بخشی از مقاله
چکیده
برای کشاورزی در ایران، منابع خاک چندان کمیاب نیست، اما با محدودیت منابع آبی مواجه هستیم. بنا براین با توجه به کمبود منابع آب در کشور، چاره ای جز اصلاح الگوی کشت و ضرورت بازنگری سیاست های تولید محصولات کشاورزی وجود ندارد. لذاباید از تشویق به سیاست های حمایتی از کشت محصولات با مصارف زیاد آب، اجتناب شود و کشت های جایگزین با مصارف آب کم و بازده اقتصادی بالا مورد توجه قرار گیرد .این مطالعه با هدف ارائه الگوی بهینه بهره برداری از مخزن سد طالقان ،تخصیص بهینه آن بین گیاهان مختلف ودر نهایت حداکثر سود حاصل از زراعت محصولات غالب درقسمتی از مزارع دشت قزوین که در حوزه طالقان قرار دارند،
در آب وهوای نرمال وحالت آبیاری کامل وکم آبیاری ،انجام شده است.داده های مورد استفاده از اداره کل جهادکشاورزی ،آب منطقه ای وهواشناسی استان قزوین جمع آوری شده است در این پژوهش از روش برنامه ریزی غیر خطی استفاده شد . در این راستا از الگوریتم ژنتیک در محیط نرم افزار متلب استفاده شد. نتایج تحقیق حاکی از عملکرد مناسب الگوریتم ژنتیک والگوی کم آبیاری وآبیاری کامل در شرایط آب وهوایی نرمال ، برای حل این مسئله بوده است به طوری که الگوریتم با تعداد تکرار300،اندازه جمعیت 300 واحتمال تقاطع 0,6 در تکرار 30 ام جواب بهینه را به دست آورد . لذا بارعایت الگوی کشت جدید در حالت کم آبیاری و آبیاری کامل ، حجم آب ذخیره شده در مخزن با حفظ سود کلی کشاورز افزایش داشته است. لذا با تشویق کشاورزان به رعایت الگوی کشت جدید نه نتها در مصرف آب بخش کشاورزی صرفه جویی می شود بلکه سود بیشتری حاصل از کشت محصولات نصیب کشاورزان منطقه می شود .
مقدمه :
بر اساس آمار و ارقام موجود میانگین سالانه حجم بارندگی ایران حدود 400 میلیارد متر مکعب برآورد می شود. از مقدار فوق حدود 294 میلیارد متر مکعب به صورت تبخیر و تعرق از دسترس خارج می شود و از 116 میلیارد متر مکعب باقیمانده حدود 93 میلیارد متر مکعب از طریق منابع سطحی و زیرزمینی بهره برداری می شود و بقیه صرف تغذیه سفره های آب زیرزمینی می شود. از این مقدار حدود 86 میلیارد مترمکعب جهت مصارف کشاورزی و نزدیک به 7میلیارد مترمکعب آن به مصارف شرب و صنعت اختصاص مییابد. کشاورزی یکی از مهمترین بخشهای اقتصادی کشور است، بهطوریکه حدود 18 درصد تولید ناخالص ملی، 25درصد اشتغال، تأمین 85 درصد غذای جامعه، 25 درصد صادرات غیرنفتی و 90 درصد مواد اولیهی مورد استفاده در صنعت را فراهم میکند.
به این دلیل انتخاب راهکارهایی که کاهش مصرف و استفادهی بهینهی آب را در این بخش به دنبال داشته باشد، از اولویت برخوردار است . در این تحقیق طبق مدل ارائه شده،مناسب تربن الگوی بهره برداری از مخزن سد ،تخصیص بهینه آن بین گیاهان مختلف،ودر نهایت حداکثر سود حاصل از زراعت را در شرایط کم آبیاری تعیین شد. سبزیوند[1] ، با استفاده از مدل برنامه ریزی پویا ی قطعی وغیر قطعی ،مدلی برای بهره برداری بهینه از سد زاینده رود را تدوین نمود . تحلیل سری زمانی ورودی به مخزن مدلسازی جریان ورودی با توجه به فصل بندی های انجام شده ،تدوین گزینه های نیاز کشاورزی و همچنین بررسی عدم قطعیت در پارامترها به منظور شناخت تاثیر بهترین فاکتورهای در مدل بهره برداری ،مواردی است که در این تحقق مد نظر قرار داده است .وی عملکرد این مدل ها را در سناریوهای مختلف مورد بررسی قرار داد ونتایج نشان دهنده عملکرد بهتر ومطلوب تر مدلی است که شرایط واقعی سیستم را در نظر گرفته است .
فنگ وهمکاران[2] ، تکنیک الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی برنامه ریزی آبیاری بکار بردند . مدل آن ها بر اساس داده های متوسط ماهانه دراز مدت ، پارامتر های هواشناسی روزانه را پیش بینی و تولید می کند وبا توجه به الگوی کشت ،میزان تقاضای روزانه آب از آن ها استفاده می کند وبا توجه به آب مصرفی ،میزان عملکرد محصولات تعیین می شود .اطلاعات مربوط به آب مصرفی ،میزان عملکرد وسطح زیرکشت به عنوان متغیر های تصمیم گیری در مدل فوق وارد می شوند .در این بهینه سازی هدف ، حداکثر سازی در آمد است .شریف ووارالد [3] ، بهره برداری از سیستم مخازن چند منظوره را با استفاده از الگوریتم ژنتیک مورد بررسی قرار دادند و نتایج را با مدل تفاضلی برنامه ریزی پویای گسسته مقایسه کردند.
آنها قابلیت الگوریتم ژنتیک را برای بهره برداری بهنگام مخازن با پیش بینی جریان تصادفی بررسی نمودند. نتایج نشان داد الگوریتم ژنتیک قابلیت بهتری در حل مسائل پیچیده با تابع هدف و قیود غیر خطی را دارد.شانگ وهمکاران [4] ،برای تخصیص بهینه آب آبیاری مزارع واقع در چین در شرایط کمبود آبیاری از مدلی که شامل سه بخش بود، استفاده کردند. قسمت اول شامل برنامه ریزی پویا برای بهینه کردن برنامه ریزی آبیاری گیاهان، دومین قسمت تخصیص بهینه منابع آب برای گیاهان مختلف و قسمت سوم منابع آب بهینه تخصیصی به سطوح مختلف کشت را ارتباط می داد. نتایج نشان داد الگوی بهینه بهره برداری از مخزن و تخصیص بهینه آب بین گیاهان زراعی موجود برای شرایط واقعی متضمن استفاده بهینه از منابع آب موجود در کلیه شرایط ، خصوصا در شرایط خشکسالی می باشد. منابع آبی که آنها به صورت بهینه تخصیص داده بودند ترکیبی از منابع آب سطحی، زیر زمینی و نفوذ از رودخانه بود.
کودال وبنلی [ 5] ، برای بهینه سازیالگوی کشت در ترکیه ،نتابج حداکثر سازی درآمد ناشی از کاربرد مدل های خطی وغیر خطی را با یکدیگر مقایسه نمودند .نتایج نشان دادکه مدل غیر خطی در شرایط کم آبیاری ،درآمد بیشتری نسبت به مدل خطی نشان میدهد .در این تحقیق مدل را در شرایط مختلف دسترسی به آب ،شامل آبیاری کامل و کم آبیاری حل کردند . شوریان وموسوی[6] ، برای برنامه ریزی بهینه تخصیص منابع آب در سطح حوضه آبریز سیروان باهدف انتقال آب از تکنیک بهینه ساس تکاملی مبتنی بر هوش جمعی استفاده نمودند. در این تحقیف با دورن گذاری مدل شبیه سازی جامع مادسیم ، با قابلیت لحاظ نمودن انواع مشخصات وملزومات برنامه ریزی آب در سطح حوضه آبریز ،مدل هوش جمعی، مساله تعیین سیمای بهینه منابع آب سیستم بالادست حوضه سیروان ارزیابی شده است . مدل تهیه شده قادر به تعیین ابعاد بهینه منابع آب سیستم بالادست حوضه سیروان ارزیابی شده است .
مدل تهیه شده قادر به تعیین ابعاد بهینه سیستم های ذخیره گاوشان ،ژاوه،بنی در و سیستم های پمپاژوانتقال آب به حوضه های مجاور همراه با بهره بردارب وتخصیص بهینه آب بین مصارف دورن وبرون حوضه ای می باشد .در این مدل هدف حداقل نمودن هزینه خالص کل ،شامل هزینه احداث سدها وایستگاه هاس پمپاژ وخسارت مخرن سدها وهمچنین سود حاصل از تخصیص آب به محل ها ی مصرف می باشد . صبوحی و همکاران[7] راهبردهای مناسب کم آبیاری در منطقه خراسان با هدف حداکثر سازی منافع اجتماعی را ارائه کردند. برای این منظور مدل برنامه ریزی ریاضی در قالب برنامه ریزی خطی با و بدون ریسک در مقدار آب در دسترس، چغندر قند در سه سطح کارایی 35، 45، 65 در صد در مصرف آب آبیاری در سطح مزرعه و با در نظر 45 تنش متفاوت در مراحل مختلف رشد محصولات زراعی ساخته شد.
نتایج نشان داد که سطح کارایی در مصرف آب آبیاری در سطح مزرعه برای کشاورزان نمونه بیش از 35 در صد است و کاهش مصرف آب در یک فعالیت الزاما منجر به کاهش مصرف آب در الگوی کشت نمی شود. همچنین، تخصیص بهینه آب آبیاری در سطح مزرعه زمانی اتفاق می افتد که بازده نهایی آب هم در مراحل مختلف رشد گیاه و هم در مراحل مختلف رشد گیاهان کشت شده در مزرعه برابر باشد.جورج وپاپماچی [8] بهره برداری از مخزن در یونان به منظور تعیین الگوهای بهینه کشت در شرایط آب و هوایی مختلف را با استفاده از مدل برنامه ریزی غیر خطی مورد بررسی قرار دادند. با حل مدل در شرایط مختلف آب و هوایی میزان بهینه آب برای هر محصول و الگوی کشت بهینه بدست آمد. دیما وهمکاران [ 9] ، با استفاده از مدل برنامه ریزی خطی بهینه سازی آب آبیاری 5 منطقه نوار غربی فلسطین را مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج نشان داد آب آبیاری با تغییر الگوی کشت تحت شرایط محدودیت های آب و زمین 10 در صد کاهش می یابد. طالبی ورکلایی وهمکاران [10] ، باهدف، بهرهبرداری بهینه از منابع آب با استفاده از تغییر الگوی کشت. 14000 هکتار از راضی شالیزاری در پاییندست سد شهید رجایی ساری در استان مازندران بهعنوان منطقه مطالعاتی انتخاب کردند. سناریوهای مدیریتی در قالب دو رویکرد تفاوت در مقدار خروجی مخزن سد و تفاوت در مقدار مساحت تخصیصیافته به کشت محصول برنج طراحی و اجرا کردند. رویکرد نخست، ازلحاظ مقدار حجم آب خروجی موجود در مخزن سد به بخش مشاهداتی تقسیم کردند.
در سناریوهای بخش مشاهداتی، از دادههای مشاهداتی موجود خروجی سد در منطقه برای عملیات بهینه سازی استفاده کردند. رویکرد دوم در سناریوی مدیرتی، بر اساس مقدار مساحت تخصیصیافته به کشت برنج در سه حالت بدون قید مساحت، 50 و 85 درصد مساحت کل موردبررسی قراردادند. بهمنظور بهینهسازی الگوی کشت، از روش الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. نتایج نشان داد که الگوی کشت فعلی در منطقه، بهینه نبوده و در صورت اعمال الگوی کشت پیشنهادی، درآمد خالص منطقه به همراه کاهش حجم آب مصرفی، بهطور چشمگیری افزایش خواهد یافت. همچنین بر اساس نتایج بهدستآمده میتوان گفت که روش الگوریتم ژنتیک در بهینهسازی الگوی کشت مناسبی است.خنجری وهمکاران [11] ، از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی تخصیص آب وتعیین الگوی کشت بهینه منطقه کشاورزی تحت پوشش سد درودزن واقع در استان فارس استفاده کردند . و در شرایط آب و هوایی مختلف وکم ابیاری وآبیاری کامل الگوی کشت .
مواد وروش ها
بهینهسازی در واقع تعیین مقادیر بهینه متغیرهای تصمیم برای حداقل یا حداکثر کردن تابع هدف است. یکی از روشهای نوین در بهینهسازی، الگوریتم ژنتیک میباشد که در این تحقیق به منظور بهینهسازی تخصیص آب کشاورزی وتعیین الگوی کشت بهینه استفاده شد . برای بهینهسازی یک سیستم با استفاده از الگوریتم ژنتیک، هر جواب مسئله با یک کروموزوم که ترکیبی از ژنهای مختلف است، نشان داده میشود. آنگاه یک جمعیت اولیه از کروموزومها بصورت تصادفی تولید میگردد و سپس با طی یک فرآیند ریاضی ساده، بر اساس تابع هدف و محدودیتهای تعریف شده برای مسئله، این کروموزومها ارزیابی میگردند.
تعدادی از بهترین کروموزومها که مقدار تابع هدف آنها از بقیه بهتر میباشد به عنوان کروموزومهای والد از بقیه جدا شده و همانند تولید مثل در موجودات زنده، کروموزومهای انتخابی با یکدیگر آمیزش داده میشود - تزویج - . در فرآیند تزویج بخشی از اطلاعات ژنتیکی دو کروموزوم با هم معاوضه میشوند. با ترکیب دو کروموزوم والد، خصوصیات از والدین به فرزندان منتقل میگردد، در این بین ممکن است با تغییر تصادفی ژنهای بعضی کروموزومها جهش ایجاد شود و سپس از نسل دوم نیز بهترینها انتخاب و بقیه حذف میگردند. فرآیندهای انتخاب، تزویج و جهش تا حصول جواب موردنظر ادامه خواهد یافت. درشکل - 1 - نمودار نحوه ی عملکرد الگوریتم ژنتیک به صورت فلوچارت اجمالی بیان شده است . برای استفاده از الگوریتم ژنتیک نیاز به یک تابع هدف وقیودات ومحدودیت های مربوط به آن داریم که در زیر به صورت مختصر به آن ها اشاره شده است :
الف - تابع هدف مدل مورداستفاده بر اساس رابطه - 1 - است. تابع هدف کل درآمد ناخالص منطقه را بهطوریکه عملکرد بهینه سد طالقان را برای آبیاری n محصول زراعی در بازه زمانی j در فصل آبیاری به دنبال داشته باشد، حداکثر میکند.که در آن: n تعدادمحصولات I شاخص محصول Z* کل درآمد منطقه برحسب ریال Pi قیمت فروش محصول 10 - iریال بر کیلوگرم - Ci هزینه تولید محصول 10 - iریال در هکتار - . A i مساحت کاشت محصول i - هکتار - YCعملکرد نسبی تابع تولیدمحصول از آب - بدون بعد - می یاشد ETa تبخیر و تعرق واقعی - میلی متر - ETm حداکثر تبخیر و تعرق - میلی متر - kyi ضریب حساسیت گیاه به آب در هر مرحله از رشد که برای مراحل مختلف رشد بسیاری از گیاهان در نشریه 33 سازمان خاروباز جهانی ،گزارش شده است. در حل این مدل به قیود مربوط به رطوبت خاک ،تبخیر تعرق پتانسیل ،سطح زیرکشت ،نیاز آبی گیاه ،آب آبیاری تخصیصی به گیاه وبیلان آب در مخزن توجه شده است.
ب - حجم ذخیره مخزن: در تمام مراحل بهینهسازی بهرهبرداری از مخزن، حجم ذخیره بایستی بین مقادیر حداقل و حداکثر آن باشد. اگر این قید رعایت نشود ذخیره بیش از حد در مخزن موجب سرزیز سد وتلفات آب وایجاد خسارت درمناطق پایین دست می شود ج - سطح زیرکشت هر محصول : سطح زیر کشت محصولات باید بین حداکثر وحداقل سطح زیرکشت باشد
د - میزان آب خروجی از مخزن برای آبیاری محصولات: بیشترین حجم آب خروجی از مخزن سد برای آبیاری محصولات برابر با حداکثر میزان آب خروجی از مخزن برای آبیاری محصول i در دوره زمانی j وکمترین حجم آب خروجی از سدبرابر صفر است .
معرفی منطقه مورد مطالعه :
این مطالعه در سال 1392در اراضی پایین دست سد طالقان واقع در 120 کیلومتری استان تهران انجام شده است. در این منطقه جهت انتقال حدود 420میلیون مترمکعب آب ازرودخانه شاهرود طالقان به دشت قزوین تأسیساتی از جمله کانالهای فرعی و اصلی احداث شده است. در این دشت نزدیک به 220 هزار هکتار اراضی قابل آبیاری وجود دارد که بالغ بر 75 هزار هکتار آن تحت پوشش شبکه آبیاری قزوین میباشد و بقیه با رودخانه های فصلی دشت و آبهای زیرزمینی آبیاری میشود. زمین هایی که در این پژوهش مورد مطالعه قرار گرفتند زمین هایی بودند که آب مورد نیاز خود را از سد طالقان به دست می آوردند. اطلاعات مورد نیاز این تحقیق به صورت روزانه وبرای هفت سال از بدو احداث سد،از شرکت آب منطقه ای ،جهاد کشاورزی،اداره کل هواشناسی استان قزوین به دست آمد. دراین تحقیق از ، برای تامین نیاز آبی ازنرم افزار NETWAT ، برای تحلیل الگوریتم از نرم افزار MATLAB، و برای تحلیل وبررسی ونرمال بودن داده ها از نرم افزار ESYFiT استفاده شد.در شکل های - 2 - و - - 3 موقعیت دشت قزوین ، نمایش داده شده می شود .
