مقایسه رویکردهای برنامه‌ریزی پویا، خطی و غیرخطی در بهره‌برداری بهینه از مخزن (مطالعه موردی: خشکسالی سال‌های 80-1377 شبکه‌های کشاورزی زاینده‌رود اصفهان)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل دکترای سازه‌های آبی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشیار دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

3 استاد دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

با توجه به محدودیت منابع آب و وقوع خشکسالی­های متناوب در کشور، استفاده از سیاست­های کارآمد در بهره­برداری از مخازن سدها اهمیت زیادی یافته است. در این خصوص رویکردهای مختلفی را می­توان اعمال نمود که نوع مدل­سازی و فرضیات آن­ها می­تواند تعیین­کننده باشد. در این تحقیق، چهار رویکرد مدیریت تخصیص بهینه آب کشاورزی در شرایط خشکسالی در شبکه زاینده­رود اصفهان (دوره 78-1377 تا 80-1379) با استفاده از مجموعه­ای از شاخص­های عملکردی مخزن مورد مقایسه قرار گرفته است. رویکردهای فوق عبارت بودند از: 1) مدل­سازی  DP با ملاحظه قطعیت جریان ورودی به مخزن و نیاز ثابت آب بخش کشاورزی، 2) مدل­سازی  SDP با ملاحظه عدم قطعیت جریان ورودی و نیاز ثابت آب کشاورزی، 3) مدل­سازی  SSDP با ملاحظات مد نظر در رویکرد دوم و 4) ملاحظه نیاز متغیر کشاورزی با دخالت دادن جزئیات تخصیص آب در مراحل مختلف رشد گیاهی، بین محصولات مختلف و شبکه­های کشاورزی پایین­دست با مدل­های LP و NLP و نیز مدنظر قراردادن قطعیت جریان. نتایج نشان داد از منظر فرایند مدل­سازی، رویکرد اول و چهارم به­ترتیب ساده­ترین و پیچیده­ترین مراحل را به­همراه داشتند. از منظر شاخص­های کارایی مانند اعتمادپذیری (زمانی و کمی)، حداکثر کمبودها و مجموع آن، رویکردهای احتمالاتی که در آن­ها عدم قطعیت جریان ورودی لحاظ گردیده به­ترتیب با مقادیر 38%، 68%، 157 و 330 MCM شاخص­های نامبرده، عملکرد بهتری نسبت به سایرین داشته و این برتری عملکرد برای رویکرد سوم بارزتر بوده است. مقایسه سود حاصل از رویکردهای بهینه­سازی تحقیق با سود واقعی بهره­برداری از سیستم، افزایش 68 تا 73 درصدی متوسط سود را نشان داد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of Dynamic, linear and Nonlinear Programming Approaches in Optimal Operation of Reservoir (Case study: the 1998-2000 Droughts of Zayandeh Rud Agriculthral System)

نویسندگان [English]

  • Sedigheh Anvari 1
  • Seyed Jamshid Mousavi 2
  • Saeid Morid 3
1 Ph.D. Graduate of Water Structure Engineering, Tarbiat Modares University., Tehran., Iran
2 Associate Professor, School of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Tecnology., Tehran., Iran
3 Professor, Faculty of Agricultural, Tarbiat Modares University., Tehran., Iran
چکیده [English]

Application of efficient policies to operate dam reservoirs is of great importance due to water shortages and frequent droughts in the country. For this, different approaches can be implemented, which are based on different modeling systems. The present paper aims to compare some of these approaches for optimal water allocation in Zayandeh Rud agriculthral system during 1998-2000 droughts using some evaluation criterion. The mentioned approaches include: 1) dynamic programming (DP) considering constant agricultural water demand and no uncertainty in inflows, 2) stochastic DP (SDP) with constant agricultural demand and uncertainty in inflows and 3) Sampling SDP (SSDP) considering constant demand and inflow uncertainties and 4) variable agricultural water demand with respect to crop types, growing stages, irrigation systems using linear and non-linear programming (LP and NLP) modeling and no uncertainty in inflows. Results showed the first and fourth approaches had the simplest and most complicated modeling process, respectively. However, with respect to some efficiency indices like temporal and volumetric reliability, maximum as well as total shortages, the stochastic approaches i.e. the second and third ones outperformed respectively equal to 38%, 68%, 157 and 330 MCM. This superiority was considerable especially for the third modeling approach. The comparison of net benefit values from optimization approaches as well as real obtained one for Zayande Rud system showed the optimization approach could increase the benefit from 68% to 73%.   

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • DP
  • SDP
  • SSDP
  • LP
  • NLP
  • Zayandeh Rud
بانک طرح­های توسعه منابع آب. 1388. شرکت مدیریت منابع آب ایران، دفتر برنامه­ریزی کلان آب و آبفا. شرکت سهامی مدیریت منابع آب ایران (http://dams.wrm.ir)
مقدسی،م. 1388. راهبردهای بهره­برداری از مخازن سدها با تأکید بر مدیریت بهینه عرضه و تقاضای آب در دوره­های خشکسالی. پایان­نامه دکتری سازه­های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس. 181 ص.
Allen,R.G., Pereira,L.S., Raes,D and Smith,M.1998. Crop evaporation, Irregiation and Drainage. Paper 56. Food and Agicultural Organization of the United Nations, Rome, Italy. 65-76, 166.
Borg,H and Grimes,W. 1986. Depth development of roots with time: an emprical description, Transactions of American Society of Civil Engineering ASCE. 29:1. 194-197.
Canon,J., Gonzalez,J and Valdes,J. 2010. Reservoir Operation and Water Allocation to Mitigate drought Effects in Crops: A Multilevel Optimization Using the Drought Frequency Index Journal of Water Resources Planning and Management. 135:6.458- 465.
Eum,H., Kim,Y.O and Palmer,R. 2011. Optimal Drought Management Using Sampling Stochastic Dynamic Programming with a Hedging Rule. Journal of Water Resources Planning and Management. 137:1. 113-122.
Ghahraman,B and Sepaskhah,A.R.  2002. Optimal allocation of water from a single purpose reservoir to an irrigation project with pre-determined multiple cropping pattern. Irrigation Science. 21: 127-137.
Ghahraman,B and Sepaskhah, A.R. 2004. Linear and Non-Linear Optimization Models for  Allocation of a Limited Water Supply. Irrigation and Drainage. 53: 39-54.
Kelman,J., Stedinger,J.R., Cooper,L.A., Hsu,E and Yuan., Sun-Quan 1990. Sampeling Stochastic Dynamic Programming Applied To Reservoir Operation. Water Resource Research. 26:3. 447-454.
Kim,Y.O., Eum,H., Lee,E.G and Ko,I.H. 2007. Optimizing Operational Policies of a Korean Multireservoir System Using Sampling Stochastic Dynamic Programming with Ensemble Streamflow Prediction. Journal Of Water Resources Planning And Management. 133:1. 4-14.
Labadie,J.W. 2004. Optimal operation of multireservoir systems: State-of-the-art review. Journal of Water Resources Planning And Management. 130: 93–111.
Loucks,D.P and van Beek,E. 2005. Water resources systems planning and management: An introduction to methods, models and applications, UNESCO, Paris.
Moghaddasi,M., Morid,S., Araghinejad,S and Agha Alikhani,M. 2010. Assessment of irrigation water allocation based on optimization and equitable water reduction approaches to reduce agricultural drought losses: the 1999 droughtin the zayandeh rud irrigation system (iran).Journal of Irrigation and Drainage. 59:4. 377–387.
Moradi,M.J., Bozorh Haddad,O.W., Karney,B and Marino,A. M. 2007. Reservoir operation in assigning optimal multi-crop irrigation areas. Journal of Agricultural Water Management. 90: 149–159.
Mujumdar,P. P and Ramesh,T.S.V. 1997. Real-time reservoir operation for irrigation. Journal of  Water Resources Research. 33:5.1157–1164.
Murray-Rust, H., Droogers, P and Heydari,N. 2004. Water for future: linking irrigation and water allocation in the zayandeh Rud basin, Iran, International Water Management Institute. IAERI-IWMI Research Report6
Paul,S., Sudhindra,N.P and Kumar,D.N. 2000. Optimal irregiation allocation: A multilevel approach, ASCE: Journl of Irrigation and Drainage Engineering. 126: 149-154.
Reca,J., Roldan,J., Alcaide,M., Lopez,R and Camacho,E. 2001. Optimisation model for water allocation in deficit irrigation systems, I. Description of the model. Journal of Agricultural water Management. 48: 103-116.
Tilmant,A and Kelman,R. 2007. A stochastic approach to analyze trade-offs and risks associated with large-scale water resources systems. Journal of  Water Resources Research, 43:6.1-11.
Trezos,T and Yeh,W.W.G. 1987. Use of stochastic dynamic programming for reservoir management. Journal of Water Resources Research. 23:6.983-996.
Vedula.S and Mohan.S. 1990. Real-time multipurpose reservoir operation: a case study. Journal of Hydrological Sciences. 35:4.447-462
Vedula,S and Mujumdar,P.P.  1992. Optimal reservoir operation for irrigation of multiple crops, Water Resources Research. 28:1. 1–9.
Wang, X., Sun,Y., Song,L and Mei,C. 2009. An eco-environmental water demand based model for optimizing water resources using hybrid genetic simulated annealing algorithms, Part I. Model development. Journal of Environmental Management 90: 2628–2635.
Xevi,E. and Khan.S. 2005. A multi-objective optimization approach to water management. Journal of Environmental Management.77: 269–277.
Yeh,W. 1985. Reservoir Management and Operations Models: A State-of-the-Art Review, Water Resources Research. 21:12. 1797–1818.
Zhang,Q., Maeda,S and Kawachi,T. 2007. Stochastic multiobjective optimization model for allocating irrigation water to paddy fields. Paddy Water Environment. 5:93–99.