بررسی اثر تغییر الگوی کشت بر منابع آب زیرزمینی دشت همدان-بهار با بهره‌‌گیری از روش پویایی سیستم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه علوم مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.

2 دانشیار گروه علوم مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.

3 دانشیار مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی، بخش تحقیقات فنی و مهندسی، همدان، ایران.

10.22092/jwra.2026.371359.1100

چکیده

در این پژوهش محیط آب و خاک و آبخوان دشت همدان-بهار برای دوره 98-1397 الی 1402-1401 با روش پویایی سیستم در محیط نرم‌افزار (Vensim)، شبیه‌سازی شد. میزان مطابقت داده‌های شبیه‌سازی شده تراز سطح آب زیرزمینی با داده‌های اندازی‌گیری شده، از طریق محاسبه شاخص‌های آماری، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، ریشه میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE)، ضریب نش-ساتکلیف (EF)، ضریب همبستگی (R2) و درصد بایاس (PBIAS) ارزیابی شد. مقدار این شاخص‌ها به ترتیب برای دوره واسنجی (1397-1400) برابر،NRMSE=0.02 ،RMSE=0.57، EF=0.96، R2=0.96 و PBIAS=-0.0056 و برای دوره‌ی اعتبارسنجی (1400-1402) برابر،NRMSE=0.01 RMSE=0.45،EF=0.99 ،R2=0.99 و PBIAS=0.0054 برآورد شد و بیانگر دقت مدل در شبیه‌سازی تراز سطح آب زیرزمینی است. نیز، بررسی‌های اولیه نشان داد که میزان برداشت آب زیرزمینی در منطقه یادشده بیشتر از حد مجاز است. بنابراین به‌منظور بررسی اثرات اقتصادی، زیرسیستم کشاورزی شامل هفت محصول عمده منتخب شامل(گندم، سیب‌زمینی، یونجه، جو، ذرت، صیفی‌جات و سبزیجات) به مدل افزوده شد و میزان عملکرد واقعی و سود خالص حاصل از فروش محصولات شبیه‌سازی شد. با توجه به اهمیت منابع آب، دو سناریوی، آبیاری به میزان نیاز آبی محصولات و آبیاری با توجه به محدودیت منابع آب زیرزمینی تعریف شد و الگوی کشت برای منطقه مورد مطالعه پیشنهاد شد. بیشترین مقدار سود خالص برای آبیاری بر اساس شرایط واقعی در سال زراعی 98-1397 و همچنین دو سناریوی یادشده به ترتیب برابر با 531848، 538363 و 504579 میلیون ریال در سه حالت آبیاری بر اساس شرایط واقعی، نیاز آبی و محدودیت برداشت بود. بنابراین، آبیاری مطابق با نیاز آبی ضمن حفظ سود اقتصادی، کمترین آسیب را به آبخوان وارد کرده و نسبت به شرایط واقعی باعث بهبود تراز سطح آب به میزان سه متر و صرفه‌جویی سالانه 26.98 میلیون ‌متر مکعب آب می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Assessing the Effects of Cropping Pattern Changes on Groundwater Resources in Hamedan-Bahar Plain Using System Dynamics Approach

نویسندگان [English]

  • Parya Moradi 1
  • Hamed Nozari 2
  • Reza Bahramloo 3
1 PhD student in Water Resources, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
2 Associate Prof., Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamadan, Iran
3 Associate Prof, Agricultural and Natural Resources Research and Education Institute, Technical and Engineering Research Department, Hamedan, Iran.
چکیده [English]

In the present study, the soil-water environment and the aquifer of the Hamedan-Bahar Plain were modeled and simulated for 2018-19 to 2022-23, utilizing a system dynamics approach within the Vensim software environment. The degree of fit between the measured and simulated groundwater level values was assessed through the calculation of statistical indices, specifically the root mean square error (RMSE), the normalized root mean square error (NRMSE), the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (EF), and correlation coefficient (R²). The estimated values of these indices for the calibration period (2018-2021) were RMSE = 0.57, NRMSE = 0.02, EF=0.96, R² = 0.96 and PBIAS=-0.0056, while for the validation period (2021-2023), the values were RMSE= 0.45, NRMSE= 0.01, EF=0.99, R²= 0.99 and PBIAS=0.0054. These results indicate a high degree of accuracy in the model's simulation of groundwater levels. Initial investigations revealed that groundwater extraction exceeded the permitted limits. To evaluate the economic impacts of this over-extraction, an agricultural subsystem comprising of seven key crops (wheat, potato, alfalfa, barley, corn, vegetables, and summer crops) was integrated into the model. The actual performance and net profit derived from the sale of these strategic crops in the Hamedan-Bahar Plain were simulated. Ultimately, two irrigation scenarios were defined based on the water requirements of the crops and the constraints imposed by groundwater withdrawal limits. Consequently, the optimal cultivation pattern for the study area was proposed. The results indicated that the highest net profit for irrigated crops, based on actual conditions during the 2018-2019 amounted to 531,848, 538,363, and 504,579 M. Rials under the three irrigation modes actual conditions, water requirement, and harvest limitation, respectively. The implementation of irrigation practices aligned with crop water requirements not only sustained economic advantages but also minimized damage to the aquifer. This approach resulted in an increase in water levels by three meters relative to the current conditions and facilitated an annual water savings of 26.98 M.m3.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater level
  • Simulation model
  • Optimization
  • Aquifer management

مراجع

  1. اسدآبادی، احسان، اسدی، علی و کلانتری، خلیل، 1398. مدل­سازی پویای نظام آب­های زیرزمینی در آبخوان همدان– بهار. تحقیقات آب‌وخاک ایران، 50 ( 9) ، صص. 2340-2323.

10.22059/IJSWR.2019.273832.668096

  1. اسلامی، امیر، شیروانیان، عبدالرسول و زارعیان، غلامرضا، 1403. تأثیر اصلاح الگوی کشت بر بهر‌ه‌وری فیزیکی و اقتصادی آب آبیاری محصولات زراعی در استان فارس(بررسی موردی: دشت قادرآباد-مادرسلیمان). تحقیقات مهندسی سازه‌های آبیاری و زهکشی، 25(94)، صص. 38-17.

https://doi.org/10.22092/idser.2024.366325.1583

  1. افروزی، علی، مدل‌سازی آب زیرزمینی دشت همدان-بهار با رویکرد مدیریت جامع منابع آب و تغییر اقلیم. رساله دکتری، رشته مهندسی منابع آب- گرایش آبیاری و زهکشی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان.

امینی‌بازیانی، سمیرا، زارع ابیانه، حمید و اکبری، مهدی، 1393. برآورد دما و شاخص پوشش گیاهی سطح زمین با استفاده از داده‌های سنجش‌ازدور (مطالعه موردی: استان همدان). پژوهش­های جغرافیای طبیعی، 46(3)، صص. 348-333. doi:10.22059/jphgr.2014.52135

  1. جوزی، سید علی، عطائی، صدف و رونیاسی، نسیم، 1396. ارزیابی آسیب‌پذیری محیط زیستی آب­های زیرزمینی دشت بهار همدان به روش­های تلفیقی AVI و GODS، DRASTIC. نشریه حفاظت و بهره‌برداری از منابع طبیعی، 6(2), صص. 65-82.‎ 22069/EJANG.2019.8270.1233
  2. دفتر برنامه­ریزی کلان آب و آبفا، سالنامه آماری آب کشور 1394-1393، صص. 302.
  3. دفتر مطالعات پایه منابع آب، گروه مطالعات آب‌های زیرزمینی، شرکت سهامی آب منطقه‌ای همدان، 1401.
  4. سیدان، سید‌محسن و قدمی‌فیروزآبادی، علی، 1397. برآورد مبادله آب مجازی محصولات عمده زراعی (مطالعه موردی استان همدان). نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، 9(1), صص. 102-111.
  5. سیدان، سیدمحسن، کهنسال، محمدرضا، و قربانی، محمد، 1396. دستیابی به مسیر بهینه استحصال از منابع آب زیرزمینی با اعمال اثرات جانبی در دشت همدان- بهار. پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، 8(15)، صص. 191-.201
  6. شرکت آب منطقه­ای تهران، تهیه بیلان منابع آب منتهی به سال آبی 98 – 1397 در حوضه آبریز دریاچه نمک، مطالعات آب‌های زیرزمینی، جلد سوم، خرداد 1402. ص 117.
  7. شرکت مهندسین مشاور آبخوان، معاونت مطالعات پایه منابع آب، مطالعات بهنگام سازی بیلان منابع آب حوزه آبریز دریاچه نمک، گزارش بیلان منابع آب محدوده مطالعاتی همدان-بهار (4117) مرداد 1392.
  8. شعبانی، محمدکاظم، عابدی کوپایی، جهانگیر، اسلامیان، سعید، گوهری، علیرضا. (1402). تأثیر تغییر الگوی کشت و بهبود راندمان سیستم‌های آبیاری بر کاهش برداشت از منابع آب زیرزمینی تحت سناریوهای تغییر اقلیم (مطالعه موردی: دشت کوار), علوم و مهندسی آبیاری، 46(1)، صص.47-63

doi: 10.22055/jise.2022.38791.1994

  1. صرامی‌فروشانی، ترانه، بلالی، حمید و موحدی، رضا، 1400. ارزیابی شاخص‌های حکمرانی منابع آب زیرزمینی در بخش کشاورزی ایران : کاربرد چارچوب حکمرانی سازمان همکاری و توسعه اقتصادی در دشت همدان ـ بهار، تحقیقات اقتصاد و توسعه کشاورزی ایران، 52(3)، صص. 615-591.

doi: 10.22059/ijaedr.2021.313265.668972

  1. علیزاده، امین، 1390 اصول هیدرولوژی کاربردی. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد. ص 911.
  2. فتحی، سعید. شبیه‌سازی و ارزیابی اثرات انتقال آب از سد تالوار بر آبخوان دشت همدان-بهار، 1391، پایان‌نامه ارشد، دانشگاه سیستان و بلوچستان.
  3. مازندرانی زاده، حامد و شکوهی‌فر، یاسمن،1402. اثربخشی راهکارهای مدیریتی حفظ منابع آب زیرزمینی دشت مرودشت-خرامه با استفاده از پویایی سیستم‌ها. تحقیقات آب و خاک ایران، 54(3)، صص. 472-455 22059/ijswr.2023.351412.669399
  4. مرادی، پریا، 1397. شبیه‌سازی و بهینه سازی عملکرد سد با استفاده از روش مدل‌سازی پویایی سیستم، مطالعه موردی سد تنظیمی و بند انحرافی دز. پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی منابع آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان.
  5. معززی، فاطمه، یاوری، غلامرضا، موسوی، سید حبیب الله و باقری، مهرداد، 1399. ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر کشاورزی دشت همدان–بهار با تأکید بر بهره‌وری آب و امنیت‌ غذایی. مجله اقتصاد و توسعه کشاورزی، 34(3)، 305-323. doi: 10.22067/jead.2020.17793.0
  6. مهدوی ‌نجف‌آبادی، عاطفه، 1396. ارائه الگوی کشت بهینه متناسب با پارامترهای خاک و اقلیم مبتنی بر مدیریت کیفی منابع آب زیرزمینی در دشت‌های همدان-بهار و شهرکرد. پایان نامه دکتری مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا.
  7. نظری، بیژن، لیاقت، عبدالمجید، پارسی نژاد، مسعود. (1400). ارزیابی اثر توسعه سیستم‌های آبیاری، سناریوهای الگوی کشت و کم‌آبیاری بر بهره‌وری آب در شبکه آبیاری قزوین به روش پویایی سیستم‌ها، علوم و مهندسی آبیاری، 44(4)، صص. 108-93. doi: 10.22055/jise.2020.28076.1819
  8. نوذری، حامد و زالی، عادل،1392. بررسی وضعیت برداشت از آب زیرزمینی آبخوان دشت همدان. نشریه دانش آب و خاک ، 23(4) صص. 290 –
  9. نوذری، حامد، آزادی، سعید و مازوجی، ندا. 1398، شبیه‌سازی روند کیفی کانال آبیاری نهر شعبان با استفاده از روش تحلیل پویایی سیستم. مهندسی آبیاری و آب ایران، 9(3)، صص. 223-212.
  10. وفائی، مریم، نوذری، حامد و معروفی، صفر، 1399. تعیین حداقل قیمت آب شرب و بهینه‌سازی زمان جایگزینی لوله‌های شبکه توزیع آب شهری. مجله آب و فاضلاب، 32 (3)، صص. 39-21.
  11. Adly, N., Noiser, S., Kassem, N., Mahrous, M. and Salah, R. Modelling the optimal cropping pattern to 2030 under different climate change scenarios: A study on Egypt. African Journal of Agricultural and Resource Economics, 13(3), pp.224-239.
  12. Afruzi, A., Zare Abyaneh, H. and Abdolabadi, H. Local strategies to manage groundwater depletion under climate change scenarios—a case study: Hamedan-Bahar Plain (Iran). Arabian Journal of Geosciences, 14(15), p.1548
  13. Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D., and Smith, M. (1998). FAO Irrigation and Ddrainage Paper 56. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 56(97), e156.‏
  14. Asadollahi, A., Sohrabifar, A., Ghimire, A.B., Poudel, B. and Shin, S., The impact of climate change and urbanization on groundwater levels: A system dynamics model analysis. Environmental Protection Research, pp. 1-15.
  15. Balali, H., and Viaggi, D., Applying a system dynamics approach for modeling groundwater dynamics to depletion under different economical and climate change scenarios. Water, 7(10), pp. 5258-5271.
  16. Balali, H., Khalilian, S., Viaggi, D., Bartolini, F. and Ahmadian, M., Groundwater balance and conservation under different water pricing and agricultural policy scenarios: A case study of the Hamadan-Bahar plain. Ecological Economics, 70(5), pp. 863-872.
  17. (2017). the future of food and agriculture: Trends and Challenges. Rome, FAO.
  18. Forrester, J.W. (1997). Industrial dynamics. Journal of the Operational Research Society 48(10), 1037–1041.
  19. Huang, Y.H., Lai, Y.J. and Wu, J.H., A system dynamics approach to modeling groundwater dynamics: case study of the Choshui River basin. Sustainability, 14(3), p.1371.
  20. Jia, X., O'Connor, D., Hou, D., Jin, Y., Li, G., Zheng, C., Ok, Y.S., Tsang, D.C. and Luo, J., Groundwater depletion and contamination: Spatial distribution of groundwater resources sustainability in China. Science of the Total Environment, 672, pp.551-562.
  21. Mahdavinia, R. and Mokhtar, A., 2019. Dealing with sustainability in groundwater management using system dynamics approach, A case study in Iran. Sustainable Water Resources Management, 5(4), pp.1405-1417.
  22. Mokhtar, A. and Aram, S., Systemic insights into agricultural groundwater management: Case of Firuzabad Plain, Iran. Water Policy, 19(5), pp.867-885.
  23. Nozari, H., Moradi, P. and Godarzi, E., Simulation and optimization of control system operation and surface water allocation based on system dynamics modeling. Journal of Hydroinformatics, 23(2), pp.211-230.
  24. Roberts, E. B. (1981). Managerial Applications of System Dynamics (No. 04; HD31, R6.).
  25. Rath, A., Samantaray, S., and Swain, P. C. (2019). Optimization of the cropping pattern using cuckoo search technique. In Smart Techniques for a Smarter Planet: Towards Smarter Algorithms (pp. 19-35). Cham: Springer International Publishing.‏
  26. Sarami-Foroushani, T., Balali, H., Movahedi, R., Kurban, A., Värnik, R., Stamenkovska, I.J. and Azadi, H., Importance of good groundwater governance in economic development: The case of western Iran. Groundwater for Sustainable Development, 21, p.100892.
  27. Scheihing, K.W., Fraser, C.M., Vargas, C.R., Kukurić, N. and Lictevout, E., A review of current capacity development practice for fostering groundwater sustainability. Groundwater for Sustainable Development, 19, p.100823.
  28. Shin, S., Aziz, D., Jabeen, U., Bano, R. and Burian, S.J., A trade-off balance among urban water infrastructure improvements and financial management to achieve water sustainability. Urban Water Journal, 19(2), pp.195-207.
  29. Xi, X. and Poh, K.L. 2013. Using system dynamics for sustainable water resources management in Singapore. Procedia Computer Science, 16:157-166.
پژوهش آب در کشاورزی
دوره 39، شماره 4
اسفند 1404
صفحه 405-429

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار