بهینه سازی بهره برداری از سیستم های مخزن- مزرعه تحت شرایط عدم قطعیت

مسأله مدیریت توأم بهره برداری از یک سیستم مخزن-مزرعه، به عنوان عنصر مهم و پایه در سامانه های منابع آب در دو بخش عرضه و تقاضای آب، محور اصلی این پژوهش است. این مهم مستلزم حل همزمان دو زیرمسأله الف) بهره برداری از مخزن آب سطحی، تنیده شده با عدم قطعیت در آورد رودخانه و پیش بینی آن، و ب) تخصیص زمانی (بین دوره های رشد) و مکانی (بین محصولات) آب، در معرض عدم قطعیت در نیاز آبی (تبخیر و تعرق) می باشد. بدین منظور طیف متنوعی از روش های تحلیل سیستم مبتنی بر برنامه ریزی پویای معین (dp) و احتمالاتی (sdp) در این پژوهش به کار گرفته شده است. توسعه این روش ها در قالب دو بسته اصلی از مدل های بهینه سازی در ترکیب با مدل های شبیه سازی انجام گرفته است و در گذر پیاده سازی و کاربرد در سیستم رودخانه-مخزن- مزرعه زاینده رود ارزیابی، صحت سنجی و مقایسه شده اند. در بسته اول عملکرد انواع برنامه های قطعی و احتمالاتی پویا شامل dp، sdp با دسته بندی متغیرهای حالت (sdp/class) و sdp با نمونه گیری (ssdp) مبتنی بر سناریوهای جریان (ssdp/hist) در شرایط نیاز ثابت کشاورزی مقایسه شده اند. شبیه سازی سیاست های بهره برداری منتج از این مدل ها بر برتری نسبی مدل ssdp/hist، به عنوان مدل منتخب، علیرغم بار محاسباتی بیشتر، بر دیگر مدل ها از منظر شاخص های کارایی سیستم دلالت داشته است. در این رابطه استفاده موثر از تکنیک های برنامه نویسی برداری توانسته است بار محاسباتی و زمان اجرای این مدل ها، خصوصاً ssdp، را کاهش دهد. در ادامه ترکیب پیش بینی های تجمعی آورد رودخانه مبتنی بر شبکه های عصبی مصنوعی (ann) و مدل ssdp/hist عملکرد سیاست های بهینه بهره برداری را بهبود داده است. همچنین با تدوین سیاست های بهره برداری بهینه زمان واقعی از مخزن، مبتنی بر پیش بینی های خوشه بندی شده گروهی جریان (esp) همراه با رویکرد تطبیقی و بهنگام سازی پیش بینی ها، معیار اعتمادپذیری زمانی تأمین نیازهای پایین دست و نیز میانگین شبیه سازی شده تابع هدف حدود 8 درصد ارتقاء یافت. در بسته دوم و با احتساب نیاز متغیر کشاورزی، مدل سازی یکپارچه سیستم مخزن - مزرعه با دو رویکرد احتمالاتی و قطعی و با حل همزمان زیرمسأله های تخصیص بهینه زمانی و مکانی منابع آب و زمین بین محصولات مختلف و مراحل رشد مد نظر قرار گرفته است. در رویکرد احتمالاتی و با تلفیق انواع مدل های sdp، dp وsdp-minlp، مدل یکپارچه بهره برداری بهینه از سیستم مخزن - مزرعه با احتساب عدم قطعیت های جریان ورودی و تبخیر و تعرق گیاهی به ترتیب در سطوح مخزن و مزرعه توسعه یافته است. در این ارتباط و در حل زیرمسأله تخصیص زمانی آب بین مراحل رشد هر محصول تحت شرایط عدم قطعیت در تبخیر و تعرق، یک مدل sdp برای تعیین عملکرد محصولات ارایه شده است، که در آن با استفاده از یک متغیر حالت اضافی، قید محدودیت آب موجود در ابتدای فصل رشد منظور می شود. زیرمسأله تخصیص مکانی آب و زمین بین محصولات مختلف در یک سال نیز توسط مدل های dp و nlp حل شده است. در نهایت خروجی این زیر مدل وسط مدل sdp-minlp به کار گرفته شده است. در بخش بهینه-سازی قطعی، حل فرمول بندی غیرخطی و نامحدب سیستم یکپارچه مخزن - مزرعه با استفاده از الگوریتم ژنتیک (ga) مد نظر قرار گرفته است. سپس سیاست های حاصل از مدل های احتمالاتی و قطعی (ga) با استفاده از یک مدل شبیه-سازی ارزیابی و مقایسه شده اند. نتایج به دست آمده از مدل dp صرفه جویی 49 درصدی مصرف آب، نسبت به رویکرد سنتی ونش بندی، مبتنی بر استفاده از توابع عملکرد بهینه محصولات برای خشکسالی سال 78-1377 را نتیجه داده است. همچنین مقدار تابع هدف منتج از استفاده از سیاست های dp، 90 درصد افزایش سود فروش محصولات را نسبت به رویکرد سنتی نشان می دهد. مدل sdp-minlp در مقایسه با مدل ga سطح زیر کشت بیشتر و در مقابل، عمق آبیاری کمتری را به محصولات مختلف اختصاص داده است. این پاسخ در تطابق بیشتر با ملاحظات کم آبیاری در شبکه های کشاورزی زاینده رود به خصوص در مواقع خشکسالی است. همچنین محصول تولیدی و سود حاصل از آن برای مدل sdp-minlp به ترتیب 1/1 و 7/1 برابر مقادیر فوق در مدل ga بوده است.