SUPERVISOR
Hamid Reza Safavi,Omid Bozorg Haddad
حمیدرضا صفوی (استاد راهنما) امید بزرگ حداد (استاد مشاور)
STUDENT
Sayyed Mahdi Sajjadi
سیدمهدی سجادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Conjunctive Use of Surface Water and Groundwater Resources under Climate Change Uncertainty Using Hedging Rules
Due to population growth and increasing demand for water in agriculture, industry and urban along with environmental demands, the issue of supplying and distributing the good quality water became a serious challenge for water resources managers and policy makers. One of the approaches discussed in recent decades is conjunctive use optimization of surface water and groundwater. The aim of this study is to derive the operation policies for surface and groundwater resources using conjunctive hedging rules and the experience and knowledge of water experts. Besides the assessment of climate change impacts on water resources of Zayandehrud River Basin considering uncertainty, another goal is to optimize conjunctive use of basin water resources. Studies show increase in temperature, decrease in precipitation and successive droughts as the effects of future climate change. Also the results of some studies about future climate change of our country indicate increase in temperature, heavy rainfall events and flooding and decrease in snowfall. In addition climate change will have a significant impact on increment of domestic and agriculture water demands. Also changes in rainfall amount along with temperature rise and decrease in snow cover, will affect both quantity and quality of water resources. Changes in temperature and precipitation patterns lead to changes in runoff from rainfall and this issue can affect the water supply of dam reservoirs, discharge of the rivers and groundwater recharge rate, especially during dry seasons. Being located in two different provinces, inter-basin water transfer, different hydrological and climatic conditions, interaction of surface water and groundwater and several kinds of water demands are complexities which Zayandehrud River Basin is faced with. Deriving an optimized conjunctive operation policy is one of the most important goals of this study and all of the mentioned issues should be considered for obtaining such policy. In this dissertation WEAP model is used for simulation and Gravitational Search Algorithm is applied as optimizer. Since the optimization process needs multiple simulations to be done, GSA and WEAP were linked within the Matlab environment. Initial answers are produced in optimization algorithm and each one is assessed in simulation model. In the next step the results return to the Matlab environment for evaluating the objective function and this procedure continues to obtain the optimum policies. To evaluate the performance, resulted policies were applied for a period in the future and under climate change impacts. In this regard, 15 General Circulation Models were used, also to evaluate the uncertainty, bounded range with known probability distribution and weighting methods were applied. The results show unsustainable condition of aquifers located in Zayandehrud Basin and if the current management system continues, Zayandehrud River Basin will face significant problems. Of course operation management of water resources with optimum policies will help to improve the mentioned condition. Utilizing optimized conjunctive operation policy caused an increase in demand sector group sustainability index of 11% and 3% compared with trend policy and dam reservoir hedging policy respectively. According to water resources group sustainability index, using conjunctive hedging policy caused an increase in sustainability of 2% and 6% compared with dam reservoir hedging policy and trend scenario respectively. Mentioned consequences indicate appropriate performance of conjunctive hedging policy in comparison with other studied operation policies. As a result, conjunctive hedging policy can be considered as an efficient solution to overcome the water crisis in Zayandehrud River Basin. Keywords: Water Resources Management, Climate Change, Uncertainty, Conjunctive Use, Hedging Policy, Gravitational Search Algorithm, Zayandehrud River Basin.
امروزه با توجه به رشد جمعیت و نیاز روزافزون به آب در زمینههای مختلف کشاورزی، صنعتی و شهری، همراه با تأمین نیازهای زیستمحیطی، مسأله چگونگی تأمین و توزیع آب با کیفیت مناسب بسیاری از سیاست گزاران و برنامه ریزان منابع آب را با چالش جدی مواجه ساخته است. یکی از راهکارهای مورد توجه در دهههای اخیر بهینهسازی بهرهبرداری تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی میباشد. هدف از تحقیق حاضر تدوین سیاست های بهرهبرداری از منابع آب سطحی و زیرزمینی با بهره گرفتن از قوانین جیره بندی تلفیقی و دانش و تجربیات متخصصین و همچنین بررسی اثرات تغییر اقلیم با در نظر گرفتن عدم قطعیتهای موجود بر منابع آب حوضه آبریز زایندهرود و بهرهبرداری تلفیقی بهینه از منابع آب سطحی و زیرزمینی در این حوضه میباشد. مطالعات انجام شده بیانگر آن است که ازجمله اثرات تغییر اقلیم در آینده این حوضه میتوان به افزایش درجه حرارت و کاهش میزان بارش و در پی آن ایجاد خشکسالیهای متوالی اشاره کرد. همچنین نتایج برخی تحقیقات انجام پذیرفته در ارتباط با تغییرات اقلیمی آتی کشور حاکی از افزایش دما و افزایش بارش های سنگین و سیلآسا و کاهش بارشهای جامد میباشد. علاوه بر این تغییر اقلیم می تواند بر روی افزایش تقاضای آب بخش کشاورزی و شرب از طریق افزایش نیاز آبی تأثیر بسزایی داشته باشد. از طرفی تغییرات در میزان بارش به همراه افزایش دما و کاهش پوشش برف علاوه بر کمیت بر کیفیت منابع آب نیز تأثیرگذار خواهد بود. تغییرات دما و الگوی بارش موجب ایجاد تغییراتی در رواناب های حاصل از بارندگی می گردد و این موضوع تأمین آب مخازن سدها، دبی رودخانهها و نرخ تغذیه آبهای زیرزمینی را بهویژه در فصلهای خشک سال تحتالشعاع قرار می دهد. از طرفی قرارگرفتن حوضه آبریز زایندهرود در دو استان کشور، انتقال آب بین حوضهای، شرایط متفاوت هیدرولوژیکی و اقلیمی، اندرکنش آبهای سطحی و زیرزمینی و وجود مصارف مختلف، نمونهای از پیچیدگیهای این حوضه است که همه موارد مذکور باید درتدوین سیاست بهرهبرداری تلفیقی بهینه که از اهداف این تحقیق است، در نظر گرفته می شد. در این رساله از مدل WEAP به عنوان شبیه ساز و از الگوریتم جستجوی گرانشی به عنوان بهینه ساز استفاده شده است و با توجه به لزوم اجرای شبیه سازی های متعدد در فرایند بهینه سازی جهت رسیدن به پاسخ بهینه، اتصال برنامه های مذکور در محیط نرم افزار Matlab صورت پذیرفت. جواب های اولیه در الگوریتم بهینه ساز تولید و جهت بررسی وارد برنامه شبیه ساز می شود و در مرحله بعد نتایج حاصل جهت ارزیابی تابع هدف به محیطMatlab باز می گردد و این روند تا رسیدن به سیاست بهینه ادامه می یابد. به منظور بررسی عملکرد، سیاست های حاصل برای دوره آینده تحت تأثیر تغییرات اقلیمی بررسی شده است. در این راستا از 15 مدل گردش عمومی بهره گرفته شده و همچنین به منظور ارزیابی عدم قطعیت ها از روش دامنه محدود با توزیع احتمالاتی معلوم و روش وزن بندی مدل ها استفاده شده است. نتایج مطالعه نشان دهنده وضعیت نامناسب سفره های آب زیرزمینی در حوضه می باشد و در صورت ادامه روند مدیریت کنونی منابع آب، حوضه آبریز زاینده رود در این زمینه دچار مشکلات قابل توجهی خواهد شد که با مدیریت بهره برداری از منابع می توان تا حدی این شرایط را بهبود بخشید. نتایج حاصل از اعمال سیاست بهینه بهره برداری تلفیقی نشان دهنده افزایش شاخص پایداری گروهی در تأمین نیازها به میزان 11 درصد نسبت به سیاست روند و 3 در صد نسبت به سیاست جیره بندی مخزن سد می باشد. همچنین بر اساس شاخص پایداری گروهی در بخش منابع استفاده از سیاست جیره بندی تلفیقی پایداری را به میزان 2 و 6 درصد بترتیب نسبت به سیاست جیره بندی مخزن سد و سناریوی روند افزایش می دهد و این نشان دهنده عملکرد مناسب این سیاست در مقایسه با سایر سیاست های بهره برداری مورد مطالعه می باشد. در نتیجه سیاست جیره بندی تلفیقی می تواند به عنوان یکی از راهکارهای مؤثر و کاربردی جهت برون رفت از بحران منابع آب حوضه زاینده رود مورد استفاده قرار گیرد. کلمات کلیدی: مدیریت منابع آب ، تغییر اقلیم ، عدم قطعیت ، بهرهبرداری تلفیقی ، سیاست جیره بندی ، الگوریتم جستجوی گرانشی ، حوضه آبریز زایندهرود