الگوی کشت بهینه و مدیریت منابع آب زیر‌زمینی و سطحی دشت کوهپایه- سگزی با استفاده از مدل تلفیقی تئوری بازی‌ها و الگوریتم بهینه‌سازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا

2 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا

3 استاد گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا.

چکیده

در سال­های اخیر، تضاد منافع زیست‌محیطی با معیشت کشاورزان به یکی از مهمترین مسائل حکمرانی محیط­زیست و کشاورزی در حوضه آبریز زاینده­رود تبدیل شده است. بنابراین، دستیابی به نقطه تعادل میان سود اقتصادی با استفاده از الگوی کشت بهینه و جلوگیری از برداشت بی‌رویه منابع آب ‌زیر‌زمینی از اهمیت زیادی برای سیاست­گذاران این حوزه برخوردار است. در این پژوهش، تابع محیط­زیست با استفاده از محدودیت منابع آب و تابع اقتصادی با استفاده از سود اقتصادی محصولاتی که در دشت کوهپایه- سگزی کشت می‌گردد در بازه زمانی 1376 – 1390 مدل‌سازی گردید. تابع نش با استفاده از بهینه­سازی غیرخطی مقید با توجه به محدودیت منابع آب در هر سال بهینه شد. پس از آن، الگوی کشت محصولات با روش تئوری بازی‌ها و روش برنامه‌ریزی ‌خطی محاسبه شد. نتایج نشان داد که کاهش مصرف آب در روش تئوری بازی­ها 31% و برای روش برنامه­ریزی خطی 17% است. در این حالت، میزان کاهش سود برای این دو روش به ترتیب 17% و 4% نسبت به حالت مبنا است. نتایج نشان داد که افت سطح آب ‌زیر‌زمینی برای هیدروگراف معرف دشت و  روش برنامه‌ریزی ‌خطی به ترتیب برابر با 3/69 و 2/04 متر است. در حالی که در روش تئوری بازی‌های بهینه شده با وزن تابع اقتصادی 0/5، تراز آب زیرزمینی دشت افزایش 7/45 متری دارد. با توجه به میزان کاهش مصرف آب، میزان کاهش سود و افزایش تراز آب ‌زیر‌زمینی، روش تئوری بازی‌های بهینه شده با وزن 0/5 نسبت به روش برنامه‌ریزی خطی برتری دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimal Cropping Pattern and Management of Ground and Surface Water Resources of Kohpayeh-Segzi Plain Using the Integrated Model of Game Theory and Optimization Algorithm

نویسندگان [English]

  • Ali Kolahdouzan 1
  • Hamed Nozari 2
  • Safar Marofi 3
1 PhD student, Water science and Engineering Department, Bu-Ali Sina University
2 Associate Professor, Water science and Engineering Department, Bu-Ali Sina University
3 Professor, Water science and Engineering Department, Bu-Ali Sina University
چکیده [English]

In recent years, the conflict between environmental interests and farmers' livelihoods has emerged as one of the most crucial issues in the environmental and agricultural governance of the Zayandeh-Rood watershed. Hence, achieving a balance between economic profitability through the use of an optimal cropping pattern and preventing the excessive extraction of groundwater resources holds great importance for policymakers in this field. In this study, the environmental function was modeled by considering water resources limitation, while the economic function was modeled based on the economic profit derived from the cultivated crops in Kohpayeh-Segzi Plain in 1996-2011. The Nash function was optimized by using constrained nonlinear optimization by taking into account the limitation of water resources in each year. After optimizing the Nash function, the cropping pattern was determined using both game theory (GT) method and linear programming (LP) method. Results indicated 30% reduction in water consumption with the GT and 17% reduction with the LP method. Additionally, the profit reductions for these two methods were 16% and 3%, respectively, compared to the base case. Furthermore, the results revealed that the groundwater level in the representative hydrograph of the plain decreased by 3.94 and 2.23 m in the GT and LP methods, respectively. Conversely, in the optimized GT method with an economic function weight of 0.5, the groundwater level of the plain increased by 8.67 m. Considering the reduction of water consumption, profit reduction, and the increase in groundwater level, the optimized GT method with a weight of 0.5 was superior to the LP method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater table drop
  • Linear programming
  • Environmental function
  • Economical function
  • Representative hydrograph of the plain

مراجع

  1. حمیدرضا نویدی، سعید کتابچی و معصومه مسی بیدگلی، 1399. مدخلی بر نظریه بازی‌ها. انتشارات دانشگاه شاهد.
  2. سازمان تحقیقات کشاورزی اصفهان، 1391. گزارش قیمت‌ها و مصرف نهاده‌ها.
  3. سازمان جهاد کشاورزی استان اصفهان. ،1400. بازنگری، تکمیل و تدوین الگوی کشت‌ بهینه محصولات زراعی و باغی استان اصفهان.
  4. عباسی، فریبرز.، سهراب، فرحناز و عباسی، نادر، ارزیابی وضعیت راندمان آب آبیاری در ایران.تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی, 67: 113-120. doi:10.22092/aridse.2017.109617
  5. کلاهی، مهدی.، حسینعلی، فرهاد. و کریمائی طبرستانی، مجتبی.، 1401. تعیین الگوی بهینه کشت با هدف حداقل سازی آب مجازی و حداکثرسازی سود اقتصادی محصولات (مطالعه موردی: دشت عمرانی در خراسان رضوی).نشریه آبیاری و زهکشی ایران, 16(6): 1221-1232.

doi: 20.1001.1.20087942.1401.16.6.12.9

  1. گزارش بیلان آب منطقه‌ای اصفهان برای سال‌های 1376 تا 1390 برای دشت کوهپایه‌سگزی سال1394.
  2. مفتاح هلقی مریم, قربانی خلیل, کرامت زاده علی و سالاری جزی میثم, 2021. کاربرد نظریه بازی­ها در تعیین برداشت بهینه منابع آب و ارائه الگوی کشت بهینه (مطالعه ی موردی: حوضه آبریز قره سو).‎ نشریه پژوهش‌های حفاظت آب‌وخاک، 127(5): 69-87. doi: 22069/jwsc.2020.17430.3290
  3. Ali, P.J.M., Faraj, R.H., Koya, E., Ali, P.J.M. and Faraj, R.H., 2014. Data normalization and standardization: a technical report. Mach Learn Tech Rep, 1(1), pp.1-6.
  4. Bozorg-Haddad, O. ed., 2021. Essential tools for water resources analysis, planning, and management. Springer.
  5. Forouzani, M. and Karami, E., 2011. Agricultural water poverty index and sustainability. Agronomy for Sustainable Development, 31, pp.415-431.

doi:10.1051/agro/2010026

  1. Harsanyi, J.C. and Selten, R., 1972. A generalized Nash solution for two-person bargaining games with incomplete information. Management science, 18(5-part-2), pp.80-106. doi:10.1287/mnsc.18.5.80
  2. Hipel, K.W. and Obeidi, A., 2005. Trade versus the environment: Strategic settlement from a systems engineering perspective. Systems Engineering, 8(3), pp.211-233.

doi:10.1002/sys.20031

  1. Madani, K., 2010. Game theory and water resources. Journal of hydrology, 381(3-4), pp.225-238. doi:10.1016/j.jhydrol.2009.11.045
  2. Madani, K., 2014. Water management in Iran: what is causing the looming crisis?. Journal of environmental studies and sciences, 4, pp.315-328. doi:1007/s13412-014-0182-z
  3. Mays, L.W. and Tung, Y.K., 2002. Hydrosystems engineering and management. Water Resources Publication.
  4. Mehrpour, M.R., Kheybari, S., Srai, J.S. and Rohani, A., 2024. Integration of strategic and operational attributes to calculate the optimal cultivation of crops. Expert Systems with Applications, 236, p.121238. doi:1016/j.eswa.2023.121238
  5. Nazari, S., Ahmadi, A., Rad, S.K. and Ebrahimi, B., 2020. Application of non-cooperative dynamic game theory for groundwater conflict resolution. Journal of Environmental Management, 270, p.110889. doi:1016/j.jenvman.2020.110889
  6. Raquel, S., Ferenc, S., Emery Jr, C. and Abraham, R., 2007. Application of game theory for a groundwater conflict in Mexico. Journal of environmental management, 84(4), pp.560-571. doi:1016/j.jenvman.2006.07.011
  7. Snyder, L. J. 2017. Stanford Encyclopedia of Philosophy. pp. 1-22.
  8. Von Neumann, J. and Morgenstern, O., 1953. Theory of games and economic behavior: by J. Von Neumann and O. Morgenstern. Princeton university press.
  9. Zeng, Y., Li, J., Cai, Y., Tan, Q. and Dai, C., 2019. A hybrid game theory and mathematical programming model for solving trans-boundary water conflicts. Journal of Hydrology, 570, pp.666-681. doi:1016/j.jhydrol.2018.12.053
پژوهش آب در کشاورزی
دوره 38، شماره 2
شهریور 1403
صفحه 151-169

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار