برنامه‌ریزی الگوی کشت بهینه محصولات کشاورزی با استفاده از ترکیب مدل شبیه‌سازی SWAT و الگوریتم بهینه‌سازی جستجوی هارمونی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید بهشتی

2 هیأت علمی، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

در این تحقیق با استفاده از رویکرد شبیه‌سازی- بهینه‌سازی، یک مدل مبتنی بر تلفیق شبیه‌سازی روابط آب- خاک- گیاه و بهینه‌سازی تخصیص آبیاری و الگوی کشت محصولات کشاورزی ارائه شده است. بدین منظور، با استفاده از ترکیب مدل شبیه‌سازی SWAT و الگوریتم بهینه‌سازی جستجوی هارمونی (Harmony Search) و توسعه مدل HS-SWAT، مسأله بهینه‌سازی الگوی کشت محصولات کشاورزی در دشت آزادگان در حوضه آبریز کرخه تحلیل شده است. مسأله در قالب دو سناریو حل گردیده که در سناریوی اول الگوی کشت بهینه با تابع هدف بیشینه سود خالص سالیانه و قیود محدودیت حجم آب مصرفی و حداکثر زمین قابل کشت تعیین شده و در سناریوی دوم مساله تخصیص بهینه آبیاری برای الگوی کشت فعلی مورد استفاده در دشت مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا، تأثیر تغییر الگوی کشت بر مؤلفه‌های بیلان آبی دشت از جمله میزان رواناب خروجی، نفوذ عمقی، میزان ذخیره آب در خاک و تبخیر و تعرق نیز بررسی شده است. با توجه به محدودیت‌های آب مصرفی و سطح اراضی قابل کشت اعمال شده در مدل، سود خالص سالیانه به ترتیب در سناریو‌های اول و دوم ۳۱۴% و ۲۳% نسبت به سناریو پایه (شرایط فعلی) افزایش نشان می‌دهد. همچنین حجم آب مصرفی در سناریو اول ۲۸% و در سناریو دوم 49% نسبت به شرایط کنونی کاهش نشان می‌دهد. بر این اساس، پیاده‌سازی رویکرد مورد استفاده در این تحقیق در برنامه‌ریزی الگوی کشت محصولات کشاورزی می‌تواند ضمن افزایش سود ناشی از تولید محصولات منجر به کاهش میزان آب مصرفی در شرایط فعلی حاکم بر منابع آب کشور گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimum Multi Crop Pattern Planning By Integration of SWAT Simulation Model and the Harmony Search Optimization Algorithm

چکیده [English]

Crop planning and water resources allocation to the agricultural demands in arid and semi-arid regions such as Iran are a serious challenge. One of the procedures to meet this challenge is to devise approaches for determining the optimal crop patterns based on the limited water resources. In this study, a simulation-optimization approach was applied in which SWAT (Soil and Water Assessment Tool) has been applied for simulating the complex climate-soil-plant relationships. The Harmony Search (HS) algorithm has been coupled with SWAT to find the optimal irrigation plan and crop pattern in two scenarios in the Azadegan plain in the Karkheh basin southeast of Iran. In the first scenario, the crops pattern was the variable of the model while in the second one it was predefined as the existing situation in the pain. The objective function of the coupled model was to maximize the net profit subject to the total available land and water constraints. Results obtained by the developed model show that the net profit gained in the plain has a potential of increasing up to 213% in the first and 25% in the second scenario while the water consumption decreased 28% and 48% respectively comparing to the present situation of the plain. Accordingly, the performance of the HS-SWAT model indicates its capability for solving the optimum crop pattern and irrigation planning problems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optimum Crop pattern
  • Water Allocation Planning
  • SWAT
  • harmony search algorithm
Ashraf Vaghefi S, Mousavi SJ, Abbaspour KC, Srinivasan R, Arnold JR (2015) Integration of hydrologic and water allocation models in basin scale water resources management considering crop pattern and climate change: Karkheh River Basin in Iran. Regional Environmental Change 15:475-484

Ayvaz MT (2009) Application of harmony search algorithm to the solution of groundwater management models.  Advance Water Resources 32(6):916–924

Cisty M (2008) Automated calibration of the simulation model of irrigation projects by harmony search optimization. Water Land Development 12(1):3–13

Faramarzi M, Yang H, Schulin R, Abbaspour KC (2010) Modeling wheat yield and crop water productivity in Iran: Implications of agricultural water management for wheat production. Agriculture and Water Management 97(11):1861–1875

Garcia-Vila M, Fereres E (2012) Combining the simulation crop model AquaCrop with an economic model for the optimization of irrigation management at farm level. European Journal of Agronomy 36:21– 31

Gassman PW, Reyes MR, Green CH, Arnold JG (2007) The soil and water assessment tool: Historical development, applications, and future research directions. Transactions of the ASABE 50(4):1211–1250

Geem ZW, Kim JH, Loganathan GV (2001) A new heuristic optimization algorithm:harmony search. Simulation 76(2):60-68

Geem ZW (2006) Optimal cost design of water distribution networks using harmony search. Engineering Optimization 38(3):316–323

Geem ZW (2007) Optimal scheduling of multiple dam system using harmony search algorithm. Lecture Notes in Computer Science 4507:316–323

Geem ZW, Cho YH (2011) Optimal design of water distribution networks using parameter-setting-free harmony search for two major parameters. Water Resources Planning and Management 137(4):377–380

Iran Water and Power Resources Development Company IWPC (2010) Systems approach to Karkheh River Basin water resources projects. IWPC Research Development (in Persian)

Lu HW, Huang GH, He L (2012) Simulation-based Inexact Rough-Interval Programming for agricultural irrigation management: a case study in the Yongxin Country, China. Water Resources Management 26:4163–4182

Mahdavi M, Fesanghary M, Damangir E (2007) An improved harmony search algorithm for solving optimization problems. Applied Mathematics and Computation 188:1567–1579

National Water Document (2000) Crops Net Water Requirement. Iran Meteorological Department. Ministary of Agriculture (in Persian)

Singh A (2014) Simulation and optimization modeling for the management of groundwater resources. II: Combined applications. Irrigation and Drainage Engineering 140(4):04014002

Singh A, Panda SN (2013) Optimization and simulation modeling for managing the problems of water resources. Water Resources Management 27(9):3421–3431