1-5- فرض­های ساده­کننده تحقیق

در این تحقیق فرض‌های زیر درنظر گرفته شده است:
- در منطقه مورد مطالعه فرض شده است امکان عدم تأمین نیاز شرب و صنعت در طی تمام زمان برنامه­ ریزی وجود ندارد. لذا تأمین نیاز این دو بخش به صورت صد در صد صورت پذیرفته است.
- روستاهای حقابه­بر، به منظور مدیریت تخصیص آب، گروه­بندی شده ­اند و در نهایت چهار آببر به عنوان آببر کشاورزی درنظر گرفته شده است.
- فرض گردیده است مخزن سد به صورت یک تانک با اختلاط کامل عمل می­ کند.

1-6- نوآوری­های تحقیق

نوآوری­های این تحقیق در زمینه مدلسازی تخصیص آب به صورت زیر قابل بیان است:
1- مدلسازی کمی و کیفی سیستم­های رودخانه-مخزن با لحاظ سه شاخص پایداری، عدالت و بهره­وری.
2- بازتوزیع منافع حاصل از تخصیص کمی و کیفی با تدوین مدل بازی همکارانه FVLC
3- به کارگیری شاخص SPI^[8] جهت سناریوسازی در روند تحلیل سناریوها
4- تدوین مدل بهینه­سازی سناریویی تخصیص کمی وکیفی آب

1-7- ساختار پایان نامه

این پایان‌نامه در چهارچوب هفت فصل ارائه شده است. در فصل حاضر کلیات مرتبط با پایان‌نامه مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل بعد مروری بر کارهای پیشین و تحقیقات صورت گرفته در زمینه تخصیص کمی وکیفی آب و به کارگیری تئوری بازی‌ها در تخصیص منابع آب انجام گرفته است. نحوه عملکرد نرم‌افزارها و روش­های به کار گرفته شده در روند مدلسازی، در فصل سوم ارائه شده است. در این تحقیق مورد مطالعاتی جهت ارزیابی مدل ارائه شده، حوضه رودخانه رودبال می­باشد. مشخصات محدوده مذکور در فصل چهار مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار مدل به کار گرفته شده و نتایج حاصل از کارگیری مدل در منطقه مورد مطالعه به ترتیب در فصل پنج و شش تشریح شده است. در نهایت در فصل هفتم نیز نتیجه ­گیری و پیشنهادات برای ادامه­ تحقیق ارائه شده است.

فصل دوم
مرور پیشینه مطالعات

2-1- مقدمه

کاهش منابع آبی در دسترس با کیفیت مطلوب از یک سو و افزایش نیازهای آبی از سوی دیگر، لزوم مدیریت همزمان کمی و کیفی بیش از پیش، توجه­ محققان و سیاستگزاران بخش آب را به خود جلب کرده است. در این بین توسعه­ پایدار با لحاظ توأمان خصوصیات اقتصادی و زیست­محیطی با لحاظ محدودیت‌های موجود می ­تواند به عنوان مبنای معتبری برای تصمیم‌گیری در مورد تخصیص منابع آب در نظر گرفته شده است. با توجه به کمبود منابع آبی و وجود تصمیم­گیرندگان و ذینفعان متعدد در یک حوضه­ آبریز، تخصیص منابع آب موضوع حساس و پیچیده­ای می­باشد و تاکنون مطالعات زیادی در این زمینه انجام گرفته است. در برخی از مطالعات موجود، تخصیص تلفیقی منابع آب سطحی و زیرزمینی و تئوری بازی‌ها برای حل مشکلات یاد شده در خصوص تخصیص منابع آبی به کار گرفته شده است، البته باید در نظر داشت که علاوه بر این مشکلات، عدم‌قطعیت­های تأثیرگذار در تخصیص نیز به خودی خود بر اهمیت و حساسیت مسأله می افزایند. با توجه به اهداف تحقیق پیش رو برخی از مطالعات و تحقیقات گذشته در زمینه­ تخصیص منابع آبی در دو بخش زیر آورده شده است :
- مدیریت تخصیص کمی و کیفی منابع آب در حوضه آبریز
- به کارگیری تئوری بازی‌ها در مدیریت کمی و کیفی منابع آب

2-2- پیشینه مطالعات در زمینه مدیریت منابع آب در حوضه آبریز

نخستين مطالعات در زمينه مدل‌های تخصيص آب از دهه 1950 آغاز شد و از سال 1960 تا 1970 پيشرفت‌هاي بسيار زيادی کرد. محققين زيادي، مدل‌سازی کيفي آب را در کنار لحاظ کميت آب، در تخصيص آب ضروری دانسته‌اند. دليل اين امر، لزوم توجه به توسعه پايدار با حداقل اثرات منفي روي منابع آبي بوده است (Griggn and Brgson, 1972). در ادامه برخی از مطالعات در زمینه­ مدیریت کمی و کیفی منابع آب آورده شده است.
Tang (1995) مدلی جهت تخصیص بهینه منابع آب در حوضه رودخانه ارائه داد. ایشان برای حل مدل خود از روش LHDP^[9] استفاده نمود. مدل پیشنهادی در حوضه رودخانه زرد چین مورد ارزیابی قرار گرفت. در این تحقیق مدیریت کیفی و عدم‎قطعیت مورد بررسی قرار نگرفت.
Takyi and Lence (1999) به منظور تخصیص کمی و کیفی از آب رودخانه،‌ يك مدل بهينه‌سازي چندهدفه را بر مبناي روش برنامه‌ريزي با محدوديت‌هاي شانسي^[10] تدوين نمودند. در اين تحقيق، ايشان از مدل شبكه‌هاي عصبي مصنوعي به منظور كاهش زمان محاسبات مدل غيرفصلي خود استفاده كردند.
De Azevedo et al. (2000) برای مدل‌سازی کمی و کيفی آب در رودخانه و مخزن از دو مدل MODSIM و QUAL2E-UNCAS استفاده کردند. همچنين در اين پژوهش، تحليل عدم قطعيت پارامترهای مدل نيز صورت پذيرفته است. ايشان، مدل پيشنهادي خود را در حوضه رودخانه Piracicaba در برزيل به‌کار ‌بردند. نتايج حاصل از اين پژوهش، نشان داد که می‌توان با افزايش راندمان تصفيه فاضلاب‌ها و همچنين افزايش جريان آب در رودخانه، مشکل کيفيت نامناسب آب در رودخانه‌ها را حل نمود.
Dai et al. (2001) برای اولين بار، مدل قطعی MODSIMQ را براي تخصيص همزمان کمی و کيفی آب ارائه نمودند. اين مدل، شبکه جريان را همانند MODSIM، مدل‌کرده ولی با افزودن محدوديت‌های کيفی، مدل‌سازی کيفيت آب را نيز انجام می‌دهد. ايشان اين مدل را در حوضه رودخانه Arkansas در Colorado آمريكا به‌کار ‌بردند. نتايج حاصل از سناريو‌های مختلف مديريتي نشان می­دهد که در صورت استفاده صحيح از منابع سطحی و زيرزمينی و همچنين کنترل شوری، مشکل تأمين آب در اين حوضه برطرف می‌شود. همان طور که اشاره شد در این مدل عدم‌قطعیت‌ها درنظر گرفته نشده است.
Cai et al. (2003) مدلی غیرخطی جهت تخصیص کمی وکیفی منابع آب ارائه دادند. در این مدلسازی سعی ‌شد تخصیص آب به تقاضاهای کشاورزی و دیگر تقاضاها بنحوی بهینه گردد که سود اقتصادی ذینفعان بیشینه شده و به نیاز زیست‌محیطی نیز پاسخ داده شود. ایشان مدل پیشنهادی خود را در تخصیص منابع آب حوضه دریای آرال به کار بردند. در این مدل عدم‌قطعیت لحاظ نشده است.
Kerachian and Karamouz (2007) مدل استوکستیک جهت تخصیص کمی و کیفی در سیستم مخزن-رودخانه ارائه دادند. ایشان در مدل خود عدم­قطعیت مربوط به آورد رودخانه را نیز درنظر گرفتند.
Shourian et al. (2008) با بهره گرفتن از ترکیب مدل شبیه‌سازی سیستم‌های آبی مُدسیم و الگوریتم تکاملیPSO^[11] ، قابلیت بهینه‌سازی چند-دوره‌ای را به مدل شبیه‌سازی برای کاربرد در تحلیل سیستم آبی حوضه آبریز سیروان افزوده‌اند. این مدل ترکیبی برای طراحی حجم مخازن سدها و ظرفیت سیستم انتقال آب در حوضه آبریز سیروان با هدف بیشینه‌سازی سود حاصل از تخصیص آب با احتساب هزینه ساخت سد و سیستم انتقال برای تخصیص دهنده آب به کار گرفته شده است. آنها به وسیله‌ی این مدل سناریوهای مختلف انتقال آب از حوضه آبریز سیروان به حوضه‌های مجاور، و ابعاد حجم مخازن و سازه‌های انتقال آب را برای هر سناریو با هدف بیشینه‌سازی سود حاصل از تخصیص آب را مورد بررسی قرار داده‌اند.
Zhang et al. (2010) مدلي قطعی براي تخصيص همزمان کمی و کيفی آب ارائه دادند. در اين مدل، انتقال آلودگی و فرآيند چرخه هيدرولوژيکی در حوضه رودخانه لحاظ شده است. ايشان مدل پيشنهادي خود را در حوضه رودخانه Jiojiang در چين به‌‌كار بردند. در این پژوهش عدم‌قطعیت بررسی نشده است.
Paredes et al. (2010) يک مدل قطعی کمی و کيفی را به منظور تخصيص آب در سطح حوضه آبريز ارائه نمودند. آن­ها جهت ­مدل­سازی کمی از مدل SIMGES که توسط اندرو و همکارانش^[12] در سال 1992 ارائه شد، بهره جستند و مدل­سازی کیفی را براساس مدل GESCAL، ارائه شده توسط پاردس و همکارانش^[13] در سال 2007، انجام دادند. تابع هدف مدل بهينه‌سازی تدوين‌شده توسط ايشان، یک تابع اقتصادی و به صورت حداقل‌کردن هزينه تأمين آب بوده است. ایشان، مدل خود را در حوضه رودخانه Jucarدر اسپانيا مورد ارزيابي قرار دادند.
Zhou et al. (2011) روش برنامه‌ريزی غيرقطعی فاکتوريل را برای مديريت منابع آب با لحاظ عدم‌قطعيت‌ها ارائه نمودند. چارچوب کلی برنامه‌ريزی غيرقطعی فاکتوريل در اين تحقيق، از تلفيق تحليل فاکتوريل و برنامه‌ريزی بازه­ای دو مرحله‌ای تشکيل می‌شود. در اين تحقيق، كيفيت آب لحاظ نگرديده و اثرات برقراري همكاري بين آببرهاي مختلف در تخصيص بررسي نشده است. در ضمن این مدل، در صورت افزایش تعداد پارامترهای غیرقطعی پاسخگو نیست.
Nikoo et al. (2012a) يک روش جديد غير قطعي برای تخصيص همزمان آب و بار‌آلودگی در رودخانه‌ها ارائه نمودند. ايشان از يک مدل بهينه‌سازي بازه‌اي غيرخطی برای لحاظ عدم‌قطعيت‌‌ ورودی‌ها و پارامتر‌های مدل تخصيص استفاده کردند. در اين مدل، عدم قطعيت‌های موجود در نياز آبي و آب قابل دسترس ماهانه و همچنين اثرات زيست‌محيطی و اقتصادی تخصيص آب در بخش کشاورزی لحاظ شده است. برای نشان دادن قابليت اجرا و کارايي مدل، اين مدل در رودخانه دز به‌کار ‌برده شده است. در اين تحقيق، تنها بار آلودگي شاخص كل جامدات محلول در نظر گرفته شده است و مدل براي چند بار آلودگي توسعه داده نشده است.
Nikoo et al. (2013a) روندی جدید براساس منطق فازی با در نظر گرفتن عدم‌قطعیت‌های مرتبط با تخصیص آب و بار آلودگی ارائه دادند. در این مدل­سازی کیفیت و مقدار زه‌آب ناشی از کشاورزی و سود ناشی از تخصیص آب به نیاز کشاورزی مورد بررسی قرار گرفته است. در این پژوهش جهت تخصیص عادلانه منابع آب از رویکرد بازی همکارانه فازی استفاده شده است. این مدل در رودخانه دز ارزیابی شده است.
Nikoo et al. (2013b) مدلی جهت تخصیص بهینه از رودخانه و مخزن در حوضه آبریز ارائه دادند. ایشان در تحقیق خود از روش بازه­ای غیرخطی جهت کمینه کردن کمبود در تأمین نیازها استفاده نمودند. در این مدل کیفیت آب و عدم­قطعیت در نیازها نیز درنظرگرفته شده است. در این تحقیق مدل پیشنهادی در حوضه آبریز زاینده­رود به کار گرفته شد ونتایج حاکی از آن است که در شرایط خشکسالی که مقدار آب سطحی در دسترس کمتر از 85 درصد از حالت نرمال و نیاز آبی 115 درصد از نیازهای درحال حاضر است، مقدار TDS^[14] در محل ورود به باتلاق گاوخونی که در پایین دست حوضه آبریز قرار دارد تا 50 درصد کاهش می­یابد.
Nikoo et al. (2013c) يک متدولوژي فازي را به منظور تخصيص آب و بار آلودگي در رودخانه‌ها، بر مبنای روش تبديل فازي (^[15]FTM) ارائه کردند. در اين تحقيق، مدل FTM به عنوان يک مدل شبيه‌سازي مناسب با رويکرد رياضيات فازي پيشرفته، در چهارچوب يک مدل بهينه‌سازي تخصيص آب و بار آلودگي مورد استفاده قرار گرفت.

2-3- پیشینه مطالعات در زمینه به کارگیری تئوری بازی‌ها در مدیریت کمی و کیفی منابع آب

نظریه بازی‌ها توسط نیومن و مرگنسترن^[16] (1944) ارائه شد. این نظریه یک مدل ریاضی ساده از رفتار اعضای یک مجموعه که بر سر کالای خاصی (مانند مقدار آب تخصیص داده شده) با یکدیگر رقابت می­ کنند، را ارائه می­دهد. به عبارت دیگر این نظریه زمانی به کار می ­آید که در تصمیم ­گیری در مجموعه ­ای، منافع یک عضو در گرو انتخاب و منافع اعضا دیگر باشد
(Stanford Encyclopedia of Philosophy, 2006). با توجه به ماهیت مسائل مدیریت منابع آب برخی از محققین در مطالعات خویش از این تئوری استفاده نموده ­اند. از جمله اولين مطالعات مربوط به كاربرد تئوري بازي‌ها در مديريت منابع آب مي‌توان به Rogers (1969) اشاره نمود. در اين مطالعه، از تئوري بازي‌ها جهت تدوین استراتژی بهره ­برداری از رودخانه­های Ganges و Brahmaputra، که در مرز پاکستان و هند واقع شده ­اند­، استفاده شده است. در این مطالعه تخصیص براساس همکاری بین دو کشور تعیین گردید و از تئوري بازي‌ها به منظور تعيين منافع طرفين شركت‌كننده در همكاري استفاده شده است. نتايج حاکی از آن است که در صورت همکاری بین دو کشور سود بیشتری عاید هر یک از آن­ها خواهد شد.
Bogardi and Szidarovszky (1976) به بررسي موارد مختلف قابل استفاده از تئوري بازي‌ها در مسائل مربوط به منابع آب پرداختند. از جمله كاربرد‌هاي اشاره ‌شده در اين تحقيق، مي‌توان به استفاده از تئوري بازي‌ها در مديريت كيفي منابع آب و مديريت سيستم‌هاي چند‌منظوره‌ منابع آب اشاره نمود.
Dinar and Wolf (1994) متدولوژي جديدي بر مبناي تئوري بازي‌ها، جهت طرح­های انتقال آب بین حوضه­ای^[17] ارائه کردند. ايشان جهت ارزیابی مدل پیشنهادی آن را در محدوده مطالعاتی شامل چهار کشور اسرائیل، مصر، نوار غزه و ساحل غربی رود اردن به کار گرفته و نشان دادند در صورت همکاری بین کشورهای مذکور، سود اقتصادی حاصله بیشتر است.
Özelkan and Duckstein (1996) متدولوژی را جهت حل یک مسئله اقتصاد منابع آب براساس روش تصمیم ­گیری چند معیاره ارائه دادند و ایشان كارايي چند روش‌ مختلف تصميم‌گيري چند‌معياره را در مدل پيشنهادي خود مورد بررسي قرار دادند. روش­های به کار گرفته شامل PROMETHEE^[18]-I, PROMETHEE-II، روش آناليز چند‌معياره‌ Q، ^[19]GAIA، بازي‌هاي همكارانه و CP^[20] می­باشند. ایشان به این نتیجه رسیدند که هیچکدام از مدل­ها برتری قابل ملاحظه­ای نسبت به دیگری ندارد.
Dinar and Howitt (1997) به بررسي روش‌هاي مختلف لحاظ معيارهاي پايداري و مقبوليت در بازتوزيع هزينه‌‌هاي حفاظت ‌زيست‌محيطي منابع آب بين آلوده‌كنند‌گان مختلف آن پرداختند. ايشان از شرط مقبوليت به عنوان شاخصي از معيار عدالت در بازتوزيع هزينه‌ها استفاده كردند. در اين تحقيق، از چهار روش Nash-Harsnayi، Shapley، Nucleolus و روش اختصاص نسبي هزينه به منظور بازتوزيع هزينه‌ها استفاده شده است. نتايج اين تحقيق، نشان‌دهنده اين بوده است كه بازتوزيع هزينه‌ها، وابستگي زيادي به شرايط طبيعي حاكم بر بازه‌ زماني مورد بررسي دارد. ايشان همچنين به اين نتيجه رسيدند كه روش‌هاي مختلف بازتوزيع هزينه‌ها، از نظر معيارهاي پايداري و مقبوليت با هم تفاوت دارند.
Frisbold and Caswell (2000) يك مدل بازي همكارانه را به منظور تعیین نحوه­ تخصیص منابع آبی مشترک تدوین نمودند. ایشان به وسیله­ این مدل، قابليت تئوري بازي‌ها در حل اختلاف بر سر منابع آبي مشترک بين دو كشور آمریکا و مکزیک مورد ارزیابی قرار دادند. در اين تحقيق، توانایی تئوري بازي‌ها در حل اختلاف بين طرفين، مشخص گرديده اما قياس مزاياي روش تئوري بازي‌ها با ساير روش‌هاي حل اختلاف معمول، صورت نپذيرفته است.
Kilgour and Dinar (2001) یک مدل بازی همکارانه را به منظور تعیین نحوه‌ی تخصیص آب از رودخانه‌‌ مشترک Ganges در مرز هندوستان و بنگلادش، تدوین نمودند. در اين تحقيق، پس از تعیین مقدار آب تخصیصی به هر یک از مصرف کنندگان براساس قوانین تخصیص تدوین شده، سود حاصله بین آببرهای مختلف براساس بازی همکارانه باز توزیع می­گردد. در این مدل عدم‌قطعیت­ها و کیفیت آب بررسی نشده است.
Loaiciga (2004) با بهره گرفتن از تئوري بازي‌ها، مدلي را به منظور بررسي و تحليل مسأله بهره‌برداري از منابع آب زيرزميني مشترک ارائه داد. در این مدل تابع هدف به صورت حداکثر نمودن سود ناشی از تخصیص آب می­باشد. ایشان تابع هدف مدل بهینه­سازی خود را به صورت حداکثر نمودن سود ناشی از تخصیص آب با قید رعايت مقدار ارتفاع افت مجاز در سطح سفره آب زيرزميني، تعریف نمود. مقدار سود خالص حاصله از بهره‌برداري از سفره آب زيرزميني نيز به صورت تابعي از هزينه پمپاژ، مقدار دبي پمپاژ، قيمت بازاري آب زيرزميني و زمان، در نظر گرفته شده است. نتايج اين تحقيق، نشان‌دهنده اين بوده است كه تدوين مدل بازي‌هاي همکارانه و برقراري همكاري بين ذينفعان، امکان برقراري بهره‌برداري پايدار از منابع آب زيرزميني مشترک را مهيا خواهد كرد.
Xiaokai et al. (2006) سه مدل جهت تخصیص آب رودخانه­ی زرد با بهره گرفتن از تئوری بازی‌ها معرفی نموده است. در این مدل­های تخصیص به ترتیب از سه روش زیر استفاده شده است:
1- سهميه‌ از پيش تعيين‌شده^[21] به هر مصرف‌کننده
2- برداشت تنظيم‌نشده‌ آب^[22]
3- مقدار حقابه‌هاي‌^[23] تعيين‌شده با در نظر گرفتن تجارت حقابه‌ها.
در اين تحقيق،‌ به منظور بازتوزيع منافع حاصله، با توجه به ذینفعان حاضر، از مدل چانه‌زني
Nash-Harsanyi کمک گرفته شده است. نتايج حاصله برتری روش سوم را تأیید می­ کنند. مدل ارائه‌شده در اين تحقيق، نيز عدم‌قطعيت‌ها را در مسأله تخصيص آب در نظر نگرفته است و كيفيت آب را نيز در تخصيص، لحاظ نمي‌كند.
Salazar et al. (2007) مدلي را به منظور حل اختلاف در بهره‌برداري مشترک از منابع آب زيرزميني با بهره گرفتن از نظريه بازي‌ها توسعه داده و اثرات زيست‌محيطي نامطلوب ناشي از افزايش برداشت از سفره آب زيرزميني به منظور افزايش سود حاصله از توليد محصولات كشاورزي را مورد بررسي قرار دادند. همچنين ايشان، افزايش بار آلودگي حاصله از ازدياد مصرف كود‌هاي شيميايي به منظور توليد محصولات كشاورزي بيشتر را نيز در مدل خود در نظر گرفتند. ايشان به منظور تعيين تخصيص‌هاي بهينه از بين 12 سناريوي مختلف برداشت آب از سفره آب زيرزميني، از تئوري بازي‌هاي همكارانه استفاده كردند. در اين تحقيق، به كمك چهار روش مختلف حل اختلاف بر مبناي تئوري بازي‌ها، سناريوي بهينه برداشت از سفره آب زيرزميني ايالت Guanajuato در مکزیک را تعيين نمودند. از جمله نكات قوت اين تحقيق، در نظر گرفتن همزمان دو معيار حداكثر‌سازي منافع اقتصادي و حداقل‌سازي مقدار آلودگي آب به نيترات، براي انتخاب سناريوي برتر برداشت آب بوده است.
McKinney and Teasley (2007) متدولوژی مناسب براساس بازي همکارانه براي بهره‌برداري از رودخانه­ی Syra Darya كه بين سه کشور قرقيزستان، ازبکستان و قزاقستان مشترك است، ارائه كردند. این سه کشور به منظورهای متفاوتی از یکدیگر از این رودخانه برداشت می­ کنند. کشور قرقیزستان که در بالادست رودخانه قرار دارد، بیشتر به منظور تولید انرژی برقابی از رودخانه برداشت می­ کند در حالی که دو کشور دیگر با توجه به آنکه پتانسیل تأمین انرژی از منابع دیگر را دارند، جهت مصرف شرب و کشاورزی از این رودخانه بهره ­برداری می­ کنند. محققان این تحقیق، پیشنهاد دادند با توجه به شرایط حاضر کشور ازبکستان و قزاقستان در ازای بهره ­برداری از رودخانه، منابع انرژی خود را در اختیار کشور قرقیزستان بگذارند. ایشان جهت تعیین مقدار پرداخت مالی به ازای آب رها شده از کشور قرقیزستان از بازی همکارانه Shaply استفاده نمودند. باید توجه داشت که این مدل کیفیت آب بازگشتی و عدم‌قطعیت­های موجود را درنظر نگرفته است.