مدل بهینه‌سازی غیرخطی و ازدحام ذرات برای بهره‌برداری تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی در دشت ورامین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران.

3 استادیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران.

چکیده

برای تأمین نظر همزمان کشاورزان، مدیران منابع آب و محیط­زیست ضرورت دارد تهیه مدل بهینه‌سازی الگوی­کشت با بهره‌برداری تلفیقی کمی- کیفی از پساب و آب زیرزمینی با سه هدف حداکثرسازی سود کشاورزان، کاهش آبشویی نیتروژن و بهبود تغذیه آبخوان مدنظر قرار گیرد. در این پژوهش، مدل به دو روش بهینه­سازی برنامه­ریزی غیرخطی و نیز با روش الگوریتم ازدحام ذرات برای شبکه آبیاری ورامین در سال آبی 92-1391 تهیه شد. نتایج حاصل از حل مدل سه هدفه در روش برنامه­ریزی غیرخطی نشان داد که افزایش سود حاصله از بهینه­سازی الگوی­کشت، بهبود بهره‌وری مصرف آب و تغذیه آبخوان به ترتیب به میزان 6% ، 22% و 29% منجر به کاهش برداشت تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی و کاهش کود نیتروژن مصرفی به ترتیب به میزان 13% و 85% شده است. همچنین، حل مدل سه هدفه با الگوریتم هوش­جمعی نیز نشان دادکه با افزایشسودحاصله ازبهینه­سازی الگوی­کشت، بهبود بهره‌وری مصرف آب و تغذیه آبخوان به ترتیب به میزان 7%، 49% و 30% ، اهداف کاهش برداشت تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی و کاهش کود مصرفی به ترتیب به میزان 35% و 88% محقق شده است. مقایسه نتایج مقادیر متناظر توابع هدف در سناریوهای مختلف در دو روش برنامه‌ریزی غیرخطی و ازدحام ذرات ، حاکی از اختلاف بین 002/0 تا 01/0 درصد بین مقادیر حاصله از دو روش بود. لذا، الگوریتم فراکاوشی ازدحام ذرات با اختلاف بسیار کمی از روش برنامه­ریزی غیرخطی، قابلیت زیادی را در ارائه پاسخ­های بهینه دارا است. نتایج این پژوهش می‌تواند در استفاده بهینه منابع آب، افزایش درآمد کشاورزان و کاهش آبشویی نیتروژن در سایر شبکه­های آبیاری مورداستفاده قرار گیرد. اصولاً استفاده از پساب‌ها و فاضلاب‌ها در آبیاری محصولات خوراکی کشاورزی برای تغذیه انسان و دام توصیه نمی­شود و رعایت کامل استاندارها و ضوابط در استفاده از پساب‌ها در کشاورزی، امری ضروری و لازم­الاجرا است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Non-Linear Programming and Particle Swarm Optimization Model for Management of Conjunctive Use of Wastewater and Groundwater in Varamin Plain

نویسندگان [English]

  • maryam yousefi 1
  • Mohammad Ebrahim Banihabib 2
  • jaber soltani 3
  • abbas rouzbahani 3
1 PhD student, Irrigation and Drainage Department, College of Aburaihan, University of Tehran.
2 Associate Professor, Irrigation and Drainage Department, College of Aburaihan, University of Tehran.
3 Assistant Professor, Irrigation and Drainage Department, College of Aburaihan, University of Tehran.
چکیده [English]

To address farmers’ as well as water resources and environment managers’ opinions, it is necessary to develop the optimal cropping pattern models for maximizing farmers’ benefits, reducing nitrogen leaching, and improving the rate of aquifer recharge by applying quantitative-qualitative conjunctive use of unconventional surface water (reclaimed wastewater) and groundwater. In this research, the developed models (nonlinear programming (NLP) and particle swarm optimization (PSO)) were run in Varamin Irrigation Network for water year 2012-2013. The results of solving 3-objective nonlinear programming (NLP)  model showed that by improving the net benefit of cropping pattern optimization, water productivity and aquifer recharge by about 6%, 22% and 29% led to reduction of conjunctive withdrawals of wastewater and groundwater and fertilizer consumption by about 13% and 85%. Also, the results of solving 3-objective model by Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm showed that by improving the net benefit of cropping pattern optimization, water productivity and aquifer recharge by about 7%, 49% and 30%, conjunctive withdrawals of wastewater and groundwater summation and fertilizer consumption decreased by about 35%, 88%, respectively. Comparison of the results of the values of objective functions in different scenarios by NLP and PSO methods showed a difference of about 0.002% to 0.01%. So, heuristic algorithm (PSO) has very little difference with NLP and has great ability in providing optimal results. The results of this research could be applied to the optimum use of water resources, increasing farmers’ benefits and decreasing nitrogen leaching in other irrigation network projects. However, it is to be emphasized that use of wastewater for irrigation of food crops for human and domestic animals is not recommended and full compliance with standards and regulations in applying reclaimed waste water in agriculture, is necessary and binding.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aquifer recharge
  • Nitrogen leaching
  • Unconventional water
  • Heuristic algorithm

مراجع

  1. اینانلو، ب.، ب. زهرایی. و ع. روزبهانی. 1390. حل مسائل چندهدفه مدیریت منابع آب با استفاده از ترکیب روش تصمیم گیری چندمعیاره TOPSIS و الگوریتم بهینه­سازیPSO. پنجمین همایش ملی مهندسی محیط زیست.
  2. بنی‌حبیب، م. ا.، م. حسین‌زاده. و م. اولاد قره‌گوز. 1394. تدوین مدل برنامه‌ریزی غیرخطی تخصیص آب و الگوی‌کشت در شرایط کم‌آبیاری (بررسی موردی: استان‌های تهران و البرز). پژوهش آب ایران. جلد 9، شماره 4، صفحه 139-143.
  3. سلطانی، ا.، ا. سلطانی، ا. زینلی. و ع. دستمالچی. 1392. شبیه‏سازی تلفات نیتروژن از مزارع گندم با استفاده از مدل CropSyst در گرگان. پژوهش­های حفاظت آب و خاک، جلد بیستم، شماره چهارم.
  4. شرکت مهندسان مشاور مهارآب عمران گستر، 1393. گزارش مطالعات بازنگری و علاج بخشی شبکه آبیاری و زهکشی دشت 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. فلاح مهدی­پور ا.، ا. بزرگ حداد. 1390. بهینه­سازی بهره­برداری از مخازن سدهای چندمنظوره با کاربرد روش بهینه­سازی مجموعه ذرات. آب و فاضلاب، شماره  4، سال 1391، صفحه 105-97.
  8. 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.
  9. مقدسی، م.، س. مرید. و ش. عراقی نژاد. 1387. بهینه­سازی تخصیص آب در شرایط کم آبی با استفاده از روشهای برنامه­ریزی غیرخطی، هوش­جمعی والگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی). تحقیقات منابع آب ایران، سال چهارم، شماره 3.
  10. معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری، دفتر نظام فنی اجرایی، شرکت مهندسین مشاور یکم، 1389. ضوابط زیست­محیطی استفاده مجدد از آب‌های برگشتی و پساب‌ها، نشریه شماره 535 .
  11. یوسفی، م.، ج. سلطانی، م. ا. بنی حبیب، ع. رحیمی­خوب، ع. روزبهانی. و سلطانی، ا. توسعه مدل بهینه‌سازی چند هدفه بهره‌برداری تلفیقی پساب و آب زیرزمینی (مطالعه موردی- شبکه آبیاری ورامین). 1395. پژوهش آب در کشاورزی، جلد 30، شماره 4، صفحه 567-555.
  12. Asano. T. 2007. Water reuse: issues, technologies, and applications. McGraw-Hill Professional.
  13. 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.
  14. Eberhart R. C., and Y. Shi. 1998. Comparison between genetic algorithms and particle swarm optimization. Evolutionary Programming VII, 7th International Conference, EP98, San Diego, CA, USA, March 25-27.
  15. 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.
  16. Habibi Davijani  M, Banihabib M E,  Nadjafzadeh Anvar A and Hashemi S R (2016) MultiObjective Optimization Model for the Allocation of Water Resources in Arid Regions Based on the Maximization of Socioeconomic Efficiency. Water Resource Management.  30:927–946.
  17. Habibi Davijani  M, Banihabib M E,  Nadjafzadeh Anvar A and Hashemi S R (2015) Optimization model for the allocation of water resources based on the maximization of employment in the agriculture and industry sectors. Hydrology. 533 430–438.
  18. 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.
  19. Janga Reddy, M., and D. Nagesh Kumar. 2010. Optimal reservoir operation for irrigation of multiple crops using elitist-mutated particle swarm optimization. Hydro. Sci. J. 52(4), 686-701.
  20. Karamouz, M., B. Zahraie., R. Kerachian., and A. Eslami. 2010. Crop pattern and conjunctive use management: A Case Study.Irrigation and drainage. 59, 2.
  21. Khamisi, S.A., S.A. Prathapar. and M. Ahmed. 2013. Conjunctive use of reclaimed water and groundwater in crop rotations. Agricultural water management, 116, pp.228-234.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Ramos, T.B., J. Šimu˚ nek., M.C. Goncalves., J.C. Martins., A. Prazeres., and L.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.
  25. Rezaei, F., H. R. Safavi., A. Mirchi. and K. Madani. 2016. f-MOPSO: An alternative multi-objective PSO algorithm for conjunctive water use management. Hydro-environment Research, 14 (2017) 1–18.
  26. Singh, A., and S.N. Panda. 2013. Optimization and simulation modeling for managing the problems of water resources. Water resources management. 27 (9), 3421-3431.
  27. Singh. A. 2012. Optimal allocation of resources for the maximization of net agricultural return. Irrigation and Drainage Engineering.138 (9), 830-836.
  28. 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.
  29. US EPA. 1997. Estimated national occurrence and exposure to Nitrite in public drinking water supplies. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency (UAEPA); P. 1-77.
  30. World Health Organization. 2006. Guidelines for drinking water quality. 3 ed. Geneva: WHO, 2006.p. 190-1.
  31. World Health Organization. 2006. WHO guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater. Volume 2 of Wastewater use in agriculture, Geneva.
  32. Yousefi, M., A. RahimiKhob., J. Soltani., M. B. Banihabib. and E. Soltani. 2016. Assessment of Nitrogen Demand of Cropping Pattern by Critical Plant Nitrogen Concentration Index (Case Study: Varamin Irrigation and Drainage Network), 2ndWorld. Irrigation Forum, Chiang Mai, Thailand.
  33. Yousefi, M., J. Soltani, A. RahimiKhob, M. B. Banihabib and E. Soltani. 2017. Assessment of nitrogen leaching of cropping pattern by soil nitrogen balance equation (Case Study: Varamin Irrigation and Drainage Network). Modern Applied Science; 11(4)30-38.  

 

پژوهش آب در کشاورزی
دوره 31، شماره 3
مهر 1396
صفحه 441-454

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار