پایان نامه مدل سازی حل مناقشات در بهره ­برداری تلفیقی آب ­های سطحی و زیرزمینی

پایان­نامه کارشناسی ارشد

مهندسی عمران – مهندسی آب

عنوان :

مدل سازی حل مناقشات در بهره ­برداری تلفیقی آب ­های سطحی و زیرزمینی

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 142  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

فصل اول: کلیات.

1-1- مقدمه.. 2

1-2- ضرورت انجام تحقیق.. 3

1-3- اهداف و دامنه­ی تحقیق……….. 3

1-4- روش­شناسی (متدلوژی) نیل به اهداف تحقیق.. 3

1-5- مشارکت علمی (نوآوری تحقیق).. 4

1-6- ساختارتحقیق…………….. 4

فصل دوم: بررسی سوابق مطالعاتی

2-1- مقدمه.. 6

2-2- مطالعات انجام گرفته در زمینه­ی حل اختلاف.. 6

2-2-1- حل اختلاف در بهره­برداری از آب­های سطحی.. 6

2-2-2- حل اختلاف در بهره­برداری از آب­های زیرزمینی.. 11

2-2-3- حل اختلاف در بهره­برداری تلفیقی از آب­های سطحی و زیرزمینی   12

2-3- جمع­بندی.. 13

فصل سوم: مواد و روش­های به کار رفته در تحقیق.

3-1- مقدمه.. 15

3-2- مدل­های بهینه­سازی.. 15

3-2-1- مدل­های بهینه­سازی تک­هدفه.. 15

3-2-2- مدل­های بهینه­سازی چندهدفه.. 17

3-3- مدل­های حل اختلاف.. 18

3-4- مدل شبیه­سازی سیستم.. 21

3-4-1- روش ماتریس پاسخ واحد.. 21

3-5- جمع­بندی.. 26

فصل چهارم: ساختار مدل­های شبیه­سازی سیستم و بهینه­سازی حل اختلاف

4-1- مقدمه.. 28

4-2- محاسبه­ی ماتریس پاسخ آبخوان.. 30

4-3- شبیه­سازی شرایط موجود.. 32

4-4- مدل بهینه­سازی.. 39

4-5- مقایسه­ی مقادیر کمبود در دو حالت شبیه­سازی- بهینه­سازی و بهینه­سازی   43

4-6- مدل حل اختلاف.. 44

4-6-1- معرفی توابع مطلوبیت.. 44

4-6-2- فرمول­بندی مدل حل اختلاف Nash. 47

4-6-3- فرمول­بندی مدل CR(I). 53

4-6-4- فرمول­بندی مدل CR(II). 56

4-6-5- مقادیر مطلوبیت­های تأمین نیاز حاصل از مدل­های حل اختلاف   59

4-6-6- مقایسه­ی نتایج مدل­های مختلف حل اختلاف.. 59

4-7- تخصیص آب با استفاده از رویکرد همکارانه.. 61

4-8- جمع­بندی.. 65

فصل پنجم: مطالعه­ی موردی

5-1- مقدمه.. 67

5-2- داده­های پایه.. 68

5-3- مدل بهینه­سازی سیستم.. 72

5-3-1- معرفی توابع مطلوبیت…….. 72

5-3-2- وزن نسبی شرکت­کنندگان.. 73

5-4- متدولوژی و ابزار حل مدل.. 74

5-4-1- نتایج حاصل.. 75

5-4-1-1- نتایج سال آبی 51-1350.. 75

5-4-1-2- نتایج سال آبی 67-1366.. 83

5-4-1-3- نتایج سال آبی 78-1377.. 89

5-4-2- مقایسه­ی نتایج مدل حل اختلاف Nash و مدل CR(II)….. 95

5-4-3- مسئله­ی تخصیص آب با رویکرد همکارانه در مورد سال آبی 51-1350   96

5-5- جمع­بندی.. 97

فصل ششم: نتایج و پیشنهادات

6-1- مقدمه.. 100

6-2- نتایج حاصل.. 100

6-3- پیشنهادات برای مطالعات آتی.. 102

فصل هفتم: مراجع

فهرست پیوست­ها

پیوست شماره یک- ضرایب پاسخ

پیوست شماره دو- آشنایی با نرم­افزار LINGO

پیوست شماره سه- آشنایی با نرم­افزار MODFLOW

فهرست اشکال

شکل ‏2‑1: منابع آب­های سطحی و منطقه کشاورزی آبخوان تهران.. 13

شکل ‏3‑1: فرم کلی تابع مطلوبیت ذوزنقه­ای [4].. 21

شکل ‏3‑2: مفهوم ضریب پاسخ برای منابع تحریک­کننده و تحریک شونده نقطه­ای[2].. 24

شکل ‏3‑3: پارامترهای یک سیستم آبخوان که می­تواند توسط MODFLOW شبیه­سازی شود [2].. 26

شکل ‏4‑1: بهره­برداری دو مصرف­کننده به صورت تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی.. 29

شکل ‏4‑2: نمای شماتیک سیستم فرضی در محیط نرم­افزار Visual MODFLOW… 31

شکل ‏4‑3: مقایسه­ی نتایج افت چاه 1 در LINGO و Visual MODFLOW… 31

شکل ‏4‑4: مقایسه­ی نتایج افت چاه 2 در LINGO و Visual MODFLOW… 32

شکل ‏4‑5: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از شبیه­سازی وضع موجود برای مصرف­کننده­ی بالادست.. 37

شکل ‏4‑6: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از شبیه­سازی وضع موجود برای مصرف­کننده­ی پایین­دست.. 37

شکل ‏4‑7: نتایج حاصل از شبیه­سازی وضع موجود.. 38

شکل ‏4‑8: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی برای مصرف­کننده­ی بالادست.. 41

شکل ‏4‑9: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی برای مصرف­کننده­ی پایین­دست.. 41

شکل ‏4‑10: نتایج حاصل از مدل بهینه­سازی.. 42

شکل ‏4‑11: مقایسه­ی مقادیر کمبود در دو مدل برای مصرف­کننده­ی بالادست   43

شکل ‏4‑12: مقایسه­ی مقادیر کمبود در دو مدل برای مصرف­کننده­ی پایین­دست   43

شکل ‏4‑13: نمودار تابع مطلوبیت تأمین نیاز آبی مصرف­کنندگان.. 45

شکل ‏4‑14: نمودار تابع مطلوبیت افت تراز آبخوان در محل چاه­ها   45

شکل ‏4‑15: نمودار تابع مطلوبیت تأمین نیاز زیست­محیطی.. 46

شکل ‏4‑16: نمودار تابع مطلوبیت مرتبط با هزینه­ی برداشت آب مصرف­کنندگان   46

شکل ‏4‑17: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی Nash برای مصرف­کننده­ی بالادست.. 51

شکل ‏4‑18: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی Nash برای مصرف­کننده­ی پایین­دست.. 51

شکل ‏4‑19: نتایج حاصل از مدل بهینه­سازی Nash. 52

شکل ‏4‑20:مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(I) برای مصرف­کننده­ی بالادست.. 54

شکل ‏4‑21:مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(I) برای مصرف­کننده­ی پایین­دست.. 54

شکل ‏4‑22: نتایج حاصل از مدل CR(I). 55

شکل ‏4‑23:مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(II) برای مصرف­کننده­ی بالادست.. 57

شکل ‏4‑24: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(II) برای مصرف­کننده­ی پایین­دست.. 57

شکل ‏4‑25: نتایج حاصل از مدل CR(II). 58

شکل ‏4‑26: نتایج کمبودهای آبی مدلهای مختلف حل اختلاف برای بالادست رودخانه.. 60

شکل ‏4‑27: نتایج کمبودهای آبی مدل­های مختلف حل اختلاف برای پایین­دست رودخانه.. 60

شکل ‏4‑28: مقایسه­ی مقادیر کمبود آبی مصرف­کننده­ی بالادست قبل و بعد از همکاری.. 64

شکل ‏4‑29 : مقایسه­ی مقادیر کمبود آبی مصرف­کننده­ی پایین­دست قبل و بعد از همکاری.. 64

شکل ‏5‑1:موقعیت کلی منطقه­ی طرح و محدوده­ی مدل (آبخوان) در حوضه­ی آبریز ابهر [5].. 67

شکل ‏5‑2: نمودار جریان رودخانه­ی ابهر در سال­های آبی مختلف.. 68

شکل ‏5‑3: مقادیر مختلف نیازهای صنعت، شهری، کشاورزی.. 69

شکل ‏5‑4: موقعیت چاه­های موجود در منطقه.. 70

شکل ‏5‑5 : نمودار تابع مطلوبیت تأمین نیاز آبی مصرف­کنندگان.. 72

شکل ‏5‑6: نمودار تابع مطلوبیت افت تراز آبخوان در محل چاه­ها.. 72

شکل ‏5‑7 : نمودار تابع مطلوبیت تأمین نیاز زیست­محیطی رودخانه   73

شکل ‏5‑8: نمودارتابع مطلوبیت مرتبط با هزینه­ی برداشت آب مصرف­کنندگان   73

شکل ‏5‑9: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب بالادست سال آبی 51-1350.. 76

شکل ‏5‑10: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب پایین­دست سال آبی 51-1350.. 76

شکل ‏5‑11: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت بالادست سال آبی 51-1350.. 78

شکل ‏5‑12: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت پایین­دست سال آبی 51-1350.. 78

شکل ‏5‑13: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی بالادست سال آبی 51-1350.. 80

شکل ‏5‑14: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی پایین­دست سال آبی 51-1350.. 80

شکل ‏5‑15: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب بالادست سال آبی 67-1366.. 84

شکل ‏5‑16: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب پایین­دست سال آبی 67-1366.. 84

شکل ‏5‑17: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت بالادست سال آبی 67-1366.. 86

شکل ‏5‑18: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت پایین­دست سال آبی 67-1366.. 86

شکل ‏5‑19: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی بالادست سال آبی 67-1366.. 88

شکل ‏5‑20: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی پایین­دست سال آبی 67-1366.. 88

شکل ‏5‑21: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب بالادست سال آبی 78-1377.. 90

شکل ‏5‑22: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف شرب پایین­دست سال آبی 78-1377.. 90

شکل ‏5‑23: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت بالادست سال آبی 78-1377.. 92

شکل ‏5‑24: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف صنعت پایین­دست سال آبی 78-1377.. 92

شکل ‏5‑25: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی بالادست سال آبی 78-1377.. 94

شکل ‏5‑26: نتایج تخصیص و کمبود حاصل از مدل برای مصرف کشاورزی پایین­دست سال آبی 78-1377.. 94

شکل ‏5‑27: مقایسه­ی نتایج برداشت از آب سطحی در دو مدل Nash و CR(II)  95

شکل ‏5‑28: مقایسه­ی نتایج برداشت از آب زیرزمینی در دو مدل Nash و CR(II)  96

فهرست جداول

جدول ‏4‑1: اطلاعات ورودی مسئله (مقادیر به میلیون متر مکعب).. 29

جدول ‏4‑2: ماتریس­های پاسخ چاه 1 و چاه 2.. 30

جدول ‏4‑3: مقادیر برداشت آب سطحی بالادست حاصل از شبیه­سازی در محیط Excel 33

جدول ‏4‑4: مقایسه­ی مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف­کننده (مقادیر به میلیون متر مکعب).. 36

جدول ‏4‑5: مقایسه­ی مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف­کننده (mcm)  40

جدول ‏4‑6: مقایسه­ی مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف­کننده (mcm)  50

جدول ‏4‑7: مقایسه­ی مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف­کننده (mcm)  53

جدول ‏4‑8: مقایسه­ی مقادیر تخصیص و مقادیر کمبود دو مصرف­کننده(mcm)  56

جدول ‏4‑9: مجموع مقادیر هزینه در مدل­های مختلف برای دو مصرف­کننده­ی بالادست و پایین­دست (تومان).. 58

جدول ‏4‑10: مقایسه­ی مقادیر مطلوبیت­های تأمین نیاز مصرف­کنندگان   59

جدول ‏4‑11: مقادیر رهاسازی آب در ماه­های مختلف.. 63

جدول ‏5‑1: جریان رودخانه ابهر در سال­های آبی مختلف (mcm).. 68

جدول ‏5‑2: مقادیر نیاز شهری، صنعت،کشاورزی و حقابه­های زیست­محیطی طرح (mcm). 69

جدول ‏5‑3: ماتریس پاسخ چاه 1.. 71

جدول ‏5‑4: مقادیر ضرایب برگشتی به آب سطحی و آب زیرزمینی.. 71

جدول ‏5‑5: مقادیر ضرایب برگشتی از مصارف مختلف.. 71

جدول ‏5‑6: مقادیر وزن نسبی شرکت­کنندگان در مطالعه­ی موردنظر.. 74

جدول ‏5‑7: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف شرب سال آبی 51-1350 (mcm). 75

جدول ‏5‑8: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف صنعت سال آبی 51-1350 (mcm). 77

جدول ‏5‑9: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف کشاورزی سال آبی 51-1350 (mcm). 79

جدول ‏5‑10: مقادیر جریان زیست­محیطی مربوط به بالادست و پایین­دست رودخانه سال آبی 51-1350.. 81

جدول ‏5‑11: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف شرب سال آبی 67-1366 (mcm). 83

جدول ‏5‑12: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف صنعت سال آبی 67-1366 (mcm). 85

جدول ‏5‑13: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف کشاورزی سال آبی 67-1366 (mcm). 87

جدول ‏5‑14: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف شرب سال آبی 78-1377 (mcm). 89

جدول ‏5‑15: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف صنعت سال آبی 78-1377 (mcm). 91

جدول ‏5‑16: مقادیر نیاز، تخصیص و کمبودهای آبی مربوط به مصرف کشاورزی سال آبی 78-1377 (mcm). 93

جدول ‏5‑17: مقادیر رهاسازی آب در ماههای مختلف.. 97

چکیده

وجود ذینفعان مختلف در بهره­برداری از سیستم­های منابع آب با اولویت­های متفاوت و معمولاً در تضاد، مناقشاتی را به وجود می­آورد که حل و رفع این مناقشات به خصوص در سالهای اخیر مورد توجه محققان بسیاری قرار گرفته است و راهکارهای متفاوتی برای حل این مشکل ارائه شده­ است. یکی از این روش­ها رویکرد حل اختلاف Nash می­باشد. در این پایان­نامه یک سیستم مرکب رودخانه-آبخوان که وظیفه­ی تأمین نیاز آبی دو منطقه­ی بالادست و پایین­دست را بر عهده دارد در نظر گرفته شده و وضعیت مناقشه­ی سیستم شبیه­سازی شده است. با استفاده از رویکرد Nash مسئله­ی حل مناقشه بین مصرف­کنندگان آب که از هر دو منبع آب سطحی و زیرزمینی استفاده می­کنند تحلیل گردیده و نتایج حاصل از آن با دو روش حل اختلاف دیگر مقایسه شده است. این مسئله با توجه به محدودیت­های موجود برای برداشت آب زیرزمینی (افت تراز آبخوان) و همچنین محدودیت برداشت آب سطحی (تأمین نیاز زیست­محیطی) حل شده است. از نرم­افزار VisualMODFLOW برای شبیه­سازی سیستم رودخانه-آبخوان و نرم­افزار LINGO برای حل مسئله­ی بهینه­ی حاصل استفاده شده است. مطالعه­ی موردی، مناقشه­ی موجود در بین مصرف­کنندگان بخش­های مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی دو منطقه­ی ابهر و خرمدره را که از منابع سطحی و زیرزمینی به صورت تلفیقی استفاده می­کنند در نظر دارد و از روبکرد حل اختلاف Nash برای بهبود این مناقشه استفاده می­کند. نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که مدل Nash    می­تواند با رعایت مقادیر وزن­های نسبی و مطلوبیت­های تعیین­شده پاسخی را ارائه دهد که حاصل مشارکت  ذی­نفعان بوده و مطلوبیت کل سیستم را به ماکزیمم مقدار برساند.

-     مقدمه

آب برای حفظ زندگی انسان­ها و محیط زیست ضروری است. تقریباً در هر منطقه­ای از جهان تأمین آب به دلیل افزایش تقاضاهای وابسته به صنعتی شدن، شهری شدن و رشد جمعیت، دشوارتر شده است[35]. بر اساس گزارش جهانی آب جمعیت جهان در قرن اخیر سه برابر شده و به تناسب آن مصرف آب برای اهداف انسانی 6 برابر افزایش داشته است[36]. علاوه بر این شرایط آب و هوایی مثل گرم­شدن زمین وضعیت را در آینده بدتر خواهد کرد. از آنجایی که آب از نظر مکانی و زمانی به طور نامنظم توزیع شده است، بارندگی­های منظم در بعضی مناطق با خشکسالی­های بلندمدت در سایر مناطق مغایرت دارد. همچنین منابع آب شیرین جهان بر اساس مرزهای سیاسی تفکیک نشده است، بنابراین توزیع و استفاده از منابع آب محدود، می­تواند منجر به ایجاد مناقشات محلی، منطقه­ای و حتی در سطوح بین­المللی شود. مدیریت پیشرفته­­ی آب، حل مناقشات و همکاری می­تواند چنین مشکلاتی را بهبود بخشد چراکه روند حل مناقشات آب با استفاده از علوم حقوق، مهندسی، اقتصاد، زمین­شناسی و اقتصاد سیاسی قانونمند شده است[12].

حل موفق مناقشات ملی و بین­المللی آب، نیاز به درک درستی از ذات مناقشه و همچنین مدلسازی و تحلیل مسائل اساسی آن برای رسیدن به یک توافق نهایی در خصوص اینکه چه مقدار از آب مشترک به هر کشور و یا گروهی تخصیص یافته است، دارد. طبیعت و جریان مناقشه و همکاری بین گروه­های درگیر بر پایه­ی تکنولوژی­ها و روش­های جدید می­تواند به مدیریت موثر منابع آب کمک کند و بدین وسیله کشمکش میان گروه­های درگیر در مسئله­ی آب را کاهش دهد[35].

از آنجایی که منابع آب سطحی پاسخگوی نیازهای کشاورزی، شرب و صنعتی نبوده و استفاده­ی بیش از حد از منابع آب زیرزمینی نیز سفره­های آب زیرزمینی کشور را با مشکلات متعددی مواجه ساخته است، لذا بهره­برداری تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی، به عنوان راه­حلی مناسب در این زمینه مورد توجه قرار گرفته است[3]. امروزه مدیریت جامع منابع آب، با تأکید بر بهره­برداری مشترک یا تلفیقی از منابع آب­های سطحی و زیرزمینی، در دستور کار کلیه­ی سازمان­های بهره­برداری قرار گرفته است. توسعه­ی بهره­برداری از آب­های زیرزمینی در مقایسه با سدسازی دارای مزایای متعددی بوده و مشکلات به مراتب کمتری دارد. از این میان می­توان به هزینه­ی کمتر، عدم وجود مشکل رسوب و تبخیر، مشکلات کیفی کمتر، و عدم وجود مشکلات اجتماعی و فرهنگی اشاره نمود[10].

بهره­برداری تلفیقی منابع آب بالطبع اختلافات بین کاربران را بیشتر می­کند چراکه همواره تعاملاتی بین    آب­های سطحی و زیرزمینی وجود دارد و همچنین در بهره­برداری از آب­های زیرزمینی که به صورت پمپاژ از چاه­ها می­باشد، نیز مسائلی همچون اندرکنش چاه­ها و تأثیر پمپاژ در افت آبخوان نیز مورد توجه هستند، مسئله­ی دیگری که به خصوص در بهره­برداری تلفیقی اهمیت بیشتری پیدا می­کند بحث کیفیت می­باشد که روند حل مناقشه را با پیچیدگی­های بیشتری روبرو می­سازد. در این تحقیق از بحث کیفیت صرفنظر شده است.

با توجه به مطالبی که در بخش مقدمه ذکر شد نیاز به یک مدل حل مناقشه برای رفع اختلافات بین ذینفعان امری ضروری به نظر می­رسد. این تحقیق تلاش دارد با ارائه­ی یک مدل مناسب، علاوه بر در نظر گرفتن منافع مصرف­کنندگان در برداشت از منابع آبی، مسائل دیگری همچون آبخوان­ها را که با توجه به برداشت بی­رویه و غیراصولی از چاه­ها با افت قابل­توجهی روبرو شده­اند و همچنین نیاز زیست­محیطی رودخانه که برای حفظ اکوسیستم امری ضروری می­باشد مورد توجه قرار دهد.

1-2-     ضرورت انجام تحقیق

امروزه بهره­برداری تلفیقی از منابع آب­های سطحی و زیرزمینی به دلایلی که در بخش قبلی ذکر شد بیشتر در دستور کار سازمان­ها قرار گرفته است. از طرفی مسائلی همچون افزایش جمعیت، گرم شدن زمین و کاهش شدید منابع آب باعث تشدید اختلافات در میان کاربران شده است، بنابراین ارائه­ی راه­حلی مناسب امری ضروری به نظر می­رسد. از آنجایی که در زمینه­ی بهره­برداری تلفیقی از منابع آب­های سطحی و زیرزمینی با رویکرد حل اختلاف مطالعات بسیار کمی صورت گرفته است (در فصل دوم پیشینه­ی مطالعات بررسی شده است)، لذا این مطالعه می­تواند مفید واقع شود.

1-3-     اهداف و دامنه­ی تحقیق

این تحقیق تلاش دارد با ارائه یک مدل مناسب، علاوه بر در نظر گرفتن منافع مصرف­کنندگان در برداشت از منابع آبی، مسائل دیگری همچون آبخوان­ها را که با توجه به برداشت بی­رویه و غیراصولی از چاه­ها با افت قابل­توجهی روبرو شده­اند و همچنین نیاز زیست­محیطی رودخانه که برای حفظ اکوسیستم امری ضروری می­باشد مورد توجه قرار دهد. توجه به این موضوع که برداشت آب از آبخوان با تأخیر زمانی همراه است به این معنی که اگر برداشت از آب زیرزمینی در یک ماه به خصوصی انجام شود این مسئله در ماه­های بعدی بروز پیدا خواهد کرد نیز بر پیچیدگی روند حل مناقشه می­افزاید. بنابراین اهداف این تحقیق را به طور کلی می­توان به 3 دسته تقسیم­بندی کرد:

• تأمین حداکثر نیاز مصرف­کنندگان
• توجه به مسائل زیست­محیطی
• به حداقل رساندن افت آبخوان­ها

1-4-     روش­شناسی (متدلوژی) نیل به اهداف تحقیق

با توجه به اهدافی که در فوق ذکر شد، در این تحقیق ، ابتدا یک سیستم فرضی که شامل دو مصرف­کننده­ی بالادست و پایین­دست می­باشد و از منابع آبی موجود به صورت تلفیقی بهره گرفته می­شود در نظر گرفته شد، مدل شبیه­سازی وضعیت موجود (به منظور مشخص شدن علل بروز اختلاف) و مدل بهینه­سازی کلاسیک (به منظور درک بهتر وضعیت سیستم) اجرا شد. سپس از سه روش مختلف حل اختلاف برای حل مسئله­ی مناقشه بهره گرفته شد و نتایج این سه مدل و مدل بهینه­سازی کلاسیک با یکدیگر مقایسه شد. در انتها روش حل اختلاف Nash در حل مناقشه­ی دشت ابهر به کار رفت. لازم به ذکر است از روش ماتریس پاسخ واحد در به دست آوردن ضرایب پاسخ سیستم بهره گرفته شده است، همچنین استخراج ضرایب پاسخ با استفاده از نرم­افزار Visual MODFLOW انجام شده است. نهایتاً برای اجرای مدل­های بهینه­سازی حل اختلاف از مدل LINGO استفاده شده است.

1-5-     مشارکت علمی (نوآوری تحقیق)

این تحقیق در نظر دارد با در نظر گرفتن یک سیستم مرکب رودخانه- آبخوان که در آن بهره­برداری از منابع آب به صورت تلفیقی انجام می­پذیرد، مناقشه­ی میان مصرف­کنندگان در بخش­های مختلف شرب، کشاورزی و صنعت را که در دو منطقه­­ی بالادست و پایین­دست دشت ابهر می­باشند را با استفاده از مدل حل اختلاف Nash حل کند. همانطور که قبلاً ذکر شد بحث حل اختلاف در برنامه­ریزی منابع آب سابقه­ی چندان زیادی ندارد و به خصوص در زمینه­ی بهره­برداری تلفیقی از منابع آب تحقیقات بسیار کمی صورت گرفته است، بدین منظور استفاده از روش Nash در حل مناقشه­ی این سیستم تلفیقی می­تواند نوآوری این تحقیق به حساب آید.

1-6-     ساختارتحقیق

مطالعه­ی حاضر در قالب 6 فصل تنظیم گردیده است. در فصل دوم مروری بر سوابق مطالعاتی مرتبط با موضوع این تحقیق خواهد شد. تشریح مواد و روش­های به کار رفته در تحقیق در فصل سوم گنجانده شده است که شامل شبیه­سازی سیستم و رویکرد حل اختلاف می­باشد. در فصل چهارم رویکردهای موجود در فصل 3 در قالب یک مثال ساده تشریح خواهند شد و نتایج حاصل از هر کدام با یکدیگر مقایسه می­شوند، در انتهای فصل چهارم نیز با فرض رویکرد همکارانه در تخصیص آب، مقادیر آب رها شده توسط بالادست محاسبه خواهند شد. در فصل پنجم به شرح مختصری از منطقه مورد مطالعه، داده­ها و اطلاعات مورد نیاز اشاره می­شود و مدل حل اختلاف Nash در تخصیص آب بین دو منطقه در سه سال آبی مختلف به کار خواهد رفت. در فصل ششم نتیجه­گیری و پیشنهادات حاصل از تحقیق ارائه شده و در انتها مراجع مورد استفاده معرفی می­گردند.

و......

طراحی بهینه قاب‌های فولادی به کمک الگوریتم رقابت استعماری

پایان نامه کارشناسی ارشد

رشته عمران – گرایش سازه

عنوان:

طراحی بهینه قاب‌های فولادی به کمک الگوریتم رقابت استعماری

فهرست مطالب

1  مقدمه 2

1-1   مقدمه 2

1-2     ضرورت انجام تحقیق 3

1-3   اهداف تحقیق 4

1-4   نوآوری 4

1-5     ساختار پایان نامه 4

2  مروری بر تحقیقات گذشته 7

3  کلیات و تئوری 13

3-1   مقدمه 13

3-2   الگوریتم‌های بهینه‌یابی 14

3-3   طراحی بهینه سازه‌های اسکلتی 15

3-3-1    روش اعمال محدودیت‌ها 16

3-3-2    طراحی بهینه قاب فولادی 17

3-4   پیش‌زمینه‌های تحقیقاتی 21

3-4-1    بهینه‌یابی سازه‌ها 21

3-4-2    نحوه عملکرد الگوریتم ICA 28

3-4-3       چند مثال از بهینه‌یابی با استفاده از الگوریتم ICA 35

3-5   ابزار‌های تحلیل 38

3-5-1    آشنایی با نرم افزار MATLAB 38

3-5-2    مختصری در مورد کاربرد نرم افزار MATLAB در این پروژه 40

3-5-3    معرفی روش اجزا محدود 41

3-5-4    آشنایی با روش اجزا محدود 42

4  الگوریتم‌های پیشنهادی 46

4-1   الگوریتم پیشنهادی EICA – الگوریتم اصلاح شده‌ی رقابت استعماری 46

4-1-1    مقدمه: 46

4-1-2    الگوریتم پیشنهادی EICA 46

4-1-3    فلوچارت الگوریتم پیشنهادی EICA : 48

4-1-4    مراحل الگوریتم پیشنهادی EICA : 50

4-1-5       مزایای الگوریتم پیشنهادی EICA 51

5  نتایج و بحث 58

5-1   نمونه‌ی طراحی قاب 3 طبقه و دو دهانه 58

5-2   نمونه‌ی طراحی قاب ده طبقه و یک دهانه 61

5-3     نمونه طراحی قاب فولادی 15 طبقه و سه دهانه 65

5-4   نمونه‌ی طراحی قاب 24 طبقه و سه دهانه 69

5-5     بررسی پارامترهای الگوریتم 76

5-5-1    بهینه‌یابی متغیر b 76

5-5-2       بهینه‌یابی ضریب سازگاری،CF 77

5-5-3       بهینه‌یابی پارامتر rev 80

6  نتیجه گیری و پیشنهادات 83

7  منابع و مراجع 86

فهرست جداول

جدول ‏3‑1: جواب‌های بهینه‌ی خرپای سه‌بعدی 72 عضوی به‌دست آمده توسط محققان مختلف [2] 38

جدول ‏5‑1:گروه بندی اعضای قاب 3 طبقه و دو دهانه 59

جدول ‏5‑2:پارامتر‌های ورودی الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده برای طراحی قاب 3 طبقه و دو دهانه 59

جدول ‏5‑3:نتایج طراحی برای قاب 3 طبقه و دو دهانه 60

جدول ‏5‑4: گروه بندی اعضای قاب ده طبقه و یک دهانه 63

جدول ‏5‑5: پارامتر‌های ورودی الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده برای طراحی قاب ده طبقه و یک دهانه 63

جدول ‏5‑6: نتایج طراحی برای قاب ده طبقه و یک دهانه 64

جدول ‏5‑7: گروه بندی اعضای قاب 15 طبقه و سه دهانه 66

جدول ‏5‑8: پارامتر‌های ورودی الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده برای طراحی قاب 15 طبقه و سه دهانه 66

جدول ‏5‑9: جواب‌های بهینه‌ی قاب دو ‌بعدی 3 دهانه 15 طبقه توسط الگوریتم اصلاح شده رقابت استعماری 68

جدول ‏5‑10: گروه بندی اعضای قاب 24 طبقه و سه دهانه 72

جدول ‏5‑11: پارامتر‌های ورودی الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده برای طراحی قاب 24 طبقه و سه دهانه 72

جدول ‏5‑12 : نتایج طراحی برای قاب 24 طبقه و سه دهانه 74

فهرست شکل‌ها

شکل ‏2‑1: مسئله‌ی بهینه‌یابی توپولوژی: مکان بهینه‌ی بادبند در قاب فولادی چهارطبقه [12] 10

شکل ‏2‑2: مسئله‌ی بهینه‌یابی توپولوژی: مکان بهینه‌ی بادبند در قاب فولادی هشت طبقه [12] 10

شکل ‏2‑3: مسئله‌ی بهینه‌یابی توپولوژی: مکان بهینه‌ی بادبند در قاب فولادی دوازده طبقه [12] 11

شکل ‏3‑1: فلوچارت طراحی بهینه قاب 17

شکل ‏3‑2: مسئله‌ی بهینه‌یابی سازه : پیدا کردن سازه‌ای که به بهترین نحو بار را به تکیه گاه منتقل می‌کند [20]. 22

شکل ‏3‑3: مسئله‌ی بهینه‌یابی اندازه: طرح بهینه با بهینه کردن برخی از اعضای خرپا بدست آمده [20] 25

شکل ‏3‑4: مسئله‌ی بهینه‌یابی شکل: تابع η(x) مشخص کننده‌ی شکل بهینه‌ی سازه‌ی تیر شکل است [20] 25

شکل ‏3‑5: مسئله‌ی بهینه‌یابی توپولوژی در خرپا: به سطح مقطع اعضا اجازه داده شده که مقادیر صفر بگیرند [20] 25

شکل ‏3‑6 : بهینه‌یابی توپولوژی دوبعدی: در این مسئله هدف ساختن سازه‌ای است که حجم مصالح آن 50% جعبه‌ی بالا باشد و بتواند بهترین عملکرد را تحت این بارها و شرایط تکیه گاهی داشته باشد [20] 26

شکل ‏3‑7: شمای کلی حرکت مستعمرات به سمت امپریالیست [3] 31

شکل ‏3‑8: حرکت واقعی مستعمرات به سمت امپریالیست [3] 32

شکل ‏3‑9: سقوط امپراطوری‌ ضعیف؛ امپراطوری شماره 4، به علت از دست دادن کلیه مستعمراتش باید از میان بقیه امپراطوری‌ها حذف شود [22]. 34

شکل ‏3‑10: فلوچارت الگوریتم رقابت استعماری [3] 35

شکل ‏3‑11: تابع روزنبراک 36

شکل ‏3‑12: خرپای سه بعدی 72 عضوی [2] 37

شکل ‏4‑1:مدل شماتیک یک فضای جستجو با نواحی دارای اکسترمم نسبی [23] 47

شکل ‏4‑2: فلوچارت الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده 49

شکل ‏5‑1: قاب فولادی سه طبقه و دو دهانه طراحی شده بر اساس ملزومات [28] AISC-LRFD 58

شکل ‏5‑2: نمودار همگرایی طراحی بهینه قاب 3 طبقه و دو دهانه توسط الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده 61

شکل ‏5‑3: قاب فولادی ده طبقه و یک دهانه طراحی شده بر اساس ملزومات AISC-LRFD [25] 62

شکل ‏5‑4: نمودار همگرایی طراحی بهینه قاب ده طبقه و یک دهانه توسط الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده 65

شکل ‏5‑5: قاب دو بعدی3 دهانه 15 طبقه [2] 67

شکل ‏5‑6: نمودار همگرایی طراحی بهینه قاب 15 طبقه و سه دهانه توسط الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده 69

شکل ‏5‑7: قاب فولادی 24 طبقه و 3 دهانه طراحی شده بر اساس ملزومات AISC-LRFD [25] 70

شکل ‏5‑8 : نمودار همگرایی طراحی بهینه قاب 24 طبقه و سه دهانه توسط الگوریتم رقابت استعماری اصلاح شده 75

شکل ‏5‑9 :نمودار تغییرات b بر حسب تعداد محاسبات 77

شکل ‏5‏5‑10: نمودار تغییرات تعداد محاسبات برای CF های مختلف 78

شکل ‏5‑11: نمودار تغییرات تعداد محاسبات برای CF های مختلف در بازه 0 تا 5 79

شکل ‏5‑12: تغییرات تعداد محاسبات برای مقادیر rev مختلف برای قاب 2 دهانه و 3 طبقه 80

شکل ‏5‑13: نمودار تغییرات جواب بهینه برای مقادیر مختلف rev برای قاب 24 طبقه 3 دهانه 81

فصل اول

1         مقدمه

1-1     مقدمه

بهینه‌یابی^[1] در ریاضیات، اقتصاد، مدیریت به برگزیدن بهترین عضو از یک مجموعه از اعضای دست یافتنی اشاره می‌کند. در ساده ترین شکل تلاش می‌شود که با گزینش نظام مند داده‌ها از یک مجموعه قابل دستیابی و محاسبه مقدار یک ‏تابع حقیقی مقدار بیشینه^[2] و کمینه^[3] آن به دست آید‎.‎

امروزه بهینه‌یابی در تمامی ابعاد زندگی‌ ما حضور دارد، از مسائل مهندسی‌ و بازار‌های مالی گرفته تا حتی برنامه ریزی برای استفاده بهینه از زمان در سفر. ما همیشه درگیر یافتن راهکار برای  کمینه یا بیشینه کردن چیزی هستیم. یک فروشنده تلاش می‌کند که سود خود را بیشینه کرده و هزینه‌های خود را به کمینه‌ترین حالت ممکن برساند.  در حقیقت ما همواره در حال تلاش برای یافتن راه‌حل‌های بهینه هستیم هرچند لزوما قادر به یافتن چنین راه‌حل‌های نیستیم.

بهینه‌یابی ابزاری مهم تصمیم گیری‌های علمی‌، اقتصادی و حتی اجتماعی است. برای استفاده از این ابزار، ما ابتدا باید تابع هدف^[4] برای سنجش عملیات مشخص کنیم که مقداری کمّی‌ از میزان کارایی روش به ما ارائه می‌دهد. در مسائل مختلف این تابع می‌تواند میزان سود، مقدار انرژی، زمان و یا در مسائل طراحی سازه وزن سازه باشد. هر کدام از این معیارها می‌‌تواند با یک عدد بیان شود. مقدار این تابع به مشخصات معینی از سیستم انجام عملیات بستگی دارد که اصطلاحاً به آن‌ها متغییر^[5] اطلاق می‌گردد. به طور کلی‌ بهینه‌یابی یعنی پیدا کردن ماکزیمم یا مینیمم برای مسأله مورد نظر با رعایت قیودی^[6] که برای متغیرها وجود دارد [1].

گاهی اوقات مساله بهینه‌یابی به نام برنامه ریزی ریاضی^[7] نیز خوانده می شود. یک مساله بهینه سازی از نظر ریاضی به صورت زیر بیان می شود:

Minimize     f(x)

Subject to   , i=1, 2, 3,…, m           [1-1]

که در آن ، متغیر اصلی و مستقل مسأله است که با تغییر دادن آن مقدار کمینه برای تابع هدف پیدا میشود. تابع هدف به صورت تعریف شده است و دارای مقدار حقیقی می باشد. مجموعه‌ی توابع نیز تعریف شده‌اند تا قیودی به صورت نامساوی به وسیله آن‌ها بیان شود. اعداد حقیقی سمت راست این نامساوی‌ها، یعنی ها حدود نامساوی‌ها هستند [2].

1-2     ضرورت انجام تحقیق

به علت اهمیت موضوع بهینه‌یابی در علوم مهندسی به ویژه مهندسی سازه، تحقیقات در این زمینه امری ضروریست. گستردگی بسیار زیاد کاربرد بهینه‌یابی و روش‌های بهینه­یابی باعث می‌شود که این علم پیشرفت خود را مدیون محققان زیادی در سرتاسر جهان بداند. بدین ترتیب هر تحقیقی هر چند ناچیز می‌تواند در کنار سایر تحقیقات به تدریج باعث پیشرفت بهینه­یابی شود. در همین راستا در این پایان نامه بر آن شدیم که الگوریتم نو پای رقابت استعماری را به ورطه­ی بررسی بگذاریم.

1-3     اهداف تحقیق

هدف اصلی‌ این تحقیق یافتن راهی‌ جدیدتر، بهتر و در عین حال سریعتر برای طراحی سازه است. برای رسیدن به این هدف، در این تحقیق سعی‌ بر آن داریم تا با استفاده از الگوریتم فرا ابتکاری ICA یا همان الگوریتم رقابت استعماری، که جزو جدیدترین الگوریتم‌های موجود برای عملیات بهینه‌یابی‌ می‌باشد، به این مهم دست پیدا کنیم. این الگوریتم از نظر سرعت نزدیک شدن به جواب بهینه یکی‌ از سریعترین الگوریتم‌های موجود است و در عین حال تعداد محاسبات انجام شده برای رسیدن به جواب نها‌یی به نسبت سایر الگوریتم‌ها به شکل قابل ملاحظه‌ای کمتر می‌باشد.

1-4     نوآوری

از الگوریتم رقابت استعماری به منظور تحلیل و طراحی قاب‌های فولادی که موضوع این تحقیق می‌باشد، پیش از این توسط کاوه و همکاران [2] استفاده شده است که در بخش بعد به توضیح آن می‌پردازیم. در این مقاله سعی‌ بر آن داریم تا با ایجاد تغییراتی که در ساختار و نحوه عملکرد الگوریتم رقابت استعماری که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود نقاط ضعف این الگوریتم را بر طرف کرده و بر میزان کارایی و بهروری این الگوریتم بیفزاییم.

1-5     ساختار پایان نامه

پس از مقدمه، در فصل 2 مروری بر تحقیقات گذشته انجام شده است. و سپس در فصل 3 تئوری مسئله بهینه‌یابی سازه‌ها و به ویژه سازه‌های اسکلتی به تشریح بیان شده است به همراه چندین مثال از تحقیقات گذشتگان جهت روشن شدن کامل تئوری تحقیق. در پایان فصل 3 ابزار‌های مورد استفاده در این پژوهش معرفی شده اند. سپس، فصل 4 به معرفی الگوریتم‌های پیشنهادی می­پردازد که در واقع نوآوری و ماحصل این تحقیق در همین فصل ارائه می‌شود. در فصل 5 چندین مسئله­ی بهینه‌یابی سازه­ای با استفاده از روش‌های پیشنهادی حل و در نتایج آن بحث شده است. نهایتاً در فصل 5 نتیجه گیری و پیشنهاداتی برای ادامه تحقیق ازائه شده است.