توسعه مدل بهینه‌سازی چند هدفه بهره‌برداری تلفیقی پساب و آب زیرزمینی در شبکه آبیاری ورامین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

2 استادیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

3 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

4 استاد گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

5 استادیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی- پردیس ابوریحان- دانشگاه تهران

6 استادیار گروه علوم زراعی و اصلاح نباتات- پردیس ابوریحان- دانشگاه تهران

چکیده

به علت فعالیت‌های کشاورزی گسترده در سطح دشت‌ها و استفاده از کودهای شیمیایی حاوی نیترات، مقادیر قابل­توجهی از این یون وارد سفره‌های آب زیرزمینی می‌شود. از سوی دیگر، پساب تصفیه‌‌خانه‌های فاضلاب به­عنوان جایگزین یا مکمل منابع آب سطحی در شبکه‌های آبیاری و زهکشی مورداستفاده قرار می‌گیرد، لذا ارائه راهکارهایی به­منظور کاهش و کنترل میزان نیتروژن ورودی به خاک و سفره‌های آب زیرزمینی، مسئله‌ای مهم و حائز اهمیت است.در این پژوهش، توسعه و تدوین مدل بهینه‌سازی الگوی کشت با بهره‌برداری تلفیقی کمی- کیفی از منابع آب سطحی غیرمتعارف (پساب) و آب زیرزمینی با سه هدف حداکثرسازی سود حاصله از الگوی کشت، کاهش آبشویی نیتروژن و بهبود تغذیه آبخوان مدنظر قرارگرفت. مدل بهینه‌­سازی سه­هدفه غیرخطی، به­منظور مدیریت یکپارچه کمی- کیفی منابع آب آبیاری و پساب برای هفت سناریو (تک هدفه، دو هدفه و سه هدفه) در سال آبی 92-91 در شبکه آبیاری ورامین اجرا شد. همچنین اطلاعات ورودی موردنیاز مدل از دو طریق (انجام آزمایشات منطقه­ای و اخذ اطلاعات از دستگاه­های مختلف) گردآوری شد. حل مدل تک هدفه با تابع هدف اول (سناریوی1: افزایش درآمدزایی)، حاکی از بهبود سود خالص منطقه به میزان 49 % نسبت به وضع موجود بود. در تابع هدف دوم (سناریوی 2: کاهش آبشویی نیتروژن)، کاهش میزان کود مصرفی به میزان 95 % و در تابع هدف سوم (سناریوی 3: افزایش تغذیه آبخوان)، افزایش تغذیه به میزان 120 % نسبت به وضع موجود حادث شد. حل مدل سه هدفه (سناریوی 7: ترکیب اهداف افزایش درآمدزایی، کاهش آبشویی نیتروژن و افزایش تغذیه آبخوان)، نشان داد که با کاهش 23 درصدی سطوح کشت، کاهش 71 درصدی از میزان کود ازته مصرفی و همچنین کاهش 13 درصدی از برداشت تلفیقی پساب و آب زیرزمینی، اهداف افزایش درآمدزایی به میزان 6%، افزایش تغذیه آبخوان به میزان 29 % و همچنین افزایش بهره‌وری مصرف آب به میزان 22 % محقق شد. لذا این سناریو به­عنوان سناریوی برتر انتخاب شد. نتایج این پژوهش می‌تواند در استفاده بهینه منابع آب، افزایش درآمد کشاورزان و کاهش آبشویی نیتروژن در طرح‌های شبکه آبیاری مورداستفاده قرار گیرد. البته به این نکته باید توجه شود که اصولا استفاده از پسابها و فاضلابها در آبیاری محصولات خوراکی کشاورزی توصیه نمی­شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Development of Multi Objective Optimization Model for Wastewater and Groundwater Conjunctive Use in Varamin Irrigation Network

نویسندگان [English]

  • m y 1
  • j s 2
  • Mohammad Ebrahim Banihabib 3
  • a r 4
  • a r 5
  • e s 6
چکیده [English]

Due to extensive agricultural activities on the plains and the use of chemical fertilizers containing nitrogen, significant amount of this element enter the aquifer. On the other hand, effluent of wastewater treatment plants is used in irrigation and drainage networks as an alternative or supplementary source of surface water. Therefore, adoption of strategies for reducing and controlling the amount of nitrogen that enters the soil and aquifer is an important issue. The aim of this research was to develop a cropping pattern optimization model by quantitative-qualitative conjunctive use of unconventional surface water (wastewater) and groundwater. The three objectives of the model were maximizing profits from cropping pattern, reducing nitrogen leaching, and improving the rate of aquifer recharge. In order to integrate management of wastewater and irrigation water resources, the nonlinear three-objective optimization model was run for 7 scenarios (one-objective, two-objectives, and three-objectives) in water year 2012-2013, for Varamin irrigation network. The input data required for the model were collected in two ways: regional testing and obtaining information from various institutions.Solving one-objective model by first objective (first scenario: improving the network’s profit) showed the 49 percent improvement in the network’s net profit. The second objective (second scenario: reducing of fertilizer consumption) showed 95% reduction of fertilizer consumption, and the third objective (third scenario: improving the aquifer recharge) showed 120% improvement in the aquifer recharge, in comparison to the current situation. Solving the three-objective model (seventh scenario: combined objectives of improving network’s net profit, reducing fertilizer consumption, and improving the aquifer recharge) showed a reduction of 23% in cultivated area, 71% in nitrogen fertilizer consumption, and 13% in conjunctive withdrawals of wastewater and groundwater. Also, these reductions increase net benefit by 6%, aquifer recharge by 29%, and water productivity by 22%. Therefore, the seventh scenario was chosen as the best scenario. The results of this research could be adopted for optimum use of water resources, increasing farmers’ benefit, and decreasing nitrogen leaching in irrigation network projects. However, it is to be noted that, generally, use of wastewater for irrigation of food crops is not recommended.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aquifer recharge
  • Nitrogen leaching
  • Unconventional water

مراجع

  1. داویجانی، م. ح.،م. ا. بنی حبیب. و س. ر.هاشمی. 1391. تدوین مدل تخصیص آب کشاورزی در شرایط پر آبی و خشکسالی بر مبنای حداکثرسازی راندمان اقتصادی (مطالعه موردی: حوضه کویر مرکزی).اولین همایش ملی مدیریت مدیریت آب در مزرعه، کرج، خرداد 9-10، 1391.
  2. ریاضی، ح. و ع. ا. منتظر.1387. ارزیابی استفاده تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی شبکه آبیاری قزوین. سومین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران، دانشگاه تبریز.
  3. شرکت مهندسان مشاور مهارآب عمران گستر،1393.گزارش مطالعات بازنگری و علاج بخشی شبکه آبیاری و زهکشی دشت ورامین.
  4. شرکت مهندسین مشاور یکم، 1392. مطالعات کیفی و آلودگی محدوده مطالعاتی ورامین. گزارش مدل ریاضی کمی- کیفی آبخوان آبرفتی ورامین.
  5. شرکت مهندسین مشاور یکم، 1392. مطالعات کیفی و آلودگی محدوده مطالعاتی ورامین. گزارش تجزیه و تحلیل داده­های آلودگی منابع  آب.
  6. علیزاده، ا.، ن.مجیدی.، م.قربانی. و ف. محمدیان. 1391. بهینه‌سازی الگوی کشت با هدف تعادل بخشی منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی دشت مشهد-چناران). آبیاری و زهکشی ایران. جلد 6. شماره 1.
  7. قاسمی، س.ع.،ش.دانش، ا. علیزاده. 1390. ارزیابی پتانسیل تأمین آب آبیاری و ارزش کودی پساب تصفیه­خانه­های فاضلاب شهری. آب و خاک. جلد 25. شماره 5. 1183-1172.

 

  1. Asano, T. 2007. Water reuse: issues, technologies, and applications. McGraw-Hill Professional.
  2. Das, B., A.Singh.,S.N.Panda., and H.Yasuda. 2015. Optimal land and water allocation policies for sustainable irrigated agriculture.Land Use Policy. 42:527-537.
  3. Fatta, D., and N. Kythreotou. 2005. Wastewater as valuable water resource - concerns, constraints and requirements related to reclamation, recycling and reuse. IWA International Conference on Water Economics, Statistics, and Finance, Greece.
  4. International Plant Nutrition Institute (IPNI). 2011. Nitrogen in soil organic matter, how much is released in your field, [Online]. Available at https://ipni.net. Norcross, Georgia 30092-2844 USA.
  5. Joodavi, A., M.Zare., andM. Mahootchi. 2015. Development and application of a stochastic optimization model for groundwater management: crop pattern and conjunctive use consideration. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 29:1637–1648.
  6. Justes, E., M.H.Jeuffroy., and B. Mary. 1997. The nitrogen requirement for major agricultural crops: wheat, barley and durum wheat. In Diagnosis of the nitrogen status in crops, G. Lemaire G (eds.), Springer-Verlag, Heidelberg, pp. 73-89.
  7. Justes, E., B. Mary., J. M. Meynard., J.M. Machet., and Thelier-Huches. 1994. Determination of a critical nitrogen dilution curve for winter wheat crops. Annals Botany. 74:397-407.
  8. Karamouz, M., B. Zahraie., R. Kerachian., and A. Eslami. 2010. Crop pattern and conjunctive use management: A Case Study.Irrigation and drainage. 59,2.
  9. Khare, D. 2006. Assessment of counjunctive use planning options: A case study of sapon irrigation command area of Indonesia.Journal of Hydrology. 328 (3), 764-777.
  10. Lemaire, G., M. Jeuffroy., andF. Gastal.2008. Diagnosis tool for plant and crop N status in vegetative stage theory and practices for crop N management.Europ. J. Agronomy 28: 614–624.
  11. Oron G., L. Gillerman., A. Bick., Y. Mnaor., N. Buriakovsky., and J. Hagin.2007. Advanced low quality waters treatment for unrestricted use purposes: Imminent challenges. Desalination, 213: 189-198.
  12. Pl´enet, D., andG. Lemaire. 2000. Relationships between dynamics of nitrogen uptake and dry matter accumulation in maize crops. Plant Soil. 216, 65–82.
  13. Ramos, T.B., J. Šimu˚ nek.,M.C. Goncalves., J.C. Martins., A. Prazeres., andL.S. Pereira. 2012. Two-dimensional modeling of water and nitrogen fate from sweet sorghum irrigated with fresh and blended saline waters. Agric. Water Manag. 111, 87–104.
  14. Singh, A.  2014. Poor quality water utilization for agricultural production: An environmental perspective.Land Use Policy. 43, 259-262.
  15. Singh, A., andS.N. Panda. 2013. Optimization and simulation modeling for managing the problems of water resources. Water resources management. 27 (9), 3421-3431.
  16. Singh, A. 2012. Optimal allocation of resources for the maximization of net agricultural return. Irrigation and Drainage Engineering.138 (9), 830-836.
  17. Singh, D. K., C.S. Jaiswal.,K.S. Reddy., R.M. Singh., and D.M. Bhandarkar.2001. Optimal cropping pattern in a canal command area.Agricultural water management. Vol. 50. Issue 1. Pages 1-8.
  18. Tei, F., P. Benincasa., M. Guiducci. 2002. Critical nitrogen concentration in processing tomato. Eur J Agron. 18:45–55.
  19. WHO. 2006. Guidelines for drinking water quality. 3 ed. Geneva: WHO, 2006.p. 190-1.
پژوهش آب در کشاورزی
دوره 30، شماره 4
دی 1395
صفحه 555-567

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار