بخشی از مقاله
چکیده
تعیین الگوي کشت و تخصیص بهینه منابع آب به نیازهاي کشاورزي به جهت افزایش بهره بري آب بالاخص در مناطق خشک و نیمه خشک به شدت ضروري احساس می شود. از جمله راهکارهاي موجود در این زمینه بهرهگیري از رویکرد هاي شبیهسازي- بهینهسازي میباشد. از این رو، در این تحقیق از یک مدل شبیهسازي-بهینهسازي استفاده شده که در آن مدل SWAT به عنوان شبیهساز رشد گیاه و الگوریتم جستجوي هارمونی - Harmony Search - جهت تعیین الگوي کشت و تخصیص بهینه منابع آب مورد استفاده قرار گرفتند.
همچنین قیود حداکثر مصرف آب و حداکثر زمین قابل کشت براي این مساله در نظر گرفته شد. تابع هدف در این مدل حداکثر کردن میزان سود خالص سالیانه در کنار حداقل کردن حجم آب مصرفی قرار داده شد. همچنین این مدل تلفیقی توسعه یافته جهت تعیین الگوي کشت و آبیاري بهینه محصولات کشاورزي در دشت آزادگان در جنوب کرخه مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده حاکی از عملکرد مناسب مدل ترکیبی HS-SWAT جهت تعیین الگوي کشت و افزایش سود خالص سالیانه نسبت به شرایط کنونی بهره برداري در منطقه مورد مطالعه است.
-1 مقدمه
از آنجایی که بهینه سازي مصرف منابع آب به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک براي رسیدن به الگوهاي بهتر آبیاري در زمینه اقتصادي و زیست محیطی یک اولویت است، بهینه سازي در جهت افزایش تولید محصولات و در عین حال کاهش مصرف آب از جمله اقدامات مهم در نظر گرفته میشوند . - De Fraiture et al. 2003 - فرایند بهینه سازي باید با در نظر گرفتن مقیاس هاي متنوع وهمجنین فاکتور هاي چندگانه انجام بپذیرد.
در شرایط کم آبی کشاورزان با این سوال رو به رو میشوند که کدام زمین خود را زیر کشت چه محصولی باید ببرند و بهترین روش جهت استفاده از منابع محدود چیست؟ در نتیجه گسترش و پیشرفت ایده ها و ابزارهاي جدید که به کشاورزان در زمینه بهینه سازي استفاده از زمین، آب و منابع دیگر در جهت پاسخ به این سوالات و رسیدن به تصمیمات درست پیش از شروع فصل کاشت کمک کند ضروري احساس میشود.
.از این رو مدل هاي شبیه سازي بهینه سازي ابزار هایی مفید اند که به کشاورزان کمک میکنند که استفاده از منابع آب را تحت شرایط خاص اجتماعی، اقتصادي وسیاسی و در عین حال تحت شرایط محدود دسترسی به آب بهینه کنند Ajay Singh . - 2014 - در تحقیق حاضر از روشی ابتکاري جهت تخصیص بهینه منابع آب به بخش کشاورزي استفاده شد. مدل تلفیقی شبیه ساز بهینه ساز که SWAT در آن شبیه سازي روابط آب، خاك، اقلیم و گیاه را انجام میدهد به الگوریتم بهینه ساز جستجوي هارمونی جهت تخصیص منابع آب متصل شد و تابع هدف در این مدل یافتن بهترین الگوي کشت و آبیاري در راستاي حداکثر کردن میزان سود برگشتی سالیانه تحت شرایط کمبود آب میباشد.
-2 مواد و روش ها
-2-1 مدل شبیه ساز SWAT
مدل SWAT مدلی جامع براي شبیه سازي فرآیندهاي مختلف درون حوضه میباشد و در مرکز تحقیقات کشاورزي آمریکا توسعه داده شده است . - Arnold 1993 - هدف اصلی در این مدل، پیش بینی اثر اقدامات مدیریتی روي کمیت و کیفیت آب در حوضه هاي مختلف و پیچیده، با شرایط متنوع خاك و پوشش گیاهی در دراز مدت است. قابل ذکر است که از این مدل میتوان در مقیاس هاي کوچک، بزرگ و حتی قاره اي جهت شبیه سازي متغیرهاي مورد نظر استفاده کرد.
SWAT مدلی از نوع نیمه توزیعی بوده و به جاي استفاده از روابط رگرسیونی در برقراري ارتباط بین ورودي و خروجی، فرآیندهاي فیزیکی مربوط به حرکت آب، رسوب، رشد گیاه، سیکل مواد غذایی در خاك و غیره را با استفاده از ورودي هایی مانند داده هاي اقلیمی، خصوصیات خاك، توپوگرافی و نوع پوشش اراضی، شبیه سازي مینماید. مدل SWAT قادر به شبیه سازي فرایندهاي گوناگون در سطح حوضه میباشد و براي شبیه سازي، ابتدا حوضه مورد نظر را به چند زیر حوضه تقسیم میکند. این روش در مواردي که حوضه از چندین نوع کاربري اراضی و خاك تشکیل شده باشد، مفید میباشد. هر زیر حوضه نیز بسته به میزان تنوع به چند قسمت دیگر به نام واحد هیدرولوژیکی یکسان 1HRUتقسیم میشوند. این واحدها قسمت هاي درون هر زیرحوضه هستند که داراي نوع خاك،کاربري اراضی و شیب یکسانی هستند.
-2-2 الگوریتم فراکاوشی جستجوي هارمونی - Harmony Search -
الگوریتم جستجوي هارمونی مانند دیگر الگوریتم هاي فراکاوشی یک الگوریتم بهینه ساز الهام گرفته شده از طبیعت است. در این الگوریتم از فرایند تولید ابتکاري یک قطعه موسیقی که در یک گروه ارکست اتفاق میافتد بهره گرفته شده است. این الگوریتم براي اولین بار توسط Geem و همکاران در سال 2001 توسعه یافت. این الگوریتم از 5 قدم شامل -1تعریف تابع هدف و پارامترهاي الگوریتم -2 ایجاد ماتریس حافظه -3 تولید یک راه حل یا هامونی جدید.-4 به روز کردن ماتریس حافظه.-5شرط توقف ، جهت رسیدن به مقدار بهینه استفاده میکند.
-3-2 منطقه مطالعاتی
از نظر تقسیمات کشوري، دشت آزادگان در حوضه آبریز کرخه در استان خوزستان و در جنوب غرب ایران قرار گرفته است. این ناحیه با طول جغرافیایی 48° 28´ شرقی و 47° 50´ غربی همچنین با عرض جغرافیایی 31° 20´ شمالی و 31° 46´ جنوبی محاصره شده است. این منطقه با وسعت 28000 هکتار که 21000 هکتار از آن قابل کشت است از جمله مناطق مهم کشاورزي در جنوب کرخه به شمار میرود که گندم، جو، ذرت، خیار، گوجه، برنج و لوبیا بیشترین سهم را در کشت دارا میباشند. جدول - 1 - قیمت محصولات کشاورزي و زمان کاشت و برداشت و طول دوره رشد ذکر شده است.
-2-4 واسنجی مدل
واسنجی مدل توسط بسته نرم افزاري SWAT-CUP و الگوریتم SUFI2 براي داده هاي تبخیر و تعرق واقعی ماهانه و عملکرد هر محصول نسبت به مقادیر تبخیر و تعرق گزارش شده در سند ملی آب و گزارشات دیگر مانند IWPC 2010 انجام پذیرفت. پارامترهاي انتخاب شده جهت واسنجی ابتدا توسط الگوریتم SUFI2 حساسیت سنجی شد و سپس با کارهاي دیگر - Ahmadzadeh et al., 2015 - مطابقت داده شد. شکل - 1 - مقایسه میان تبخیر و تعرق واقعی شبیه سازي شده و مشاهده شده را به تصویر کشیده است. شکل - 2 - مقایسه نتایج عملکرد محصولات را در حالت شبیه سازي شده و مشاهداتی نشان میدهد.
