1. تحلیل و مدیریت سیستم های منابع آب 1 Water Resources System Analysis
ارائه: دکتر صوفیا جوادی نژاد

2. References: -مدلسازی و تحلیل سیستمهای منابع آب: اس .ودولا-پ.پ.ماژومدار
Water resource systems planning and analysis (W.R.S)-
Loucks,O.P
Hydro systems Engineering and management-
Mays L.W
Water resources systems engineering-
Hall W

3. مدیریت جامع منابع آب (IWRM)
جامعه نگری در مدیریت آب، به بیانی ساده بدین معناست :
مدیریت یکپارچه حوضه و منابع آب
که مسائل اقتصادی، زیستمحیطی، فنی و اجتماعی، در عین تضمین پایداری منابع آب برای نسلهای آتی مورد توجه قرار
میگیرد.
روال عمومی مدیریت و سیاستگذاری آب در سطح جهان تا آغاز دهه 1980 ، صرفاً به دنبال عرضه آب بیشتر برای
تأمین تقاضای جمعیت رو به رشد بود. متأثر از این رویکرد، مبنای توسعه منابع همواره تک منظوره بود. چنین رویکردی
به روابط درونی و پیچیدگیهای محیط طبیعی و انسانی و برهمکنش آنها توجهی نداشت. به بیانی دیگر، طرحهای توسعه
صرفاً در پی کنترل فیزیکی آب در راستای منافع اقتصادی بودند و به تأثیرات زیست محیطی و اجتماعی نیز توجه چندانی
نمیشد. افزون بر اینها، مشارکت مردمی در فرایندهای تصمیم گیری بندرت وجود داشت. چنین رویکردی آثار نامطلوب
و گاه جبران ناپذیری را بر اکوسیستمها و جوامع برجای میگذاشت. این امر جامعه جهانی را به واکنش و اتخاذ نگرشی
جدید در مدیریت بخش آب وادار کرد. تلاشهای بین المللی 30 سال اخیر، ضرورت جامعه نگری را به الگوی جدید
مدیریت آب تبدیل کرده است که مدیریت جامع منابع آب و مدیریت یکپارچه حوضه از مظاهر آن به شمار میرود.
جامعه نگری در مدیریت آب، به بیانی ساده بدین معناست که مسائل اقتصادی، زیست محیطی، فنی و اجتماعی، در عین
تضمین پایداری منابع آب برای نسلهای آتی مورد توجه قرار میگیرد.
مدیریت یکپارچه منابع آب مفهومی تجربی است که مبتنی بر تجربه جامعه آب برپا شده است. با اینکه سابقه این مفهوم
به چند دهه قبل باز میگردد (نخستین کنفرانس جهانی آب در ماردل پلاتا در سال 1977 )، ولی پس از دستورکار 21 و
اجلاس سران زمین درباره توسعه پایدار در سال 1992 در ریودوژانیرو بود که پیاده سازی این مفهوم در عمل، موضوع
مباحثات وسیع قرار گرفت. امروزه این مفهوم در سطح گسترده مورد توجه مدیران آب، تصمیم گیران و سیاستمداران در
سراسر جهان قرار گرفته است.

4. مدیریت پایدارسیستمهای منابع آب
نهاد همکاری جهانی آب، مدیریت پایداری منابع آب را چنین تعریف میکند: فرایندی
است که توسعه و مدیریت هماهنگ آب، خاک و منابع وابسته را به منظور حداکثر کردن رفاه اقتصادی و اجتماعی به شیوهای عادلانه، بدون لطمه دیدن پایداری اکوسیستمهای حیاتی ترویج میکند.

5. ضرورت برنامه ریزی سیستمهای منابع آب
• افزایش تقاضای آب در اثر افزایش جمعیت و بالا رفتن سطح زندگی
• گسترش آلودگی منابع آب در اثر توسعه فعالیتهای کشاورزی ، شهری و صنعتی
• تنوع آلاینده های مختلف کشاورزی ، شهری و صنعتی
• شرایط اقتصادی –اجتماعی و فرهنگی مناطق مختلف
• پیچیدگی ارتباطات و اثرات متقابل مولفه های مختلف تصمیم گیری و ...

6. مفهوم و گامهای برنامه ریزی سیستمهای منابع آب
1-تعریف مساله –جمع آوری داده ها و پردازش آنها:
-تعیین خصوصیات ه‍‍واشناسی ‍و هیدرولوژی و هیدرولیکی و زیست محیطی منطقه مورد مطالعه
- بررسی شرایط اقتصادی-اجتماعی و سیاسی منطقه
-بررسی مشخصات منابع ابهای سطحی و زیرزمینی و امکانات موجود در سیستم
-بررسی قوانین-حق ابه ها و ارتباطات اداری و سازمانی منطقه
-پردازش اطلاعات و تجزیه و تحلیل عدم قطعیت ها
‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

7. ۲-مدلسازی
-ارایه مدلهای شبیه سازی و بهینه سازی برای یافتن گزینه های مناسب
-تعیین پارامترهای عدم قطعیت (احتمال شکست یا ریسک ) در مدل
3-تصمیم گیری
-استفاده از روشهای تصمیم گیری چندمعیاره برای مقایسه گزینه های مختلف
-انتخاب گزینه نهایی و برتر با توجه به محدودیت های سیاسی –سازمانی و مالی
4-اجرا و بهره برداری
5-نظارت و ارزشیابی مداوم سیستم
-جهت بررسی میزان دسترسی به اهداف مورد نظر و اثربخشی طرحها
-استفاده از اطلاعات بدست امده در این مرحله برای بازنگری طرح –تدوین و یا بهنگام سازی سیاستهای بهره برداری

8. تعریف سیستم و مشخصات آن
هر ساختاری را که در آن اجزایش در تعامل با یکدیگر بوده و در اثر ورودی مشخص و خروجی مشخص بدست می دهد‍‍‍ سیستم نامند.

9. خصوصیات مشترک سیستمها
1-تمامی سیستمها دارای ساختار و سازماندهی می باشند
۲-سیستمها یک شکل کلی ٬خلاصه شده یا ایده الی از دنیای واقعی می باشند
3-بین اجزای سیستم ارتباطات عملکردی (فیزیکی٬اقتصادی ٬اجتماعی ٬سیاسی)و ساختاری وجود دارد
۴-رابطه بین ورودی و خروجی و مشخصات آنها از ویژگیهای مهم هر سیستم می باشد

10. مشخصات کلی یک سیستم
1- ورودی ها و خروجی ها توسط متغیرها و یا ‍‍‍‍پارامترها تعریف می شوند
2-مولفه های موثر بر سیستم ؛قوانین فیزیکی حاکم بر سیستم٬وضعیت و شرایط اولیه سیستم٬عوامل محیطی موثر بر سیستم هستند.
حافظه سیستم و حالات متفاوت از حافظه سیستم
تعریف:حداکثر زمانی است که ورودیهای سیستم در این مدت بر خروجی سیستم و بر شرایط فعلی تاثیر می گذارند.
حالات متفاوت از حافظه سیستم
حافظه صفر:خروجی و حالات سیستم در هر زمان فقط به مشخصات ورودی در همان زمان بستگی دارد
حافظه محدود :حالت موجود خروجی و رفتار سیستم به پیشینه سیستم در یک مدت مشخص بستگی دارد
حافظه نامحدود: حالت موجود و خروجی سیستم به کل پیشینه تاریخی سیستم مربوط می شود

11. نمونه هایی از طبقه بندی سیستمها
سیستمهای قطعی: ورودیهای قطعی و یکسان٬خروجی های قطعی و یکسانی را بدست می دهد
سیستمهای تصادفی:رابطه بین ورودی و خروجی بصورت احتمالی بیان می شود
سیستمهای پیوسته: خروجی ها بطور پیوسته تولید می شوند
سیستمهای گسسته:خروجی ها تنها در بازه زمانی محدودی وجود دارد
سیستمهای پله ای:در این سیستمها خروجی فقط در زمانهای معینی تغییر می کند و در زمانهای دیگر مقادیر ثابتی می باشد
سیستمهای طبیعی:ورودی و خروجی و متغییرهای موجود در سیستم قابل اندازه گیری بوده ولی قابل کنترل نیست
سیستمهای پایدار:اگر ورودی به این سیستم ها محدود باشد در این صورت خروجی نیز محدود خواهد بود و برعکس (سیستمهای هیدرولوژیکی و زیست محیطی)

12. فرآیند تجزیه و تحلیل سیستم و مدلسازی
هرسیستم منابع آب دارای اجزا فیزیکی ٬شیمیایی٬بیولوژیکی٬فرهنگی-اجتماعی٬اقتصادی و در برگیرنده ارتباطات بین آنهاست. جهت مدلسازی بایستی سیستم به مولفه ها و اجزای آن تفکیک شده و مشخصات و ارتباطات بین اجزا تعیین گردد.
تحلیل سیستم به معنی فرمول بندی بهره برداری از کل سیستم با کلیه زیر مجموعه های آن می باشد. تحلیل سیستم ها اغلب به مجموعه ای از برنامه ریزی های ریاضی و روشهای طراحی گفته می شود که از برخی فرایندهای بهینه سازی رایج تشکیل شده است.وقتی منابع آب محدود باید بطور موثر مورد استفاده قرار بگیرند٬روشهای تحلیل سیستمها بسیار مفید خواهند بود. بطور مثال می توان به تخصیص بهینه منابع آب مورد نیاز آبیاری گیاهان در حال رقابت با بقیه نیازهای موجود در حوزه ٬تحت شرایط محدود منابع آب اشاره کرد.
تحلیل سیستمها فقط یک تمرین مدلسازی ریاضی نیست بلکه محدوده گستردگی آن فراتر از این حد بوده و فرآیندهای طراحی و تصمیم گیری را نیز در بر می گیرد. این روشها ممکن است از مدلهای توصیفی و دستور العملی (تجویزی ) استفاده نمایند. مدلهای توصیفی با نحوه عملکرد سیستم در ارتباط بوده و مدلهای تجویزی نیز در تصمیم گیری چگونگی بهره برداری از سیستم برای دستیابی به بهترین اهداف معین بکار گرفته می شود.

13. مسائل اساسی در تحلیل سیستم ها
بطور کلی ۲نوع مسئله در زمینه ی تحلیل سیستم ها وجود دارد:
1-پیش بینی: یک مسئله مستقیم است . باید با توجه به ورودی های مشخص ٬خروجی ها را تعیین نمود
2-استنتاج (معکوس): پارامترهای سیستم بر اساس ورودی و خروجی معین تعیین می گردد. در استنتاج ٬یک مدل تعیین می شود تا ورودی معینی را به خروجی معین متناظر با آن تبدیل کند.در این حالت باید طبیعت سیستم و عملکرد آن مدنظر قرار گیرد.

14. مثالهای نمونه
مسئله پیش بینی:در هیدرولوژی آبهای سطحی ٬پیش بینی میزان رواناب (خروجی) با توجه به مقدار بارش مازاد (ورودی) و هیدروگراف واحد انجام می پذیرد.
در هیدرولوژی آبهای زیر زمینی می توان به پیش بینی عکس العمل یک آبخوان معین در برابر کاربرد آبیاری و بارش معلوم (ورودی )اشاره کرد.در یک مخزن نحوه تخصیص آب آبیاری (خروجی) برای جریانهای ورودی و ذخیره مشخص (ورودی) بر اساس سیاستهای بهره برداری معین یا از پیش تعیین شده می تواند یک مسئله پیش بینی باشد.
مسئله استنتاج:این مسئله بسیار پیچیده تر از مسئله پیش بینی است. در این مسئله هیچگونه اطلاعی از ورودی و خروجی سیستم دردسترس نمی باشد. به عنوان مثال می توان به استخراج هیدروگراف مصنوعی اشنایدربا استفاده از ویژگیها و خصوصیات حوضه آبخیزاشاره نمود.

15. سیستمهای هیدرولوژیکی
سیستم های کمی و کیفی هیدرولوژیکی را می توان به عنوان زیر سیستمی از سیستم منابع آب در نظر گرفت که عملکرد فیزیکی سیستم را در یک منطقه نشان می دهد. این زیر سیستمها٬منابع آب و دیگر ورودیها را با استفاده از فرایندهای مختلفی به خروجی تبدیل می کند.

16. دو راهکار برای مدل کردن سیستمهای هیدرولوژیکی
1-راهکار تئوریکی بر اساس مدلسازی خصوصیات فیزیکی سیستم
2-روش تجربی بر اساس مشاهدات تاریخی اجزا مختلف سیکل هیدرولوژیکی

17. روشهای تحلیل سیستمهای منابع آب
روشهای مقدماتی مورد استفاده در تحلیل سیستمهای منابع آب عبارتند از:روشهای بهینه سازی و شبیه سازی. روشهای بهینه سازی برای ارائه راه کارهای کلی بهینه مورد استفاده قرار میگیرند٬در حالیکه شبیه سازی یک روش آزمون و خطا برای شناسایی بهترین جواب ممکن است.
روش شبیه سازی نمیتواند جواب بهینه کلی را تعیین کند٬لیکن جوابهای نزدیک به راه حل بهینه با استفاده از شبیه سازی و تحلیل حساسیت قابل تعیین می باشد.
مدلهای بهینه سازی در نظریه عمومی برنامه نویسی ریاضی قرار دارند. این مدلها از طریق بیان ریاضی تابع هدف و یک فرایند جستجو برای تعیین مقادیر متغییرهای تصمیم ٬تابع هدف را بهینه می کنند.

18. روشهای کلی بهینه سازی
برنامه ریزی خطی:در این نوع برنامه ریزی ٬تابع هدف و قیود بصورت خطی می باشند.این روش بطور قطعی پرکاربردترین روش بهینه سازی در سراسردنیا می باشد.در برنامه ریزی متغیرهای صحیح که خود نوعی برنامه ریزی خطی محسوب می شود. متغیرهای تصمیم ٬مقادیر صحیح به خود می گیرند. در برنامه ریزی متغیرهای صحیح مختلط ٬فقط برخی از متغیرها بصورت صحیح می باشند.
برنامه ریزی غیرخطی:در این برنامه ریزی ٬تابع هدف و یا (هر یک از )قیود بصورت عبارات غیرخطی می باشند. در این روش فرآیندهای عادی حل وجود ندارد. لیکن راه حل های خاص و موردی برای کاربردهای محدود نظیر برنامه ریزی درجه دوم موجود است. اگر بتوان تابع غیرخطی را به یک تابع خطی تبدیل و یا توسط اجزای خطی تکه ای تخمین زد٬می توان از برنامه ریزی خطی در کاربردهای مهندسی استفاده کرد.
برنامه ریزی پویا:در این نوع برنامه ریزی فرایند حل مسائل خطی یا غیرخطی تصمیم گیری٬در چند مرحله صورت می پذیرد.

19. انتخاب روش برای یک مسئله خاص به مشخصات و ویژگی های سیستم مورد مطالعه ٬طبیعت تابع هدف و قیود مسئله ٬در دسترس بودن داده ها و صحت جزییات مورد نیاز برای ارزیابی وابسته است. برنامه ریزی خطی و پویا از رایج ترین مدلهای برنامه ریزی ریاضی هستند که در تجزیه و تحلیل سیتمهای منابع آب بکار می روند. شبیه سازی نیز ممکن است به تنهایی و یا همراه برنامه ریزی خطی و پویا و یا هردو روش برای تحلیل سیستمهای پیچیده بکار رود.

20. مدلهای مورد استفاده در برنامه ریزی و مدیریت منابع آب از دیدگاههای گوناگون وابسته است به:
1-شیوه برخورد با فرایند تحلیل سیستم آب:مدلهای شبیه سازی و بهینه سازی و همچنین مدلهای طراحی و تحلیلی
2-تعداد اهداف:مدلهای تک هدفه و چند هدفه
3- نوع داده ها: مدلهای قطعی و احتمالی
Deterministic and Stochastic
4-طول دوره برنامه ریزی:مدلهای بهره برداری دراز مدت و کوتاه مدت

21. Simulation models:
شبیه سازی یک روش مدلسازی است که برای برآورد رفتار یک سیستم بکار می رود و ویژگی های سیستم بوسیله روابط جبری و ریاضی بیان می گردد.
مدلهای شبیه سازی پاسخ سیستم به ورودی های مشخص را نشان می دهد به گونه ای که یک تصمیم گیرنده می تواند پیامدهای سناریوهای گوناگون یک سیستم موجود یا جدید را بررسی کند.

22. Optimization models:
روشهای برنامه ریزی ریاضی یک تصمیم بهینه برای بهره برداری سیستم بدست میدهد بطوریکه همه قیود سیستم با توجه به بیشینه یا کمینه کردن تابع هدف برآورده شود. مدلهای بهینه سازی برخلاف مدلهای شبیه سازی ٬سیاست بهره برداری را به گونه ای مشخص می کند که هدف یا اهداف مشخص بهینه شود. به عبارتی بهینه سازی به همه گزینه های ممکن در تصمیم گیری می پردازد.

23. مدلهای بهینه سازی در مدیریت بهره برداری :
(LP)برنامه ریزی خطی
در مدلهای خطی ارتباط بین متغیرهای تصمیم گیری چه در تابع هدف و چه در قیدها خطی می باشد.

24. برتری های برنامه ریزی خطی نسبت به دیگر روشها:
1-برخلاف دیگر روشهای بهینه سازی برنامه های حل برنامه ریزی خطی در بیشتر برنامه های علمی رایانه ای موجود است
2-برنامه ریزی خطی می تواند با مسئله هایی که به نسبت دارای ابعاد زیادی هستند سازگار شود
3-پاسخ بهینه بدست آمده کلی است و برای حل مدل نیاز به یک سیاست اولیه نیست
4-از آنجایی که بسیاری از مسأله ها غیرخطی هستند و بدلیل برتری های برنامه ریزی خطی ٬روشهای گوناگونی برای تبدیل رابطه های غیرخطی به خطی موجود است. از پرکارآمدترین روشهای تبدیل رابطه های غیرخطی به خطی بهره گیری از روش خطی سازی رابطه هاست

25. (NLP)برنامه ریزی غیرخطی
روش برنامه ریزی غیرخطی به نسبت دیگر روشهای بهینه سازی در سیستم های منابع آب کاربرد کمتری دارند. زیرا فرایند بهینه سازی در این روشها به نسبت دیگر روشها کند بوده و فضا و زمان زیادی از رایانه می گیرد.
در مدلهای برنامه ریزی غیرخطی ارتباط بین متغیرهای تصمیم گیری دست کم در یکی از موارد غیرخطی است. عامل غیرخطی بودن می تواند در تابع هدف یا در یک یا چند قید باشد. در حالت واقعی بسیاری از قیدها و هدفها بصورت غیرخطی هستند.
روشهای گوناگون برای حل برنامه ریزی غیرخطی وجود دارد که از این میان می توان به روشهای ضریب لاگرانژ٬تابع های اولیه و روش گرادیان اشاره کرد.

26. (DP)برنامه ریزی پویا (دینامیکی)
بخش عمده فرمول بندی برنامه ریزی پویا در سال ۱۹۵۷ بوسیله
انجام شده است. برنامه ریزی پویا یکی از مهمترین روشهای بهینه سازی استBellman این روش بیشتر برای حل مسئله ها و وضعیت هایی بکار می رود که در ان مراحل زمانی یا مکانی وجود داشته باشد. به گونه ای که در نظر گرفتن همزمان همه مرحله ها ممکن نباشد.

27. (Integer programming)برنامه ریزی عدد صحیح
یکی از محدودیت های بزرگ که از گستردگی کاربرد برنامه ریزی می کاهد این فرض است که یک متغیر تصمیم گیری می تواند اعشاری (ده دهی) باشد. اما در بسیاری از مسائل واقعی اگر مقدار غیر از عدد صحیح به متغیرهای تصمیم داده شود بی معنا خواهد بود . اگر تنها تفاوت فرموله کردن مسأله ای با یک مسئله برنامه ریزی خطی در نظرگرفتن محدودیت عدد صحیح باشد٬به آن برنامه ریزی عدد صحیح یا برنامه ریزی خطی عدد صحیح می گویند. مدل ریاضی یک مسأله برنامه ریزی عدد صحیح همان مدل برنامه ریزی خطی است ٬ولی تنها یک محدودیت دیگر مربوط به عدد صحیح بودن مقدار متغیرها نیز بدان افزوده می شود. به عنوان مثال مورد زیر را می توان نوشت:

28. مدلهای ترکیبی
این روش در واقع ترکیب روشهای قبلی بوده و ابزار بسیار مناسبی برای حل مسائل پیچیده است. یکی از روشها ترکیب روش شبیه سازی در یکی از روشهای بهینه سازی همچون خطی ٬غیرخطی و یا پویا است. از این روش در بسیاری از برنامه های رایانه ای مدیریت بهره برداری استفاده می شود.

29. توضیح جامع و بررسی دقیق تر مسائل و روشهای بهینه سازی:
بطور کلی یک مسئله بهینه سازی از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:
1-تابع هدف که یک تابع ریاضی از متغیرهای تصمیم بوده و باید بهینه گردد.
2- مجموعه قیود و محدودیت ها که بیانگر برخی از شرایط فیزیکی هستند که باید تامین شوند.
متغیرهای تصمیم ٬متغیرهایی هستند که نیاز به تصمیم گیری داشته به گونه ای که تابع هدف با اعمال محدودیتها و قیود بهینه گردد.
مثال:طراحی یک مخزن در محلی با جریان ورودی معلوم برای تامین نیازهای ابی مشخص به گونه ای که حجم مخزن حداقل گردد.
متغیر تصمیم : حجم مخزن یکی از متغیرهای تصمیم است .
قیود: توازن حجمی مخزن بیانگر گروهی از قیود می باشد.
بیان یک مسئله عمومی بهینه سازی بصورت زیر است:
Maximize (or minimize)… f (x)
J=1,2,3…,m gj(x)<=0با اعمال محدودیت

30. بردار متغیرهای تصمیم بصورت xکه
x=[x1,x2, …,xn]
می باشد
متغیرهای تصمیم n
محدودیت وجود دارد m
پیچیدگی چنین مسئله ای به ماهیت تابع و تابع محدودیت و تعداد متغیرها و محدودیتها بستگی دارد.
بطور کلی شبیه سازی روشی است که از طریق ان می توان رفتار یک سیستم را تقلید نمود و برای پاسخ به سوالات (اگر-آنگاه) مورد استفاده قرار می گیرد. برخلاف روش بهینه سازی که اغلب به جستجوی بهترین مقدار ممکن می پردازد.

31. شبیه سازی روشی قدرتمند در تحلیل دقیق و ارزیابی عملکرد اکثر سیستمهای پیچیده منابع آب می باشد٬در حالیکه مدلهای بهینه سازی نتایج مفیدی در برنامه ریزی و مدیریت سیستمهای بزرگ را ارائه می دهند.
نمونه هایی از کاربرد شبیه سازی منابع آب:
1-تحلیل گزینه های توسعه حوضه ابخیز رودخانه
2-مسائل بهره برداری از سیستم چندمخزنه
3-بررسی تخصیص آب بین مصرف کنندگان مختلف (برقابی٬آبیاری٬صنعتی٬شهری٬..)
4-بهره برداری تلفیقی از منابع آبهای سطحی و زیرزمینی
برخی مواقع مدلهای بهینه سازی بدلیل محدودیت های محاسباتی قابل کاربرد نیستند. بیشتر مواقع تصمیم گیرندگان بجای بررسی یک راه حل منفرد بهینه ترجیح می دهند تا گزینه های مختلفی را مورد بررسی قرار دهند.
قابل ذکر است با تکرار شبیه سازی سیستم به ازای ورودیهای مختلف٬میتوان به جوابهای نزدیک به جواب بهینه دست یافت.

32. بهینه سازی کلاسیک {ریاضی –محاسباتی}
بهینه سازی متداول و رایج {برنامه ریزی خطی –برنامه ریزی ‍پویا}

33. بهینه سازی با استفاده از روش محاسباتی
در این قسمت بهینه سازی نامقید شامل تابع یک متغیره و چند متغیره بررسی می شود.
1-بررسی تابع یک متغیره: