تخصیص بهینه منابع آب در شرایط بحرانی تحت عدم قطعیت پارامترها با تاکید بر حفظ پایداری منابع آبی با استفاده از روش دستیابی به آرمان (مطالعه موردی: شهرستان مشهد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری دانشگاه فردوسی مشهد و عضو هیئت علمی گروه مدیریت، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.

2 دانشیار گروه مدیریت، دانشکده علوم اداری و اقتصادی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

وضعیت آب کشور به دلیل خشک‌سالی‌های مکرر توأم با برداشت بیش از حد منابع آبی، به سطح بحرانی رسیده ‌است. لذا پرداختن به تخصیص بهینه منابع آبی در این شرایط، موضوعی مهم و حیاتی است. در مطالعه حاضر، به توسعه مدل تخصیص بهینه منابع آب در شرایط بحرانی و حل این مساله با تاکید بر پیاده سازی آن در شهرستان مشهد پرداخته شده است. نوآوری مدل پیشنهادی تحقیق حاضر در نظر گرفتن پایداری منابع آبی و توجه همزمان به کمیت و کیفیت منابع آبی است. در این پژوهش، با در نظر گرفتن مقدار تصادفی پارامتر آب در دسترس، مدل تخصیص تصادفی دو مرحله‌ای ارائه شده است و با روش دستیابی به آرمان حل گردیده و در نرم افزار متلب اجرا شده است. اهداف این مدل، شامل حداکثر‌سازی سود کاربران مختلف، حداقل‌سازی تخصیص آب شور از منبع زیرزمینی و حداقل‌سازی کمبود آب است. نتایج حاصل از تحقیق بیانگر آن است که حتی در سناریوی ترسالی، منابع آبی در دسترس نمی‌تواند تقاضای بخش‌های مختلف را تامین نماید. در صورت حفظ شاخص پایداری در سطح 75% ، مقدار کمبود آب در سناریوی خشکسالی معادل MCM 501.75 و در سناریوی سال نرمال معادل MCM 358.75 و در سناریوی ترسالی معادل MCM 78.75 است. تحلیل حساسیت مدل با داده‌های مختلف بیانگر آن است که چنانچه در سناریوی خشکسالی، مقدار آب در دسترس از دو منبع سطحی و تصفیه شده به ترتیب معادل 300 و 200 میلیون متر مکعب در نظر گرفته شود در این صورت الگوی تخصیص بهینه تغییر پیدا کرده است و مقدار کمبود آب که می‌تواند منجر به اضافه برداشت گردد معادل MCM103.75 است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal allocation of water resources in critical conditions under the uncertainty of parameters with emphasis on maintaining the stability of water resources by the Goal Attainment method (Case study: Mashhad)

نویسندگان [English]

  • fatemeh dadmand 1
  • zahra najiazimi 2
  • nasser motahari 2
  • Kamran Davary 3
1 management, , Ferdowsi University of Mashhad (FUM) AND Department of Management, Payame Noor University (PNU), Tehran, 19395-4697,Iran
2 Associate Professor, Department of Management, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Professor, Department of agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Iran's water situation has reached a critical level due to frequent droughts and over-abstraction of water resources. Therefore, dealing with the optimal allocation of water resources in these conditions is an important and vital issue. In the present study, the model of water resources allocation in critical conditions has been developed and the proposed model has been implemented in Mashhad. The innovation of the proposed model of the present study is to consider the sustainability of water resources and simultaneously pay attention to the quantity and quality of water resources. In this study, considering the stochastic value of available water parameter, two-stage stochastic allocation model is presented and solved by the method of Goal Attainment, and implemented in MATLAB software. This model has been developed with the aim of maximizing the profits of different users, minimizing the allocation of saline water from the underground source and minimizing the shortage of water. The results of the study indicate that even in the wet scenario, available water resources cannot meet the demand of different sectors. If the stability index is maintained at 75%, the amount of water shortage in the drought scenario is equivalent to 501.75 MCM, in the normal scenario is equal to 358.75 MCM, and the in the wet scenario is equal to 78.75 MCM. In addition, the sensitivity analysis of the model with different data indicates that if in the drought scenario, the amount of available water from both surface and treated water sources is equivalent to 300 and 200 MCM, respectively, then the optimal allocation pattern has changed and the amount of water shortage that can lead to overdraft is 103.75 MCM.

کلیدواژه‌ها [English]

  • water crisis
  • allocation of water resources
  • Goal Attainment method
  • stochastic parameter
اعلمی، م.ت.، آقابالایی، ب.، احمدی، م.ح. و فرزین، س. 1393. تخصیص بهینه نظام­های منابع آب با استفاده از سامانه پویا. مهندسی منابع آب. 7 (23): 110-99.
اکبری، م.، جرگه، م. و مدنی سادات، ح. 1388. بررسی افت سطح آب­های زیرزمینی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) مطالعه موردی: آبخوان دشت مشهد. پژوهش­های حفاظت آب و خاک. 16 (4): 78-63.
اکبری فرد، س.، قادری،ک. و بختیاری، ب. 1397. تخصیص بهینه منابع آب با استفاده از الگوریتم چرخه آب (مطالعه موردی: حوضه آبریز گرگان‌رود). فصلنامه علمی-پژوهشی مهندسی منابع آب. 11 (36): 46-33.
باقری هارونی، م. ح. و مرید، س. 1392. مقایسه مدل­های WEAP و MAKE BASIN در تخصیص منابع آب (مطالعه موردی: رودخانه تالوار). مجله پژوهش­های حفاظت آب و خاک. 20 (1):167-151.
ببران، ص. و هنربخش، ن. 1387. بحران وضعیت آب در جهان و ایران. فصلنامه راهبرد. 48 (16): 212-193.
بروغنی، م.، مرادی، ح. ر. و زنگنه اسدی، م.ع. 1394. پهنه­بندی و تعیین بهترین شاخص خشکسالی در استان خراسان رضوی. مطالعات جغرافیایی مناطق خشک. 5 (19): 84-70.
پرهیزکاری، ا. و بدیع برزین، ح. 1396. تعیین ارزش اقتصادی آب و شبیه­سازی رفتار کشاورزان منطقه تاکستان در کاهش منابع آب کشاورزی. پژوهش آب در کشاورزی (علوم خاک و آب). 31(1): 118-105.
سیمای آب استان. 1397.  شرکت آب منطقه­ای خراسان رضوی: 29-21. قابل بازیابی از: http://www.khrw.ir/uploaded_files/DCMS/wysiwyg/files/SIMABO97_06_01.pdf.
شاهدی، م. و طالبی حسین آباد، ف. 1392. ارائه چند شاخص کاربردی به­منظور بررسی تعادل منابع آب و پایداری توسعه. نشریه آب و توسعه پایدار. 1(1): 79-73.
عبدلی، ق. و مهاجر شجاعی، ت. 1398. نظریه­بازی و کاربرد آن در تخصیص بهینه منابع آب. پژوهش­های برنامه و توسعه. 1 (3): 166-123.
علیزاده، ا. 1394. اصول هیدرولوژی کاربردی. چاپ 41. انتشارات دانشگاه امام رضا. مشهد. ایران.
عیسی زاده، م. و دین­پژوه، ی. 1397. پهنه­بندی زمانی-مکانی اقلیم بارش ایران و انتخاب ایستگاه­های شاخص با روش­های آماری چند­متغیره. نشریه آب و خاک. 28 (3): 181-169.
صبوحی صابونی، م.، رستگاری پور، ف. و کیخا، ا.ع. 1388. تخصیص بهینه آب سد طرق بین مصارف شهری و کشاورزی با استفاده از روش برنامه­ریزی تصادفی دومرحله­ای فازی با پارامتر­های بازه­ای در شرایط عدم حتمیت. اقتصاد کشاورزی (اقتصاد و کشاورزی). 3 (1): 55-33.
طالبی حسین آباد، ف.، شاهدی، م.، ولایتی، س. و داوری،ک. 1393. برآورد آب تجدیدپذیر به کمک مدل بیلان آب در شرایط کمبود داده. جغرافیا و توسعه­ ناحیه­ای. 22: 152-129.
کلبعلی، ا.، صبوحی صابونی، م. و احمد پور برازجانی، م. 1396. راهبردهای تخصیص بهینه آب سد وشمگیر با استفاده از روش برنامه­ریزی تصادفی دومرحله ای. نشریه آب و خاک. 30 (6): 1847-1832.
محسنی، س. و شهرکی، ج. 1394. کاربرد برنامه­ریزی فازی خاکستری در تخصیص منابع آب شهرستان یزد. تحقیقات اقتصاد کشاورزی. 7 (3): 90-73.
مسنن مظفری، م.، صبوحی، م. و کیخا، ا.ع. 1387. مدل حمایت تصمیم­گیری به­منظور تخصیص بهینه آب سد امیرکبیر برای مصارف گوناگون. اقتصاد کشاورزی (اقتصاد و کشاورزی). 2 (4):176-157.
محمد جانی، ا. و یزدانیان، ن. 1393. تحلیل وضعیت بحران آب در کشور و الزامات مدیریت آن. فصلنامه روند. 21 (65و66): 144-117.
مهرگان، م. ر. 1392. مدل های تصمیم­گیری با اهداف چندگانه. چاپ اول. تهران. انتشاراتدانشگاه تهران.
نادر، ه. و صبوحی صابونی، م. 1390. مدیریت تخصیص آب سد مهاباد با استفاده از برنامه­ریزی آرمانی اولویتی. تحقیقات اقتصاد کشاورزی. 3 (11): 16-1.
Ashrafi, M., Hoshmand, M., Lotfalipour, M. R. and Davary, K. 2019. Estimation of water demand function in agricultural, urban and industrial sectors in Mashhad Plain. Modern Applied Science. 13 (4): 1-11.
Baohui, M., Zhijian, W., Huanlong, L., Zehua, H. and Yangsong, L. 2019.  Improved grey prediction method for optimal allocation of water resources: a case study in Beijing in China. Water Supply. 19 (4): 1044–1054.
Chen, F., Huang, G. and Fan, Y.  2015. Inexact multistage fuzzy-stochastic programming model for water resources management. Journal of Water Resources Planning and Management. 141(11): 04015027. http://dx.doi.org/doi. 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000547.
Chen, J., Yu, C., Cai, M., Wang, H. and Zhou, P. 2020. Multi-Objective Optimal Allocation of Urban Water Resources While Considering Conflict Resolution Based on the PSO Algorithm: A Case Study of Kunming, China. Sustainability. 12 (1337): 1-16.
Cui, L., Li, Y. and Huang, G. 2016. Double-sided fuzzy chance-constrained linear fractional programming approach for water resources management. Engineering Optimization. 48(6): 949-965.
Fan, Y., Huang, G., Guo, P. and Yang, A. 2012. Inexact two-stage stochastic partial programming: application to water resources management under uncertainty. Stochastic environmental research and risk assessment. 26(2): 281-29.     
Gembicki, F. and Haimes, Y. 1975. Approach to performance and sensitivity multiobjective optimization: The goal attainment method. IEEE Transactions on Automatic control. 20(6): 769-771.
Guo, P., Huang, G. H., Zhu, H. and Wang, X. 2010. A two-stage programming approach for water resources management under randomness and fuzziness. Environmental Modelling & Software. 25(12): 1573-1586.
Huang, G. and Loucks D. P. 2000. An inexact two-stage stochastic programming model for water resources management under uncertainty. Civil Engineering Systems. 17(2): 95-118.
Ji, L., Sun, P., Ma, Q., Jiang, N., Huang, G.-H., and Xie, Y. L. 2017. Inexact Two-Stage stochastic programming for water resources allocation under considering demand uncertainties and response—A case study of Tianjin, China. Water 9(6): 414. http://dx.doi.org/doi. 10.3390/w9060414.
Khosrojerdi, T., Moosavirad, S.H., Ariafar, S. and Ghaeini-Hessaroeyeh, M. 2019. Optimal Allocation of Water Resources Using a Two-Stage Stochastic Programming Method with Interval and Fuzzy Parameters. Natural Resources Research. 28(3): 1107–1124.
Li, Y., Huang, G. and Nie, S. 2006. An interval-parameter multi-stage stochastic programming model for water resources management under uncertainty. Advances in Water Resources. 29(5): 776-789.
Li, Y. P. and Huang G. H. 2008. Interval-parameter two-stage stochastic nonlinear programming for water resources management under uncertainty. Water resources management. 22(6): 681-698.
Li, Y. and Huang G. H. 2009. Fuzzy-stochastic-based violation analysis method for planning water resources management systems with uncertain information. Information Sciences. 179(24): 4261-4276.
Li, X., Wang, X., Guo, H. and Ma, W. 2020. Multi-Water Resources Optimal Allocation Based on Multi-Objective Uncertain Chance-Constrained Programming Model. Water Resource Manage. 34:4881–4899. https://doi.org/10.1007/s11269-020-02697-z
Madani, K., AghaKouchak, A. and Mirchi, A. 2016. Iran’s socio-economic drought: challenges of a water-bankrupt nation. Iranian studies. 49(6): 997-1016.
Maqsood, I., Huang, G. H. and Yeomans, J. S. 2005. An interval-parameter fuzzy two-stage stochastic program for water resources management under uncertainty. European Journal of Operational Research. 167(1): 208-225.
Nematian, J. 2016. An Extended Two-stage Stochastic Programming Approach for Water Resources Management under Uncertainty. Journal of Environmental Informatics. 27(2):72-84.
Tan, Y., Dong, Z., Xiong, C., Zhong, Z. and Hou, L. 2019. An Optimal Allocation Model for Large Complex Water Resources System Considering Water supply and Ecological Needs. Water. 11 (4): 843-852.
Xu, J., Tu, Y. and Zeng, Z. 2012. Bilevel optimization of regional water resources allocation problem under fuzzy random environment. Journal of Water Resources Planning and Management.139 (3): 246-264.  
Zhang, H., Ha, M., Zhao, H. and Song, J. 2017. Inexact Multistage Stochastic Chance Constrained Programming Model for Water Resources Management under Uncertainties. Scientific Programming 2017. http://dx.doi.org/doi.10.1155/2017/1680813