پایان نامه مدیریت بهینه رواناب سطحی شهری با استفاده از روش تصمیم گیری چند معیاره مکانی

نویسنده:  احمد رادمهر
استاد راهنما: دکتر شهاب عراقی نژاد
استاد مشاور: –
تاریخ شروع: ۶ماه تا ۳ سال
دانشگاه: تهران
مقطع: کارشناسی ارشد
رشته تحصیلی: مهندسی منابع آب

این پایان نامه مورد حمایت مرکز مطالعات و برنامه ریزی شهر تهران قرار گرفته است.

چکیده  
مدیریت رواناب در مناطق شهری شامل کنترل جریان هرزابها و اصلاح شبکه های زهکشی می‌باشد. رشد سریع شهرها به همراه افزایش جمعیت آن، مشکلات زیادی را در زمینه مدیریت رواناب در هنگام رخدادهای سیلابی به همراه دارد. بارندگی های با شدت زیاد، کاهش نفوذپذیری به دلیل توسعه مناطق شهری و همچنین وجود سیستم های جمع آوری رواناب با عمر بالا، از دلایل عمده وقوع سیلاب در مناطق شهری می‌باشد. با توجه به مواردی که اشاره شد، در این راستا نقشه هایی که میزان مستعد بودن مناطق سیلابی را نشان دهند، می توانند ابزار مناسبی برای برنامه ریزی های شهری در آینده باشند. تحلیل آسیب پذیری در مناطق مختلف محیط های شهری اغلب شامل معیارهای چندگانه ای است که به طور مکانی به یکدیگر مرتبط می باشند. هدف از انجام این تحقیق، تهیه نقشه های خطرپذیری سیلاب به منظور اتخاذ تصمیمات دقیق تر در مدیریت رواناب شهری، با استفاده از تلفیق روش تصمیم گیری چند معیاره در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) در قالب یک سیستم پشتیبان تصمیم گیری می‌باشد. به منظور تهیه نقشه های معیار و نقشه نهایی پتانسیل سیل خیزی، از یک جعبه ابزار توسعه داده شده در محیط نرم افزار Arc Gis ۹.۳ استفاده شده است. در مورد جعبه ابزار تهیه شده لازم به ذکر است که اشاره شود این جعبه ابزار در قالب یک برنامه الحاقی در محیط نرم افزار Arc Gis ۹.۳ که بر مبنای یکی از روش های تصمیم گیری چندمعیاره (فرایند تحلیل سلسله مراتبی) استوار است، قابل اجراست. یکی از قابلیت های جعبه ابزار توسعه داده شده این است که با تغییر وزن معیارها، سناریوهای مختلف تصمیم گیری ایجاد شده، که از این طریق می توان به تحلیل حساسیت مدل پرداخت.

کلمات کلیدی: مدیریت سیلاب، سیستم پشتیبان تصمیم گیری، سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، تصمیم گیری چندمعیاره، تحلیل حساسیت.

خلاصه پروژه:

       مدیریت رواناب در مناطق شهری شامل کنترل جریان هرزابها و اصلاح شبکه های زهکشی (جمع کننده رواناب) می باشد. رشد سریع شهرها به همراه افزایش جمعیت آن، مشکلات زیادی را در زمینه مدیریت رواناب ها در هنگام رخدادهای سیلابی به همراه دارد. بارندگی های با شدت زیاد، کاهش نفوذپذیری به دلیل توسعه مناطق شهری و همچنین وجود سیستم های جمع آوری رواناب با عمر بالا، از دلایل عمده وقوع سیلاب در مناطق شهری می باشد. با توجه به مواردی که اشاره شد، نقشه هایی که میزان مستعد بودن مناطق سیلابی را نشان دهند، می توانند ابزار مناسبی برای برنامه ریزی های شهری در آینده باشند. تحلیل آسیب پذیری در مناطق مختلف محیط های شهری اغلب شامل معیارهای چندگانه ای است که به طور مکانی به یکدیگر مرتبط می باشند. در این پایان نامه به منظور اتخاذ تصمیمات دقیق تر در مدیریت رواناب شهری از تلفیق روش تصمیم گیری چند معیاره با سیستم اطلاعات جغرافیایی در قالب یک سیستم پشتیبان تصمیم گیری استفاده شده است. روش تصمیم گیری چندمعیاره شامل یک سری از تکنیک هاست که اجازه می دهد، طیفی از معیارهای وابسته به یک مبحث امتیازدهی و وزن دهی شده و سپس بوسیله کارشناسان و گروه های ذینفع رتبه بندی شوند. در این پایان نامه، اهداف زیر مدنظر قرار گرفته است. ۱) ارزیابی پتانسیل سیل خیزی درمناطق مختلف شهری، که فاقد اطلاعات اولیه مناسب هستند. ۳) ارزیابی مدل تصمیم گیری چندمعیاره مکانی با استفاده از ایجاد قابلیت مدل سازی مکانی توسط مدل های هوشمندی نظیر شبکه های عصبی مصنوعی.۳) ارائه الگوریتمی به منظور اولویت بندی زیرحوضه های مطالعاتی جهت انجام مطالعات کنترل سیلاب با استفاده از روش های AHP و TOPSIS در محیط تصمیم گیری فازی با تکیه بر اطلاعات مکانی. ۴) ارزیابی مسیرهای پیشنهادی برای جمع آوری رواناب شهری.

معیارهای ارزیابی در این تحقیق به سه دسته اصلی شامل معیارهای آسیب پذیری، هیدرولیکی و اثرات محیطی تقسیم شدند. همچنین هر کدام از معیارهای اصلی خود به زیرمعیارهای دیگری تقسیم بندی شده اند که توصیف آنها در ادامه آمده است. معیار آسیب پذیری شامل سه دسته معیار کاربری اراضی شهری، فاصله از کانالهای زهکشی (سیستم های جمع کننده) و تراکم شبکه کانالها و زهکشها، معیار هیدرولیکی شامل دو دسته معیار ارتفاع و شیب، و معیار اثرات محیطی نیز به دو دسته معیار ژئولوژی و سطح ایستابی تقسیم بندی شدند. انتخاب این معیارها نیز بر اساس اهمیت آنها در نشان دادن میزان سیلابی بودن محدوده مطالعاتی و همچنین بر اساس کیفیت و کمیت اطلاعات موجود، صورت گرفت. به منظور تهیه نقشه های معیار و نقشه نهایی پتانسیل سیل خیزی، از یک جعبه ابزار توسعه داده شده در محیط نرم افزار Arc Gis 9.3 استفاده شده است. در مورد جعبه ابزار تهیه شده لازم به ذکر است که اشاره شود این جعبه ابزار در قالب یک برنامه الحاقی در محیط نرم افزار Arc Gis 9.3 که بر مبنای یکی از روش های تصمیم گیری چندمعیاره (فرایند تحلیل سلسله مراتبی) استوار است، قابل اجراست. نحوه اجرای برنامه فوق به این ترتیب است که ابتدا اطلاعات برداری ورودی توسط برنامه خوانده شده، بعد از انجام پردازش های لازم بر روی آنها، به فرمت اطلاعات رستری تبدیل می شوند. در گام بعدی ساختار سلسله مراتبی با توجه به هدف مسئله شکل گرفته و در مرحله بعد وزن معیارهای تصمیم گیری بر اساس ماتریس مقایسه زوجی محاسبه می شوند. در نهایت در گام آخر برنامه، نقشه خروجی بعد از کلاسه بندی تولید می شود. یکی از قابلیت های جعبه ابزار توسعه داده شده این است که با تغییر وزن معیارها، سناریوهای مختلف تصمیم گیری ایجاد شده، که از این طریق می توان به تحلیل حساسیت مدل پرداخت. در فصل‌های مختلف پایان نامه، نتایج به صورت مقایسه‌ای ارائه و بحث شده است.

هدف اصلی:

توسعه مدلی به منظور کنترل رواناب و هرزآبهای شهری با به کارگیری تکنیک تصمیم گیری چند معیاره و سیستم اطلاعات جغرافیایی به عنوان یک سیستم پشتیبان تصمیم گیری

اهداف فرعی:

۱- ایجاد قابلیت مدل سازی مکانی به منظور ارزیابی چندمعیاره سیلابهای شهری.

۲- تقسیم بندی مناطق مختلف شهری از نظر پتانسیل سیل خیزی.

۳- تعیین سیل خیز ترین مناطق حوضه شهری.

۴- اولویت بندی زیرحوضه های مطالعاتی به منظور مطالعات کنترل سیلاب.

۵- ایجاد قابلیت مدل سازی مکانی با شبکه های عصبی مصنوعی به منظور صحت سنجی مدل تصمیم گیری چندمعیاره مکانی.

۶- ارزیابی مسیرهای پیشنهای جمع آوری رواناب شهری.

۷- تعیین اهمیت نسبی معیارهای مختلف مکانی در تهیه نقشه پتانسیل سیل خیزی مناطق مختلف شهری در قالب یکی از متدهای تصمیم گیری چندمعیاره (فرایند تحلیل سلسله مراتبی).

نتیجه گیری

تهیه نقشه پتانسیل سیل خیزی می تواند به عنوان ابزار جدیدی در جهت اصلاح زیرساخت های جمع آوری رواناب در حوضه های شهری، مورد استفاده طراحان و تصمیم گیرندگان در این زمینه قرار گیرد. در این تحقیق نقشه نهایی پتانسیل سیل خیزی به شش کلاس مختلف از نظر خطرپذیری سیلاب تقسیم بندی شد. کلاس های یک، دو، سه، چهار، پنج به ترتیب نشان دهنده خطرپذیری بسیار زیاد، متوسط تا زیاد، متوسط، کم، بسیار کم و در نهایت کلاس شش نشان دهنده پایین ترین میزان خطرپذیری می باشد. بر این اساس در حدود ۶ درصد از محدوده مطالعاتی در کلاس خطرپذیری یک، حدود ۴۳ درصد در کلاس های دو و سه، ۴۲ درصد در کلاس های چهار و در حدود ۹ درصد در کلاس های خطرپذیری پنج و شش واقع می شوند. این نقشه نشان می دهد که مناطق با ریسک خطرپذیری بالا عمدتا در بخش های جنوب و جنوب شرقی محدوده مطالعاتی واقع می شوند. از جمله ویژگی های مناطقی که در محدوده با ریسک خطرپذیری بالا واقع می شوند، می توان به تجمع کانال ها، توپوگرافی پست و شیب ملایم (کمتر از ۲ درصد) در این نواحی اشاره کرد. یکی از قابلیت های جعبه ابزار توسعه داده شده این است که جعبه ابزار فوق  به صورت دینامیکی بوده و می توان به ازای تغییر وزن معیارهای تصمیم گیری که از تحلیل های چندمعیاره حاصل می شود، نقشه های مختلف پتانسیل سیل خیزی را استخراج نمود. بدین ترتیب بر اساس سناریوهای وزن دهی تولید شده، تحلیل حساسیت مدل با تولید نقشه های سیل خیزی که در اجراهای متعدد مدل حاصل می شود، صورت گرفت. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که معیارهای فاصله از کانالها و مسیل ها و کاربری اراضی فاکتورهای حساس در تحلیل می باشند. همچنین به منظور اولویت بندی زیرحوضه های درون شهری تهران بزرگ جهت انجام مطالعات کنترل سیلاب، از تلفیق دو روش تصمیم گیری چندمعیاره با تکیه بر اطلاعات مکانی بدست آمده از مراحل قبل استفاده شد. به این منظور یک مدل تصمیم گیری با توجه به گزینه های موجود (زیر حوضه های مطالعاتی) بر اساس یک سری از معیارهای تعریف شده توسعه داده شد. الگوریتم ارائه شده ترکیبی از مفاهیم فازی، فرایند تحلیل سلسله مراتبی و الگوریتم TOPSIS فازی است که به کمک آن می توان مفاهیم مبهمی نظیر وزن معیارهای تصمیم گیری را در قالب یک مسئله تصمیم گیری چندمعیاره لحاظ نمود. از روش تحلیل سلسله مراتبی برای تعیین وزن معیارها در فرایند تصمیم گیری و از مدل TOPSIS در محیط فازی برای رتبه بندی نهایی گزینه ها استفاده شد. در نهایت، استحکام مدل فوق با جابجایی وزن معیارهای تصمیم گیری مورد تحلیل حساسیت قرار گرفت. نتایج این بخش نشان داد که زیرحوضه ۳ اولویت اول را جهت انجام مطالعات کنترل سیلاب دارا می باشد.

به منظور ارزیابی مدل تصمیم گیری چندمعیاره مکانی، از قابلیت مدل سازی مکانی با شبکه های عصبی استفاده شد.

نقشه تخمینی تولید شده از مدل شبکه عصبی نشان داد که همبستگی بالایی بین هر یک از نقشه های معیار با نقشه نهایی پتانسیل سیل خیزی برقرار می باشد. با توجه به نتیجه بدست آمده در این بخش از تحقیق می توان عنوان کرد که تلفیق سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و مدل های هوشمندی نظیر مدل شبکه عصبی می تواند به عنوان یک سامانه پشتیبان تصمیم گیری در مسائل پیش بینی مورد استفاده قرار گیرد.

در بخش پایانی تحقیق، بر اساس نقشه پتانسیل سیل خیزی حاصل از مدل تصمیم گیری چندمعیاره مکانی، مسیرهای مناسب برای جمع آوری رواناب شهری پیشنهاد شدند. در این بخش با ارائه الگوریتم مربوطه و با درنظر گرفتن فرضیات قابل قبول، چهار مسیر پیشنهادی برای یکی از سلول های مبدا که در کلاس یک خطرپذیری واقع می شود، تعیین شد. در ادامه هزینه هر یک از مسیرهای پیشنهادی با تقاطع هر یک از معیارهای هزینه تصمیم گیری، مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که مسیر یک پیشنهادی مسیر مناسبتری برای جمع آوری رواناب شهری در محدوده فرضی تعیین شده می باشد. 

لازم به ذکر است که مدل تهیه شده باید در مطالعات مرحله اول مسائل مربوط به کنترل سیلاب در حوضه های شهری مورد استفاده قرار گیرد. مدل های با جزئیات بیشتر نیاز به اطلاعات دقیق تری از بارش و دبی های پیک در محدوده مطالعاتی دارند. نتایج این تحقیق نشان داد که کاربرد تکنیک تصمیم گیری چندمعیاره در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) به عنوان ابزار توانمندی در تهیه نقشه های خطرپذیری با دقت بالا، مطرح می باشد. با توجه به اینکه یکی از اصول اولیه مدیریت، اطلاع از اولویتهای مدیریتی می باشد، این الگو و نتایج حاصل از آن می تواند راهکار مناسبی جهت اعمال مدیریت سیلاب در حوضه های شهری باشد.      

پیشنهادات

پیشنهادات و راه‌کارهای قابل ارائه برای پیشبرد نتایج حاصل از این پایان نامه را می‌توان بصورت زیر بیان کرد :

–         تلفیق مدل توسعه داده شده با مدل های پیش بینی جهت تدقیق نقشه های خطرپذیری سیلاب.

–         افزایش معیارها و زیرمعیارهای تصمیم گیری خصوصا معیارهای دقیق تر هیدرولوژیکی- هیدرولیکی جهت دست یابی به نتایج دقیق تر.

–         استفاده از تحلیل دقیقتر هزینه ها براساس اطلاعات رستری در محیط سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) جهت ارزیابی اولیه مسیرهای پیشنهادی جمع آوری رواناب.

–          انجام بازدیدهای میدانی جهت بررسی مسیرهای پیشنهادی جمع آوری رواناب سطحی.

–         ایجاد ارتباط بین مدل توسعه داده شده در پایان نامه با مدل های هیدرولیکی جهت روند یابی سیلاب در محدوده مطالعاتی.

–         استفاده از اطلاعات مکانی با دقت بالا جهت انجام تحلیل خطرپذیری سیل در هر یک از مناطق ۲۲ گانه شهرداری تهران.

–         کاربرد مدل تهیه شده برای سایر مناطق شهری در کشور جهت تحلیل خطرپذیری سیلاب. لازم به ذکر است که با توجه به جعبه ابزار توسعه داده شده در این پایان نامه، جهت تحلیل خطرپذیری سیلاب در سایر مناطق شهری فقط نیاز به به روز کردن لایه های اطلاعاتی بر اساس محدوده مطالعاتی می باشد.

–         تدوین سامانه پشتیبان تصمیم گیری در مسائل پیش بینی با تلفیق روش تصمیم گیری چندمعیاره مکانی و مدل های هوشمند.

–         استفاده از جعبه ابزار توسعه داده شده در تحلیل مسائل مخاطرات طبیعی نظیر خشکسالی.