SUPERVISOR
فرشاد رضائی (استاد مشاور) حمیدرضا صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Shamaeian
سعید شماعیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Optimal Reservoir Operation under Climate Change Conditions using an Improved Grey Wolf Optimization Algorithm - Case Study: Zayandeh Rud Dam
Climate change is a typical scientific term representing the climatic variations across the globe, mainly resulting from the increase of the global average temperature Given the fundamental role that climate plays to form the natural ecosystems and the human economy as well as the civilizations on which they are based, the fight against this phenomenon is of great importance. For this reason, today the phenomenon of climate change is a matter of great concern to scientific and even political assemblies, contributing extensive studies to be done on its effects on water resources. Predicting the future amounts of precipitation and runoff subject to climate change impacts as well as increasing water use and the restrictions to exploit the water resources, are all serious challenges the water resources managers are engaged with. For this purpose, one of the management approaches to mitigate the negative effects of climate change is to predict how the reservoirs will be operated, as water supply and demand management will need to be different from what is already done, and a new approach should be adopted. This study was conducted to investigate the effects of climate change on the temperature and precepitation and consequently the amount of runoff generated upstream of Zayandehrood Dam. Then, the operation of the Zayandehrood Dam reservoir is optimized using grey wolf optimizer (GWO) and its improved version, proposed for the first time in this thesis, utilizing a velocity term in its updating procedure, and hence named Velocity-Aided GWO (VAGWO). Six GCM models have been used to investigate climate change over the 30 year period 2020-2049 under three climate change scenarios RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5. According to the accuracy of GCM models in predicting temperature and precipitation parameters, these models are weighted and then climate change scenarios were constructed using GCM data. In this study, the LARS-WG model was used for Downscaling of daily temperature and precipitation data. Two different HEC-HMS models have been used to simulate the runoff generated at the upstream of the Zayandehrood Dam which is measured in two main branches, named Ghale Shahrokh and Eskandari as well as the transferred surface water through the first and second Koohrang and the Langan spring tunnels. Downstream water use of the Zayandehrood basin has also been estimated through assuming three different scenarios. The first scenario represents extending the increasing trend of the water demands, the second scenario represents launching the third Koohrang tunnel water transfer to the first scenario, and the third scenario represents a water management scheme to reduce the water demands. Finally, the optimization of the Zayandroud reservoir operation is mainly aimed at reducing the difference between supply and demand. Generally, the VAGWO algorithm performs better than GWO in minimizing the objective function. The results also suggest that in all the scenarios, the VAGWO algorithm calculated the water demands to be met by more than 92%, while maintaining the reservoir storage at the end of each water year to be close to the storage target set to be 450 million cubic meters. Key Words: Climate change, Zayandehrood basin, Temperature and Precipitation, Runoff, HEC-HMS model, LARS-WG model, Reservoir Operation, Grey Wolf Optimizer.
تغییر اقلیم یک اصطلاح کلیدی برای تغییر پدیدههای آب و هوایی در سراسر جهان است که با افزایش دمای متوسط ??جهانی همراه است. با توجه به نقش اساسی آبوهوا در شکلگیری اکوسیستمهای طبیعی و اقتصادهای انسانی و تمدنهایی که بر پایه آنها پایهگذاری میشود، مبارزه و گاه سازگاری با این پدیده اهمیت فراوانی دارد. به همین دلیل امروزه پدیده تغییر اقلیم بهعنوان مسئلهای حائز اهمیت و موردتوجه محافل علمی، اجرایی و حتی سیاسی میباشد و مطالعات گستردهای نیز در بخش اثرات آن بر منابع آب صورت گرفته است. پیشبینی وضعیت آینده بارش و رواناب تحت تأثیر تغییرات اقلیمی و همچنین افزایش مصارف و محدودیتهای منابع آب همواره چالشی جدی برای مدیران منابع آب میباشد. بدین منظور یکی از روشهای مدیریتی برای کاهش اثرات نامطلوب تغییر اقلیم، پیشبینی چگونگی بهرهبرداری از مخازن میباشد زیرا با توجه به تغییر در عرضه و تقاضا آب، مدیریت بهرهبرداری از منابع آب نیز باید نسبت به گذشته متفاوت باشد و رویکرد جدیدی برای این منظور اتخاذ شود. این پایاننامه بهمنظور بررسی اثرات تغییر اقلیم بر روی دما و بارندگی و درنتیجه میزان رواناب ایجادشده در بالادست سد زایندهرود و بهینهسازی بهرهبرداری از مخزن سد زایندهرود بهوسیله الگوریتم گرگ خاکستری GWO و نسخه بهبودیافته با افزودن جمله سرعت VAGWO انجامگرفته است.6 مدل GCM جهت بررسی تغییرات اقلیمی در دوره 30 ساله 2020-2049 تحت سه سناریو تغییر اقلیم نسخه پنجم RCP2.6،RCP4.5 و RCP8.5 مورداستفاده قرارگرفته است. بر اساس دقت مدلهای GCM در پیشبینی پارامترهای دما و بارندگی، این مدلها وزن دهی شده و سپس با استفاده از دادههای مدلهای GCM سناریوهای تغییر اقلیمی ساختهشدهاند. در این تحقیق برای ریزمقیاس نمایی دادههای روزانه دما و بارندگی از مدل LARS-WG بهره گرفتهشده است. نتایج حاصل از میانگین تغییرات سالانه در دوره موردمطالعه نشان داده است که کمترین افزایش درجه حرارت مربوط به سناریو RCP2.6 با افزایش 80/0 درجه سانتیگراد و بیشترین افزایش درجه حرارت با افزایش 20/2 درجه سانتیگراد در سناریو RCP8.5 میباشد. همچنین بیشترین افزایش بارندگی با در نظر گرفتن اختلاف میانگین سیساله دوره تاریخی و دوره آینده در سناریو RCP8.5 به میزان 160 میلیمتر مشاهدهشده است. بهمنظور شبیهسازی رواناب ایجادشده در زیر حوضه بالادست سد زایندهرود که به دو قسمت قلعه شاهرخ و اسکندری تقسیمشده از دو مدل متفاوت HEC-HMS استفادهشده است و همچنین منابع آب انتقالی تونل کوهرنگ اول و دوم و چشمه لنگان نیز در نظر گرفتهشده است. کل حجم رواناب ورودی محاسبهشده به سد زایندهرود در کمترین و بیشترین حالت در سالهای آبی 2028-2029 و 2035-2036 به ترتیب به مقدار 1315 و 2551 میلیون مترمکعب بهطور متوسط در سال پیشبینیشده است. مصارف پاییندست حوضه زایندهرود نیز با در نظر گرفتن سه سناریو متفاوت ایجادشده است که سناریو اول ادامه وضع موجود، سناریو دوم اضافه شدن طرح انتقال آب تونل سوم کوهرنگ به منابع آب حوضه و سناریو سوم با رویکرد مدیریت و کاهش در مصارف میباشد. درنهایت بهینهسازی بهرهبرداری از مخزن سد زایندهرود باهدف اصلی کاهش اختلاف بین عرضه و تقاضا با استفاده از الگوریتم فرا کاوشی گرگ خاکستری GWO و نسخه اصلاحی VAGWO صورت گرفته است بهطوریکه در همه اجراهای صورت گرفته الگوریتم VAGWO نسبت به GWO ازنظر حداقل کردن مقدار تابع هدف و همچنین سرعت همگرایی عملکرد بهتری داشته است. الگوریتم VAGWO در بین 1000 تکرار قبل از تکرار 100 ام به جواب نهایی همگرا میشود. همچنین در همه سناریوها درصد تأمین نیاز توسط این الگوریتم بالای 92 درصد برآورد شده است و حجم مخزن در آخر سال آبی نیز به مقدار مطلوب در نظر گرفتهشده 450 میلیون مترمکعب نزدیک بوده است. کلمات کلیدی: تغییر اقلیم، حوضه زایندهرود، دما و بارندگی، رواناب، مدل HEC-HMS ، مدل LARS-WG ، بهرهبرداری از مخزن، الگوریتم گرگ خاکستری