کاربرد مدل‌های SWAT و SWAP در مدیریت آبیاری برنج براساس ویژگی‌های آب، خاک و زه‌آب در شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود

STUDENT

DEGREE

YEAR

Although SWAT is a comprehensive hydrological model to evaluate chemical pollutant of watershed, but is not able to simulate salinity. Salinity is a major concern of watershed area all around the world. Therefore, in this study a new idea was applied to the SWAT model to simulate salinity (EC) for watershed. In this idea, in the input data, the nitrogen input parameters are replaced by salinity, assuming that the nitrogen cycle parameters are zero. A part of the Qezelozan river in the Sefidroud watershed, the largest watershed of Caspian sea, located at northern part of Iran, was selected to evaluate this idea with SWAT model using data of 2001- 2013. In addition to salinity, discharge of Qezelozon river at three main stations of Gilvan, Mahneshan and Gharehgoni was simulated using SWAT model. Due to importance of SCS runoff curve number (CN2) as input parameter to the model, for salinity and flow simulation, two-step calibration method was applied to improve simulation of flow and salinity. In this approach, the CN2 values for different land uses of Sefidroud watershed were optimized using SUFI2 model. Then, applying CN2 values as constants in SWAT model, other input parameters affecting salinity and flow simulation were selected and applied to the SWAT model. The results showed that two-step calibration method and applying uncertainty sources improved salinity simulation in the SWAT model. The satisfactory salinity simulation with low uncertainty was obtained for Sefidroud watershed using new idea in SWAT model based on R 2 and NSE of more than 50%. The use of SWAT model based on new idea for salinity simulation of river flow of other watersheds, based on different land uses is recommended. Criteria affecting Sefidroud irrigation and drainage networks' performance were studied using TOPSIS-Entropy theory to select appropriate sites for cultivating rice. Sefidroud Irrigation and Drainage Network includes three sub-networks of Foumanat, Central and Eastern with 17 irrigation sub-sub-networks. The six criteria of technical, managerial, environmental, economic, social and soil-climatic with 34 sub-criteria were selected to assess Sefidroud Irrigation and Drainage Networks' performance for three scenarios of A (including all criteria), B (all criteria except technical and managerial criteria) and C (only soil-climate criteria). The criteria and sub-criteria were weighted using Entropy model and coded in TOPSIS model. Results showed the criteria of technical, economic and managerial had the highest importance and the criteria of environmental and soil-climatic had the lowest importance for ranking irrigation sub-sub-networks to select suitable sites for cultivating rice. Farm demand, income ratio and rainfall were the most important sub-criteria for scenarios A, B and C, respectively. Fomanat sub-network was the best site for cultivating rice. The use of TOPSIS and Entropy models to manage irrigation networks is recommended. Keywords: SWAT , salinity, TOPSIS-Entropy theory, Sefidroud watershed, rice production.

با کاهش منابع آب، استفاده از پساب‌های صنعتی، شهری و کشاورزی به عنوان منابع آب غیرمتعارف نقش مهمی در مدیریت مقابله باکمبود آب دارد. بخش کشاورزی، به دلیل مصرف زیاد آب دارای حجم زیادی پساب است. استفاده از پساب کشاورزی (زه‌آب) به دلیل کاهش آلودگی زیست محیطی، کاهش هزینه تأمین منابع آب جدید، کاهش هزینه نهاده‌های کشاورزی و افزایش حاصلخیزی خاک دارای اهمیت زیادی در منابع آب آبیاری است. شوری، نیترات، فسفات و فلزات سنگین مهم‌ترین آلاینده‌های تشکیل‌دهنده پساب‌های کشاورزی هستند که در این میان شوری نقش مهم‌تری در محدودیت بهره‌وری محصولات زراعی دارد. امروزه پایش کمیت و کیفیت آب‌های نامتعارف نظیر زه‌آب‌ها و بررسی تأثیر آن‌ها در عملکرد محصولات کشاورزی توسط مدل‌های شبیه‌ساز امکان‌پذیر است. برنج از پرمصرف‌‌ترین محصولات کشاورزی جهان است که به حجم زیادی آب آبیاری نیاز دارد. علاوه بر کمیت، کیفیت آب آبیاری نیز در عملکرد محصول برنج موثر است. استان گیلان یکی از مهم‌ترین مراکز تولید برنج ایران است که رودخانه سفیدرود از طریق شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود آب آبیاری بخش عمده ای از اراضی شالیزاری استان گیلان را تأمین می‌کند. رودخانه سفیدرود در ابتدای ورودی استان گیلان از به هم پیوستن رودخانه‌های قزل‌اوزن و شاهرود تشکیل می‌شود. احداث سدهای زیاد در بالادست، وقوع خشکسالی‌های اخیر و کاهش کمیت و کیفیت آب ورودی به استان گیلان موجب شده است که استان گیلان با بحران کمی و کیفی منابع آب مواجه شود. بنابراین پایش کمی و کیفی منابع آب در بالادست و پایین‌دست حوضه، راهکار موثری برای استفاده بهینه از آب‌های غیرمتعارف نظیر آب زهکش‌ها به منظور آبیاری اراضی شالیزاری است. در این پژوهش، با هدف پایش دبی و شوری آب از زیرحوضه‌های بالادست تا کانال اصلی زهکشی در استان گیلان برای سال‌های 93-1380 و بررسی استفاده از آن در آبیاری اراضی شالیزاری شش هدف در نظر گرفته شد: 1- استفاده از مدل SWAT برای بررسی کمیت و کیفیت آب رودخانه قزل‌اوزن (اصلی ترین تأمین کننده آب رودخانه سفیدرود) تا نقطه ورودی به استان گیلان، 2- استفاده از مدل‌های SWAT و ARIMA برای بررسی تجارت آب مجازی برنج درون حوضه آبریز سفیدرود، 3- اعمال مدیریت شوری آب آبیاری و تنش برای پش‌بینی کاهش عملکرد محصول برنج از طریق مدل‌سازی منطقه‌ای SWAP، 4- انتخاب واحد عمرانی بهینه در یکی از زیرشبکه‌های شرقی، مرکزی و غربی شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود برای کشت محصول برنج با استفاده از مدل TOPSIS-Entropy، 5- تعیین نقاط مناسب بهره‌برداری مستقیم از زه‌آب در کانال زهکشی یک واحد عمرانی براساس مدل‌های SWAT و SWA و 6- اختلاط آب آبیاری و زهکشی براساس بهینه‌سازی مدیریت آبیاری اراضی شالیزاری با تلفیق مدل‌های SWAP و الگوریتم ژنتیک به منظور افزایش بهره‌وری براساس متغیرهای تصمیم عمق آب آبیاری، دوره تناوب و درصد اختلاط آب زهکشی در مراحل مختلف رشد برنج. در این راستا، راهکار نوینی در مدل SWAT ارائه شد تا مدل بدون ورود به چرخه نیتروژن، پارامتر شوری آب را به جای نیتروژن شبیه‌‌سازی نماید. نتایج نشان داد که ضعیف‌ترین عملکرد مدلSWAT درشبیه‌سازی دبی رودخانه قزل‌اوزن مربوط به بالادست و بهترین نتیجه مربوط به پایین دست محدوده مورد مطالعه می باشد. جایگزینی شوری به جای نیتروژن بدون ورود به چرخه نیتروژن شیوه مناسبی در شبیه‌سازی شوری توسط مدل SWAT است. در برآورد آب مجازی مشخص شد که، کشت گندم در حاشیه قزل‌اوزن و کشت برنج در شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود مناسب است. بررسی مدل‌سازی منطقه‌ای عملکرد محصول برنج تحت مدیریت‌های خشکی و شوری آب آبیاری توسط مدل SWAP در شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود نشان داد که مدل SWAP در برآورد عملکرد محصول برنج در تمام واحدهای عمرانی شبکه آبیاری سفیدرود با ضریب R 2 بیش از 70/0 و ضریب NSE بیش از 50/0 دارای دقت خوبی است. نتایج مدل SWAP نشان داد که با توجه به شرایط خشکی و شوری آینده رودخانه سفیدرود، زیرشبکه فومنات برای کشت برنج مناسب‌تر است. مدل ترکیبی TOPSIS-Entropy نشان داد در شبکه آبیاری سفیدرود معیارهای خاک- اقلیم و فنی به ترتیب کمترین و بیشترین اهمیت را در ارزیابی عملکرد شبکه آبیاری دارند. با استفاده از مدل TOPSIS-Entropy برای رتبه‌بندی واحدهای عمرانی شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود، زیرشبکه فومنات مکان مناسب‌تری برای کشت برنج است. در پایش کمی و کیفی مدل SWAT برای یکی از کانا‌ل‌های اصلی زهکشی در زیرشبکه شرقی، زیرحوضه‌های ابتدای کانال زهکشی به دلیل مناسب بودن مقادیر شوری آب و عملکرد محصول برنج مکان های مناسبی برای استفاده مستقیم از زه‌آب در آبیاری اراضی شالیزاری بودند. بررسی مدل‌های مختلف بهینه‌سازی نشان داد که در شرایط بحران خشکسالی و افزایش شوری منابع آب، مدیریت آبیاری متناوب با عمق آب آبیاری، دوره تناوب و درصد اختلاط آب زهکشی متغیر برای فصل رشد برنج قابل توصیه است. راهکار ارائه شده در این پژوهش، به منظور مدیریت آبیاری اراضی شالیزاری و پایش کمی و کیفی آب از بالادست حوضه آبریز نقش موثری در مکان‌سنجی کشت برنج و آبیاری اراضی شالیزاری با استفاده از زه‌آب دارد. واژه‌های کلیدی: شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود، برنج، الگوریتم ژنتیک، شوری، قزل‌اوزن، TOPSIS