پژوهش‌های حفاظت آب و خاک (Sep 2021)
مدیریت بهینه برداشت منابع آب‌های زیرزمینی با استفاده از الگوریتم‌های NSGA-Ⅱ، SPEA-Ⅱ و PESA-Ⅱ (مطالعه موردی: دشت سیلاخور)
Abstract
سابقه و هدف: سطح آب‌های زیرزمینی دشت سیلاخور هم‌زمان با رخداد خشکسالی‌های پی‌درپی، رشد صنعت و افزایش نیازهای آبی کاهش چشمگیری داشته است. علاوه بر این الگوی کشت منطقه نیز در سال‌های اخیر به سمت کشت محصولات آب‌بر میل کرده است که مجموعه این رویدادها ضرورت مدیریت کارآمد در تخصیص منابع محدود آب این منطقه را می‌رساند. در این پژوهش به‌منظور مدیریت پایدار منابع آب‌های زیرزمینی، به تعیین الگوی کشت بهینه محصولات عمده زراعی دشت سیلاخور، باهدف حداکثرسازی درآمد خالص کشاورزان و محدودیت‌های آب و زمین در دسترس پرداخته شده است. در این راستا دو رویکرد استفاده از برنامه‌ریزی خطی و استفاده از الگوریتم‌های فرا اکتشافی چندهدفه در سناریوهای مختلف برداشت بررسی شده و عملکرد توابع جریمه مختلف در الگوریتم‌ها نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین نحوه تغییر الگوی کشت بهینه با افزایش برداشت از آب‌های زیرزمینی نیز مورد بررسی قرار گرفته است.مواد و روش‌ها: در گام نخست پس از مدل‌سازی بارش 10 سال گذشته با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و برنامه‌ریزی ژنتیکی و انتخاب مدل بهتر از نظر دقت، بارندگی سه سال آینده پیش‌بینی شده و تغذیه آب‌های زیرزمینی ناشی از آن تخمین زده شد. سپس برای هرسال زراعی 100 سناریو برداشت مختلف باتوجه‌به میزان تغذیه آبخوان‌ها و میزان برداشت آب در سال‌های گذشته، در نظر گرفته شد. در گام دوم با استفاده از برنامه‌ریزی خطی باهدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و محدودیت‌های آب و زمین در دسترس، الگوی کشت بهینه در سناریوهای برداشت تعیین شده، به دست آمد. در نهایت به‌منظور نامقیدسازی مسئله، محدودیت‌های ذکر شده به‌صورت توابع جریمه ساکن، پویا و پویای طبقه‌بندی شده در نرم‌افزار MATLAB، پیاده‌سازی شدند. سپس عملکرد سه الگوریتم NSGA-Ⅱ، SPEA-Ⅱ و PESA-Ⅱ با توابع هدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و حداقل‌سازی میزان جریمه، برای رسیدن به الگوی کشت بهینه حاصل از برنامه-ریزی خطی مورد بررسی قرار گرفت.یافته‌ها: نتایج این پژوهش حاکی از آن است که هرچند با افزایش برداشت از آب‌های زیرزمینی، در الگوی کشت بهینه درآمد کشاورزان افزایش می‌یابد؛ اما به دلیل محدودیت کل زمین در دسترس برای کشاورزی در دشت سیلاخور، در برداشت‌های بیشتر از 5/223، 2/225 و 1/225 میلیون مترمکعب به ترتیب برای سال‌های زراعی 1400-1399، 1401-1400 و 1402-1401، سطح زیر کشت محصولات ثابت مانده و به دنبال آن درآمد کشاورزان نیز تغییر نمی‌کند. نتایج بررسی الگوریتم‌ها و توابع جریمه نیز نشان می‌دهند که در این مسئله بهترین عملکرد در میان الگوریتم‌ها به ترتیب متعلق به الگوریتم‌های SPEA-Ⅱ، PESA-Ⅱ و NSGA-Ⅱ با میانگین تعداد تکرارهای 1/12، 5/14 و 8/17 است. در میان توابع جریمه نیز در هر سه الگوریتم، بهترین عملکرد به ترتیب متعلق به توابع جریمه پویای طبقه‌بندی شده، پویا و ساکن با میانگین تعداد تکرارهای 1/13، 7/13 و 5/17 می‌باشد.نتیجه‌گیری: به‌طورکلی می‌توان دریافت که بهینه‌سازی الگوی کشت در سناریوهای برداشت مختلف، نگاهی جامع در اختیار مسئولان برای مدیریت پایدار منابع ارزشمند و محدود آب و تخصیص بهینه آن قرار می‌دهد. در همین راستا استفاده از الگوریتم SPEA-Ⅱ با تابع جریمه پویای طبقه‌بندی‌شده در تعین الگوی کشت بهینه نتایج مطلوبی به دنبال دارد.
Keywords
