SUPERVISOR
Samuel Sandoval Solis,Hamid Reza Safavi
ساموئل سندوال سالیس (استاد مشاور) حمیدرضا صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Hossein Golmohammadi
محمدحسین گل محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Integrated Water Resources Planning and Management (IWRPM) in The Zayandehrud Basin Under Uncertainty Using Fuzzy Performance Criteria and Sustainability Index
Integrated Water Resources Planning and Management (IWRPM) is a participatory system with all of stakeholders and decision-makers; which is defined as a way for sustainable development of water resources considering all of surface and ground water resources in quality and quantity parts and all of demands such as municipal, industrial, agricultural and environmental demands. The Zayandehrud River Basin is one of the most important watersheds in central Iran; and is a crucial source of water for irrigation, as well as for industries, animal farming, municipal supply and wastewater dilution; which is an ideal case study for IWRM studies. Its location in two provinces of Iran, inter-basin water transfer, different hydrological and climatic conditions, surface and ground water interaction and conjunctive use of them, lenty demand sites with different demands are the reasons of that this basin is known as a complex water system. This study investigates the approaches to reach and apply IWRPM goals in the Zayandehrud basin regarding its conditions, available data and information assuming the quantity part of IWRM studies is more important than quality part. The goals of this study are development of a planning model for the Zayandehrud basin and scenario analysis of four developed scenarios. Those are baseline (Trend), supply management, demand management and meta (supply and demand management) scenarios. Five performance criteria, the time-based and volumetric reliability, resilience, vulnerability and maximum deficit are used for scenario analysis and evaluation. One index, the Water Resources Sustainability Index is used to summarize the performance criteria and to facilitate comparison among trade-offs. A full recognition of the basin and surveying of demands and water resources, creation of a data and information base, selection of suitable tools for modeling, development of planning model, calibration and verification of it are the most important and time-consuming stages of this research. The planning model for the Zayandehrud basin was built to evaluate all scenarios. The period of hydrologic analysis is 21 years, (from Oct/1991 to Sep/2011); and the Zayandehrud model was calibrated for 17 years and validated for 4 years using a Historic scenario that considered historic water supply, infrastructure and hydrologic conditions. This period of analysis contains the historical record of the water abundant period of 1992-1995, the drought period of 2001-2003 and part of the most recent drought of the years 2008-2011. Informational uncertainties arising from historical data, management policies, rainfall-runoff model, resources preferences, demands priorities and sustainability index are considered in a conceptual framework and considered in the modeling process with appropriate methods. Based on the Incremental Flows (IFs) method, the Zayandehrud basin conditions and allocation module features in WEAP, a method is roposed to calculate the interaction between river and aquifers. Comparison of results of this method with others shows that this method is an appropriate and effective method. In this study, fuzzy time-based reliability, fuzzy resilience and fuzzy vulnerability (RRV-Fuzzy) are developed to evaluate the real performance of systems. High performance of these criteria compared with previous approach (RRV-Fixed) are shown through a theoretical example. Also, by fuzzified erformance criteria, the fuzzy sustainability index is estimated by fuzzy sets theory. Then, scenarios are developed for the near future (from Oct/2015 to Sep/2019) considering climate change conditions (scenario A2) and precipitation and temperature data . Because the Zayandehrud model is a planning model and not a hydrologic model (rainfall-runoff model), an Adaptive Network-based Fuzzy Inference System (ANFIS) is used to generate synthetic natural flows considering temperature and precipitation as inputs. After uploading data to the Zayandehrud model, results are evaluated by fuzzy performance criteria and sustainability index. Results for the Baseline scenario show that water demands will be supplied at the cost of depletion of surface and groundwater resources, making this scenario undesirable, unsustainable and with the potential of irreversible negative impact in water resources. Hence, the current water management policy is not viable. The Supply Management scenario may be used to improve demands supply but it have not a tangible effect on resources.
برنامهریزی و مدیریت جامع منابع آب، یک سیستم مشارکتی با حضور تمام ذینفعان وتصمیمگیرندگان است که با درنظرگرفتن کلیه منابع آب اعم از سطحی و زیرزمینی و آب برگشتی از لحاظ کمی و کیفی و تمامی مصارف اعم از شرب، صنعت، کشاورزی و محیط زیست و با لحاظ معیارهای اقتصادی-اجتماعی، زیستمحیطی، حقوقی و سیاسی با هدف توسعة پایدار منابع آب تعریف میشود. حوضة آبریز زایندهرود به دلیل داشتن موقعیت و شرایط خاص در ایران مرکزی یکی از حوضههای مهم جهت مطالعات برنامهریزی و مدیریت جامع منابع آب میباشد. قرارگرفتن این حوضه در دو استان کشور، انتقال آب بین حوضهای، شرایط متفاوت هیدرولوژیکی و اقلیمی، اندرکنش آبهای سطحی و زیرزمینی و وجود منابع و مصارف مختلف، نمونهای از پیچیدگیهای این حوضه است که لزوم تحقیقات برنامهریزی و مدیریت جامع منابع آب را در آن نشان میدهد. در این رساله تلاش میشود با توجه به شرایط حوضه آبریز زایندهرود و داده ها و اطلاعات موجود، راهها جهت نیل به اجرای اهداف برنامهریزی و مدیریت جامع منابع آب در این حوضه با فرض اهمیت بیشتر بخش کمی نسبت به بخش کیفی هموارتر گردد. هدف از این تحقیق توسعه مدل برنامهریزی حوضه زایندهرود و سپس تحلیل چهار سناریوی: 1) ادامه روند موجود، 2) مدیریت تأمین منابع آب، 3) مدیریت تقاضا و 4) سناریوی توأمان با استفاده از خروجیهای مدل و ارزیابی معیارهای عملکرد (اطمینانپذیری در زمان و حجم، برگشتپذیری، آسیبپذیری و بیشینه کمبود) و شاخص پایداری در بخش منابع و مصارف میباشد. شناخت حوضه و ارزیابی منابع و مصارف آن، ایجاد پایگاه داده حوضه، انتخاب ابزار متناسب هدف تحقیق و دادهها، اطلاعات و دانش موجود، توسعه مدل برنامهریزی حوضه، کالیبراسیون و اعتبارسنجی آن از مهمترین و حجیمترین مراحل انجام این رساله بودهاست. دوره آماری انتخابشده به لحاظ در دسترس بودن کلیه دادههای موردنیاز، دربرداشتن دورههای آبی مختلف اعم از خشک، نرمال و تر و نزدیکبودن به شرایط فعلی حوضه، یک دوره 21 ساله از سال آبی 70-1369 تا 90-1389 در نظر گرفته شدهاست؛ که 17 سال آن (از سال آبی 70-1369 تا 86-1385) جهت کالیبراسیون و 4 سال دیگر برای اعتبارسنجی مدل استفاده شدهاست. عدم قطعیتهای اطلاعاتی ناشی از دادههای تاریخی، سیاستهای مدیریتی، مدل بارش-رواناب، ارجحیت منابع و مصارف و عدم قطعیت در تخمین شاخص پایداری در قالب یک مدل مفهومی در طول تحقیق مدنظر قرار گرفته و برای مدلسازی آنها از روشهای مناسب استفاده شدهاست. در این تحقیق برپایه روش جریانهای افزایشی (IFs)، ویژگیهای حوضه آبریز زایندهرود و نحوه تخصیص آب در نرمافزار WEAP، روشی برای محاسبه اندرکنش بین رودخانه و آبخوانهای تحت تأثیر آن ارائه شدهاست. مقایسه روش ارائهشده با مدلهای مختلف و گزارشهای موجود در حوضه حکایت از کاربردیبودن این روش ساده و مؤثر در تخمین اندرکنش بین رودخانه و آبخوانهای آب زیرزمینی در این حوضه دارد. همچنین در این تحقیق در راستای بهبود عملکرد روابط کلاسیک، روابط فازی برای معیارهای عملکرد اطمینانپذیری در زمان، برگشتپذیری و آسیبپذیری ارائه شدهاست. عملکرد بسیار منطقی و خوب این روابط نسبت به روابط کلاسیک در قالب یک مثال تئوری نشان داده شدهاست. همچنین با استفاده از معیارهای عملکرد فازیشده، شاخص پایداری فازی نیز توسعه داده شدهاست. پس از آن سناریوهای اشارهشده در بالا برای آینده نزدیک (از سال آبی 95-1394 تا 99-1398) با درنظرگرفتن پدیده تغییر اقلیم در آینده و تخمین رواناب در حوضه با استفاده از مدل بارش-رواناب انفیس و بارگذاری آنها در مدل برنامهریزی حوضه توسعه دادهشدهاند و نتایج حاصل از اجرای مدل با استفاده از معیارهای عملکرد فازی و شاخص پایداری فازی مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفتهاند. نتایج نشان میدهد ادامه روند موجود هرچند ممکن است در تأمین نیاز کارامد باشد ولی منجر به نابودی منابع آب حوضه خواهدشد. تکیه مدیریت و وضعیت کل منابع آب حوضه اعم از مخزن سد زایندهرود و آبخوانها بر منابع آب سطحی یکی دیگر از نتایج تحلیل وضعیت موجود در حوضه میباشد. با اجرای سناریوی تأمین، این نتیجه حاصل میشود که با تأمین آب هرچند ممکن است قدری از مشکلات حوضه در بخشهای مختلف منابع و مصارف بهخصوص مصارف کاهش یابد، اما عدم مدیریت تقاضا باعث کماثرشدن طرحهای مربوط به آن میشود. تأثیر مدیریت تقاضا در سناریوی مربوطه، حکایت از بهترشدن شرایط دارد اما نتایج نهایی نشان میدهد که مدیریت توأمان تأمین و تقاضا برای نجات منابع در حال نابودی حوضه امری لازم و ضروری است. به عبارت دیگر، مدیریت تأمین آب در راستای بهبود وضعیت منابع و مصارف در حوضه امری لازم است ولی کافی نیست. در این راستا کاهش مصرف شرب، صنعت و کشاورزی به ترتیب به اندازه 15، 10 و 30 درصد در راستای سناریوی مدیریت تقاضا و اجرای طرحهای کوهرنگ سه و بهشتآباد در راستای سناریوی مدیریت تأمین راهکاری است که میتواند در یک دوره پنج ساله منجر به بهبود یا شروع بهبود پایداری منابع آب از حالت ضعیف به حالت متوسط تا خوب شود. کلمات کلیدی: تحلیل سناریو، برنامهریزی و مدیریت جامع منابع آب، مدلسازی، عدم قطعیت، معیارهای عملکرد، شاخص پایداری