SUPERVISOR
Hamid Reza Safavi
حمیدرضا صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
Reza Sepahvand
رضا سپهوند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Multi Objective Modelling for Conjunctive use of Groundwater and Surface Water Using Genetic Programming
Nowadays, with increasing the population growth, we can see increasing needs for water in all sectors including industrial, domestic, and agricultural uses. By increasing water demands and on the other hand, decreasing surface water due to drought and climate changes, the extraction of groundwater increased in the last decades. Since groundwater recharge and remediation is very time consuming, overdraft of groundwater is a major challenge for decision-makers. One of the practical and effective solutions which in recent decades have been considered is conjunctive use of surface water and groundwater resources. Conjunctive use is generally defined as the allocation of surface and groundwater resources to one or several uses on a quantitative and/or qualitative basis while certain constraints are also taken into consideration. The advantages of the conjunctive use of surface and ground water resources are not limited to lifting water shortages but it is also capable of enhancing water use efficiency and improving the environmental conditions of irrigated areas. In this study, Najafabad sub-basin located in Zayandeh Rud Basin has considered as case study. This sub-basin due to having the large gardens and agricultural production compared to the other sub-basins undoubtedly is one of the most important sub-basins in the Zayandeh Rud Basin. Negative balance, drawdown in groundwater levels, existing Zayandehrud as a permanent river and Nekooabad modern irrigation systems, and finally high agricultural needs in this area undoubtedly have become this sub-basin to a very complex hydrosystem in terms of water resource management. In this study, due to the need for an integrated management model for allocation of surface water and groundwater, we used a linked simulation-optimization model. In this simulation/optimization model, genetic programming method is intended as a simulation model. This model considered as a surrogate for the numerical simulation model. For training and testing, we have used 24 years hydrological data. In this model, GP used for determine the average groundwater level in response to management strategies suggested by the optimization model. For optimization, we considered a multi-objective management model. Two-objective genetic algorithm with non-dominated sorting method is used as optimization model. For considering all hydrologic conditions, we have used S/O model for left and right Nekooabad regions for wet, dry and normal years. Two objectives of optimization model are: minimizing lake of supply for agriculture needs and also determining optimal crop patterns in order to maximization the net benefit. In the part of simulation model, we have observed very good performance of genetic programming for simulation and prediction stages with R 2 value is about 0.99 and the error less than 0.05. Simulation/optimization model as well as having very good performance has been able to both left and right areas of Nekooabad networks in which planning period, pprovide a model ship, while satisfying all conditions and maximize the net benefit. Keywords: Simulation, Optimization, Water Resource Management, GP, NSGA2, optimum Cropping Pattern, Groundwater, Surface Water
امروزه با رشد روزافزون جمعیت شاهد افزایش نیاز به آب در بخش های صنعت، شرب، کشاورزی و بهداشت می باشیم. هم زمانی این افزایش نیازها با رخداد پدیده هایی چون: تنش های زیست محیطی، تغییرات آب و هوایی، خشک سالی های پی در پی، محدود شدن هرچه بیشتر منابع آب سطحی، روی آوردن همه بخش های مصرف کننده به بهره برداری از آب های زیرزمینی، روند طولانی تجدید کمی و کیفی این آب ها و افت روز افزون سطح آنها، مسئله ی تامین آب با کیفیت را برای بسیاری از سیاست گزاران به یک چالش جدی و پیچیده تبدیل کرده است. یکی از راه کارهای عملی و موثر موجود، که در چند دهه اخیر مورد استفاده قرار گرفته شده و توانایی آن در زمینه جبران کمبودها، نوسانات موقتی و توزیع مکانی و زمانی نامناسب منابع آب اثبات شده است، رویکرد مدیریت بهره برداری تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی می باشد. در این رویکرد با استفاده همزمان و بهینه از هر دو منبع موجود، بطوریکه هیچ یک از این منابع دچار آسیب نشوند و تمام قیود مدیریتی و هیدرولوژیکی حاکم بر منطقه در نظر گرفته شوند و ارضاء گردند، می توانیم یک مدیریت پایدار بر تامین تقاضاهای موجود در منطقه داشته باشیم و نوسانات عرضه آب را به حداقل و تطبیق منابع موجود با تقاضاها را به حداکثر خود برسانیم. برای این هدف، مطالعه پارامترهای موثر بر تغییرات سطح آب زیرزمینی و میزان آب سطحی امری ضروری می باشد. زیرحوضه مورد مطالعه در این پژوهش زیرحوضه نجف آباد واقع در حوضه آبریز گاوخونی می باشد، این زیرحوضه به علت دارا بودن بیشترین حجم تولیدات باغی و زراعی در مقایسه باکل زیرحوضه های دیگر، بی شک یکی از مهمترین زیرحوضه های این حوضه آبریز می باشد. منفی بودن بیلان، افت زیاد سطح آب های زیرزمینی، وجود رودخانه دائمی زاینده رود و شبکه مدرن آبیاری نکوآباد در عین بالا بودن حجم نیازهای کشاورزی این منطقه، بی شک آن را به زیرحوضه ای بسیار پیچیده از نظر مدیریت منابع آب تبدیل نموده اند. در این پژوهش با توجه به نیاز به یک مدل مدیریت تلفیقی بهینه برای تخصیص آب سطحی(رودخانه و شبکه آبیاری) و آب زیرزمینی، از ساختارمدل شبیه ساز-بهینه ساز به هم متصل استفاده شده است. مدل شبیه ساز بکار گرفته شده، مدل برنامه ریزی ژنتیکی(GP) می باشد که یک مدل جایگزین مدل های شبیه ساز عددی به حساب می آید و در روند آموزش و اعتبارسنجی آن از داده های هیدرولوژیکی یک دوره آماری بلند مدت 24 ساله استفاده شده است.GP توانایی تعیین تراز سطح ایستابی آب زیرزمینی در پاسخ به استراتژی های مدیریتی پیشنهاد شده توسط مدل بهینه ساز را دارا می باشد. پس از شکل دهی مدل شبیه ساز، با توجه به چندهدفه در نظرگرفتن مدل مدیریتی، الگوریتم ژنتیک دوهدفه با مرتب سازی نامغلوب را برای توسعه مدل بهینه ساز بکارگرفته ایم. در این بخش به منظور تاثیردهی هرچه بیشتر شرایط مختلف آب و هوایی بر نحوه بهره برداری از منابع آب، برای هر دو منطقه چپ و راست شبکه نکوآباد، 3 دوره برنامه ریزی(تر، خشک و نرمال) را در نظر گرفته ایم. اهداف در این مدل مدیریتی عبارتند از: حداقل سازی عدم تامین نیازهای کشاورزی و تعیین الگوی کشت بهینه در راستای حداکثرسازی سود عایده.در بخش نگاهی به نتایج، شاهد عملکرد بسیار خوب روش برنامه ریزی ژنتیکی در هر دو بحث شبیه سازی و پیش بینی می باشیم بطوریکه توانسته است خروجی هایی با مقدار R 2 بالای0.99 و خطای کمتر از 0.05 ارائه نماید. مدل تلفیقی نیز ضمن داشتن عملکرد بسیارخوب توانسته است برای هر دوره برنامه ریزی در مناطق چپ و راست شبکه نکوآباد، الگوی کشتی را ارائه دهد که در عین ارضای همه قیودات، مقدار سود عایده از آن حداکثر شده باشد و همچنین قادر به تامین حداکثری نیازآبی آن نیز بوده باشد.