برنامه‌ریزی الگوی کشت بهینه کشاورزی با لحاظ اندرکنش منابع آب سطحی و زیرزمینی با استفاده از ترکیب مدل‌های SWAT و MODFLOW و الگوریتم ازدحام دسته ذرات (PSO)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران ایران.

3 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتى

چکیده

در کشورهای دارای اقلیم خشک نظیر ایران، منابع آب سطحی و زیرزمینی به علت استفاده بیش از حد و فاقد مدیریت بهم پیوسته تحت فشار و تنش‌ قرار دارد. بررسی تعاملات بین آب سطحی و زیرزمینی و پیدا کردن یک استراتژی مناسب برای مدیریت منابع آب، برای حفظ و پایداری این منابع ضروری می‌باشد. هدف مطالعه حاضر، بهینه‌سازی تخصیص منابع آب به محصولات کشاورزی در دشت اشتهارد واقع در استان البرز است که در آن آبخوان، یک منبع مهم برای زراعت آبی می‌باشد و به علت برداشت بیش از حد از آبخوان، افت شدید سطح آب آبخوان به مسأله بحرانی در منطقه تبدیل شده است. به این منظور، با استفاده از یک رویکرد شبیه‌سازی- بهینه‌سازی تعاملات آب سطحی و زیرزمینی مورد بررسی قرار گرفته که در آن با استفاده از مدل‌های SWAT و  MODFLOW به ترتیب حوضه آبریز و عملکرد محصولات کشاورزی و رفتار آبخوان و سطح آب زیرزمینی شبیه‌سازی شده و الگوی کشت بهینه کشاورزی در دشت با استفاده از الگوریتم PSO به دست آمده است. متغیرهای تصمیم در مسأله بهینه‌سازی، سطح زیرکشت محصولات آبی و میزان آبیاری هر یک از محصولات است و تابع هدف مسأله، بیشینه‌سازی سود به دست آمده از تولیدات محصولات زراعی است. محدودیت اصلی حاکم بر مسأله نیز این است که سطح آب زیرزمینی از سطح پایداری آبخوان نبایستی پایین‌تر رود. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که در شرایط بهینه، میزان افت سطح آب‌ زیرزمینی کاهش یافته و آبخوان با بحران‌ کمتری در طول دوره بهره‌برداری مواجه شده است. برای نیل به این هدف، در جواب بهینه بخشی از سطح زیر کشت گندم زمستانه و پنبه با جوی زمستانه جایگزین شده و مقدار آبیاری بهینه با کاهش %45، %7 و %10 به ترتیب برای گندم زمستانه، جوی زمستانه و پنبه باعث کاهش برداشت آب از آبخوان شده است. پس از اعمال این تغییرات سود حاصل از عملکرد محصول گندم زمستانه و پنبه به ترتیب %35 و %13 کاهش و جو %49 افزایش یافته که به طور کلی منجر به افزایش سود تولید محصولات آبیاری به میزان %4 شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Planning the Optimum Crop Pattern Considering Surface and Groundwater Resources Interaction by Coupling SWAT, MODFLOW and PSO

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Akbari 1
  • Mojtaba Shourian 2
  • Ali Moridi 3
1 Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
3 Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In arid regions, excessive use without proper management put water resources under immense pressure and multiple stresses. Finding a good strategy for water resources management is essential to preserve sustainability in such regions. This study aimed at optimizing the water use for the agricultural crops in the Eshtehard watershed in Iran, where the aquifer is a strategic resource for irrigated agriculture and is facing intensive drawdown due to over extraction. A hydro-agronomic simulation-optimization approach is used for surface and groundwater modeling in which the agricultural production and water level variation are simulated by linking SWAT and MODFLOW and the optimal crops pattern is searched for by the PSO algorithm. The crops’ area and their irrigation water consumption are the decision variables with the objective of maximizing the net benefit gained from the crops’ yield while the groundwater drawdown is limited to a pre-defined stability level. Results showed that in the optimum state, irreparable damage to groundwater depletion is reduced. To this result, a part of area cultivated by winter wheat and cotton must be replaced by winter barley which results in reduction of the groundwater extraction for winter wheat, winter barley and cotton by 45%, 7%, and 10%, respectively. Also, after the application of these changes, the profit from winter wheat and cotton crops decreased by 35% and 13%, respectively, and that for barley increased by 49%, which generally increased the production profit of irrigation products by 4%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Watershed Management
  • Crop pattern planning
  • Groundwater stability
  • Hydro-agronomic modeling
Abbaspour K C, Johnson C A, & van Genuchten M T (2004) Estimating uncertain flow and transport parameters using a sequential uncertainty fitting procedure. Vadose Zone Journal 3(4):1340–1352
Abbaspour K C, Yang J, Maximov I, Siber R, Bogner K, Mieleitner J, Zobrist J, & Srinivasan R (2007) Modelling hydrology and water quality in the pre-alpine/alpine Thur watershed using SWAT. Journal of Hydrology 333(2–4):413–430
Čerkasova N, Umgiesser G, & Ertürk A (2018) Development of a hydrology and water quality model for a large transboundary river watershed to investigate the impacts of climate change – A SWAT application. Ecological Engineering 124 (August):99–115
Fredericks B J W, Labadie J W, & Altenhofen J M (1998) Decision support system for conjunctive stream-aquifer management By Jeffrey W Fredericks; Member ASCE John W Labadie, 2 Member ASCE and Jon M Altenhofen, 3 Member ASCE 124(2):69–78
Guzman J A, Moriasi D N, Gowda P H, Steiner J L, Starks P J, Arnold J G, & Srinivasan R (2015) A model integration framework for linking SWAT and MODFLOW. Environmental Modelling and Software 73:103–116
Kollet S J, & Maxwell R M (2006) Integrated surface-groundwater flow modeling: A free-surface overland flow boundary condition in a parallel groundwater flow model. Advances in Water Resources 29(7):945–958
McDonald M G & Harbaugh A W (2003) The history of MODFLOW. In Ground Water 41(2):280–283
Melaku N D & Wang J (2019) A modified SWAT module for estimating groundwater table at Lethbridge and Barons, Alberta, Canada. Journal of Hydrology 575(May):420–431
Mostafaei-avandari M & Ketabchi H (2019) Optimal extraction from coastal groundwater resources using parallel-processing based simulation-optimization decision model (Case Study of Ajabshir coastal aquifer, Iran). Iran-Water Resources Research 15(3):33–48 (In Persian)
Mousavi S J & Shourian M (2010) Adaptive sequentially space-filling metamodeling applied in optimal water quantity allocation at basin scale. Water Resources Research 46(3):1–13
Najjarghabel S, Zarghami M, Akhbari M, & Nadiri A (2019) Groundwater management in Ardabil plain using agent-based modeling. Iran-Water Resources Research 15(3):1–16 (In Persian)
Rafiee V, Shourian M, & Attari J (2017) Optimum crop patterning by integrating SWAT and the harmony search optimization algorithm. Iran-Water Resources Research 13(3):73–88 (In Persian)
Ross M, Geurink J, Said A, Aly A, & Tara P (2005) Evapotranspiration conceptualization in the HSPF-MODFLOW integrated models. Journal of the American Water Resources Association 41(5):1013–1025
Bailey R, Records R M, Wible T C, & Arabi M (2016) Assessing regional-scale spatio-temporal patterns of groundwater–surface water interactions using a coupled SWAT-MODFLOW model. Hydrological Processes 30(23):4420–4433
Saghi-jadid M & Ketabchi H (2019) Restoration management of groundwater resources using the combined model of numerical simulation– evolutionary ant colony optimization. Iran-Water Resources Research 15(2) (In Persian)
Singh A (2014) Conjunctive use of water resources for sustainable irrigated agriculture. Journal of Hydrology 519(PB):1688–1697
Singh A & Panda S N (2012) Development and application of an optimization model for the maximization of net agricultural return. Agricultural Water Management 115:267–275
Sith R, Watanabe A, Nakamura T, & Yamamoto T (2019) Assessment of water quality and evaluation of best management practices in a small agricultural watershed adjacent to Coral Reef area in Japan. Agricultural Water Management 213(July 2017):659–673
Stefania G A, Rotiroti M, Fumagalli L, Simonetto F, Capodaglio P, Zanotti C, & Bonomi T (2018) Modeling groundwater/surface-water interactions in an Alpine valley (the Aosta Plain, NW Italy): The effect of groundwater abstraction on surface-water resources. Hydrogeology Journal 26(1):147–162
Wei X, Bailey R T, Records R M, Wible T C, & Arabi M (2018) Comprehensive simulation of nitrate transport in coupled surface-subsurface hydrologic systems using the linked SWAT-MODFLOW-RT3D model. Environmental Modelling and Software 122: 104242
Weill S, Mazzia A, Putti M, & Paniconi C (2011) Coupling water flow and solute transport into a physically-based surface-subsurface hydrological model. Advances in Water Resources 34(1):128–136
Wu X, Zheng Y, Wu B, Tian Y, Han F, & Zheng C (2015) Optimizing conjunctive use of surface water and groundwater for irrigation to address human-nature water conflicts: A surrogate modeling approach. Agricultural Water Management 163:380–392
Zeinali M, Azari A, & Heidari M M (2020) Multiobjective optimization for water resource management in low-flow areas based on a coupled surface water–groundwater model. Journal of Water Resources Planning and Management 146(5):04020020