شماره مدرك
21063
شماره راهنما
2482 دكتري
پديد آورنده
احمدي فر، رقيه
عنوان
بهرهبرداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني تحت تاثير تغيير اقليم و عدم قطعيت با استفاده از كاپولاي فازي، مطالعه موردي: زيرحوضه نجفآباد
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مهندسي و مديريت منابع آب
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
سيزده، 145ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
بهرهبرداري تلفيقي منابع آب، تغيير اقليم، عدم قطعيت احتمالي و امكاني، كاپولا، كاپولاي واين- فازي، بهينهسازي چند هدفه
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/02
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
عمران
دانشكده
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/02
كد ايرانداك
23223577
چكيده فارسي
پايداري منابع آب، بهويژه در پاسخ به افزايش نيازهاي آبي در بخشهاي كشاورزي، صنعتي و شرب، موضوعي اساسي در مناطق خشك و نيمهخشك محسوب ميشود؛ مناطقي كه در آنها توسعه اقتصادي و زيستي به شدت به منابع آب وابسته است. در سالهاي اخير، توسعه شهري، برنامهريزيهاي ناپايدار و ضعف در مديريت يكپارچه منابع آب، منجر به عدم تعادل بين عرضه و تقاضا و برداشت بيرويه از منابع آب سطحي و زيرزميني شده است. در چنين شرايطي، بهرهبرداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني با رويكردي جامعنگر و هماهنگ با ملاحظات اقتصادي، اجتماعي و زيستمحيطي ميتواند يك راهبرد كارآمد براي مديريت بهينه منابع، محسوب شود. با اين حال، پيچيدگيهاي سيستمهاي انساني و طبيعي، از جمله تغيير اقليم و عدم قطعيتهاي فراگير، مديريت منابع آب را با چالشهاي جدي مواجه كردهاند. در اين رساله، تلاش شده است با ارائه يك مدل تركيبي مبتني بر شبيهسازي و بهينهسازي چندهدفه، به مديريت تلفيقي منابع آب در دشت نجفآباد تحت شرايط عدم قطعيت و تغيير اقليم پرداخته شود. در اين راستا، مدل شبيهساز با استفاده از كاپولاي واين و نسخه توسعهيافته واين فازي، وابستگيهاي پيچيده ميان متغيرهاي هيدرولوژيكي را در شرايط عدم قطعيت احتمالاتي و امكاني بازنمايي ميكند. مدل پيشنهادي در دو منطقه نكوآباد چپ و نكوآباد راست پيادهسازي شده و كارايي آن در دو بازه زماني 13 ساله دوره پايه (1383–1382 تا 1395–1394) و دوره آتي (1405–1404 تا 1417–1416) تحت سناريوهاي اقليمي SSP2-4.5 و SSP5-8.5 و با استفاده از خروجي سيزده مدل اقليم جهاني ارزيابي گرديد. در ميان ساختارهاي مختلف كاپولاي واين، ساختار C-vine با تركيب متغيرهاي (ΔH T₋₁, T, GW₋₁, GW, SW, Pr,) بهترين عملكرد را در شبيهسازي نوسانات سطح آب زيرزميني نشان داد. مقايسه روش پيشنهادي با مدلهاي پيشين منطقه، حكايت از دقت و كاربردي بودن اين رويكرد دارد. جهت تبيين عدم قطعيت امكاني، خروجيها بهصورت مجموعههاي فازي با اعداد فازي ذوزنقهاي و برشهاي α بيان گرديدند. خروجيهاي فازي و قطعي مدل شبيهساز در چارچوب مدل بهينهسازي دوهدفه با اهداف پايداري آبخوان و افزايش بهرهوري آب كشاورزي ادغام شدند و با الگوريتم f-MOPSO حل گرديدند. نتايج دوره پايه نشان داد كه با بهرهبرداري تلفيقي، برداشت از منابع آب زيرزميني در مناطق نكوآباد راست و چپ بهترتيب حدود 59 درصد و 58 درصد كاهش يافته است كه بيانگر بهبود پايداري آبخوان همراه با حفظ بهرهوري ميباشد. بهكارگيري مدل فازي موجب افزايش اطمينان در نتايج گرديد؛ زيرا به جاي ارائه مقادير نقطهاي، بازههاي احتمالي براي متغيرهايي نظير افت سطح ايستابي، بهرهوري و تخصيص منابع ارائه شد. همچنين مدل مديريتي منجر به تعيين ضريب تعديل بهينه براي كنترل برداشت از آب زيرزميني گرديد. نتايج دوره آتي نيز بيانگر آن است كه عليرغم اثربخشي مدل بهرهبرداري تلفيقي، تحت تأثير تغيير اقليم، كاهش بارندگي و افزايش دما، وابستگي به منابع آب زيرزميني تشديد و نوسانات سطح ايستابي افزايش خواهد يافت. علاوه بر اين، كاهش بهرهوري آب در سناريوهاي آينده، اثرات منفي تغيير اقليم بر توليدات كشاورزي را آشكار ميسازد.
يافتههاي اين پژوهش نشان ميدهد كه تلفيق مدل بهينهسازي چندهدفه با چارچوب كاپولاي واين و نسخه فازي–واين ابزاري كارآمد براي تحليل و تصميمگيري در زمينه مديريت تلفيقي منابع آب در شرايط عدم قطعيت و تغيير اقليم فراهم ميكند و ميتواند در تدوين راهبردهاي پايدار بهرهبرداري از منابع آب سطحي و زيرزميني نقشي مؤثر ايفا كند.
چكيده انگليسي
Water resources sustainability, particularly in response to increasing water demands in the agricultural, industrial, and domestic sectors, is a fundamental concern in arid and semi-arid regions. In these areas, socio-economic and ecological development is critically dependent on water resources. In recent years, urban expansion, unsustainable planning, and inadequate integrated water resources management have led to an imbalance between supply and demand, resulting in excessive abstraction from both surface and groundwater sources. Under such conditions, the conjunctive use of surface and groundwater resources, approached comprehensively and aligned with economic, social, and environmental considerations, can serve as an efficient strategy for optimal resource management. However, the inherent complexities of human and natural systems, including climate change and pervasive uncertainties, pose significant challenges to water resources management.
This dissertation aims to address the conjunctive water resources management in the Najafabad Plain under conditions of uncertainty and climate change by proposing a hybrid simulation-optimization model. To this end, the simulation model, utilizing vine copula and its fuzzy-vine extended version, effectively captures the complex dependencies among hydrological variables under both probabilistic and possibilistic uncertainties. The proposed model was implemented in two sub-regions, Nekouabad-Left and Nekouabad-Right, and its efficiency was evaluated over two 13-year periods: a base period (2003-2004 to 2015-2016) and a future period (2025-2026 to 2037-2038). This evaluation was conducted under SSP2-4.5 and SSP5-8.5 climate scenarios, using the outputs of thirteen global climate models. Among various vine copula structures, the C-vine structure, by integrating variables (ΔH, T₋₁, T, GW₋₁, GW, SW, Pr(, demonstrated the best performance in simulating groundwater level fluctuations. A comparison with previous regional models affirms the accuracy and applicability of this approach.
To account for possibilistic uncertainty, the model outputs were expressed as fuzzy sets, utilizing trapezoidal fuzzy numbers and α-cuts. Both the fuzzy and crisp outputs of the simulation model were integrated into a bi-objective optimization framework, targeting aquifer sustainability and enhanced agricultural water productivity, and solved using the f-MOPSO algorithm. Base period results revealed that through conjunctive use, groundwater abstraction in Nekouabad-Right and Left regions decreased by approximately 59% and 58%, respectively, indicating improved aquifer sustainability while maintaining productivity. The application of the fuzzy model enhanced the reliability of the results by providing probable ranges for variables such as groundwater level drawdown, productivity, and resource allocation, rather than single point values. Furthermore, the management model determined an optimal adjustment coefficient for controlling groundwater abstraction. Future period results indicate that despite the effectiveness of the conjunctive use model, under the influence of climate change, decreased precipitation, and increased temperature, reliance on groundwater resources will intensify, and groundwater level fluctuations will become more pronounced. Additionally, the projected decline in water productivity in future scenarios further highlights the negative impacts of climate change on agricultural production.
The findings of this research demonstrate that integrating a multi-objective optimization model with the vine copula framework and its fuzzy-vine version offers an efficient tool for analyzing and informing decisions in conjunctive water resources management under uncertainty and climate change. It can, therefore, effectively contribute to formulating sustainable strategies for the utilization of both surface and groundwater resources.
استاد راهنما
حميدرضا صفوي
استاد مشاور
محمدحسين گلمحمدي , رسول ميرعباسي نجف آبادي
استاد داور
اميد بزرگ حداد , رضا كراچيان , رامتين معيني , مسعود طاهريون