23238

توسعه مدل تصميم‌گيري براي مديريت تلفيقي منابع آب‌سطحي و زيرزميني در شرايط عدم قطعيت با استفاده از شبكه هاي باور بيزين (مطالعه موردي: دشت مياندوآب)

دكتري

مهندسي و مديريت منابع آب

1393-1399

1399/09/06

دكتر باقر ذهبيون

دكتر حسين بابازاده - دكتر مجيد احتياط

عمران

رقابت بين برداشت آب در بخش كشاورزي و تامين نياز زيست محيطي مشكلي فزاينده در حوضه‌هاي آبريز بسته است. دليل اين امر، عدم تامين نياز آبي درياچه هاي موجود در اين حوضه‌هاست كه تحت تأثير برداشت آب از بالادست رودخانه‌ها، براي تامين نياز كشاورزي قرار دارند. در اين تحقيق، يك مدل شبيه‌سازي-بهينه‌سازي چندزمانه (Multi-period) براي شناسايي سناريوهاي بهينه مديريت منابع آب در حوضه‌هاي آبريز بسته توسعه داده شد و از آن به منظور كاهش رقابت بين نياز كشاورزي و زيست-محيطي در دشت مياندوآب در حوضه آبريز اروميه به كار گرفته شد. سپس يك مدل تصميم گيري بهينه جايگزين بر پايه نتايج به دست آمده از مدل شبيه سازي-بهين سازي توسعه داده شد. اين مدل تصميم گيري با خوشه بندي سناريوهاي بهينه امكان بررسي همزمان و جامع تاثيرات سناريوهاي بهينه را بر مولفه هاي هيدرولوژيكي و اقتصادي فراهم مي كند. ابتدا در اين تحقيق يك مدل بهره‌برداري تلفيقي آب سطحي و آب زيرزميني براي دشت مياندوآب بر پايه پيوند ديناميكي بين مدل هاي WEAP و MODFLOW توسعه داده شد. بهينه سازي دوهدفه با دو منبع داده مشاهداتي آب سطحي و زيرزميني براي كاليبراسيون اين مدل مورد استفاده قرار گرفت. در اين مرحله، دوره زماني 2001-2013 به عنوان دوره كاليبراسيون و دوره زماني 1991-2001 به عنوان دوره اعتبارسنجي در نظر گرفته شد. در گام دوم، يك مدل شبيه سازي-بهينه سازي توسعه داده شد تا سناريوهاي بهينه به منظور تامين همزمان نياز كشاورزي و زيست محيطي را شناسايي نمايد. در اين مدل، داده هاي هواشناسي و هيدرولوژي مورد استفاده شامل دوره هاي مختلف خشكسالي و مربوط به دوره تاريخي 30 ساله 1984-2013 است. مدل شبيه¬سازي در اين تحقيق شامل ماژول هيدرولوژيكي WEAP-MODFLOW، ماژول زراعي و ماژول اقتصادي است. در گام پاياني، با استفاده از نتايج مدل شبيه‌سازي-بهينه‌سازي دو نوع مدل تصميم گيري بر پايه شبكه استاتيك و پوياي بيزين توسعه داده شد. شبكه استاتيك بيزين اثرات سناريوهاي مديريتي و شرايط خشكسالي بر آب ورودي به درياچه و سود كشاورزي با مقياس سالانه را ارزيابي مي كند و شبكه‌ پوياي بيزين به منظور بهره برداري تلفيقي از منابع آب‌سطحي و زيرزميني با مقياس ماهانه به كار گرفته مي¬شود. نتايج كاليبراسيون دوهدفه نشان مي دهد كه استفاده از دو منبع داده مشاهداتي باعث كاهش عدم قطعيت پارامترهاي كاليبراسيون در مقايسه با كاليبراسيون تك هدفه و استفاده از يك منبع داده مشاهداتي مي شود. نتايج حاصل از مدل شبيه‌سازي-بهينه‌سازي نشان مي‌دهد كه به كارگيري همزمان متغير‌هاي تصميم (حداقل جريان زيست محيطي، كم آبياري و تغيير سطح زير-كشت) امكان افزايش جريان ورودي به درياچه اروميه و افزايش سود كشاورزي را به ترتيب تا 16درصد و 24 درصد در مقايسه با شرايط تاريخي فراهم مي كند. همچنين نتايج نشان مي دهد كه با افزايش حداكثر سود در دراز مدت، افت شديد موقتي در سود كشاورزي در اثر خشكسالي شديد رخ مي‌دهد كه با افزايش ظرفيت پمپاژ آب‌هاي زيرزميني و كاهش موقت حداقل نيازهاي زيست‌محيطي مي‌توان از اين افت جلوگيري كرد. چنين راهكاري در هنگام خشكسالي شديد منجر به كاهش موقتي تراز آب زيرزميني و آب ورودي به درياچه مي‌شود كه پس از پايان دوره خشكسالي شديد به حالت پايدار باز مي‌گردد. نتايج حاصل از آناليز حساسيت شبكه¬هاي بيزين نشان مي دهد كه شرايط خشكسالي نسبت به ساير متغيرها بيشترين تاثير را بر آب ورودي به درياچه اروميه دارد. نتايج حاصل از آزمون هاي صحت سنجي شبكه هاي بيزين نشان مي‌دهد كه اين مدل‌ها از توانايي بالا و دقت قابل قبولي براي شبيه سازي برخوردار هستند. بدين ترتيب يك تصميم‌گير قادر است تا با استفاده از شبكه هاي بيزين به عنوان يك مدل جايگزين براي مدل¬هاي پيچيده شبيه سازي-بهينه سازي، اثرات متغيرهاي مداخله مانند سناريوهاي مديريتي و شرايط خشكسالي را بر متغيرهاي هدف مانند آب ورودي به درياچه و سود خالص كشاورزي با زمان اجراي كم ارزيابي نمايد.

1399/12/02

Development of Decision Making Model for Conjunctive Management of Surface water and Groundwater Resources in Uncertainty Conditions Using Bayesian Belief Networks (Case Study: Miyandoab Plain)

11/27/2021 12:00:00 AM

Competition between meeting agricultural and environmental demands is a growing problem in endorheic basins, due to unsatisfied water supply for the lakes in these basins affected by water withdrawal from upstream rivers to meet agricultural demand. In this study, a multi-period simulation-optimization model was developed to identify optimal water resources management scenarios in endorheic basins and It was applied to reduce competition between agricultural and environmental demands in Miyandoab plain, a strategic agricultural plain in Urmia basin. Then an alternative optimal decision model was developed based on the results obtained from the simulation-optimization model. This decision-making model with clustering of optimal scenarios allows the simultaneous and comprehensive study of optimal scenarios' effects on hydrological and economic components. In this study, the conjunctive use model of surface and groundwater was developed for Miyandoab plain based on the dynamic link between WEAP and MODFLOW models. Two-objective optimization with two sources of surface water and groundwater observed data was used to calibrate this model. At this stage, the period 2001-2013 was considered the calibration period and 1991-2001 as the validation period. A simulation-optimization model was developed in the second step to identify optimal scenarios to meet both agricultural and environmental demands. In this model, climate and hydrological data include different periods of drought and the 30-year historical period 1984-2013. The simulation model in this study comprises WEAP-MODFLOW hydrological module, crop module, and economic module. In the final step, using the simulation-optimization model results, two types of decision-making models based on static and dynamic Bayesian Belief Networks (BBN) were developed. The static BBN evaluates the effects of management scenarios and drought conditions on the inflow of water into the lake and agricultural profits on an annual scale. The dynamic BBN is used to conjunctive use of surface and groundwater on a monthly scale. Two-objective calibration results show that using two observed data sources reduces the uncertainty of calibration parameters compared to using single-objective calibration and the one observed data source. The simulation-optimization model results show that the simultaneous application of decision variables (minimum environmental flow, deficit irrigation, and crop acreage) can increase the inflow to Lake Urmia and increase agricultural profits by up to 16% and 24%, respectively, compared to historical conditions. The results also show that with the increase of maximum profit in the long term, a temporary sharp decline occurs in agricultural profits due to severe drought, which can be prevented by increasing the groundwater pumping capacity and temporarily reducing the minimum environmental demands. Such a severe drought solution leads to a temporary decrease in groundwater level and water inflow to the lake, which returns to a stable state after the end of the severe drought period. The sensitivity analysis of BBNs shows that drought conditions have the most significant impact on inflow to Lake Urmia compared to other variables. The results of BBN validation tests show that these models have high ability and acceptable accuracy for simulation. Thus, a decision-maker can use BBNs as a Meta-model for a complex simulation-optimization model and evaluate the effects of intervention variables (such as management scenarios and drought conditions) on target variables (such as inflow to lake and the net agricultural profit) with low consumption time.

حوضه آبريز درياچه اروميه , ويپ-مادفلو , مدل بهره برداري تلفيقي , كاليبراسيون چندهدفه , بهينه‌سازي چندهدفه , شبكه باور بيزين

Urmia Lake basin , WEAP-MODFLOW , Conjunctive use model , Multi-objective calibration , Multi-objective optimization , Bayesian Belief Network