توصيفگر ها :
مديريت تلفيقي , تخصيص بهينه , لگوريتم NSGA-II , معيار پايداري , افت آب زيرزميني , سود كشاورزان
چكيده فارسي :
در دهه‌هاي اخير، تهديدهاي جدي در مورد پايداري منابع آب و افزايش چشم‌گير افت سطح آب در آبخوان‌ها، به‌ويژه در مناطق خشك و نيمه‌خشك، به دليل افزايش تقاضاي آبياري و تأثير تغييرات اقليمي بر آن مشاهده شده است. يايداري منابع آب تا حد زيادي به مديريت صحيح و بهره‌برداري كارآمد از آب كشاورزي بستگي دارد. از سويي ديگر معيشت و اقتصاد كشاورزان هدفي مهم در تخصيص منابع آب است؛ در حاليكه تأمين آب براي مصارف كشاورزي، افت سطح آبهاي زيزميني را به دنبال دارد كه باعث بروز مشكلاتي نظير فرونشست و كاهش كيفيت آبهاي زيرزميني شده است. يكي از راه‌هاي رسيدن به تعادل در تخصيص منابع به مصارف، اتخاذ تصميمات مديريتي مانند بهره¬برداري بهينه تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني است. از يك سو بهره¬برداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني به دليل لزوم رفع مشكلات كيفي منابع آب، برقراري تعادل در هزينه¬ها، اطمينان¬بخشي از تأمين نياز¬هاي آبي و تأثيرات مثبت اجتماعي - اقتصادي آن، اجتناب¬ناپذير به نظر مي¬رسد و از سويي ديگر بيم از ناپايداري اين منابع به‌ويژه در مناطق خشك و نيمه‌خشك، لزوم مديريت بهره¬برداري تلفيقي را بيش از پيش نمايان مي¬سازد. در اين تحقيق سعي شده كه با مدل‌سازي بهره¬برداري تلفيقي در قالب يك مسئله بهينه¬سازي چندهدفه به استخراج قوانين بهره¬برداري بهينه از منابع آب و نحوه تخصيص آن براي محصولات كشاورزي و نيازهاي صنعت، شرب و محيط‌زيست از مخزن سد و آبخوان‌هاي مربوطه پرداخته شود. در اين مدل‌سازي بيشينه¬كردن معيارهاي پايداري فازي منابع آب زيرزميني و مخزن سد، افزايش سود كشاورزان و كاهش افت سطح آبهاي زيرزميني به‌عنوان اهداف بهينه‌سازي، به همراه قيودي متناسب با منابع و مصارف آب در منطقه موردمطالعه در نظر گرفته شده¬اند.كاهش سطح آبخوان‌ها به دليل پمپاژ بيش از حد، تبخير، تغييرات اقليمي، تغيير كاربري اراضي و مديريت نادرست منابع آب، نيازمند توجه جدي و اعمال مديريت بهينه است. در اين تحقيق يك مدل جامع براي تحليل وضعيت آبخوان‌ها توسعه داده شده كه شامل افت سطح آب و تأثيرات ناشي از پمپاژ و برگشت آب است.مقادير نزديك به 1 ضريب تبيين (R^2) و ضريب تأثير ناش ساتكليف (E) نشان‌دهنده عملكرد خوب مدل است.همچنين در تحقيق حاضر از الگوريتم NSGA-II به‌عنوان يك الگوريتم شناخته¬شده بهينه‌سازي در مديريت منابع آب، به‌عنوان مدل بهينه‌ساز بهره برده شده¬است. مقادير شاخص پايداري محاسبه شده از مدل بهينه ساز به تفكيك 13 حجم آبخوان و حجم سد محاسبه شده. نتايج نشان مي‌دهد كه هدف ماكزيمم كردن شاخص پايداري به‌خوبي محقق شده است، زيرا مقادير شاخص پايداري براي 13 زيرحوضه و مخزن سد بالاتر از 0.4 است.اين نتايج نشان‌دهنده توانايي مدل بهينه ساز در ايجاد تعادل بين استفاده از منابع آب و حفظ پايداري آن‌ها است.مدل مذكور در دوره‌ي تاريخي از سال 1377 تا سال 1396 آبي اجرا و عملكرد آن با دوره‌ي تاريخي مشاهداتي مقايسه شد. نتايج حاصل نشان‌دهنده اهميت بهينه‌سازي در مديريت منابع آب و تأثير مثبت آن بر پايداري منابع آب و كاهش افت آبهاي زيرزميني است، هرچند كه ممكن است در كوتاه‌مدت تأثير منفي بر سود كشاورزان داشته باشد.به عنوان نمونه در مقايسه افت آبخوان در مدل شبيه ساز و بهينه ساز، افت آبخوان اصفهان برخوار در انتهاي دوره به ميزان 5 متر و افت آبخوان نجف‌آباد در انتهاي دوره به ميزان 4 متر كاهش يافته است.كاهش اين افت‌ها به دليل بهينه‌سازي مصرف آب و تخصيص بهينه منابع آبي به محصولات مختلف كشاورزي است.حوضۀ آبريز زاينده‌رود به دليل پيچيدگي‌هاي هيدرولوژيكي، مديريتي و وجود منابع آب سطحي و زيرزميني در تأمين نيازها و اهميت تخصيص بهينه به كانال‌هاي آبياري بر اساس اولويت‌هاي موجود به‌عنوان مطالعۀ موردي انتخاب شده است.
چكيده انگليسي :
In recent decades, serious threats to the sustainability of water resources and a significant increase in groundwater depletion, particularly in arid and semi-arid regions, have been observed due to rising irrigation demands and the impacts of climate change. The sustainability of water resources largely depends on proper management and efficient utilization of agricultural water. On the other hand, the livelihood and economy of farmers are crucial objectives in the allocation of water resources; however, providing water for agricultural purposes leads to a decline in groundwater levels, resulting in issues such as land subsidence and reduced groundwater quality. One way to achieve a balance in resource allocation is through managerial decisions such as the optimal integrated use of surface and groundwater resources. On one hand, integrated management of surface and groundwater resources appears essential due to the need to address water quality issues, balance costs, ensure water supply needs, and its positive social-economic impacts. On the other hand, concerns about the sustainability of these resources, especially in arid and semi-arid regions, further highlight the necessity for integrated management. This research aims to extract optimal utilization rules for water resources and their allocation for agricultural products as well as industrial, drinking, and environmental needs from reservoir dams and related aquifers through modeling integrated utilization in a multi-objective optimization framework. In this modeling process, maximizing fuzzy sustainability criteria for groundwater resources and reservoir dams, increasing farmer profits, and reducing groundwater depletion have been considered as optimization objectives along with constraints related to local water resources and demands. The reduction in groundwater levels due to over-pumping, evaporation, climate change, land-use changes, and mismanagement of water resources necessitates serious attention and the implementation of optimal management strategies. A comprehensive model has been developed in this study for analyzing the status of aquifers that includes the decline in water levels and the impacts resulting from pumping and water return. Values close to 1 for the coefficient of determination (R²) and Nash-Sutcliffe efficiency (E) indicate good model performance. Additionally, this study utilized the NSGA-II algorithm as a well-known optimization algorithm in water resource management. The calculated sustainability indices from the optimization model were determined separately for 13 aquifer volumes and reservoir volumes. The results indicate that the goal of maximizing sustainability indices has been successfully achieved since the values for 13 sub-basins and reservoir volumes are above 0.4. These results demonstrate the model's ability to create a balance between water resource utilization and maintaining their sustainability. The model was executed over a historical period from 1998 to 2017, with its performance compared against observational historical data. The findings highlight the importance of optimization in water resource management and its positive impact on resource sustainability and reduction of groundwater depletion, although it may have short-term negative effects on farmers' profits. For instance, comparing aquifer depletion in both simulation and optimization models shows that groundwater depletion in Isfahan-Borkhar has decreased by 5 meters while that in Najafabad has decreased by 4 meters. This reduction is attributed to optimized water consumption and efficient allocation of water resources to various agricultural products. The Zayandeh Rud watershed has been selected as a case study due to its hydrological complexities, management challenges, and the presence of both surface and groundwater resources in meeting needs while emphasizing optimal allocation to irrigation channels based on existing priorities.
