توسعه یک مدل عامل-بنیان و کاربرد تئوری بازی‌ها در تخصیص تلفیقی بهینه آب درحوضه‌های آبریز

STUDENT

DEGREE

YEAR

This research focus is on the optimal water allocation to the agricultural sectors. In different parts of this research, optimal water allocation problem has been investigated by different approaches. The case study area includes Minoo-dasht, Azad-shahr and Gonbad-kavoos cities in Golestan province, Iran. In the research to allocate the agricultural and environmental water, multi-objective optimization models based on NSGA-II are developed. In the first study a cooperative game theory model is presented by forming possible coalitions. Then Benefit reallocation is done for all of the pareto optimal solutions obtained from multi-objective optimization model. In the second study the data priod is devided to three sub-periods dry, normal and wet and then to allocate optimal water to agricultural sectors, optimization model is run for each of the three mentioned sub-periods. In the third study, the optimization is done through applying a distributed-three dimention model for groundwater extraction. In the next study, a non cooperative model named Leader – Follower Game is applied to allocate optimal water. In fact this model is a bi-level optimization model with two main player; government responsibles and farmers. To reduce current demands to the allocated values, a dynamic agent based model is developed in the next part. Keywords : Multi Objective Optimization Model, Simulation Model, Conjunctive use Model, Cooperative Game Theory, None Cooperative Game Theory, Agent Based Model, Uncertainty

درحال حاضر وقوع خشکسالی های مداوم باعث شده است تا منابع آبی در سرتاسر جهان دچار شرایط بحرانی گردند. این شرایط وقتی وخیم تر می‌گردد که بشر برای رفع نیازهای غذایی رو به فزون خود در اثر افزایش جمعیت، بیش ازپیش برای بهره برداری بیشتر از این منابع تلاش می‌کند. آسیب پذیری منابع آب وقتی بیشتر می‌شود که همه این اتفاقات توام با عدم برنامه ریزی و مدیریت صحیح استفاده از این منابع باشد. این تحقیق بطور کلی بر نحوه بهره برداری و استفاده بهینه از منابع آب جهت تخصیص به بخش کشاورزی تمرکز دارد. در بخش های مختلف این تحقیق، مسئله تخصیص بهینه آب با رویکردهای متفاوت مورد مطالعه واقع شده است. در مطالعه اول، بهینه سازی تخصیص آب برای شرایط موجود منابع آبی که شامل رودخانه و آب زیر زمینی می شوند انجام شده است. با توجه به اینکه شرایط موجود حاکی از وقوع خشکسالی می باشد، سطح زیر کشت محاسبه شده نسبت به کل سطح قابل کشت کاهش قابل توجهی را نشان می‌دهد. البته با بهره گیری از نظریه بازی ها، نشان داده شده است که با بهره گیری از مزیت نسبی محصولات در مناطق مختلف، ضمن افزایش سود کشاورزان میتوان سطح زیر کشت را افزایش و همزمان مصرف آب را کاهش داد. در مطالعه دوم با استفاده از آمار 45 ساله جریان رودخانه‌های موجود در منطقه، شاخص خشکسالی برای دوره های 5 ساله محاسبه شده است و خشک ترین و مرطوب ترین دورة 5 ساله به همراه دورة 5 ساله نرمال در طول دورة آماری استخراج شده است. در این مطالعه، مدلسازی در شرایط بهره برداری از سد و استخراج مقید آب زیر زمینی انجام شده است. نتایج به دست آمده از مدل‌سازی در شرایط مختلف رژیم آبی منطقه(خشک، نرمال و تر) تفاوت قابل توجهی را نسبت به هم نشان می‌دهند. افزایش سود در شرایط تر و نرمال نسبت به شرایط خشک به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از افزایش مصرف آب در نسبت‌های ذکر شده است. بدین ترتیب می توان نتیجه گرفت که در شرایط نرمال و تر سطح زیر کشت محاسبه شده برای محصولات نتیجه اقتصادی بهتری را ایجاد کرده است. در مطالعه سوم به مسئله تخصیص با رویکرد شبیه سازی آب زیرزمینی بصورت توزیع شده پرداخته شده است و مدل بهینه‌سازی برای دورة خشک اجرا گردیده است. در این بخش از تحقیقات امکان انتخاب الگوی کشت های مختلف به شکل دینامیک در سال های مختلف و مناطق مختلف مهیا شده است. بعلت محدودیت‌هائی در اتصال مستقیم مدل شبیه‌ساز به مدل بهینه سازی از یک فرامدل شبکه عصبی استفاده شده است که در مدل بهینه سازی به شکل تکراری فراخوانی می‌گردد. نتایج این مدل نشان می دهد که با اینکه نسبت به مدل تانک( مطالعه 2 شرایط خشکسالی) آب کمتری مصرف شده است، ولی متوسط سطح زیر کشت و متوسط سود کشاورزی افزایش قابل توجهی را نشان می‌دهد. در مطالعة چهارم مدلسازی تخصیص آب به صورت دو سطحی انجام شده است. بدین معنی که دستگاه اجرائی بعنوان تصمیم گیرنده اصلی، نسبت به اخذ تصمیم اقدام و آن را به اطلاع کشاورزان در مناطق مختلف می‌رساند. کشاورزان نیز بعنوان تصمیم گیرندگان سطح پائین، تصمیمات خود را طوری اتخاذ می‌نمایند که اولاً تأمین کنندة تصمیم دستگاه اجرائی باشد و ثانیاً منافع او را به حداکثر برساند. در مدل‌سازی این فرآیند که نوعی از بازی غیر همکارانه را تحت عنوان پیشرو-دنباله‌روها در بر می‌گیرد، از یک ساختار تودرتوی بهینه‌سازی استفاده شده است. در این مطالعه نیز از الگوی کشت دینامیک در مناطق استفاده شده است و همچنین قیمت آب نیز بصورت متغیر(دینامیک) برای محصولات مختلف در نظر گرفته شده است. این مدل یکساله اجرا شده است. نتایج نشان می‌دهد که قیمت آب برای محصولات یکسان در هریک از مناطق متغیر است. در مطالعة پنجم مسئله تخصیص بر اساس مدل‌های شبیه‌ساز عامل بنیان انجام شده است. در مدل‌سازی انجام شده، ابتدا به هر یک از نواحی تخصیص اولیه صورت گرفته است. سپس بر اساس تقاضای رایج در هر منطقه، میزان تقاضای هر یک از نواحی مشخص ‌شده است. با مقایسه میزان تقاضا و تخصیص اولیه، نوع عامل از جهت همکار و یا غیرهمکار بودن او تعیین گردیده است. بر حسب اینکه عامل همکار و یا غیرهمکار باشد، مشوق‌ها و جریمه‌هایی شامل حال او می‌گردد که او را ترغیب به همکار ماندن و یا مجبور به همکار شدن می‌نمایند. در این مطالعه فرض شده است که تأثیرگذاری این مشوق‌ها، جریمه‌ها و آموزش بصورت تدریجی در طول 5 سال کامل می‌شود. در مطالعه ششم عدم قطعیت مربوط به جریان ورودی به مخزن و برداشت از آب زیرزمینی مدل‌سازی شده است و نشان داده شده است که تغییر در این پارامترهای ورودی باعث تغییرات قابل توجهی در نتایج خروجی مدل شده‌است. در آخرین بخش از این تحقیق مدل‌سازی تخصیص بر اساس عدم قطعیت موجود در جریان ورودی به مخزن و برداشت ازآب زیرزمینی تدوین گردیده ‌است. نتایج نشان داد که پارامترهای خروجی که شامل سطح زیر کشت محصولات، میزان تخصیص آب و سود کشاورزان می‌شوند، نسبت به تغییر این پارامترها در برش‌های فازی مختلف بطور محسوسی و به شکل غیرخطی متغیر می‌باشند. کلمات کلیدی : بهینه‌سازی چند هدفه، شبیه‌سازی، بهره‌برداری تلفیقی، بازی همکارانه، بازی غیر همکارانه، مدل عامل بنیان، عدم قطعیت