تدوين قوانين احتمالاتي براي بهره‌برداري بهينه تلفيقي كمّي-كيفي از منابع آب سطحي و زيرزميني در زمان واقعي: كاربرد ماشين‌هاي بردار پشتيبان

Developing Probabilistic Operating Rules for Real-time Conjunctive Use of Surface and Groundwater Resources: Application of Support Vector Machines

تعيين سياست‌هاي بهينه بهره‌برداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني زماني كه تصميم‌گيران و ذينفعان متفاوت با اهداف متضادي وجود دارند، مسيله‌اي پيچيده است. در اين مقاله، يك روش جديد براي تدوين قوانين بهره‌برداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني در زمان واقعي، ارايه شد. در روش پيشنهادي، براي تعيين منحني‌هاي تعامل بين اهداف، از الگوريتم ژنتيك چندهدفه NSGA-II و در رفع اختلاف بين تصميم‌گيرندگان، از تيوري رفع اختلاف يونگ استفاده شد. همچنين براي برطرف نمودن مشكل زمان اجراي مدل بلند مدت در بهره‌برداري در زمان واقعي، استفاده از ماشين‌هاي بردار پشتيبان احتمالاتي كه قابليت ايجاد خروجي احتمالاتي و ارايه قوانين مديريت منابع آب را دارا هستند، پيشنهاد گرديد. مدل ارايه شده براي تدوين قوانين بهره‌برداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني تهران به‌كار گرفته شده است. ذينفعان در منطقه مورد مطالعه، داراي مطلوبيتهاي متفاوت و بعضاً متضادي نظير تامين آب با كيفيت مناسب، كاهش هزينه‌هاي پمپاژ، بهبود كيفيت آب آبخوان و كنترل نوسانات سطح آب زيرزميني هستند. در روش ارايه شده، مدل‌هاي شبيه‌سازي جريان آب زيرزميني MODFLOW و پخش و انتقال آلاينده MT3D با مدل بهينه‌سازي NSGA-II تلفيق شدند تا منحني‌هاي تعامل بين اهداف به‌دست آيند. بهترين نقطه روي منحني تعامل به‌كمك مدل‌ رفع اختلاف يونگ انتخاب شد. نتايج مدل پيشنهادي نشان دهنده اهميت اعمال يك مدل رفع اختلاف يكپارچه و قابليت مناسب ماشين‌هاي بردار پشتيبان در تدوين قوانين بهره‌برداري تلفيقي از منابع آب سطحي و زيرزميني در زمان واقعي در منطقه مورد مطالعه است. نتايج نشان مي‌دهند كه ميزان دقت قوانين تخصيص آب محاسبه شده در مرحله صحت‌سنجي بيش از 80 درصد است. بر اساس اين قوانين، تغييرات تجمعي تراز سطح آب زيرزميني در آبخوان تهران در يك دوره برنامه‌ريزي 15 ساله در حد 80 سانتي‌متر محدود شده است.

Developing optimal operating policies for conjunctive use of surface and groundwater resources when different decision makers and stakeholders with conflicting objectives are involved is usually a challenging task. This problem would be more complex when objectives related to surface and groundwater quality are taken into account. In this paper, a new methodology is developed for real time conjunctive use of surface and groundwater resources. In the proposed methodology, a well-known multi-objective genetic algorithm, namely Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) is employed to develop a Pareto front among the objectives. The Young conflict resolution theory is also used for resolving the conflict of interests among decision makers. To develop the real time conjunctive use operating rules, the Probabilistic Support Vector Machines (PSVMs), which are capable of providing probability distribution functions of decision variables, are utilized. The proposed methodology is applied to Tehran Aquifer in Tehran metropolitan area, Iran. Stakeholders in the study area have some conflicting interests including supplying water with acceptable quality, reducing pumping costs, improving groundwater quality and controlling the groundwater table fluctuations. In the proposed methodology, MODFLOW and MT3D groundwater quantity and quality simulation models are linked with NSGA-II optimization model to develop Pareto fronts among the objectives. The best solutions on the Pareto fronts are then selected using the Young conflict resolution theory. The selected solution (optimal monthly operating policies) is used to train and verify a PSVM. The results show the significance of applying an integrated conflict resolution approach and the capability of support vector machines for the real time conjunctive use of surface and groundwater resources in the study area. It is also shown that the validation accuracy of the proposed operating rules is higher that 80% and based on these rules, the cumulative groundwater table variation is limited to 80 centimetres during a 15-year planning horizon.