1-1 ضرورت و اهمیت موضوع…………………………… 3

1- 2بیان مسئله……………………………. 4

1-3 اهداف تحقیق…………………………….. 5

فصل دوم: بررسی متون و مطالعات دیگران در این زمینه

2-1 فیزیولوژی تولید مثل در ماهیان…………………………….. 7

2-2 محور هیپوتالاموس – هیپوفیز – گناد……………………………. 8

2-3- هیپوتالاموس……………………………… 8

2-3-1 – هورمون های هیپوتالاموسی…………………………….. 9

2-4- غده هیپوفیز (Pitiutary gland)……………………………

2-4-1- هورمون گنادوتروپین ( GtH )……………………………

2-4-2 – عوامل مؤثر بر GtH-I و Gth-II……………………………

2-5- دستگاه تولید مثل……………………………. 12

2-5-1 مورفولوژی بیضه……………………………. 14

2-5-2- هیستولوژی بیضه……………………………. 15

2-6 اسپرماتوژنز و اسپرمیوژنز……………………………. 15

6-2- 1- سایر اجزای سلولی…………………………….. 18

2-7- چرخه های فصلی بیضه……………………………. 18

2-8 معرفی گیاه خولنجان (Alpinia officinarum Hance)………………..

2-9. آندروژن ها…………………………… 22

2-10 .چگونگی تلقیح هورمون به بدن ماهی…………………………….. 22

آب مناسب برای مصرف در آکواریوم……………………………. 23

2-11. ماهی های آکواریومی زنده زا…………………………… 24

2-12. معرفی ماهی مولی…………………………….. 26

خصوصیات فیزیکو شیمیایی…………………………… 26

2-13 . طرزتشخیص جنسیت مولی…………………………….. 27

2-14-استفاده از ماهی مولی به عنوان مدل در مطالعات بیولوژیک و توکسیکولوژیک…….. 28

فصل سوم : مواد و روشها

3-1 دستگاه و ابزارهای مورد نیاز……………………………. 32

3-2 مواد مورد نیاز…………………………….32

3-3 روش کار……………………………. 34

3-3-1 آماده سازی ماهیان و آکواریوم ها ……………………………34

3-3-2 تیمار بندی…………………………….. 35

3-3-3 چگونگی آماده سازی دارو……………………………. 35

3-3-4 چگونگی عصاره گیری از ریزوم گیاه خولنجان…………… 36

3-4-1 بیهوش کردن ماهی…………………………….. 36

3-4-2 مراحل تزریق…………………………….. 37

3-4-3 تشریح ماهی…………………………….. 37

3-5 مراحل تهیه مقاطع بافتی…………………………….. 39

3-6- اندازه گیری سطوح استروئیدی…………………………….. 43

2-7- تعیین شاخص گنادوسوماتیک ( GSI)……………………………

3-8 بررسی های آماری…………………………….. 44

فصل چهارم : نتایج( شامل نتایج نمودارها و جداول آماری )

4-1 – بررسی وزن و طول ماهیان…………………………….. 46

4-2 نتایج شاخص گنادوسوماتیک GSI……………………………

4-3 نتایج سطوح استروئیدی…………………………….. 54

4-3-1.. نتایج سطح تستوسترون…………………………….. 54

4-3-2 نتایج سطح کورتیزول……………………………. 56

4-4. نتایج بررسی طول گناد……………………………. 59

4-5- نتایج بافت شناسی بیضه ماهی…………………………….. 61

فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری

5-1 . بحث و نتیجه گیری…………………………….. 69

5-1-2 بررسی شاخص GSI……………………………

 

 

5-1-3. بررسی نتایج سنجش هورمونی…………………….. 70

5-1-4. بررسی نتایج بافت شناسی بیضه……………….. 72

5-2. نتیجه گیری نهایی…………………………….. 73

پیشنهادت…………………………….. 74

خلاصه انگلیسی…………………………..79

منابع……………………………. 76

چکیده:

در این تحقیق اثرات 17- آلفا متیل تستوسترون و عصاره گیاه خولنجان بر سیستم تولید مثلی و سیستم آدرنال ( هورمون کورتیزول ) در ماهی مولی بالغ نر بررسی شد. بدین منظور ، پس از کلر زدایی آب آکواریوم ها ، 100 قطعه ماهی نر بالغ مولی با میانگین وزنی 3 ±1گرم در آکواریوم رها شد . آداپته کردن ماهی به مدت 48 ساعت انجام شد . سپس فاکتورهای فیزیکوشیمیایی آب مثل دما ، pH، سختی آب و فشار اکسیژن محاسبه شد . آزمایش در 10 گروه انجام شد . ( 2 گروه کنترل و 8 گروه تیمار) هر گروه شامل 10 قطعه ماهی نر و بالغ بود . دوزهای مختلف عصاره خولنجان و 17- آلفا متیل تستوسترون به مقدار 02/0 میلی لیتر در هر نوبت تزریق شد و ماهیان تیمار خولنجان ، عصاره گیاه با دوزهای 10، 20 ، 30 و 50 میلی گرم بر کیلوگرم و ماهیان تیمار 17- آلفا متیل تستوسترون با دوزهای 1 ، 5، 10و 20 میلی گرم بر کیلوگرم دریافت کردند . تزریق بصورت داخل عضله ای در عضله زیرباله پشتی ، بصورت 1 روز در میان و به مدت 20 روز انجام شد . سپس ماهی ها کشته شدند . بافت بیضه آن ها جدا و در فرمالین 10 درصد فیکس شد . آزمایشات بیومتری ماهی ها شامل اندازه گیری طول و وزن انجام شد . سپس مقایسه هیستولوژیکی بیضه تیمارها با گروه های کنترل انجام شد . نتایج نشان داد که شاخص گنادو سوماتیک در دو دوز 30 و 50 میلی گرم از گیاه خولنجان افزایش یافت.

بررسی نتایج حاکی از آن است که عصاره گیاه خولنجان در کلیه تیمارها مانند 17- آلفا متیل تستوسترون باعث افزایش بلوغ اسپرم و بلوغ نهایی ماهی شد.

فصل اول: کلیات

1-1- ضرورت و اهمیت موضوع

تستوسترون هورمونی است که در چند سال گذشته به عنوان دارو جهت درمان هایپوگنادیسم در مردان استفاده می شود . از جمله خواص آب می توان به عدم تأثیر آن بر کبد و بیشتر ارگان های داخلی اشاره کرد ولی با توجه به اثر آن بر پروستات ، در بعضی موارد باعث هایپرپلازی پروستات و افزایش فشار بر مجاری ادراری و در نتیجه کاهش حجم ادرار می شود (1) .

گیاه خولنجان با نام علمی Alpinia officinarum از خانواده Zingiberaceae یا زنجبیل می باشد . از جمله خواص گیاهان این خانواده می توان به اثر افزایش دهنده فعالیت در سیستم تولید مثلی جنس نر اشاره کرد . (2)

این گیاه حاوی فلاونویید هایی است که این فلاونویید ها دارای اثرات متفاوت ازجمله اثرات آنتی اکسیدانی واثرافزایش دهندگی باروری می باشد . (3)

تولید مثل در ماهی ها به وسیله فرایندهای درون زا کنترل می گردد (4) دو استراتژی برای القای تولید مثل در ماهی وجود دارد . اولین استراتژی ایجاد محیط مشابه با آنچه در طبیعت برای تولید مثل لازم است ، فراهم شود . دومین استراتژی تزریق هورمون بوسیله هورمون های طبیعی تولید مثلی یا هورمون های آنالوگ سنتتیک می باشد (5) .

با توجه به اینکه تا کنون اثر گیاه خولنجان بر دستگاه تولید مثل ماهیان مورد بررسی قرار نگرفته است لذا در تحقیق حاضر تأثیر 17- آلفا متیل تستوسترون و عصاره ریزوم گیاه خولنجان در بافت بیضه ماهی مولی بالغ نر مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت.

2-1- بیان مسأله

تستوسترون از جمله هورمون های جنسی است که علاوه بر تأثیر بر سیستم تولید مثلی باعث افزایش توده ی استخوانی و ماهیچه ای و افزایش حساسیت به انسولین می شود . همچنین در مردانی که سطح تستوسترون خونشان پایین است ، در اثر مصرف تستوسترون ، بهبود حالات روحی مشاهده می شود .

بسیاری از مردان مسن علائم افزایش سطح انرژی ، فعالیت جنسی و بهبود خلق را در اثر درمان جایگزین با تستوسترون نشان می دهند .

کارن هربست ، اندوکراینولوژیست ، پیش بینی کرده که 1 نفر از 10 نفر مرد پاسخ خوبی به تستوسترون درمانی نشان می دهند ولی بطور کلی پاسخ افراد به تستوسترون متفاوت است .

از جمله عوارض جانبی تستوسترون می توان به افزایش خوش خیم سایز پروستات ، آپنه تنفسی هنگام خواب ، تشکیل لخته های خونی و نارسایی قلبی اشاره کرد ( 6) در مطالعه ای که توسط Ratnasooria و همکارانش در سال 2005 صورت گرفت مشخص شد که عصاره ی گیاه calcarata Alpinia که هم خانواده ی گیاه خولنجان می باشد ، باعث افزایش رفتارهای جنسی و افزایش باروری در رت های نر می باشد . این گیاه همچنین باعث افزایش سطح تستوسترون در خون موش های مورد آزمایش شد . (2)

ماهی مولی با نام علمی Poecilia latipinna متعلق به رده ی ماهیان زنده زا می باشد . طول این ماهی 5 تا 10 سانتی متر و دمای مناسب برای نگه داری آن 22 تا 26 درجه سانتیگراد می باشد (7)

بافت بیضه این ماهی در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفت.

3-1- اهداف تحقیق

هدف از این پژوهش بررسی مقایسه اثرات عصاره خولنجان و 17- آلفا متیل تستوسترون بر شاخص های کیفی اسپرم در ماهی مولی نر بالغ می باشد .

از دیگر اهداف طرح می توان به موارد زیر اشاره کرد :

1- بررسی تأثیر خولنجان بر شاخص گنادوسوماتیک در ماهی مولی

2- بررسی تأثیر خولنجان بر شاخص های کیفی اسپرم در ماهی مولی

فصل اول: کلیات

1-1. ضرورت و اهمیت موضوع………………………………………………………… 3

1-2. بیان مساله ………………………………………………………………………………. 4

1-3. اهداف………………………………………………………………………………….. 4

فصل دوم: بررسی متون و مطالعات دیگران در این زمینه

بخش اول: قرص‌های سریع باز شونده

2-1. قرص……………………………………………………………………………………. 8

2-1-1. مزایای قرص‌ها……………………………………………………………………… 9

2-1-2. معایب قرص‌ها…………………………………………………………………… 10

2-1-3. انواع قرص‌ها …………………………………………………………………… 10

2-1-3-1. قرص‌های خوراكی…………………………………………………………….. 11

2-1-3-2. قرص‌های مورد استفاده در حفره دهان……………………………………. 16

2-1-3-3. قرص‌هایی كه از سایر راه‌ها غیر از دهان مصرف می‌شوند……………. 18

2-1-3-4. قرص‌هایی كه برای تهیه محلول‌ها به كار برده می‌شوند…………….. 19

2-1-4. قرص‌های سریع رهش……………………………………………………….. 20

2-1-4-1. مزایای قرص‌های سریع رهش………………………………………………. 20

2-1-4-2. معایب قرص‌های سریع رهش………………………………………………… 22

2-1-4-3. موارد قابل توجه در تهیه قرص‌های سریع رهش……………………… 22

2-1-5. فرمولاسیون‌های قرص سریع رهش…………………………………………….. 24

2-1-5-1. مواد موثر در فرمولاسیون قرص سریع رهش………………………………. 24

2-1-5-2. مواد جانبی در فرمولاسیون قرص سریع رهش……………………………. 24

2-1-5-2-1. رقیق كننده‌ها…………………………………………………………………… 25

2-1-5-2-2. چسباننده‌ها……………………………………………………………………….. 26

2-1-5-2-3. روان كننده‌ها……………………………………………………………….. 26

2-1-5-2-4. رنگ دهنده‌ها………………………………………………………………………. 27

2-1-5-2-5. شیرین كننده‌ها……………………………………………………………….. 27

2-1-5-2-6. طعم دهنده‌ها…………………………………………………………………. 27

2-1-5-2-7. باز كننده‌ها…………………………………………………………………….. 28

2-1-5-2-7-1. انواع باز كننده‌ها………………………………………………………………. 28

2-1-5-2-7-2. باز كننده‌های جدید…………………………………………………….. 29

2-1-5-2-7-3. عوامل موثر در باز شدن قرص‌ها………………………………… 30

2-1-5-2-7-4. مكانیسم عمل باز كننده‌ها……………………………………………. 31

2-1-6. روش‌های تولید قرص‌های سریع رهش………………………………………. 40

2-1-6-1. تراكم مستقیم…………………………………………………………………. 40

2-1-6-2. گرانولاسیون خشك…………………………………………………………….. 40

2-1-6-3. گرانولاسیون مرطوب………………………………………………………… 41

2-1-7. تكنولوژی‌های نوین ساخت قرص‌های سریع رهش………………………….. 42

2-1-7-1. تكنولوژی Zydis…………………………………………………………………….

2-1-7-2. تكنولوژی Orasolv………………………………………………………………….

2-1-7-3. تكنولوژی Durasolv………………………………………………………………….

2-1-7-4. تكنولوژی Wow tab…………………………………………………………………

2-1-7-5. تكنولوژی Flashdose…………………………………………………………….

2-1-7-6. تكنولوژی Flashtab………………………………………………………………

2-1-7-7. تكنولوژی Oraquick………………………………………………………….

2-1-8. آزمون‌های کنترل فیزیکوشیمیایی قرص‌های سریع رهش………………….. 47

2-1-8-1. خصوصیات ظاهری قرص………………………………………………………. 47

2-1-8-2. آزمون یکنواختی شکل دارویی ……………………………………………. 48

2-1-8-3. آزمون یکنواختی وزن……………………………………………………………. 48

2-1-8-4. آزمون یکنواختی محتوا…………………………………………………………. 48

2-1-8-5. سختی………………………………………………………………………………. 49

2-1-8-6. آزمون فرسایش‌پذیری………………………………………………………….. 50

2-1-8-7. آزمون زمان باز شدن……………………………………………………………… 50

2-1-8-8. آزمون تعیین مقدار ماده‌ موثره دارویی………………………………………. 50

2-1-8-9. آزمون پایداری…………………………………………………………………… 51

بخش دوم: آملودیپین

2-2-1. مكانیسم اثر…………………………………………………………………… 53

2-2-2. متابولیسم و فارماكوكینتیک دارو…………………………………… 54

2-2-3. موارد و مقدار مصرف………………………………………………………… 54

2-2-4. موارد احتیاط در مصرف…………………………………………………… 55

2-2-5. موارد منع مصرف……………………………………………………………….. 55

 

 

2-2-6. عوارض جانبی……………………………………………………………………… 55

2-2-7. تداخلات دارویی……………………………………………………………… 55

2-2-8. نكات قابل توصیه………………………………………………………. 55

فصل سوم: مواد و روش‌ها

3-1. دستگاه‌های مورد استفاده……………………………………………………… 57

3-2. مواد مورد استفاده………………………………………………………………………… 58

3-3. خصوصیات بعضی مواد موجود در فرمولاسیون…………………………… 59

3-3-1. كراس كارملوز سدیم……………………………………………………………… 59

3-3-2. كراس پوویدون…………………………………………………………………………. 60

3-3-3. سدیم استارچ گلیكولات………………………………………………………….. 61

3-3-4. منیزیم استئارات……………………………………………………………………… 62

3-3-5. مانیتول………………………………………………………………………….. 62

3-3-6. سلولز میکروکریستالین…………………………………………………………. 64

3-3-7. سدیم ساخارین……………………………………………………………………….. 64

3-3-8. آسپارتام……………………………………………………………………………… 65

3-3-9. سدیم لوریل سولفات…………………………………………………………. 66

3-3-10. تالك……………………………………………………………………………….. 66

3-3-11. F-Melt……………………………………………………………………………..

3-4. كارهای انجام یافته…………………………………………………………………. 67

3-4-1. مطالعات پیش فرمولاسیون انجام شده بر روی پودر آملودیپین………….. 67

3-4-1-1. بررسی خواص ارگانولپتیک پودر آملودیپین…………………………….. 68

3-4-1-2. تعیین ریزش پودر آملودیپین………………………………………………… 68

3-4-1-3. بررسی تراكم‌پذیری پودر آملودیپین……………………………………….. 69

3-4-1-4. تعیین طیف UV آملودیپین………………………………………………… 69

3-4-1-5. رسم طیف FTIR آملودیپین……………………………………………… 69

3-5. تهیه فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده‌ دهانی آملودیپین………… 70

3-5-1. روش و تهیه فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده دهانی آملودیپین به روش تراكم مستقیم….. 70

3-5-1-1. تهیه فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده‌‌ی آملودیپین- سری A……….

3-5-1-2. تهیه فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده‌ی آملودیپین- سری B…………

3-5-1-3. تهیه فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده‌ی آملودیپین- سری C………….

3-6. آزمون‌های كنترل فیزیكوشیمیایی انجام شده بر روی فرمولاسیون‌های قرص سریع باز شونده….. 73

3-6-1. بررسی خواص ظاهری قرص‌ها…………………………………………………….. 73

3-6-2. بررسی سختی قرص‌ها………………………………………………………………. 73

3-6-3. بررسی میزان فرسایش‌پذیری قرص‌ها……………………………………. 73

3-6-4. تعیین ضخامت و قطر قرص‌ها………………………………………………… 74

3-6-5. بررسی یكنواختی وزن قرص‌ها…………………………………………….. 74

3-6-6. آزمون‌های زمان باز شدن قرص‌ها………………………………………….. 74

3-6-7. رسم نمودار استاندارد آملودیپین در 239 نانومتر در محیط HClo.1N………….

3-6-8. تعیین مقدار آملودیپین…………………………………………………………. 75

3-6-9. آزمون انحلال و نحوه‌ی آزادسازی دارو…………………………………………. 75

3-6-10. آزمون بررسی طعم بر روی فرمولاسیون برتر……………………………. 76

فصل چهارم: نتایج

4-1. نتایج حاصل از مطالعات پیش فرمولاسیون انجام شده بر روی پودر آملودیپین…. 79

4-1-1. نتایج حاصل از بررسی خصوصیات ارگانولپتیک پودر آملودیپین……………. 79

4-1-2. نتایج مربوط به تعیین ریزش پودر آملودیپین……………………………….. 79

4-1-3. نتایج مربوط به بررسی تراكم‌پذیری پودر آملودیپین………………………. 81

4-1-4. نتایج مربوط به طیف UV پودر آملودیپین در محیط NHCl1/0…………….

4-1-5. نتایج مربوط به طیف FTIR پودر آملودیپین…………………………………. 83

4-1-6. نتایج مربوط به تعیین مقدار قرص آملودیپین………………………………. 84

4-1-7. نتیجه‌گیری كلی مطالعات انجام شده بر روی پودر آملودیپین…………… 85

4-2. نتایج مربوط به فرمولاسیون‌ها و كنترل فیزیكوشیمیایی قرص‌های سریع باز شونده آملودیپین… 85

4-2-1. نتایج حاصل از آزمون‌های كنترل فیزیكوشیمیایی روی فرمولاسیون‌های آملودیپین- سری A…….

4-2-2. نتایج حاصل از آزمون‌های كنترل فیزیكوشیمیایی روی فرمولاسیون‌های آملودیپین- سری B…….

4-2-3. نتایج حاصل از آزمون‌های كنترل فیزیكوشیمیایی روی فرمولاسیون‌های آملودیپین- سری C…..

4-2-4. نتایج بررسی طعم و مزه روی فرمولاسیون منتخب (فرمولاسیون‌های سری D)………………..

4-3. نتایج حاصل از انحلال فرمولاسیون برتر……………………………………………………….. 89

فصل پنجم: بحث و نتیجه‌گیری

5-1. بحث و نتیجه‌گیری مربوط به فرمولاسیون‌ها و كنترل فیزیكوشیمیایی قرص‌های سریع بازشونده‌‌ی آملودیپین به روش تراکم مستقیم………………………………………………………………………………. 93

5-2. نتیجه‌گیری كلی در رابطه با فرمولاسیون بهتر به روش تراكم مستقیم…………….. 94

5-3. بررسی شیرین كننده در قرص‌های سریع باز شونده‌ی آملودیپین به روش تراكم مستقیم…. 94

چكیده انگلیسی…………………………………………………………………………… 95

منابع…………………………………………………………………………………………. 97

ضمائم …………………………………………………………………………………….. 101

چکیده:

قرص‌های باز شونده‌ی دهانی، اشکال دارویی جامدی هستند که در زمانی کمتر از ۱ دقیقه بدون بر جای گذاشتن باقیمانده‌ای از خود، در حفره‌ی دهان باز می‌شوند. هدف از این تحقیق تهیه و ارزیابی قرص‌های سریع باز شونده دهانی آملودیپین mg5 می‌باشدكه از خانواده بلوك كننده‌های طولانی اثر كانال‌های كلسیمی است كه در درمان آنژین پایدار مزمن، آنژین وازواسپاستیک و فشار خون استفاده می‌شود. در این مطالعه، قرص‌های سریع باز شونده‌ی دهانی آملودیپین با روش تراکم مستقیم تهیه شده‌اند. در این پایان‌نامه از ماده‌ی جانبی جدید F-Meltاستفاده شده است. همچنین از باز کننده‌های کراس کارملوز سدیم و سدیم استارچ گلیکولات با درصدهای مختلف استفاده گردید. بعد از انجام مطالعات پیش فرمولاسیون روی پودر، آزمایش‌های کنترل فیزیکوشیمیایی شامل قطر، ضخامت، یکنواختی وزن، فرسایش، سختی، زمان باز شدن و نیز تست‌های تعیین مقدار ماده‌ی موثره و نیز آزمایش انحلال را روی تمام فرمولاسیون‌ها انجام دادیم. در نهایت فرمولاسیون برتر برای بررسی طعم انتخاب گردید. در این مرحله از شیرین کننده‌ها و طعم دهنده‌های مختلف با درصدهای گوناگون استفاده کردیم و در نهایت فرمولاسیون با بالاترین پذیرش طعم به عنوان فرمولاسیون برتر شناسایی شد. به دلیل عدم وجود این شکل دارویی در بازار جهان، امید است که بتوانیم این محصول را در یکی از کارخانجات داخلی به طور انبوه تولید سازیم.

فصل اول: کلیات

1-1- ضرورت و اهمیت موضوع

آملودیپین دارویی از خانواده بلوك كننده‌های طولانی اثر كانال‌های كلسیمی است كه در درمان آنژین پایدار مزمن، آنژین وازواسپاستیک و فشار خون استفاده می‌شود. راه مصرف این دارو خوراکی است. راه خوراکی سهولت مصرف بالایی دارد. از جمله اشکال دارویی خوراکی، قرص‌ها هستند که با توجه به سهولت ساخت و پایداری مناسبی که دارند و همچنین هزینه کمتر، حمل و نقل راحت‌تر، جز اشکال دارویی پر مصرف هستند. بیش از 50% اشکال دارویی بازار را قرص‌ها تشکیل می‌دهند. به همین علت مصرف این شکل دارویی از اولویت بالایی برخوردار است. اما این شکل دارویی ایرادهایی نیز دارد. اولین ایرادی که به این شکل دارویی وارد می‌شود، مشکل بلع است. بعضی‌ از افراد از جمله کودکان و سالمندان توانایی بلع بالایی ندارند. همچنین افرادی که از بیماری اسکیزوفرنی رنج می‌برند، قرص را در دهان نگاه می‌دارند و آن را نمی‌بلعند. همچنین قرص بعد از بلع باید مراحلی را طی‌ کند. از جمله باز شدن، حل شدن و جذب. باز شدن و تبدیل به فرم محلول، فرایندی زمان‌بر است که موجب به تاخیر افتادن زمان شروع اثر دارو می‌شود و از این دیدگاه اشکال دارویی مایع بر اشکال دارویی جامد ارجحیت دارند. با توجه به اینکه اشکال دارویی مایع حجیم هستند، کاربرد آنها به طور نسبی‌ کمترا‌ز اشکال دارویی جامد می‌باشد. در سال‌های اخیر استفاده از قرص سریع باز شونده دهانی بیشتر از گذشته است، این قرص‌ها این قابلیت را دارند که پس از قرار گرفتن در دهان و تماس با بزاق باز شده و تبدیل به گرانول گردند و در مواردی به طور کامل حل شوند. این قرص‌ها می‌توانند در عین حال که مزایای شکل دارویی جامد را دارا هستند، پس از قرار گرفتن در دهان سریعاً به فرم سوسپانسیون و یا محلول در آمده و از آن پس مزایای اشکال دارویی مایع داشته باشند و امکان جذب سریع‌تر دارو و ورود سریع‌تر به جریان خون و سهولت بلع برای آن سطح شوند. با توجه به مشکلات بلع در سالمندان استفاده از این شکل دارویی برای قرص آملودیپین یک مزیت محسوب می‌شود. بنابراین هدف از این پایان‌نامه تهیه قرص سریع باز شونده دهانی آملودیپین mg5 است که بتواند سریع دارو را آزاد نماید و نیز مناسب‌ترین فرمولاسیون را داشته باشد.

2-1- بیان مسأله

رایج‌ترین راه مصرف دارو، راه خوراکی است. راه خوراکی سهولت مصرف بالایی دارد و با توجه به سطح وسیع دستگاه گوارش، احتمال جذب وسیع را فراهم می‌کند. از جمله اشکال دارویی خوراکی، قرص‌ها هستند که با توجه به سهولت ساخت و پایداری مناسبی که دارند و همچنین هزینه کمتر، حمل و نقل راحت‌تر، جزء اشکال دارویی پر مصرف هستند. بیش از 50 درصد اشکال دارویی بازار را قرص‌ها تشکیل می‌دهند. به همین علت مصرف این شکل دارویی‌، از اولویت بالایی برخوردار است. یکی از ایرادهای قرص این است که برای افرادی که مشکل بلع دارند (کودکان و سالمندان) ایجاد مشکل می کند و نیز قرص بعد از بلع باید مراحل باز شدن، انحلال و جذب را طی نماید. مرحله باز شدن و تبدیل به فرم محلول، فرایندی زمان‌بر است که موجب تأخیر در شروع اثر درمانی می‌گردد و از این دیدگاه اشکال دارویی مایع بر اشکال دارویی جامد ارجحیت دارند. با توجه به اینکه اشکال دارویی مایع حجیم هستند، کاربرد آنها به طور نسبی کمتر از اشکال دارویی جامد می‌باشد که در سال‌های اخیر استفاده از قرص سریع باز شونده دهانی بیشتر گشته است. این قرص‌ها این قابلیت را دارند که پس از قرار گرفتن در دهان و تماس با بزاق، باز شده و تبدیل به گرانول شده و در مواردی به طور کامل حل شوند و به همین دلیل عوارض گوارشی این سیستم‌های دارویی کم می‌باشد (1، 2، 3).

مسدودكننده‌های كانال‌های كلسیمی علاوه بر اثرات ضد آنژین و ضد آریتمی، مقاومت عروق محیطی و فشار خون را نیز كاهش می‌دهند. مكانیسم عمل آنها در فشار خون بالا (و تا حدودی آنژین) مهار ورود كلسیم به سلول‌های عضله صاف شریانی می‌باشد (3، 4).

طراحی سیستم‌هایpregastric absorbtion باعث بهبود فراهمی زیستی و کاهش دوز دارو شده و با کاهش عوارض جانبی دارو، باعث بهبود عملکرد کلینیکی دارو می‌شوند.

3-1- اهداف

اهداف اصلی

تهیه فرمولاسیون قرص سریع باز شونده دهانی آملودیپین، متعاقباً بررسی‌ خصوصیات فیزیکوشیمیایی فرمولاسیون‌های تهیه شده به منظور دستیابی به فرمولاسیون نهایی که در این حال با دارا بودن خصوصیات فیزیکوشیمیایی مطلوب که از پایداری مناسبی برخوردار است، طعم مطلوبی داشته باشد.

اهداف فرعی

1- بررسی‌ خصوصیات فیزیکوشیمیایی آملودیپین

2- تهیه و فرمولاسیون‌های گوناگون از داروی آملودیپین در راستای دستیابی به قرص‌های سریع باز شونده

3- انجام آزمون‌های مختلف فیزیکوشیمیایی جهت ارزیابی فرمولاسین‌های تهیه شده

4- بررسی‌ طعم فرمولاسیون‌های منتخب به منظور دستیابی به فرمولاسیون با طعم مطلوب

فصل دوم: بررسی متون و مطالعات دیگران در این زمینه

بخش اول: قرص های سریع بازشونده

1-2- قرص

قرص­ها بیشتر از سایر فرم­های دارویی مورد استقبال پزشک و بیمار قرار گرفته­اند. امروزه تقریباً 60% از کل اشکال دارویی به­صورت قرص به بازار عرضه می­گردد. علل این استقبال عبارتند از:

2-1-1- تاریخچه مطالعات و تحقیقات در زمینه ضربه‌قوچ…………. 9
2-1-2- تعریف اصطلاحات……………………………………. 11
2-1-3- نظریه‌های مربوط به ضربه‌قوچ………………………… 11
2-1-3-1- نظریه رفتار صلب ستون آب………………………………….. 11
2-1-3-2- نظریه رفتار کشسانی……………………………………….. 13
2-1-4- ضربه‌قوچ در باز و بستن سریع شیر……………………. 14
2-1-5- استفاده از انرژی حاصل از ضربه‌قوچ…………………. 16
2-2- نرم‌افزارهای موجود در زمینه تحلیل ضربه‌قوچ……………… 16
2-3- پمپ ضربه‌قوچی…………………………………………. 18
2-4- تاریخچه پمپ ضربه قوچی………………………………… 19
2-5- مکانیزم پمپ ضربه‌قوچی…………………………………. 19
2-5-1- بدنه پمپ (Pump Body)………………………………. 24
2-5-2- شیر قطع و وصل (Impulse Valve)……………………….. 24
2-5-3- شیر یکطرفه (Delivery Valve)………………………….. 27
2-5-4-محفظه هوا (Air Vessel or Air Chamber)…………………….. 28
2-5-6- شیر ورود هوا (Snifter Valve)…………………………. 29
2-6- راه‌اندازی پمپ ضربه‌قوچی……………………………….. 29
2-7- طراحی پمپ ضربه‌قوچی…………………………………… 31
فصل سوم…………………………………………………….. 33
مواد و روش تحقیق……………………………………………. 33
3-1- مدلسازی و طراحی پمپ ضربه‌قوچی با بهره گرفتن از نرم‌افزار HAMMER V8i  34
3-1-1- اجزای مورد استفاده در مدل………………………… 34
3-1-2- وارد کردن اطلاعات اولیه در نرم افزار………………. 37
3-1-3- مدلسازی نمونه‌ای از پمپ ضربه‌قوچی…………………… 43
3-1-4- نرم‌افزار تهیه شده جهت مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی……….. 46
3-2- طراحی پمپ ضربه‌قوچی در مجتمع آبرسانی استان اردبیل (مطالعه موردی تحقیق) 48
3-2-1- مشخصات کلی روستاهای طرح………………………….. 48
3-2-2- مقایسه پمپاژ به روش متعارف و روش ضربه‌قوچی…………. 50
3-2-3- طراحی خط پمپاژ به روستای گاودول…………………… 52
3-2-3-1- طراحی خط پمپاژ متعارف……………………………………. 52
3-2-3-2- طراحی خط پمپاژ ضربه‌قوچی………………………………….. 53
فصل چهارم…………………………………………………… 55
نتایج تحقیق و تحلیل آن………………………………………. 55
4-1- مقدمه………………………………………………… 56
4-2- نتایج نمونه پمپ مدل شده (بخش 3-1-3)…………………… 56
4-3- نتایج مدلسازی برای روستای گاودول (اردبیل)…………….. 62
4-4- مقایسه اقتصادی پمپاژ ضربه‌قوچی و پمپاژ متعارف………….. 77
4-5- تأثیر حجم تانک هوا بر روی حجم آب پمپاژ شده……………. 78
4-6- محاسبه نسبت دبی پمپ شده به دبی خط اصلی……………….. 79
4-7- ملاحظات طراحی پمپ ضربه‌قوچی…………………………….. 79
فصل پنجم……………………………………………………. 81
نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات…………………………………. 81
5-1- نتیجه‌گیری کلی………………………………………… 82
5-2- ارائه پیشنهادات………………………………………. 82
پیوست 1…………………………………………………….. 83
برنامه تعیین حجم پمپاژ در طراحی پمپ ضربه‌قوچی به زبان فرترن…… 84
پیوست 2…………………………………………………….. 86
نمودارهای تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطرهای مختلف (پمپاژ گاودول)      87
Abstract……………………………………………………… 94
 
 

فهرست اشکال

شکل ‏2‑1- معرفی توابع F و f در باز و بستن ناگهانی شیر (پارماکیان, 1955) 16
شکل ‏2‑2- نمایی از صفحه مربوط به نرم‌افزار HAMMER (HAMMER-Guide, 2012) 18
شکل ‏2‑3- اجزای تشکیل دهنده پمپ ضربه‌قوچی (Alaban, 2007) 20
شکل ‏2‑4- نمونه‌ای از تولید پمپ ضربه‌قوچی و اجزای آن (Browne, 2009) 21
شکل ‏2‑5- تصاویری از انواع مختلف پمپ ضربه‌قوچی تولید شده (Browne, 2009) 22
شکل ‏2‑6- نحوه انتقال آب بوسیله پمپ ضربه‌قوچی (Alaban, 2007) 23
شکل ‏2‑7- بخشی از اجزای تشکیل دهنده بدنه پمپ (Browne, 2009) 24
شکل ‏2‑8- شیر قطع و وصل و اجزای تشکیل‌دهنده آن (Browne, 2009) 25
شکل ‏2‑9- مراحل چهارگانه باز و بسته شدن شیر قطع و وصل (Warwichshire, 2005) 26
شکل ‏2‑10- اجزای تشکیل‌دهنده شیر یکطرفه (Browne, 2009) 27
شکل ‏2‑11- محفظه هوا (Browne, 2009) 28
شکل ‏2‑12- شیر ورود هوا (Browne, 2009) 29
شکل ‏2‑13- مراحل راه‌اندازی پمپ ضربه‌قوچی (Browne, 2009) 30
شکل ‏2‑14- نمونه‌ای از جداول طراحی و انتخاب پمپ ضربه‌قوچی (Lightman, et al., 2010) 32
شکل ‏3‑1- طرح شماتیک پمپ ضربه‌قوچی 35
شکل ‏3‑2- نحوه چیدمان عناصر مورد استفاده در HAMMER V8i برای مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی 37
شکل ‏3‑3- نمونهای از الگوی بسته شدن شیر در HAMMER V8i برای مدلسازی پمپ ضربه قوچی 40
شکل ‏3‑4- مشخصات مورد نیاز در نوار ابزار Wave Speed Calculator برای تعیین سرعت موج 42
شکل ‏3‑5-مشخصات مایع درون لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i 42
شکل ‏3‑6-مشخصات خط لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i 43
شکل ‏3‑7- نمونه‌ای از تغییرات فشار در خط پمپاژ بعد از ایجاد ضربه با بهره گرفتن از HAMMER V8i 46
شکل ‏3‑8- الگوریتم مورد استفاده در تعیین حجم پمپاژ ناشی از هر بار بسته شدن ناگهانی شیر 47
شکل ‏3‑9- پلان کلی منطقه طرح و خطوط انتقال 49
شکل ‏3‑10- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش متعارف) 50
شکل ‏3‑11- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش پمپ ضربه‌قوچی) 51
شکل ‏3‑12- پروفیل خط انتقال از مخزن ایلوانق تا مخزن آناویز به طول 5600 متر 52
شکل ‏3‑13- پروفیل خط انتقال از مخزن آناویز تا مخزن گاودول به طول 4600 متر 52
شکل ‏4‑1- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر) 57
شکل ‏4‑2- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر) 58
شکل ‏4‑3- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر) 59
شکل ‏4‑4- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر) 60
شکل ‏4‑5- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر) 61
شکل ‏4‑6- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حالت بهینه پمپاژ (قطر خط 32 میلیمتر – حجم هوای 5 لیتر) 61
شکل ‏4‑7- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر)- اردبیل 62
شکل ‏4‑8- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر) – اردبیل 63

 

شکل ‏4‑9- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر) – اردبیل 64
شکل ‏4‑10- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر) – اردبیل 65
شکل ‏4‑11- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر) – اردبیل 66
شکل ‏4‑12- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 50 میلیمتر) – اردبیل 67
شکل ‏4‑13- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 65 میلیمتر) – اردبیل 68
شکل ‏4‑14- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 80 میلیمتر) – اردبیل 69
شکل ‏4‑15- نمودار فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطر 100 میلیمتر 70
شکل ‏4‑16- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 80 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 72
شکل ‏4‑17- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 65 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 72
شکل ‏4‑18- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 50 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 73
شکل ‏4‑19- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 40 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 73
شکل ‏4‑20- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 32 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 74
شکل ‏4‑21- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 25 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 74
شکل ‏4‑22- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 20 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 75
شکل ‏4‑23- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 15 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 75
شکل ‏4‑24- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حجم هواهای مختلف (قطر بهینه 80 میلیمتر) 79
شکل ‏7‑1- نمودار تغییرات فشار برای قطر 15 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 87
شکل ‏7‑2- نمودار تغییرات فشار برای قطر 20 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 87
شکل ‏7‑3- نمودار تغییرات فشار برای قطر 25 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 88
شکل ‏7‑4- نمودار تغییرات فشار برای قطر 32 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 88
شکل ‏7‑5- نمودار تغییرات فشار برای قطر 40 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 89
شکل ‏7‑6- نمودار تغییرات فشار برای قطر 50 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 89
شکل ‏7‑7- نمودار تغییرات فشار برای قطر 65 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 90
شکل ‏7‑8- نمودار تغییرات فشار برای قطر 80 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 90
شکل ‏7‑9- نمودار تغییرات فشار برای قطر 100 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 91
 

فهرست جداول

جدول ‏3‑1- پارامترهای مورد نیاز ورودی مخزن تغذیه (Drive Tank) در نرم‌افزار HAMMER V8i 38
جدول ‏3‑2- پارامترهای مورد نیاز ورودی سرج تانک (Surge Tank) در نرم‌افزار HAMMER V8i 39
جدول ‏3‑3- پارامترهای مورد نیاز ورودی محفظه هوا (Air Chamber) در نرم‌افزار HAMMER V8i 39
جدول ‏3‑4- پارامترهای مورد نیاز ورودی شیر قطع و وصل (Butterfly Valve) در نرمافزار HAMMER V8i 40
جدول ‏3‑5- پارامترهای مورد نیاز ورودی گره (Junction) در نرمافزار HAMMER V8i 41
جدول ‏3‑6- پارامترهای مورد نیاز ورودی لوله (Pipe) در نرمافزار HAMMER V8i 41
) 43
جدول ‏3‑8- مقادیر پارامترهای مورد نیاز طرح 44
در شکل 3-1) 45
جدول ‏3‑10- مشخصات لوله اصلی انتقال آب 53
جدول ‏3‑11- مشخصات قطرهای مورد استفاده جهت خط پمپاژ آب 54
جدول ‏4‑1- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 56
جدول ‏4‑2- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 57
جدول ‏4‑3- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 58
جدول ‏4‑4- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 59
جدول ‏4‑5- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 60
جدول ‏4‑6- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 62
جدول ‏4‑7- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 63
جدول ‏4‑8- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 64
جدول ‏4‑9- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 65
جدول ‏4‑10- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 66
جدول ‏4‑11- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 50 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 67
جدول ‏4‑12- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 65 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 68
جدول ‏4‑13- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 80 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 69
جدول ‏4‑14- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 100 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 70
 
 
 

چکیده:

در این مطالعه، مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی توسط نرم‌افزاری که تهیه گردیده انجام شده است. این نرم‌افزار خروجی‌های نرم‌افزار HAMMER را به عنوان ورودی در یافت نموده و با کسب اطلاعاتی دیگر (شامل ارتفاع پمپاژ و …) میزان آب پمپاژ شده را در هر بار قطع و وصل ناگهانی شیر محاسبه می کند.
در این تحقیق مدلسازی نمونه‌ای از پمپ فوق در مجتمع آبرسانی کوثر شهرستان اردبیل انجام گرفته است. بر اساس تحلیل فنی و اقتصادی انجام شده مدلسازی فوق نشان می‌دهد که در مواردی که دبی پمپاژ کم باشد می‌توان به جای پمپاژ متعارف از پمپ ضربه‌قوچی استفاده نمود.
عوامل مؤثر در مدلسازی و طراحی پمپ ضربه‌قوچی شامل قطر خط پمپاژ، زمان قطع و وصل شیر، حجم هوای موجود در محفظه هوا و … می‌باشد. این پارامترها در طراحی این نوع پمپ مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
از مهمترین مزایای پمپ مذکور عدم نیاز به استفاده از انرژی‌های گران قیمت از قبیل انرژی فسیلی یا انرژی الکتریکی می‌باشد. در مواردی که امکان استفاده از انرژی‌های مذکور با سختی و هزینه زیادانجام می‌گیرد، استفاده از پمپ ضربه‌قوچی می‌تواند کارگشا باشد.
 
کلمات کلیدی:
پمپ ضربه­قوچی، نرم‌افزار HAMMER ، آبرسانی روستایی، مدلسازی هیدرولیکی
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

معرفی تحقیق

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1- معرفی تحقیق

پمپ­ها (تلمبه­ها) [1] از اصلی­ترین اجزای صنعت آبرسانی می­باشند. این واحد از جمله تأسیسات استراتژیک محسوب شده و یکی از آیتم­های اصلی مصرف انرژی در سیستم آبرسانی است. به منظور تعریف کاملتر و دقیقتر این پایان نامه ، ابتدا بحث مختصری راجع به انواع پمپ­ها و گروه­بندی آنها از نظر استفاده از انرژی (استفاده مستقیم یا استفاده غیرمستقیم) لازم به نظر می­رسد.
بر مبنای نحوه انتقال انرژی از پمپ به سیال، پمپ­ها را به سه دسته کلی تقسیم می­ کنند (نوربخش, 1385):

• پمپ­های دینامیکی[2]
• پمپ­های جابجایی مثبت[3]
• پمپ­های ویژه[4]

پمپ‌های دینامیكی پمپ‌هایی هستند كه انرژی جنبشی آب را افزایش می‌دهند. در این نوع پمپ‌ها انتقال انرژی از پمپ به سیال به صورت پیوسته انجام می‌گیرد و مقدار سیال عبوری از واحد زمان (آبدهی) و فشار خروجی سیال از پمپ به هم وابسته می‌باشند. این دسته از پمپ‌ها شامل زیرمجموعه كاملاً متنوعی بوده كه پمپ‌های چرخی[5] از مهمترین آنهاست كه خود بر اساس مسیر حركت سیال در چرخ به سه دسته پمپ‌های شعاعی[6] (برای ایجاد فشار بالا و آبدهی بالنسبه كمتر)، پمپ‌های محوری[7] (برای ایجاد آبدهی بالا و فشار كمتر) و پمپ‌های مختلط[8] (برای ایجاد فشار و آبدهی متوسط) تقسیم می‌شوند (نوربخش, 1385).
در پمپ‌های جابجایی مثبت، انتقال انرژی به سیال به صورت متناوب صورت می‌گیرد. این پمپ‌ها خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند كه از مهمترین آنها پمپ‌های رفت و برگشتی (پیستونی)[9]، گردشی[10] و لوله‌ای[11] را می‌توان نام برد. این نوع پمپ‌ها معمولاً برای دبی‌ها و لزجت‌های نامتعارف مورد استفاده قرار می‌گیرند و اغلب كاربرد صنعتی دارند (نوربخش, 1385).
سایر پمپ‌ها كه مكانیزمی متفاوت از دو رده پمپ ذكر شده دارند در رده پمپ‌های ویژه قرار می‌گیرند. از این نوع پمپ‌ها می‌توان به پمپ‌های هوا[12] ، پمپ‌های اجكتور[13] و همچنین پمپ‌های قوچ­آبی (ضربه قوچی)[14] اشاره كرد. در این پمپ‌ها نحوه انتقال انرژی به سیال برای انجام حركت خاصی اندکی متفاوت از دو نوع اول می‌باشد. لیكن باز هم به گونه‌ای می‌توان آنها را در دو دسته اول نیز جا داد.
پمپ‌های ضربه‌قوچی که موضوع این پایان‌نامه هستند، در زمره پمپ‌های ویژه بوده لیکن به عنوان پمپ جابجایی مثبت نیز قابل دسته‌بندی هستند. در این پمپ‌ها از انرژی جریان ناپایدار ضربه‌قوچ[15] در یک خط آبرسانی برای انتقال آب به ارتفاع بالا ولی در دبی‌های محدود استفاده می‌گردد. امکان‌سنجی استفاده از این نوع پمپاژ در پروژه‌های آبرسانی مناطق دوردست و با اختلاف ارتفاع بالا، موضوع تحقیق در این پایان‌نامه می‌باشد.
 

1-1- هدف از طرح مورد نظر و ضرورت انجام آن

با توجه به هزینه بالای تأمین انرژی متعارف (شامل انرژی الكتریكی یا انرژی فسیلی) در استفاده از پمپ­های رایج در صنعت آب، استفاده از پمپ­هایی كه دارای مكانیزم ساده‌تر و مصرف انرژی كمتری باشند می‌تواند از جذابیت مناسبی برخوردار باشد. پمپ‌های قوچ‌آبی (ضربه­قوچی) فقط با بهره گرفتن از انرژی هیدرولیكی ناشی از جریان ناپایدار[16] در خطوط لوله، عمل پمپاژ آب را انجام می‌دهند و نیازی به استفاده از انرژی‌های الكتریكی یا فسیلی ندارند. همچنین در برخی از مناطق روستایی بعلت شرایط توپوگرافی ویژه تأمین آب روستاهای هم‌جوار از طریق یک ایستگاه پمپاژ (مجتمع­های آبرسانی) با سختی و هزینه زیاد انجام می­ شود. استفاده از پمپ‌های ضربه‌قوچی می‌تواند به عنوان یكی از گزینه‌های حل مشكلات فوق مطرح گردد.

1-1-1- اهداف اصلی

هدف اصلی از انجام این پایان‌نامه، امكان‌سنجی اجرای چنین ایستگاه های پمپاژی در سیستم‌های آبرسانی، بویژه در مناطق روستایی می‌باشد.
 

1-1-2- اهداف فرعی

از جمله اهداف دیگر پروژه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تهیه برنامه نرم‌افزاری برای تسهیل و بهینه کردن طراحی ایستگاه‌های پمپاژ ضربه‌قوچی
• تعیین محدوده‌های فنی و اقتصادی استفاده از این نوع پمپاژ
• حفاظت خط اصلی انتقال آب در برابر فشارهای ناشی از ضربه‌قوچ (علاوه بر عمل پمپاژ آب)

 

1-2- فرضیه اصلی

فرض اصلی تحقیق عبارت است از اینکه در صورت استفاده از پمپ‌های ضربه‌قوچی (قوچ‌آبی) در روستاهایی كه امكان اجرای این پروژه وجود دارد، می‌توان بدون استفاده از انرژی گران‌قیمت الكتریكی یا فسیلی عمل انتقال آب را با راندمان بالا و نسبت سود به هزینه قابل قبول به روستاهای مذكور انجام داد. در این پروژه با مقایسه فنی و اقتصادی اجرای یک طرح در دو حالت ایستگاه‌های پمپاژ متعارف و یا استفاده از پمپ‌های قوچ‌آبی در جهت اثبات فرضیه فوق اقدام می‌گردد.
 

1-3- برنامه تحقیق

به منظور بررسی استفاده از پمپ­های ضربه‌قوچی در سیستم­های آبرسانی روستایی مراحل تحقیق زیر در نظر گرفته شده است:

1. مطالعات كتابخانه‌ای و تدوین ادبیات موضوع (تئوری، تاریخچه و مكانیزم‌های مؤثر)
2. مطالعه وضعیت موجود سیستم‌های آبرسانی روستایی استان اردبیل و امكان‌سنجی استفاده از پمپ ضربه­قوچی در آنها
3. انتخاب یكی از طرح‌های موجود به عنوان طرح پایلوت
4. مدل‌سازی طرح انتخاب شده با بهره گرفتن از نرم‌افزارهای موجود
5. طراحی سیستم پمپاژ به روش ضربه‌قوچی در ایستگاه مورد نظر
6. مدل‌سازی طرح تهیه شده و تعیین ضرایب مقاومت و قطر لوله‌ها و طراحی تجهیزات مورد نیاز
7. جمع‌بندی نتایج و مقایسه آن با روش‌های متعارف ایستگاه‌های پمپاژ از نظر فنی و اقتصادی
8. نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات
9. تدوین پایان نامه

 

1-4- ساختار این گزارش

این گزارش مشتمل بر 5 فصل ذیل می‌باشد:
 

• فصل اول : کلیات، اهداف و ضرورت انجام تحقیق
• فصل دوم: پمپ ضربه‌قوچی
• فصل سوم: مواد و روش تحقیق
• فصل چهارم: نتایج تحقیق و تحلیل نتایج
• فصل پنجم: نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات

[1] -Pumps
[2] -Kinetic Pumps
[3] -Positive Displacement Pumps
[4] -Special Pumps
[5] -Turbo-Pumps
[6] -Radial Flow Pumps
[7] -Axial Flow Pumps
[8] -Mixed Flow Pumps
[9] -Piston Pumps
[10] -Rotary Pumps
[11] -Tubular Pumps

2-3 بر روش های بهینه سازی فراگیر (GO)………………………………………………………………….11
2-3-1 الگوریتم PSO……………………………………………………………………………………………………….12
2-3-2 مقایسه الگوریتم PSO با سایر روش های محاسبات تکاملی…………………………………………..12
2-4 بر منابع…………………………………………………………………………………………………………..15
2-4-1 بر مدل های مفهومی بارش- رواناب……………………………………………………………….15
2-4-2 بر مطالعات صورت گرفته جهت بهینه سازی مدل های هیدرولوژیکی ………………….16
2-5 خلاصه و جمع بندی فصل ………………………………………………………………………………………….18
فصل سوم- منطقه تحقیق، تئوری و روش تحقیق …………………………………………………………………..19
3-1 معرفی منطقه تحقیق……………………………………………………………………………………………………20
3-1-1 حوضه آبریز سد کرج……………………………………………………………………………………………..20
3-1-2 آب رودخانه کرج…………………………………………………………………………………………………..24
3-1-3 داده ­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………..26
3-2 معرفی مدل ARNO…………………………………………………………………………………………………..27
3-2-1 ارتباط مفاهیم اساسی مدل ARNO……………………………………………………………………………28
3-2-2 مدول توازن رطوبت خاک (soil moisture balance)…………………………………………………..30
3-2-3 مدول تبخیر و تعرق پتانسیل……………………………………………………………………………………..36
3-2-4 مدول آبهای زیرزمینی…………………………………………………………………………………………….39
3-2-5 مدول روندیابی سهموی…………………………………………………………………………………………..40
3-2-5-1 روندیابی جریان رودخانه از بالادست…………………………………………………………………….40
3-2-5-2 روندیابی جریان لایه ای………………………………………………………………………………………41
3-2-6 مدول ذوب برف (snowmelt module)…………………………………………………………………….43
3-2-7 ملزومات کالیبراسیون مدل ARNO…………………………………………………………………………..43
3-3 معرفی روش بهینه سازی PSO……………………………………………………………………………………..45
3-3-1 مفاهیم و منطق حاکم بر روش بهینه سازی PSO………………………………………………………….49
3-3-2 چارچوب تحلیلی الگوریتم بهینه سازی PSO………………………………………………………………52
3-3-3 شناخت پارامترهای کنترل کننده PSO………………………………………………………………………..56
3-3-4 ورودی های الگوریتمPSO………………………………………………………………………………………59
3-4 روش تحقیق………………………………………………………………………………………………………………61
3-4-1 توسعه برنامه کامپیوتری بر مبنای الگوریتم PSO………………………………………………………….62
3-5 خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………..65
 
فصل چهارم- اعمال روش تحقیق بر منطقه مورد مطالعه، بحث و بررسی نتایج…………………………….67
 
4-1 پردازش داده ها (Data processing)…………………………………………………………………………….68
4-1-1 منحنی هیپسومتری (Hypsometric curve)…………………………………..…….………………………68
4-1-2 پیشنهاد یک رابطه رگرسیونی بین دما و ارتفاع……………………………………………………………..70
4-1-3 محاسبه دمای میانگین حوضه بر اساس منحنی هیپسومتری.……………………………………………77
4-1-4 تولید سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه…………………………………………………………..80
4-2 توسعه مدل برف…………………………………………………………………………………………………………96
4-2-1 نتایج حاصل از مدل برف……………………………………………………………………………………….108
4-3 کالیبراسیون مدل با بهره گرفتن از الگوریتم بهینه سازی PSO………………………………………………..110
4-3-1 انتخاب پارامترهای مناسب برای الگوریتم PSO…………………………………………………………110
4-3-2 انتخاب تعداد particle ها و تعداد مراحل تکرار.………………………………………………………111
4-3-3 تولید بهترین هیدروگراف خروجی شبیه سازی………………………………………………………….111
4-3-4 اعتبار سنجی مدل………………………………………………………………………………………………….114
4-4 بحث درباره پارامترهای مدل ARNO…………………………………………………………………………..115
4-4-1 پارامترهای مورد استفاده در کالیبراسیون……………………………………………………………………115
4-4-2 مقادیر برآورد شده پارامترها و بحث درباره آنها…………………………………………………………116
4-5 خلاصه و جمع بندی فصل…………………………………………………………………………………………121
 
فصل پنجم- نتیجه گیری، جمع بندی و ارائه پیشنهاد برای تحقیقات آتی………………...……………….122
 
5-1 خلاصه تحقیق………………………………………………………………………………………………………….123
5-2 نتیجه گیری ها.…………………………………………………………………………………………………………123
5-2-1 محدودیت های بهینه سازی یک مدل هیدرولوژیکی …………………………………………………..124
5-3 ارائه پیشنهاد برای مطالعات آتی………………………………………………………………………………….125
 
مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………127
پیوست …………………………………………………………………………………………………………………………131
چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………………………….145
 
 
 
                                               فهرست جداول
عنوان                                                                                                        صفحه
جدول (3-1) مقادیر تقریبی پارامترهای انتشار و پخش در حالت های مختلف……………………………42
جدول (4-1) اطلاعات مربوط به منحنی هیپسومتری حوضه آبریز کرج………………………………………69
جدول (4-2) رابطه خطی بین ارتفاع و دمای ماکزیمم روزانه و درونیابی
به ازای ارتفاع میانه حوضه ……………………………………………………………………………………………….74
جدول (4-3) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم، میانگین روزانه در بازه 7 ساله مورد بررسی…….75
جدول (4-4) مقادیر محاسبه شده Lapse rate برای دمای متوسط روزانه…………………………………..76
جدول (4-5) تقسیم حوضه به 1000 زیر بازه با مساحت مساوی.……………………………………………..78  
جدول(4-6) محاسبه دمای میانگین بلند مدت ماهیانه حوضه…………………………………………………….81
جدول (4-7) مقادیر در دماهای مختلف و به ازای ارتفاع های مختلف………………………………..88
جدول (4-8) محاسبه رگرسیون خطی بین دمای میانگین ماهیانه و تبخیر و تعرق پتانسیل………………89
جدول (4-9) جدول محاسبه رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………….90
جدول (4-10) اعداد حاصل از کالیبراسیون…………………………………………………………………………117
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
عنوان                                                                                                          صفحه
فصل دوم
شکل (2-1) طبقه بندی انواع روش های بهینه سازی.…………………………………………………………………13

 

 
فصل سوم
 
شکل (3-1) نمایش شبکه رودخانه ای و ایستگاه های واقع در حوضه کرج…………………………………21
شکل (3-2) نمایش پهنه های هیدرولوژیکی حوضه رودخانه کرج…………………………………………….22
شکل (3-3) نمایش شماتیک ریز آبه ها و رودخانه های فرعی حوضه کرج………………………………..23
شکل (3-4) وارنگه رود از شاخه های دائمی و پرآب رودخانه کرج…………………………………………24
شکل (3-5) سد امیر کبیر و حوضه کوهستانی رودخانه کرج……………………………………………………25
شکل (3-6) نمایش شماتیک پروسه های موجود در حوضه آبریز……………………………………………..28
شکل (3-7) نمایش شماتیک روندیابی………………………………………………………………………………….29
شکل (3-8) نمایش کمیت های معرفی شده در مدل ARNO………………………………………………….30
شکل (3-9) توزیع تجمعی ظرفیت اشباع خاک………………………………………………………………………32
شکل (3-10) رواناب تولید شده توسط یک ورودی متئورولوژیکی مؤثر……………………………………33
شکل (3-11) نمایش نحوه عملکرد مدل ARNO……………………………………………………………………36
شکل (3-12) نمایش رفتار دسته جمعی ماهیان برای یافتن غذا…………………………………………………45
شکل (3-13) رفتار گروهی دسته به هنگام دفاع از خود.………………………………………………………….46
شکل (3-14) جستجوی پرندگان برای یافتن غذا……………………………………………………………………46
شکل (3-15) نمایش شماتیک یک مسئله بهینه سازی………………………………………………………………47
شکل (3-16) اصل جدایی………………………………………………………………………………………………….47
شکل (3-17) اصل هم ترازی……………………………………………………………………………………………..47
شکل (3-18) اصل پیوستگی………………………………………………………………………………………………48    
شکل(3-19) تمایل هر particle برای نزدیک شدن به محل آشیانه…………………………………………….48
شکل (3-20) تمایل particle برای نزدیک شدن به نزدیک ترین محل به آشیانه………………………….48
شکل (3-21) تبادل اطلاعات بین particle ها……………………………………………………………………….49
شكل (3-22) نمایش شماتیک موقعیت و سرعت particleها در فضای جستجو…………………………49
شکل(3-23) نمایش PSO در دو حالت فراگیر و محلی…………………………………………………………..51
شکل (3-24) چند نمونه از توپولوژیهای مورد استفاده در الگوریتم PSO…………………………………..51
شکل (3-25) نمایش هندسی بردار سرعت به عنوان برآیندی از سه مؤلفه
ممنتوم، شناختی و اجتماعی…………………………………………………………………………………………………54
شکل (3-26) نمایش عملکرد PSO در فضای دو بعدی…………………………………………………………..55
شکل (3-27) ناپایداری سرعت در صورت استفاده از ضرایب شتاب بزرگ………………………………..57
شکل (3-28) تأثیر اندازه swarm……………………………………………………………………………………….60
شکل (3-29) نمایی از روش تحقیق…………………………………………………………………………………….61
شکل (3-30) فلوچارت الگوریتم PSO……………………………………………………………………………….64
شکل (3-31) نحوه عملکرد الگوریتم PSO در بهینه سازی مدل ARNO……………………………………65
شکل (3-32) تعامل اجزای مختلف مدل ARNO…………………………………………………………………..66
 
فصل چهارم
 
شکل (4-1) منحنی هیپسومتری حوضه آبریز رودخانه کرج………………………………………………………70
شکل (4-2) نمایشisotherm صفر درجه ((freezing level و خطوط هم دما
در یک محدوده کوهستانی………………………………………………………………………………………………….72
شکل (4-3) مقادیر متوسط دمای ماکزیمم، مینیمم و میانگین روزانه سه ایستگاه
در بازه 7 ساله مورد بررسی ……………………………………………………………………………………………….75
شکل (4-4) مقایسه دمای پیشنهاد شده توسط مدل های خطی برازش داده شده
به دمای متوسط روزانه و مقادیر مشاهداتی دمای متوسط روزانه ایستگاه ها…………………………………77
شکل (4-5) سری زمانی دمای میانگین روزانه حوضه……………………………………………………………..80
شکل (4-6) دمای میانگین بلند مدت ماه های سال…………………………………………………………………85
شکل (4-7) مقادیر بیشترین ساعات تابش در عرض جغرافیایی 36………………………………………….87
شکل (4-8) رابطه رگرسیونی درجه 2 برای محاسبه …………………………………………………………88
شکل (4-9) رگرسیون خطی بین داده های ماهیانه…………………………………………………………………..90
شکل (4-10) تبخیر و تعرق پتانسیل به روش thornthwaite اصلاح نشده…………………………………91
شکل(4-11) مقادیر تابش فرازمینی روزانه…………………………………………………………………………….93
شکل (4-12) محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل در ایستگاه سینوپتیک آبعلی
(به روش فائو پنمن- مونتیت)…………………………………………………………………………………………….94
شکل (4-13) مقایسه مقادیر برآورد شده تبخیر و تعرق پتانسیل توسط
دو روش پنمن و Thornthwaite اصلاحی (بر حسب mm)…………………………………………………….95
شکل (4-14) سری زمانی مجموع ماهیانه تبخیر و تعرق پتانسیل به دو روش
فائو پنمن مونتیت و Thornthwaite اصلاح شده……………………………………………………………………95
شکل (4-15) مقادیر میانگین بلند مدت مجموع تبخیر و تعرق پتانسیل ماهیانه
با دو روش پنمن و thornthwaite اصلاح شده…………………………………………………………………….95
شکل (4-16) سری زمانی تبخیر و تعرق پتانسیل حوضه آبریز کرج…………………………………………..96
شکل (4-17) سری زمانی مقادیر روزانه………………………………………………………………………….98
شکل (4-18) سری زمانی در محل ایستگاه سینوپتیک آبعلی……………………………………………….99
شکل (4-19) مقایسه سری زمانی تابش ورودی با بهره گرفتن از
و تابش ورودی واقعی……………………………………………………………………………………………………….99
شکل (4-20) نحوه محاسبه تابش خالص و میزان ذوب برف………………………………………………….100
شکل (4-21) رابطه خطی بین اختلاف دمای ماکزیمم و ممینیموم مطلق روزانه و رطوبت نسبی……101
شکل (4-22) مقایسه مقادیر روزانه رطوبت نسبی مشاهداتی و محاسباتی برای ایستگاه آبعلی………101
شکل (4-23) مقایسه مقادیر مشاهداتی و محاسباتی………………………………………………………..102
شکل (4-24) فلوچارت مدل ذوب برف……………………………………………………………………………..107
شکل (4-25) هیتوگراف مربوط به بارش اولیه……………………………………………………………………..109
شکل (4-26) هیتوگراف مربوط به بارش فرضی (بارش مازاد + ذوب برف)……………………………..109
شکل (4-27) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره کالیبراسیون………………………..112
شکل (4-28) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره کالیبراسیون………………….112
شکل (4-29) مقایسه هیدروگراف شبیه سازی و مشاهداتی در دوره صحت سنجی…………………….114
شکل (4-30) مقایسه مقادیر دبی روزانه مشاهداتی و محاسباتی در دوره صحت سنجی………………114
شکل (4-31) سری زمانی مقادیر رطوبت میانگین خاک ( )………………………………………………..119
شکل (4-32) سری زمانی تبخیر و تعرق واقعی برآورد شده توسط مدل…………………………………..119
شکل (4-33) توزیع تجمعی رطوبت خاک………………………………………………………………………….120
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


چکیده:
یکی از چالشها و اهداف عمده در هیدرولوژی مهندسی تعیین یک مدل بارش- رواناب مناسب جهت مشخص کردن پاسخ حوضه نسبت به یک بارش مشخص با بهره گرفتن از پارامترهای موجود در مدل است. پاسخ حوضه تابعی از مشخصات حوضه آبریز و مقادیر پارامترهای مدل است. لذا ضروری است که این پارامترها به نحوی مناسب برآورد گردند. کالیبراسیون مدل مستلزم بهینه کردن یک تابع هدف است، در این تحقیق ضریب کارآیی یا ضریب Nash & Sutcliffe به عنوان تابع هدف مد نظر قرار گرفت و بیشینه آن به طور خودکار جستجو گردید.
به منظور تحقق این امر از الگوریتم بهینه سازیPSO (Particle Swarm Optimization) برای برآورد مقادیر پارامترهای مدل مفهومی بارش- رواناب ARNO، با بهره گرفتن از داده های مشاهداتی روزانه بهره گرفته شد و توسط آنها بهترین هیدروگراف روزانه محاسباتی مشخص گردید.
در این تحقیق، حوضه آبریز رودخانه کرج در بالادست ساختگاه سد امیرکبیر مورد مطالعه قرار گرفت. ورودی های مدلARNO به صورت دو سری زمانی بارش و تبخیر و تعرق پتانسیل هستند. از آن جا که تبخیر و تعرق پتانسیل تابع دما است و با توجه به اختلاف ارتفاع زیاد نقاط مختلف حوضه، یک مدل رگرسیونی (بر اساس بهترین ضریب تعیین) به منظور محاسبه رابطه بین دما و ارتفاع، برای محاسبه دمای میانگین در هر روز پیشنهاد گردید. هم چنین با توجه به کوهستانی بودن و زیر صفر بودن دمای هوای بخش عمده ای از حوضه در فصول بارش، سهم عمده ای از نزولات جوی به صورت برف بوده و برف به مدت طولانی در این مکانها به صورت ذخیره باقی می ماند. از این رو اصلاح فایل بارش اولیه امری ضروری است. این کار با جدا کردن سهم برف از مجموع نزولات و اضافه نمودن مجدد برف ذوب شده و تشکیل یک فایل ثانویه بارش که بتوان آن را به عنوان ورودی به مدل بارش- رواناب معرفی نمود، انجام گردید.
در نهایت با اصلاح فایل بارش به عنوان ورودی اصلی مدل و هم چنین ساختن فایل تبخیر و تعرق پتانسیل، مدل مفهومی بارش رواناب ARNO توسط الگوریتم بهینه سازی PSO به صورت خودکار کالیبره شد و ضریب کارآیی (Sutcliffe & Nash) برابر 8108/0 در مرحله کالیبراسیون برای حوضه کوهستانی کرج به دست آمد.
کلمات کلیدی: PSO، ضریب کارآیی، رواناب مشاهداتی، رواناب محاسباتی، دما، تبخیر و تعرق، ذوب برف.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول- مقدمه
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
یک مدل درک ساده ای است از یک سامانه واقعی (مانند پروسه پیچیده تبدیل بارش به رواناب). می توان مدل را یک تئوری، قانون و یا یک ایده ساختاری دانست. با توسعه یک مدل امکان توضیح ساده یک سامانه پیچیده فراهم می شود. هر نوع مدل مناسب یک موقعیت و هدف خاص بوده، هیچ مدلی را نمی توان برتر از دیگری دانست، هر مدل نقاط ضعف و قوت داشته، انتخاب آن بستگی زیادی به سامانه مورد مطالعه برای مدل کردن و هیدرولوژی منطقه دارد.
از سوی دیگر به هنگام استفاده از مدل های مفهومی (مانند مدل بارش- رواناب ARNO که مبنای این تحقیق قرار گرفته است.) با تعدادی پارامتر روبرو می شویم که معرف چکیده ای از ویژگی های حوضه هستند. بیشتر این پارامترها از کمیت های قابل اندازه گیری حوضه به دست نمی آیند، لذا لازم است از طریق کالیبراسیون مدل برآورد شوند، در واقع بیشتر مدل های مفهومی بارش- رواناب، به ویژه نوع پیوسته آن ها، از شمار زیادی پارامتر برخوردارند و سری پارامترهای مناسب باید در یک فضای بزرگ چند بعدی یافت شوند. سطح پاسخ تابع هدف این مدل ها اغلب از بهینه های موضعی زیادی برخوردار هستند. لذا می توان گفت که کالیبراسیون خودکار در مورد این مدل ها امری راهگشا و ضروری است. [خزایی، 1388]
در میان انواع روش های بهینه سازی تابع هدف، الگوریتم PSO (Particle Swarm Optimization) به عنوان روشی نسبتاً جدید و کاربردی از مجموعه وسیع روش های هوش جمعی Swarm Intelligence Methods))، به منظور کالیبراسیون مدل بارش- رواناب ARNO در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است.
 
1-1- اهمیت و ضرورت انجام تحقیق:
بهره برداری و استفاده مطلوب از منابع آب و مدیریت بهینه آن مستلزم شناخت بهتر مدل هیدرولوژیکی است. بارش و به دنبال آن تشکیل رواناب سطحی از فازهای مهم چرخه هیدرولوژیکی محسوب می شود و اساس کار مدل هیدرولوژیکی، بررسی رابطه بین بارش و رواناب است. کالیبراسیون دستی مدل های هیدرولوژیکی از اوایل دهه 1960 مورد توجه قرار گرفته است، ولی به دلیل وقت گیر بودن و پیچیدگی آن، از اواخر دهه مذکور بحث کالیبراسیون خودکار مورد توجه قرار گرفت. کالیبراسیون خودکار (Auto Calibration) نیازمند انتخاب یک تابع هدف مناسب، یک الگوریتم جستجو و یک معیار برای به اتمام رساندن الگوریتم است.
مدل ARNO یک مدل بارش- رواناب مفهومی است که به صورت گسترده در مطالعاتی هم چون برنامه ریزی آب، تحلیل جریانهای کم، تحلیل سیلهای حدی، پیش بینی زمان واقعی سیل و مطالعات اثرات تغییر اقلیم در نقاط مختلف دنیا با موفقیت به کار گرفته شده است، از طرف دیگر به هنگام استفاده از این نوع مدل ها به دلیل داشتن پارامترهای زیاد (که مستقیماً قابل اندازه گیری نیستند)، بحث کالیبراسیون و مطابقت هر چه بیشتر هیدروگرافهای مشاهداتی و شبیه سازی امری بسیار مهم و حائز اهمیت بوده و به عنوان اصلی ترین چالش مطرح است. چنان چه بتوان یک مدل با ضریب کارآیی ( ) بالا ارائه داد، مدل مورد نظر در پیش بینی سیلاب ها و همچنین برآورد دبی خروجی، کاربردی و قابل اتکا خواهد بود، بنابراین هدف از ارائه یک مدل این است که هیدروگراف شبیه سازی حتی المقدور بیشترین انطباق را با هیدروگراف مشاهداتی (اندازه گیری شده در خروجی حوضه) داشته باشد. در این تحقیق کوشش شده است تا هیدروگراف خروجی به نحوی مناسب با الگوریتم بهینه سازی PSO شبیه سازی گردد.
 
1-2- اهداف و سئوالات تحقیق:
به طور مشخص هدف نهایی در این تحقیق دستیابی به بهترین و مناسب ترین پارامترهای مدل بارش – رواناب ARNO به منظور شبیه سازی هیدروگراف خروجی است، به نحوی که هیدروگراف تولید شده بتواند دبی خروجی را با دقت مناسبی پیش بینی نماید، به عبارت دیگر چنان چه بتوان یک هیدروگراف شبیه سازی خروجی با ضریب تصمیم گیری مناسب ارائه داد، می توان از آن در مواردی نظیر کنترل سیلاب و مدیریت منابع آب بهره جست.
در این تحقیق کوشش شده تا به سئوالات زیر پاسخ گفته شود:
1- یک مدل مفهومی نظیر مدل ARNO تا چه حد در شبیه سازی پروسه پیچیده بارش- رواناب مؤثر و کاربردی است؟
2- استفاده از الگوریتم های جستجو (به طور اخص الگوریتم PSO) به منظور دستیابی به پارامترهای مدل تا چه حد مؤثر وگره گشا است؟ یا به عبارتی اهمیت استفاده از کالیبراسیون خودکار در یک مدل مفهومی تا چه حد بوده و چگونه در قضاوت و تصمیم گیری آتی تأثیر گذار است؟
3- آیا با بهره گرفتن از متد بهینه سازی مذکور می توان مقادیر پارامترهایی که به طور خاص دریک مدل مفهومی هیدرولوژیکی، قابل اندازه گیری نیستند به دست آورد یا آن را اصلاح نمود؟ به عبارت دیگر استفاده از یک مدل مفهومی بارش- رواناب و دستیابی به یک هیدروگراف شبیه سازی مناسب توسط آن تا چه حد می تواند در درک پروسه های واقعی موجود در حوضه و نحوه ارتباط میان آنها به ما کمک کند؟
4- تأثیر پردازش داده ها در ارائه یک هیدروگراف شبیه سازی مناسب و دارای انطباق بیشتر با واقعیات فیزیکی موجود در حوضه تا چه حد است؟
 
1-3- ساختار پایان نامه:
این تحقیق شامل پنج فصل به شرح زیر است:
فصل اول که شامل بیان مسئله، ضرورت و اهمیت تحقیق، تعاریف مفاهیم کلی و بیان ساختار کلی پایان نامه است.
فصل دوم که در آن به سابقه و مبانی استفاده از مدل های هیدرولوژیکی بارش- رواناب مفهومی و به طور اخص مدل ARNO پرداخته می شود، هم چنین در این فصل به پیشینه و چارچوب کلی روش های بهینه سازی به خصوص روش PSO نیز اشاره می گردد.
فصل سوم که در آن به بررسی منطقه مورد مطالعه پرداخته می شود و سپس در ادامه مباحث تئوری تحقیق نظیر ساختار و عملکرد مدل ARNOو هم چنین روش ارائه یک برنامه کامپیوتری بر مبنای الگوریتم بهینه سازی PSOدر دستور کار قرار می گیرد.
فصل چهارم به تجزیه و تحلیل نتایج حاصله از بهینه سازی مدل ARNO و هم چنین بررسی تأثیرات توسعه مدل برف و استفاده از یک فایل بارش مناسب بر روی جواب ها، می پردازد.
فصل پنجم به نتیجه گیری کلی و ارائه پیشنهادات اختصاص دارد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل دوم- مبانی و بر منابع
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2-1 کلیات و تعاریف:
قبل ازبحث اصلی، تعاریف بخشی از اصطلاحاتی که در این تحقیق مورد استفاده قرار می گیرد ذیلاً ارائه می­گردد.
ابتدا به تعریف اصطلاحات مربوط به روش بهینه سازی مورد استفاده در این تحقیق یعنی الگوریتم بهینه سازی (Particle Swarm Optimization) PSO اشاره می شود:

• Particle: درالگوریتم(Particle Swarm Optimization) PSO ، هر Particle معرف یک راه حل بالقوه برای یک مسئله بهینه سازی است، که در نهایت بهترین راه حل، مقدار بهینه برای تابع هدف را تعیین می کند. [در این تحقیق یک Particleمجموعه ای از پارامترهای مدل است که در نهایت بهترین آن بیشترین ضریب Nash-Sutcliffe را معرفی خواهد نمود.]
• Swarm: به مجموعه particle ها که در هر مرحله ساخته می شوند گفته می شود. [در لغت به معنی دسته حشرات است.]
• Position: معرف بردار موقعیت هر particle است که وضعیت آن را در swarm مشخص می کند.
• Velocity: معرف برداری است که سرعت و جهت حرکت particle را در swarm مشخص می نماید.
• Iteration: معرف تعداد تکرارها و مراحل الگوریتم PSOاست.
• Pbest: معرف بهترین موقعیت یکparticle یا (مجموعه پارامترها) در هر مرحله نسبت به موقعیت های پیشین آن است.
• Gbest: معرف موقعیت بهترین particle در هر iteration است.
• w: پارامتر وزنی الگوریتمPSO موسوم به اینرسی وزنی (inertia weight) است.
• و : دو ضریب ثابت و مثبت هستند که به ترتیب پارامترهای شناختی(cognitive) و اجتماعی (social) خوانده می شوند. [به این دو پارامتر در مجموع ضرایب شتاب             acceleration coefficients)) گفته می شود.]
• (chi): فاکتور انقباض یا فاکتور محدود سازی constriction factor)) است که متناوباً به همراه برای محدود کردن سرعت به کار می رود.

در مورد مفاهیم مورد استفاده در مدل بارش- رواناب ARNO با توجه به کثرت پارامترهای موجود، در این جا صرفاً به توضیح مختصر درباره مفاهیم کلی اکتفا کرده و در ادامه به تفصیل به بررسی پروسه های موجود درآن پرداخته می شود:

1. تبخیر و تعرق پتانسیل ((evapotranspiration: معرف میزان آبی است که به صورت تبخیر           evaporation)) و تعرق (transpiration)، در صورت در دسترس بودن آب کافی، از سطح حوضه تبخیر می شود. میزان آن با توجه به دما و پارامترهای دیگری نظیر باد و میزان تابش خورشید (radiation) قابل محاسبه است. در این تحقیق تبخیر و تعرق پتانسیل از روش Thornthwaithe محاسبه گردیده است که متعاقباً به شرح آن پرداخته خواهد شد.
2. ضریب کارآیی (ضریب Nash & Sutcliffe): این ضریب معمولاً به منظور ارزیابی قدرت یک مدل در پیش بینی مورد استفاده قرار می گیرد و با توجه به این که خروجی مدل در این تحقیق رواناب روزانه است، می توان این ضریب را به صورت زیر تعریف کرد:

(2-1)
که در آن دبی مشاهداتی، دبی برآورد شده (یا شبیه سازی) توسط مدل و میانگین دبی مشاهداتی و N تعداد داده ها است. همان طور که مشاهده می گردد صورت این کسر در حقیقت معرف مجموع مربعات اختلاف بین دبی های مشاهداتی و محاسباتی است. چنان چه این دو هیدروگراف کاملاً بر یکدیگر منطبق باشند (در حالت ایده آل) صورت کسر صفر گردیده و ضریب در این حالت برابر 1 می شود. دامنه این ضریب ما بین و 1 است.
همان طور که گفته شد تابع هدف به منظور بهینه سازی در این تحقیق ضریب کارآیی لحاظ شده و می توان گفت که الگوریتم PSO به دنبال بهترین ضریب کارآیی است و از آن جایی که مخرج این کسر همواره عدد ثابتی است، لذا در حقیقت مینیمم شدن صورت کسر مد نظر ما است و این همان مفهومی است که در کتابهای مرجع آمار روش حداقل مجموع مربعات (method of least squares) نامیده می شود و در آمار برای به دست آوردن رگرسیون غیر خطی (بهترین برازش (fitness)) از این روش استفاده می گردد.

• منحنی هیپسومتری (Hypsometric curve): توضیحی است از رابطه تجمعی موجود بین ارتفاع و مساحت های مرتبط با هر یک از بازه های ارتفاعی. محور عمودی مقادیر ارتفاع حوضه را نشان می دهد و محور افقی منحنی مزبور، مساحت نقاطی از حوضه را نشان می دهد که ارتفاع آنها بزرگتر یا مساوی ارتفاع یاد شده باشند. به این ترتیب در منحنی هیپسومتری کمترین ارتفاع حوضه با مساحت کل حوضه آبریز متناظر است و ارتفاع مربوط به بلندترین نقطه حوضه در این منحنی با صفر متناظر می گردد، لذا می توان گفت که منحنی هیپسومتری یک منحنی اکیداً نزولی است. [می توان این منحنی را به صورت بی بعد (با در صد مساحت) هم بیان نمود.] این منحنی یک تفسیر کمی از وضعیت توپوگرافی منطقه ارائه می دهد و چنان چه مشاهده خواهد شد در برآورد تبخیر و تعرق پتانسیل و هم چنین محاسبه ذوب برف از آن استفاده خواهد گردید.

2-2- انواع مدل های هیدرولوژیکی شبیه سازی
بر اساس یک طبقه بندی از انواع مدل های هیدرولوژیکی، مدل ها به دو دسته مدل های غیرقطعی ((stochastic و مدل های قطعی (deterministic) تقسیم بندی می شوند. مدل های غیر قطعی در حقیقت روشی هستند برای برآورد توزیع های احتمالاتی از خروجی ها با در نظر گرفتن تغییرات تصادفی   (random variation) برای یک یا چند متغیر ورودی. کلی ترین نمایش این متغیرها در یک میدان تصادف (random field) است. میدان تصادف محدوده ای است از مکان و زمان که مقدار متغیر در هر نقطه از آن محدوده با یک توزیع احتمال تعریف می گردد. در یک مدل قطعی (جبری) از عنصر یا جزء تصادفی آن صرف نظر می شود. هر ورودی ثابت دارای یک خروجی ثابت است. می توان مدل های قطعی را برای “پیش بینی به صورت تقویمی” یعنی تعیین زمان وقوع در آینده معین (forecast) [پیش یابی] و مدل های غیر قطعی را برای پیش بینی (prediction) (بدون تعیین زمان واقعی وقوع در آینده) مطرح کرد.
تمام پدیده های هیدرولوژیکی کمابیش دارای مقداری تصادف randomness)) هستند، در مواقعی که نوسانات حاصل در خروجی کوچک و یا صرف نظر کردنی باشد، استفاده از یک مدل قطعی می تواند مناسب باشد. در غیر این صورت استفاده از یک مدل غیر قطعی ضروری است.

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- مقایسه­ 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- مقایسه­ نتایج مدل­های مختلف حل اختلاف.. 59
4-7- تخصیص آب با بهره گرفتن از رویکرد همکارانه.. 61
4-8- جمع­بندی.. 65
فصل پنجم: مطالعه­ موردی
5-1- مقدمه.. 67
5-2- داده ­های 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- مقایسه­ نتایج مدل حل اختلاف Nash و مدل CR(II)….. 95
5-4-3- مسئله­ 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 می ­تواند توسط MODFLOW شبیه­سازی شود [2].. 26
شکل ‏4‑1: بهره ­برداری دو مصرف ­کننده 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: مقایسه­ نتایج افت چاه 1 در LINGO و Visual MODFLOW… 31
شکل ‏4‑4: مقایسه­ نتایج افت چاه 2 در LINGO و Visual MODFLOW… 32

 

شکل ‏4‑5: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از شبیه­سازی وضع موجود برای مصرف ­کننده­ بالادست.. 37
شکل ‏4‑6: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از شبیه­سازی وضع موجود برای مصرف ­کننده­ پایین­دست.. 37
شکل ‏4‑7: نتایج حاصل از شبیه­سازی وضع موجود.. 38
شکل ‏4‑8: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی برای مصرف ­کننده­ بالادست.. 41
شکل ‏4‑9: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی برای مصرف ­کننده­ پایین­دست.. 41
شکل ‏4‑10: نتایج حاصل از مدل بهینه­سازی.. 42
شکل ‏4‑11: مقایسه­ مقادیر کمبود در دو مدل برای مصرف ­کننده­ بالادست   43
شکل ‏4‑12: مقایسه­ مقادیر کمبود در دو مدل برای مصرف ­کننده­ پایین­دست   43
شکل ‏4‑13: نمودار تابع مطلوبیت تأمین نیاز آبی مصرف­ کنندگان.. 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 هزینه­ برداشت آب مصرف­ کنندگان   46
شکل ‏4‑17: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی Nash برای مصرف ­کننده­ بالادست.. 51
شکل ‏4‑18: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل بهینه­سازی Nash برای مصرف ­کننده­ 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 مصرف ­کننده­ بالادست.. 54
شکل ‏4‑21:مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(I) برای مصرف ­کننده­ 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 مصرف ­کننده­ بالادست.. 57
شکل ‏4‑24: مقادیر تخصیص و کمبود حاصل از مدل CR(II) برای مصرف ­کننده­ 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: مقایسه­ مقادیر کمبود آبی مصرف ­کننده­ بالادست قبل و بعد از همکاری.. 64
شکل ‏4‑29 : مقایسه­ مقادیر کمبود آبی مصرف ­کننده­ پایین­دست قبل و بعد از همکاری.. 64
شکل ‏5‑1:موقعیت کلی منطقه­ طرح و محدوده­ 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 مصرف­ کنندگان.. 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 هزینه­ برداشت آب مصرف­ کنندگان   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: مقایسه­ نتایج برداشت از آب سطحی در دو مدل Nash و CR(II)  95
شکل ‏5‑28: مقایسه­ 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: مقایسه­ مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف ­کننده (مقادیر به میلیون متر مکعب).. 36
جدول ‏4‑5: مقایسه­ مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف ­کننده (mcm)  40
جدول ‏4‑6: مقایسه­ مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف ­کننده (mcm)  50
جدول ‏4‑7: مقایسه­ مقادیر برداشت و مقادیر کمبود دو مصرف ­کننده (mcm)  53
جدول ‏4‑8: مقایسه­ مقادیر تخصیص و مقادیر کمبود دو مصرف ­کننده(mcm)  56
جدول ‏4‑9: مجموع مقادیر هزینه در مدل­های مختلف برای دو مصرف ­کننده­ بالادست و پایین­دست (تومان).. 58
جدول ‏4‑10: مقایسه­ مقادیر مطلوبیت­های تأمین نیاز مصرف­ کنندگان   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 مطالعه­ 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 ماه های مختلف.. 97
 
چکیده
وجود ذینفعان مختلف در بهره ­برداری 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 پایان نامه یک سیستم مرکب رودخانه-آبخوان که وظیفه­ی تأمین نیاز آبی دو منطقه­ بالادست و پایین­دست را بر عهده دارد در نظر گرفته شده و وضعیت مناقشه­ی سیستم شبیه­سازی شده است. با بهره گرفتن از رویکرد Nash مسئله­ حل مناقشه بین مصرف­ کنندگان آب که از هر دو منبع آب سطحی و زیرزمینی استفاده می­ کنند 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 مسئله­ بهینه­ حاصل استفاده شده است. مطالعه­ موردی، مناقشه­ی موجود در بین مصرف­ کنندگان بخش­های مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی دو منطقه­ ابهر و خرمدره را که از منابع سطحی و زیرزمینی به صورت تلفیقی استفاده می­ کنند در نظر دارد و از روبکرد حل اختلاف Nash برای بهبود این مناقشه استفاده می­ کند. نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که مدل Nash    می ­تواند 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.
 
 
 
 
 
 
 
 

1-         فصل اول: کلیات

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1-1-     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، می ­تواند منجر به ایجاد مناقشات محلی، منطقه­ای و حتی در سطوح بین ­المللی شود. مدیریت پیشرفته­­ی آب، حل مناقشات و همکاری می ­تواند چنین مشکلاتی را بهبود بخشد چراکه روند حل مناقشات آب با بهره گرفتن از علوم حقوق، مهندسی، اقتصاد، زمین­ شناسی و اقتصاد سیاسی قانونمند شده است[12].
حل موفق مناقشات ملی و بین ­المللی 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 پایه­ تکنولوژی­ها و روش­های جدید می ­تواند به مدیریت موثر منابع آب کمک کند و بدین وسیله کشمکش میان گروه­های درگیر در مسئله­ آب را کاهش دهد[35].
از آنجایی که منابع آب سطحی پاسخگوی نیازهای كشاورزی، شرب و صنعتی نبوده و استفاده­ی بیش از حد از منابع آب زیرزمینی نیز سفره ­های آب زیرزمینی كشور را با مشكلات متعددی مواجه ساخته است، لذا بهره ­برداری 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 بهره ­برداری مشترک یا تلفیقی از منابع آب­های سطحی و زیرزمینی، در دستور کار کلیه­ سازمان­های بهره ­برداری قرار گرفته است. توسعه­ بهره ­برداری از آب­های زیرزمینی در مقایسه با سدسازی دارای مزایای متعددی بوده و مشکلات به مراتب کمتری دارد. از این میان می­توان به هزینه­ کمتر، عدم وجود مشکل رسوب و تبخیر، مشکلات کیفی کمتر، و عدم وجود مشکلات اجتماعی و فرهنگی اشاره نمود[10].
بهره ­برداری تلفیقی منابع آب بالطبع اختلافات بین کاربران را بیشتر می­ کند چراکه همواره تعاملاتی بین    آب­های سطحی و زیرزمینی وجود دارد و همچنین در بهره ­برداری 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، مسئله­ دیگری که به خصوص در بهره ­برداری تلفیقی اهمیت بیشتری پیدا می­ کند 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 ارائه­ یک مدل مناسب، علاوه بر در نظر گرفتن منافع مصرف­ کنندگان در برداشت از منابع آبی، مسائل دیگری همچون آبخوان­ها را که با توجه به برداشت بی­رویه و غیراصولی از چاه­ها با افت قابل­توجهی روبرو شده ­اند و همچنین نیاز زیست­محیطی رودخانه که برای حفظ اکوسیستم امری ضروری می­باشد مورد توجه قرار دهد.
 

1-2-     ضرورت انجام تحقیق

امروزه بهره ­برداری 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 ارائه­ راه­حلی مناسب امری ضروری به نظر می­رسد. از آنجایی که در زمینه­ بهره ­برداری 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 می ­تواند مفید واقع شود.

 

 

1-3-     اهداف و دامنه­ تحقیق

این تحقیق تلاش دارد با ارائه یک مدل مناسب، علاوه بر در نظر گرفتن منافع مصرف­ کنندگان در برداشت از منابع آبی، مسائل دیگری همچون آبخوان­ها را که با توجه به برداشت بی­رویه و غیراصولی از چاه­ها با افت قابل­توجهی روبرو شده ­اند 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 تقسیم ­بندی کرد:

• تأمین حداکثر نیاز مصرف­ کنندگان
• 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 مصرف ­کننده­ بالادست و پایین­دست می­باشد و از منابع آبی موجود به صورت تلفیقی بهره گرفته می­ شود 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 مسئله­ 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 بهره گرفتن 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 بهره ­برداری از منابع آب به صورت تلفیقی انجام می­پذیرد، مناقشه­ی میان مصرف­ کنندگان در بخش­های مختلف شرب، کشاورزی و صنعت را که در دو منطقه­­ی بالادست و پایین­دست دشت ابهر می­باشند را با بهره گرفتن از مدل حل اختلاف Nash حل کند. همانطور که قبلاً ذکر شد بحث حل اختلاف در برنامه ­ریزی منابع آب سابقه­ چندان زیادی ندارد و به خصوص در زمینه­ بهره ­برداری تلفیقی از منابع آب تحقیقات بسیار کمی صورت گرفته است، بدین منظور استفاده از روش Nash در حل مناقشه­ی این سیستم تلفیقی می ­تواند نوآوری این تحقیق به حساب آید.
 

1-6-     ساختارتحقیق

مطالعه­ 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، داده ­ها و اطلاعات مورد نیاز اشاره می­ شود و مدل حل اختلاف Nash در تخصیص آب بین دو منطقه در سه سال آبی مختلف به کار خواهد رفت. در فصل ششم نتیجه ­گیری و پیشنهادات حاصل از تحقیق ارائه شده و در انتها مراجع مورد استفاده معرفی می­گردند.