5313990403681

-2455612485

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال پنجم، شماره اول، پاییز 1394

توسعه مدل ریاضی و بهینه سازي تخصیص آب کشاورزي بر اساس رتبه بندي نامغلوب

رضا لاله زاري1*، هادي معاضد2 ، سعید برومندنسب3 و علی حقیقی4

1*) دانشجوي دکتري؛ دانشکده مهندسی علوم آب؛ دانشگاه شهید چمران؛ اهواز؛ ایران
rezalalehzari@gmail.com :نویسنده مسئول مکاتبات*
استاد گروه آبیاري و زهکشی؛ دانشکده مهندسی علوم آب؛ دانشگاه شهید چمران؛ اهواز؛ ایران
استاد گروه آبیاري و زهکشی؛ دانشکده مهندسی علوم آب؛ دانشگاه شهید چمران؛ اهواز؛ ایران
دانشیار؛ گروه مهندسی عمران؛ دانشکده مهندسی؛ دانشگاه شهید چمران؛ اهواز؛ ایران
19703334096

تاریخ دریافت: 18/04/1392 تاریخ پذیرش: 14/09/93

چکیده
مدیریت منابع آب از مهمترین عوامل افزایش بهرهوري اقتصادي در بخش کشاورزي محسوب میشود. در شرایط کمبود آب، استفاده کارامد از آب موجود براي تولید پایدار محصولات موردنیاز در نواحی خشک و نیمه خشک امري ضروریست. بدین منظور، روشی شامل مدلسازي ریاضی و ابزار بهینه سازي براي تخصیص آب با هدف حداکثرسازي بهرهوري اقتصادي و کارایی الگوي آبیاري توسعه داده شده است. مدل بهینهسازي با استفاده از الگوریتم ژنتیک چندهدفه با دو تابع هدف مجزا ارائه و مورد ارزیابی قرار گرفت. کارایی مصرف آب، الگوي کشت، کاهش تلفات آبیاري، استفاده مؤثر از آب باران و اراضی زراعی در توابع هدف مدل بررسی شده است. آب موردنیاز آبیاري در هر دوره رشد و سطح زیر کشت محصول بهعنوان متغیرهاي تصمیمگیري در نظر گرفته شد. براي مطالعه مزرعهاي مدل، گیاهان عمده دشت باغملک و مناطق اطراف، هزینه تولید و قیمت فروش محصولات در سال زراعی 93-1392 جمعآوري گردید. نتایج نشان داد سطح زیر کشت بهینه اختصاص یافته به محصولات در شرایط کم آبی براي ذرت، هندوانه، گوجه فرنگی و پیاز با کاهش روبرو بوده است. همچنین، گوجه فرنگی ،حبوبات و پیاز به تریتب بشترین حجم آب را بدست آوردهاند .در این شرایط نسبت سود خالص و عملکرد نسبی براي گوجه فرنگی، درصد آب تخصیص یافته براي سبزیجات و استفاده مؤثر از آب براي حبوبات کمترین مقادیر در بین پارامترهاي ارزیابی محاسبه گردید.
کلید واژهها: الگوریتم ژنتیک؛ الگوي کشت؛ تخصیص بهینه؛ خشکسالی
مقدمه
افزایش بهره وري استفاده از نهادههاي تولید با توجه به تقاضاي روز افزون محصولات کشاورزي، ضرورتی انکارناپذیر است. بهره برداري مطلوب از این نهادهها، افزون بر تأمین تقاضاي جامعه به عنوان یک هدف کلان ،می تواند افزایش درآمد بهره برداران را که براي آنها فعالیت کشاورزي علاوه بر یک فعالیت اقتصادي به عنوان شیوه اي از زندگی نیز محسوب می شود، به دنبال داشته باشد. به همین دلیل در برنامه ریزي هاي اقتصادي و کلان کشورهاي مختلف، افزایش بهره وري استفاده از منابع یکی از مهمترین شاخص هاي موردتوجه در توسعه کشاورزي بوده است. یکی از راهکارهاي مناسب براي افزایش بهره وري در بخش کشاورزي، اصلاح الگوي کشت محصولات با توجه به معیارهاي اقتصادي، مزیت نسبی و در نظر گرفتن محدودیت هاي فنی و عوامل تولید است .پیشرفت هاي امروزي، ابزاري را فراهم آورده است تا امکان اختصاص بهینه عوامل تولید براي حصول حداکثر بهره وري استفاده از آنها ایجاد گردد (محمدي و همکاران ،1391؛ پرهیزکاري و همکاران ،1394).
حدود90 درصد فرآورده هاي خام کشاورزي از اراضی آبی تولید میشود، لذا کمبود منابع آب، علاوه برکندکردن روند توسعه کشاورزي، باعث خسارات و زیانهایی نیز در آینده خواهد شد. با توجه به محدودیت کیفی و کمی منابع آب در اکثر نقاط خشک و نیمه خشک جهان ،مدیریت و برنامهریزي به منظور حداکثر نمودن بهرهوري آب کشاورزي در شرایط کمبود آب، چالش اساسی و مهم در اراضی فاریاب محسوب می شود .از مدیریت هاي اساسی در بخش کشاورزي فراهم آوردن شرایطی است که تولید محصول در برابر آب مصرفی به حداکثر برسد (رمضانی اعتدالی و همکاران ،1391).
در سال هاي اخیر کاربرد روش هاي شبیه سازي و بهینه سازي در مدیریت آب در کشاورزي رواج یافته است. تکنیک هایی مانند شبکه هاي عصبی مصنوعی
(2009 ,Zanetti et al., 2007; Calvo and Estrada)، روش برنامه ریزي آرمانی فازي( ,Tsakoros and Spiliotis2006)، برنامه ریزي کسري خاکستري (رستگاري پور و صبوحی ،1391)، الگوریتم ژنتیک( Wardlaw and
2008 Bhaktikul, 2004; Zhang et al.) و سیستم اطلاعات جغرافیایی( 2011 Wang et al.)، در برآورد آب موردنیاز آبیاري و تعیین الگوهاي زراعی تأیید شده اند.
علاوه بر مطالعات شبیه سازي، روش هاي بهینهسازي نیز مانند برنامه ریزي خطی( LP)، برنامه ریزي غیرخطی (NLP) و برنامه ریزي پویا( DP) رواج فراوانی یافت (2008 Azamathulla et al.). برنامه ریزي خطی از دهه 1960 تاکنون به طور وسیعی جهت تعیین الگوي بهینه کاشت گیاهان بکار گرفته شده است. اما امروزه با برنامه ریزي در مسائل کشاورزي تنها با برآورده کردن یک هدف امکان پذیر نیست، لذا اینگونه بهینه سازي پاسخگوي سیاست گذاران و بهره برداران نیست .از این رو مدلسازي چندهدفه با تکیه بر اصول مختلف نظیر منطق فازي و مفهوم غلبگی و با بهرهگیري از ابزارهاي هوشمند بهینهسازي از جمله الگوریتم ژنتیک براي بهبود فرایند تصمیمگیري مورد استفاده قرار گرفت.
الگوریتم ژنتیک از گذشته تاکنون یکی از ابزارهاي پرکاربرد در مدلسازي سیستم هاي زراعی به شمار می رود .از آن جمله می توان به شبیه سازي مدل هاي رشد گیاهان گلخانه اي در شرایط محیطی مختلف( 2009 Dai et al.)، تأمین آب مورد نیاز آبیاري از سیستم هاي چندمخزنی (2009 Elferchichi et al.)، برنامه ریزي آبیاري( Haq and 2010Anwar, )، مسائل آب زیرزمینی ( Ritzel et al.2005 Espinoza et al. ;1994)، شبکه هاي توزیع آب (2001Dandy and Engelhardt, ) و ترکیب با دیگر مدل هاي کشاورزي( 2013Bergez, ) اشاره کرد .الگوریتم ژنتیک چندهدفه( MOGAs) و الگوریتم ژنتیک مبتنی بر جواب نامغلوب( NSGA-II) روش هاي استاندارد الگوریتم ژنتیک چندهدفه محسوب می شوند. مهمترین مزایاي NSGA-II نسبت به MOGAs عبارتند از (Fotakis and
2012Sidiropoulos, ): سرعت بیشتر در رسیدن به همگرایی؛ استفاده از عملگر مقایسه پرجمعیت و پراکندگی یکنواخت جبهه پارتو، داراي طرح رتبه بندي مؤثر براي کاهش پیچیدگی حاکم بر الگوریتم، قیدهاي بهینه سازي مفهوم و قابل بررسی.
سیاست طراحی بهینه بر تعیین اینکه چه گیاهانی اعم از فصلی و یکساله در الگوي کشت قرار گیرند و چه مساحت و حجم آبی باید به آنها اختصاص داده شود استوار است. بنابراین متغیرهاي تصمیم گیري میتواند شامل سطح زیر کشت و آب موردنیاز هر گیاه باشد که براي اصلاح فضاي تصمیم لازم است ابتدا سطوحی از تنش براي گیاه تعریف شده و در هر گزینه تنها براي تخصیص زمین به محصول تصمیم سازي شود( Haouari 2001and Azaiez, ).
69530208076099

سال

پنجم

/
شماره

1
/

پاییز

94

سال

پنجم

/

شماره

1

/

پاییز

94

الگوي کشت محصولات زراعی دشت قزوین با استفاده مدل برنامه ریزي خطی با اهداف حداکثرسازي سود بازاري کشاورزان و منافع اجتماعی توسط باریکانی و همکاران (1391) بهینهسازي شد. در این تحقیق برنامه ریزي براي برداشت از منابع آب زیرزمینی با توجه به نیاز متفاوت گیاهان در طول فصل زراعی بصورت تلفیقی با جریان آب سطحی انجام گرفت. در مدل تهیه شده سه دسته محدودیت شامل سطح زیر کشت، منابع آب و بازار براي تعیین سهم آب 13 محصول زراعی با اولویت استفاده از منابع آب سطحی در نظر گرفته شد .همچنین نیاز آبی براي هر گیاه به صورت ماهانه با احتساب بازده آبیاري و توسط نرم افزار NETWAT به مدل وارد گردید. بر اساس نتایج به دست آمده منافعی که از حداکثرسازي منفعت اجتماعی حاصل میگردد بیشتر از منافع حاصل از سود بازاري است.
برنامه ریزي منابع آب تحت شرایط کم آبیاري، براي بهبود راندمان آبیاري، صرفه جویی در آب و حل مشکل کمبود آب در چین در سه سطح توسعه داده شد (Shangguan et 2002 al.). سطوح مدل به ترتیب عبارت اند از:
برنامه ریزي دینامیک براي بهینه سازي برنامه آبیاري گیاه .تخصیص بهینه آب بین گیاهان مختلف و در آخر تخصیص منابع آب موجود به زیربخش هاي منطقه. تابع هدف مدل، محاسبه حداکثر مقدار تابع تولید جنسن تعریف شد. بر اساس تابع تولید و کل آب تأمین شده براي گیاه از صفر تا آبیاري کامل، رابطه غیرخطی عملکرد گیاه نسبت به آب محاسبه گردید. در شرایط محدودیت منابع آب، اولویت آبیاري باید به دوره هاي اختصاص یابد که بیشترین ضریب توانی را در رابطه جنسن دارد.

توسعه مدل ریاضی و بهینه سازي تخصیص آب کشاورزي بر اساس رتبه بندي نامغلوب / 19

در مطالعه Singh و Panda (2012) هزینه هاي استفاده از آب زیرزمینی و کانالها، نیاز آبیاري گیاهان و همچنین فاکتورهاي هیدرولوژیکی و اقتصادي شامل درآمد و هزینه تولید 9 گیاه موجود در الگوي کشت ،براي مدل بهینه تخصیص آب و زمین در هند استفاده شد. نتایج نشان داد کاهش سطح زیرکشت برنج، خردل، جو و نخود و در مقابل افزایش سطح زیرکشت پنبه، نیشکر، ارزن، گندم و سورگوم حدود 26 درصد سود خالص سالانه را افزایش خواهد داد. آنالیز حساسیت نشان می دهد قیمت بازاري محصولات بیشترین تأثیر را در الگوي زراعی و تابع هدف داشته است. این روش همچنین موجب مدیریت بهتر چرخه آب در مزرعه شده و از ابزارهاي جلوگیري از آب گرفتگی و زه دار شدن اراضی و کنترل کیفیت آب زیرزمینی است.
در شرایط کم آبی استفاده از سامانه اي که بتواند میزان و برنامه مصرف آب را بر پایه محدودیت هاي موجود شبیه سازي کرده و بهترین الگو را در اختیار بهره بردار قرار دهد ضروري است. بر این اساس ،در تحقیق پیش رو ،مدل بهینه سازي چندهدفه مبتنی بر رتبه بندي نامغلوب با رویکرد تخصیص بهینه آب و زمین به الگوي کشت محصولات آبی دشت باغملک برنامه ریزي شده است .مدل ریاضی توابع هدف و محدودیت ها استخراج و الگوریتم توزیع متغیرهاي تصمیم گیري شامل آب موردنیاز در هر دوره ده روزه از فصل رشد و زمین تحت کشت در این قالب تهیه شد. سناریوهاي مختلف آب در دسترس تحلیل شده و بهترین الگوي تقسیم آب در فصل رشد پیشنهاد و ارزیابی می گردد.

مواد و روشها منطقه مورد مطالعه
محدوده مطالعه شهرستان باغملک بین طول هاي جغرافیایی ’39 °49 تا ’11 °50 و عرض هاي جغرافیایی ’22 °31 و ’42 °31 در شمال شرقی استان خوزستان قرار گرفته است. رودخانه گلال و رودخانه پادرازان، دو رودخانه مهم و فصلی دشت باغملک هستند. رودخانه گلال از بخش شمالی منطقه وارد شده و در جنوب همراه با رودخانه پادرازان به رودخانه ابوالعباس می پیوندد (سلطانی ،1388). حداکثر ارتفاع محدوده 3/3303 متر و حداقل آن 7/391 متر است (بی نام ،1392). محصولات آبی عمده این منطقه عبارتند از: ذرت دانهاي، هندوانه ،گوجه فرنگی، پیاز، سیزیجات و حبوبات که پارامترهاي موردنیاز آنها از طریق بازدید میدانی، تهیه پرسشنامه ،مصاحبه حضوري و آمار و اطلاعات موجود در سازمانهاي آب و برق و کشاورزي استان خوزستان تهیه
3967728344323

سال

پنجم

/
شماره

1
/

پاییز

94



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

پاسخ دهید