بخشی از مقاله
خلاصه
ارایهی راهکارهای مناسب و بهینه مدیریت منابع آب حوضههای آبریز با توجه به بحران آب جهانی و به تبع آن مشکلات زیستمحیطی، اجتماعی و اقتصادی پیش آمده امری مهم و ضروری است. در این زمینه استفاده از ابزارهای بهینهسازی- شبیهسازی از جمله رویکردهایی است که بسیار موثر میباشد. در این مطالعه سعی شده است با استفاده از تلفیق مدل شبیهسازی جامع حوضهی آبریزSWAT و الگوریتم بهینهسازی چند هدفه NSGAII،رویکرد مناسبی به منظور تعیین الگوی بهینه راهکارهای مدیریتی در سطح حوضه آبریز ارائه گردد. بدین منظور راهکار مدیریتی از میان طیف گستردهای از ترکیب راهکارهای کمآبیاری و افزایش راندمان در سطوح مختلف در حوضهی آبریز طشک- بختگان در دورهی 10 ساله - 2005-2014 - برای محصولات و مناطق مختلف تعیین گردید. توابع هدف بهینهسازی شامل بیشینهسازی بهرهوری آب و همچنین کمینهسازی مقدار آبیاری با توجه به متغیرهای تصمیم کمآبیاری، افزایش راندمان میباشد. نتایج حاصل نشاندهنده کاهش مقدار آب آبیاری و آب برداشت شده به میزان 42 و 69/24 درصد و همچنین افزایش بهرهوری به میزان 75 درصد در کل حوضهی آبریز در دورهی مورد مطالعه میباشد.
کلمات کلیدی: بهینهسازی- شبیهسازی، کمآبیاری، افزایش راندمان، طشک- بختگان.
1. مقدمه
منابع آب برای مصارف کشاورزی در بسیاری از کشورهای جهان که دارای مناطق گسترده با کشاورزی آبی هستند به شدت مورد استفاده قرار میگیرد. بسیاری از کشورها با کمبود آب ساختاری ناشی از خشکسالیهای دورهای و افزایش تقاضاهای آب بخش کشاورزی و دیگر بخشهای جامعه مواجهند به طوریکه این افزایش روز افزون میزان و تنوع تقاضاهای آبی، مسألهی کمبود آب در جهان را تبدیل به یک مشکل جدی کرده است. اولین بخش درگیر با کمبود و کاهش تخصیص آب، بخش کشاورزی خواهد بود، پس بنابراین کمبود آب مسألهای مهم برای آینده بخش کشاورزی است .[1] در مطالعات مختلف با استفاده از رویکردهای متفاوت به بررسی اثرات مدیریت آبیاری بر عملکرد و درآمد و ... محصولات کشاورزی پرداخته شده است.
بهینهسازی مدیریت آبیاری در بخش کشاورزی به منظور افزایش بهرهوری آب و همچنین کنترل درآمد و مصرف آب در مطالعات متعددی مورد بررسی قرار گرفته است، از جملهی این مطالعات میتوان به مطالعهی Garcia و همکاران - 2012 - اشاره کرد که با ترکیب مدل شبیهسازی گیاهی AquaCrop و مدل اقتصادی برای بهینهسازی مدیریت آبیاری در سطح مزرعه، نتیجه گرفتند که راهبرد تغییر الگوی کشت تاثیر بیشتری نسبت به راهبرد افزایش قیمت آب در صرفهجویی آب دارد.[1] همچنین در مطالعهی دیگری Yang و همکاران - 2006 - به بررسی برداشت از منابع آب زیرزمینی در بخش شمالی دشت چین با استفاده از مدل DSSAT-Wheat پرداختند.
هدف از این مطالعه تعیین زمان و مقدار آبیاری به منظور کاهش مصرف آب بدون کاهش عملکرد گندم بود. نتایج نشان داد که کاهش آبیاری در ماه مارس و همچنین انجام آبیاری در اواسط ماه نوامبر و جلوگیری از کمبود آب پس از 15 آوریل منجر به کاهش 76 میلیمتر تبخیر و 99/5 میلیمتر در آبیاری و تنها 4/5 درصد کاهش عملکرد گندم میشود.[2] بنیحبیب و همکاران - 1387 - نیز با استفاده از مدل بهینهسازی به ارزیابی درآمد خالص بخش کشاورزی دشت هریس و سد مخزنی آن پرداختند. در این مطالعه متغیرهایی نظیر مقدار کمآبیاری محصولات گندم و گوجهفرنگی و ترکیب کشت در چهار سناریو با ترکیب دو حالت عرضه آب یارانهای و عرضه آب با قیمت واقعی و دو سیستم آبیاری تحت فشار و سطحی به عنوان متغیر تصمیم در نظر گرفته شدهاند. نتایج بررسی نشان داد که حذف یارانه آب باعث کاهش درآمد خالص کشاورزان شده، لیکن بخشی از آن با استفاده از الگوی کشت و کمآبیاری بهینه قابل جبران است.
از طرفی تغییر سیستم از آبیاری سطحیبه آبیاری تحت فشار، باعث افزایش درآمد خالص در صورت عرضه آب یارانهای و بدون یارانه نسبت به شرایط غیر بهینه به ترتیب تا 4/6 و 2/6 برابر خواهد شد.[3] همانطور که ملاحظه گردید، مطالعات این حوزه بیشتر در مقیاس مزرعه بوده و یا برخی از محصولات مورد ارزیابی قرار گرفتهاند که به منظور ارزیابی بهتر و دقیقتر لازمست تا بررسیها در مقیاس حوضهی آبریز انجام گیرد. شبیهسازی جامع حوضهی آبریز برای اعمال گزینههای مدیریتی مختلف و مدل بهینهسازی ابزار مناسبی برای تولید ترکیبهای مختلف از راهکارها میباشد که برای شناسایی گزینههای مناسب - بهینهی پارتو - و همچنین گزینههای مدیریتی متناظر بهینه پارتو به کار میرود.
در این راستا مطالعات مختلفی انجام شدهاند که شامل شناسایی و بررسی اثرات بهترین اقدامات مدیریتی - 1 بر کنترل کمی و کیفی آب در حوضهی آبریز میباشند.در مطالعات متعددی به استفاده از ترکیب یک مدل شبیهساز با یک الگوریتم بهینهسازی به منظور شناسایی اقدامات بهینه در حوضهی آبریز به منظور کاهش بار آلایندههای نقطهای و غیرنقطهای ناشی از کاربری کشاورزی پرداخته شده است. در اکثر این مطالعات از یک مدل شبیهساز کیفی حوضهی آبریز به منظور شبیهسازی اثرات اقدامات مدیریتی و الگوریتم بهینهسازی به منظور شناسایی بهترین ترکیب اقدامات مدیریتی در جهت دستیابی به اهداف تعیین شده، استفاده شده است.
از مطالعات این زمینه میتوان به : Rabotyagov و همکاران - 2010 - ، Maringanti و همکاران - 2009 - و Rodriguez و همکاران - 2011 - با استفاده از مدل 2 SWATو الگوریتم ژنتیک چند هدفه به مکانیابی بهترین اقدامات مدیریتی مقرون به صرفه در حوضهی آبریز با اهداف کنترل میانگین سالانه بار نیتروژن در شرایط پایه پرداختند6]و5و.[4 همچنین در مطالعهی دیگری Panagopoulos و همکاران - 2012 - از مدل SWAT و 3 NSGA- IIبرای بهینه سازی مکانی پنجاه روش بهینه مدیریتی مختلف با در نظر گرفتن هزینه، انتشار فسفر و نیتروژن بهره بردند.[7]هدف اصلی در این مطالعه ارایهی الگوی بهینهی راهکارهای مدیریت آبیاری در بخش کشاورزی با استفاده از رویکرد شبیهسازی-بهینهسازی در حوضهی آبریز طشک- بختگان میباشد. بدین منظور مدل SWAT به عنوان مدل شبیهسازی و الگوریتم NSGA-II به عنوان الگوریتم بهینهسازی مدنظر قرار گرفت. توابع هدف در نظر گرفته شده در این مطالعه بیشینهسازی بهرهوری آب و همچنین کمینهسازی مقدار آبیاری در مناطق و محصولات مختلف حوضهی آبریز میباشند.
2.مواد و روشها
2-1 محدوده مطالعاتی
حوضه آبریز دریاچه طشک-بختگان در میانه جنوبی ایران و در شمال حوضه ساحلی مند گستردهاست. این حوضه به وسعت 27523 کیلومتر مربع میباشد که بلندترین نقطه آن در غرب حوضه به ارتفاع حدود 3900 متر از سطح دریای آزاد و کمترین ارتفاع در حاشیه دریاچه طشک-بختگان به ارتفاع حدود 1620 متر میباشد. حوضه آبریز به 22 محدوده مطالعاتی با کد چهار رقمی تقسیم گردیده است. محدودههای مطالعاتی حوضه شامل توابع ارسنجان، ارسنجان، سیدان - فاروق، جنوب دریاچه طشک، آباده طشک- جهان آباد، خانه کت، خیر، استهبان، نیریز، تنگ حنا- پیچکان، مرودشت-خرامه، داریان، سعادت آباد، سرپنیران، قادرآباد- مادرسلیمان، ده بید، نمدان، بیضا- زرقان، دزکرد کامفیروز، خسروشیرین، بکان است. در این تحقیق حوضه دریاچه طشک- بختگان به 5 محدوده تقسیمبندی شده و راهکارهای مدیریتی در هر یک از 5 محدوده ارایه خواهند شد - شکل. - 1
در این مطالعه به منظور مدلسازی سیستمهای منابع آب از مدل SWAT استفاده گردید. ورودیهای اصلی مدل SWAT، اطلاعات مشخصی از اقلیم، خواص خاک، توپوگرافی و نوع پوشش اراضی و سایر لایههای پایه نظیر نقشه شبکه رودخانهای، موقعیت ایستگاههای هیدرومتری و سدها است. لایههای رقومی مورد استفاده در این مطالعه شامل لایه 4 DEMبا اندازه سلولی 30 متری 5 ASTERجهت تولید اطلاعات فیزیوگرافی، رودخانهها، حوضهها و زیرحوضهها، لایه رقومی پوشش گیاهی تهیه شده توسط سازمان جنگلها و مراتع کشور در 1383 با 9 کلاس کاربری به عنوان لایه پایه کاربری اراضی برای استخراج HRU ها، جهت پیادهسازی مدیریت کشاورزی در حوضه و شبیهسازی هیدرولوژیکی میباشند که بانک اطلاعاتی مربوط به هر کاربری شامل پارامترها و خصوصیات هر کاربری به صورت جداگانه برای معرفی به مدل تهیه گردید.
همچنین نقشه بافت خاک تهیه شده توسط 6 FAOنیز برای مدلسازی مورد استفاده قرارگرفت. به منظور ارزیابی و لحاظ تغییرات کاربری اراضی در شبیهسازی حوضه آبریز علاوه بر نقشه کاربری اراضی پایه سازمان جنگلها و مراتع از دو نقشه کاربری اراضی مستخرج شده از تصاویر ماهوارهای Landsat در سالهای 1366 و 1394 نیز استفاده شد. به منظور انجام شبیهسازیهای لازم آمار و اطلاعات روزانه مربوط به ایستگاههای سینوپتیک، کلیماتولوژی متعلق به سازمان هواشناسی کشور و همچنین اطلاعات ایستگاههای بارانسنجی و تبخیرسنجی وزارت نیرو طی دوره آماری 1350-92 جمعآوری و مورد بررسی قرارگرفت. شبیهسازی برای 37 سال انجام شد، که از سال 1980 تا 2014 میباشد، در این مطالعه جهت تعیین الگوی بهینه راهکارهای مدیریت آبیاری در حوضه آبریز طشک بختگان دوره 10 ساله - 2014؛ - 2005 در نظر گرفته شد.
2-2 روششناسی انجام تحقیق
با توجه به اهداف تعیین شده در این مطالعه، مراحل انجام تحقیق شامل - الف - پیکربندی و آمادهسازی مدل SWAT به منظور اعمال ترکیب راهکارهای مدیریتی و استخراج خروجیها به منظور برآورد توابع هدف - ب - توسعه مدل بهینهسازی- شبیهسازی چندهدفه مبتنی بر مدل SWAT به منظور تعیین بهترین راهکارهای مدیریت منابع آب در منطقه و - ج - اجرای الگوریتم بهینهسازی- شبیهسازی و تعیین مناسبترین الگوی راهکارهای مدیریتی آبیاری در منطقه. در ادامه مراحل ذکر شده در این مطالعه به ترتیب تشریح خواهند شد.
3-2 پیکرهبندی و آمادهسازی مدل SWAT
در این مطالعه به منظور اعمال راهکارهای مدیریتی و برآورد واکنش حوضهی طشک بختگان به راهکارها از مدل شبیهسازی جامع حوضهی آبریز SWAT استفاده شد. SWAT مدلی مفهومی و نیمه توزیعی بوده و توانایی پیشبینی اثر اقدامات مدیریتی روی کمیت و کیفیت آب در حوضههای مختلف، با شرایط متنوع خاک و پوشش گیاهی را دارا است. در مدل SWAT قابلیت اعمال و شبیهسازی طیف متنوعی از مدیریتها در حوضه از جمله: مدیریت کاشت و برداشت، مدیریت آبیاری، مدیریت کوددهی، مدیریت آبخیزداری، مدیریت آلایندههای غیر نقطهای و نقطهای، مدیریت سموم و آفت کشها، مدیریت الگوی زراعی، مدیریت چرای دام و ... وجود دارد .
مدل SWAT برای شبیهسازی حوضه، ابتدا آن را به چند زیر حوضه تقسیم میکند. هر زیر حوضه نیز بسته به میزان تنوع به چند قسمت دیگر به نام واحد پاسخ هیدرولوژیکی - - 1HRU تقسیم میشوند. این واحدها قسمتهای درون هر زیرحوضه هستند که دارای نوع خاک، کاربری اراضی و شیب یکسانی هستند .[8] بدین ترتیب از نظر مکانی، کوچکترین واحد محاسباتی مدل SWAT، HRU میباشد. در مدل نیز چرخه هیدرولوژیکی بر اساس معادله بیلان آب برای هر HRU طبق رابطه - 1 - شبیهسازی میگردد:
