکن است. همچنین وجود عدم قطعیتهای بالا و غیرخطی بودن دادهها باعث میشود مقایسه عملکرد یک مدل نسبت به سایر مدلها، بیشتر تحت تاثیر نوع ورودیهای مدل باشد تا خود مدل.
در چند دهه اخیر استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی در علوم آب گسترش فراوانی یافته است. محققین مختلفی در خصوص پیش بینی جریان با استفاده از شبکههای عصبی مطالعات گوناگونی انجام داده اند. کولیبالی و همکاران - 2000 - میزان جریان ورودی به سدی در کانادا را با استفاده از شبکههای عصبی برآورد کردند و در این تحقیق شبکههای عصبی بازگشتی، شبکههای عصبی بازگشتی با زمان تاخیر در ورودیها، شبکههای عصبی انتشار برگشتی و شبکههای عصبی انتشار برگشتی با زمان تاخیر در ورودیها با هم مقایسه شدهاند. نتایج نشان دهنده برتری نتایج شبکههای عصبی بازگشتی یا RNN بود. مرید - 1382 - از شبکه عصبی مصنوعی و مدلهای سری زمانی در پیشبینی جریان ورودی به سد علویان استفاده نمود. در این تحقیق برتری ANN نسبت به سایر مدلها گزارش شده است.
کومار و همکاران - 2004 - دو مدل شبکه عصبی پیشخورد و شبکه عصبی برگشتی را در پیشبینی جریان ماهانه رودخانهای در هند به صورت 1 و 12 ماه آینده مورد مقایسه قرار دادند و نتایج مدل شبکه عصبی برگشتی را در هر دو مورد مناسبتر گزارش نمودند.کیسی - 2005 - برای تعدادی از رودخانهها در آمریکا و ترکیه با استفاده از دو روش شبکههای عصبی و اتورگرسیو سعی نمود جریان این رودخانهها را به صورت روزانه در یک دوره 4 ساله پیشبینی نماید. نتایج نشان داد روش شبکههای عصبی جواب بهتری نسبت به روش اتورگرسیو دارد. در خصوص بهینهسازی تخصیص آب نیز محققین مختلفی تحقیقاتی در این زمینه انجام دادهاند.
راجو و کومار - 2004 - تحقیقی در مورد استفاده از الگوریتم ژنتیک در برنامهریزی آبیاری و توسعه الگوی کشت موثر و بهینه و در جهت افزایش سود یک پروژه آبیاری انجام دادند. نتایج بدست آمده از الگوریتم ژنتیک با حل برنامهریزی خطی مقایسه و بسیار نزدیک مشاهده شد به طوری که میتوان از الگوریتم ژنتیک به عنوان یک مدل بهینهسازی موثر برای برنامهریزی هر سیستم آبیاری استفاده کرد.کارآموز و کراچیان - 1383 - بهرهبرداری بهینه کمی و کیفی از مخازن سدها را با استفاده از مدل الگوریتم ژنتیک غیر قطعی برای مخزن سد 15 خرداد توسعه دادند. مدل بهینهسازی الگوریتم ژنتیک غیر قطعی پیشنهادی، به راحتی می-تواند عدم قطعیت مربوط به جریان ورودی به مخزن را در تدوین سیاستهای بهرهبرداری در نظر بگیرد. کومار و همکاران - 2006 - جهت بهینه کردن عملکرد یک مخزن سد تک منظوره برای آبیاری گیاهان زراعی، الگوریتم ژنتیک را با برنامهریزی خطی مقایسه کردند.
تابع هدف، حداکثر نمودن عملکرد نسبی گیاهان در کل بود. نتایج تحقیق نشان داد که عملکرد الگوریتم ژنتیک با برنامهریزی خطی در توزیع آب بین مراحل مختلف رشد تفاوت چندانی ندارد.کومار و ردی - 2007 - روشهای الگوریتم ژنتیک و هوش جمعی 1 - PSO - را برای استخراج سیاستهای بهرهبرداری در مخازن چند منظوره به کار بردند. این تکنیک برای مخزن چندمنظوره بهادرا2 واقع در هند به کار رفت. با توجه به اهداف این مخزن، هدف بیشینه نمودن تولید برق و کمینه کردن کمبود آب آبیاری میباشد. نتایج نشان داد که استفاده از GA نسبت به PSO، نتایج بهتری در استخراج سیاستهای بهرهبرداری از مخازن دارد.
مواد و روش ها
برنامهریزی منابع آب جهت تخصیص بهینه منابع آب به بخشهای مختلف مصرف مستلزم اطلاعات دقیق و کافی از بخشهای مختلف مصرف و همچنین منابع تامین کننده آب است. محدوده مطالعاتی این تحقیق شامل سد علویان و شبکه آبیاری و زهکشی صوفیچای در پاییندست آن میباشد. رودخانههای صوفیچای و اسفستانج منابع اصلی آب این محدوده میباشند که حوضهی آنها با وسعتی برابر 313/6 کیلومتر مربع، در مختصات جغرافیایی 46 تا 46 25 طول شرقی و 37 11 تا 38 28 عرض شمالی قرار دارند.
سد علویان در 3/5 کیلومتری شهرستان مراغه و 120 کیلومتری شهر تبریز واقع شده است. حجم کل مخزن سد علویان معادل 60 میلیون مترمکعب میباشد. اراضی کشاورزی این محدوده شامل 4 منطقه شامل مناطق 1، 2، 3 و 4 به ترتیب با وسعتهای تقریبی 2500، 4500، 2600 و 1800 هکتار هستند.برای اهداف این تحقیق، نیاز به آمار و اطلاعات زیادی از منابع و مصارف در منطقه طرح و آمار بهرهبرداری از سد بود که این اطلاعات از شرکت آب منطقهای آذربایجانشرقی اخذ شده است.
ایستگاه سینوپتیک مراغه نزدیکترین ایستگاه به محل سد است که از کیفیت آماری مطلوبی برخوردار میباشد. براساس آمار و اطلاعات این ایستگاه، متوسط بارندگی سالانه 330 میلیمتر میباشد که حدود 30 درصد بارندگی در زمستان، بیش از 40 درصد آن در بهار، 2 درصد تابستان و حدود 25 درصد در پاییز میبارد. متوسط دمای سالانه در این محدوده 12/3 درجه سانتیگراد میباشد.براساس آمار موجود از تبخیر در ایستگاه محل سد علویان - سالهای 1972 تا - 1981، متوسط سالانه آن از طشت حدود 1470 میلیمتر است. حداکثر تبخیر ماهانه در تیر و مرداد حدود 270 میلیمتر میباشد.
نوع غالب محصولات کاشته شده شامل گندم، جو، یونجه، سیبزمینی، پیاز، انگور، بادام و سردرختی است.برای این تحقیق، آمار بهرهبرداری از سد برای سالهای 1360 تا 1382اخذ شده است.بر اساس اطلاعات بدست آمده، متوسط جریان ورودی سالانه به مخزن سد، 75/61 میلیون مترمکعب، متوسط جریان خروجی سالانه از سد، 64/4 میلیون مترمکعب، متوسط ذخیره ماهانه سد علویان، 17/65 میلیون مترمکعب، متوسط سالانه حجم آب تخصیصی برای آبیاری، 42 میلیون مترمکعب و متوسط سالانه آب تخصیص یافته برای شرب، 7/4 میلیون مترمکعب بود. تقاضای تخصیص آب از سد علویان به طور کلی در بخشهای کشاورزی، شرب، صنایع و محیطزیست دستهبندی میشود. نیاز سالانه آب در بخش شرب و صنایع شهر مراغه در سال 88 برابر 8/06 میلیون مترمکعب بدست آمد.
نیاز سالانه آب در بخش زیست محیطی در سال 88 برابر 12/1میلیون مترمکعب بدست آمد. بیشترین نیاز آب در محدوده مطالعات مربوط به بخش کشاورزی است که در واقع آبیاری محصولات کشاورزی میباشد. با توجه به اینکه مقادیر نیاز شرب، صنایع و محیطزیست تغییر چندانی نمیکنند، در واقع برنامهریزی تخصیص آب سد علویان در بخش کشاورزی انجام شد که مستلزم بررسی نیاز آبی گیاهان کشت شده در منطقه بود.تبخیر و تعرق پتانسیلدر محدوده شبکه صوفیچای بر مبنای روش پنمن- مانتیس برابر 1038/5 میلیمتر در سال برآورد شده است.با توجه به خصوصیات شبکهی آبیاری و زهکشی و شیوههای کشاورزی مرسوم در منطقه، راندمان کل آبیاری در هر یک از چهار منطقه طبق استعلام از شرکت بهرهبرداری از شبکه آبیاری و زهکشی صوفیچای به ترتیب 0/56، 0/42، 0/42 و 0/36 لحاظ شده است.
