SUPERVISOR
Manouchehr Heidarpour,Hamid Reza Safavi
منوچهر حیدرپوراسفرجانی (استاد راهنما) حمیدرضا صفوی (استاد مشاور)
STUDENT
AHMAD MEHRABI
احمد مهرابی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Conjunctive Management of Surface Water and Groundwater Resources Using Gravitational Search Algorithm (GSA). Case study: Qazvin irrigation network
Conjunctive use of surface and groundwater resources in irrigation networks has a valuable role in the management and planning of water resources with the aim of saving groundwater consumption and increasing the water productivity index. In recent years, linked simulation-optimization models have been recognized as one of the successful solutions to conjunctive use problems. In this paper, the gravitational search meta-heuristic algorithm was used to develop the optimization model and the neural network simulation model was used to estimate the groundwater drawdown. The study area was west of Qazvin plain irrigation network in Iran. In this regard, first, the drought index of the statistical period on the average rainfall of the area was determined by SPI method and three water years consisting o dry, normal and wet in this period was determined. Then, based on the data analysis of piezometers in the study area, this area was divided into two zones: low drawdown or zone 1 ( annual average cumulative drawdown of less than 2.2 meters) and high drawdown zone or zone 2 ( annual average cumulative drawdown of more than 2.2 meters) and 9 scenarios were defined for each area. These scenarios include three crop patterns in dry, wet and normal years. The selected crop patterns included one existing crop pattern and two other patterns based on the crop pattern proposed by Jihad-e-Keshavarzi to the network management. From combining three years of climate index with these three crop patterns in each zone, 9 scenarios and a totally 18 scenarios were determined. The monthly water demand of crops in each zone was calculated each year by calculating the monthly evapotrairation of crops using the modified FAO Penman-Monteith method and using CROPWAT 8 software and finally subtraction from the effective monthly rainfall. Next, the simulation model of each zone was made using an Artificial Neural Network(ANN); This model has 17 series of input data including meteorological, hydrological and water resources data and 5 neurons in the hidden layer and a series of output data including groundwater level variations and was defined as 1-5-17. The optimization model was programmed by the gravitational search algorithm method for each scenario in MATLAB environment. The variables including cultivated areas for each crop, monthly extractions of surface water resources and monthly groundwater extractions of groundwater resource were defined. Eventually the two models were combined. The objective of these combined models is reaching to maximum net economic benefit with the constraint of allowable of drawdown in groundwater level by deficit irrigation and modifying the crop pattern. Based on net economical benefit and water productivity, in all model scenarios except normal year scenarios in zone 1, the best crop patterns are II, I and then existing crop pattern, respectively. In normal year scenarios for zone 1, the best net benefit and the best water productivity is assigned to I, II and then existing crop pattern, respectively. In all scenarios, in different climatic conditions, wet, normal and dry have the highest net economic benefits, respectively. The percentage of total water supply in the scenarios of the zone 1 was estimated between 78 to 93% and in the scenarios of the zone 2 between 76 to 97%. From the view of water supply adequacy in different months, the highest monthly stress occurs in March to June. The highest cultivated areas were related to the first crop pattern scenarios in both zones. The lowest cultivated areas occurred in dry year scenarios. The results show that the simulation-optimization models can decrease the groundwater drawdown in all scenarios by 0.77 m to 1.84 m in zone 1, and by 1.28 m to 1.97 m in zone 2. Furthermore, by replacing the existing crop pattern with two other ones, NB is increased by 35.5% to 53.7% in the zone 1 and by 24.9% to 59.7% in the zone 2. Additionally, the net benefit per unit water consumption volume is increased by 18.9% to 32.2% in zone 1 and by 9% to 52.6% in zone 2. Key Words: Gravitational Search Algorithm (GSA), Artificial Neural Network(ANN), Optimization, Crop pattern, Deficit irrigation, Conjunctive use.
مصرف تلفیقی منابع آبهای سطحی و زیرزمینی در شبکه های آبیاری نقش ارزنده ای در مدیریت و برنامه ریزی منابع آبی با اهداف صرفه جویی در مصارف آب زیرزمینی و افزایش شاخص بهره وری آب دارد. در سالهای اخیر مدلهای بهم پیوسته شبیه ساز-بهینه ساز به عنوان یکی از راه حلهای موفق در حل مسائل بهره برداری تلفیقی شناخته شده اند. در این مقاله از الگوریتم فراابتکاری جستجوی گرانشی جهت توسعه مدل بهینه ساز و از مدل شبیه ساز شبکه عصبی جهت برآورد افت سطح آب زیرزمینی استفاده شد. محدوده مورد مطالعه غرب شبکه آبیاری دشت قزوین در کشور ایران بود. در این راستا، ابتدا شاخص خشکسالی دوره آماری بر مبنای بارش متوسط محدوده و از طریق روشهای SPI و SIAP تعیین و سه سال آبی خشک، نرمال وتر در این دوره مشخص شد. سپس بر مبنای تحلیل داده های پیزومترهای محدوده موردمطالعه، این محدوده به دو منطقه کم افت یا منطقه یک ( افت متوسط تجمعی سالانه کمتر از 2/2 متر ) و منطقه پرافت یا منطقه دو (افت متوسط تجمعی سالانه بیشتر از 2/2 متر) تقسیم شد. الگوهای کشت منتخب شامل الگوی کشت موجود و دو الگوی کشت دیگر بر مبنای الگوی کشت پیشنهادی جهادکشاورزی به مدیریت شبکه انتخاب شد. از ترکیب سه سال شاخص اقلیمی با این سه الگوی کشت در هر منطقه 9 سناریو و در کل 18 سناریو معین شد. نیازآبی خالص ماهانه محصولات هر منطقه در هر سال از طریق محاسبه تبخیر و تعرق ماهانه گیاهان از روش فائوپنمن مانتیث اصلاح شده و با استفاده از نرم افزارکراپ وات برآورد شد. در ادامه مدل شبیه ساز هر منطقه با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی ساخته شد؛ این مدل دارای 17 سری داده ورودی شامل اطلاعات هواشناسی، هیدرولوژیکی و برداشت منابع آبی و 5 نرون در لایه مخفی و یک سری داده خروجی شامل تغییرات سطح آب زیرزمینی بوده و به صورت 1-5-17 تعریف شد. سپس مدل بهینه ساز از طریق روش الگوریتم جستجوی گرانشی برای هر سناریو در محیط متلب برنامه نویسی شد، متغیرها شامل سطوح زیرکشت، برداشتهای ماهانه منابع آب سطحی و برداشتهای ماهانه منابع آب زیرزمینی تعریف شدند. در نهایت این دو مدل به یکدیگر متصل شدند. مدل بهینه ساز از روش الگوریتم جستجوی گرانشی در محیط متلب برنامه نویسی شد، متغیرهای مدل بهینه ساز شامل سطوح زیرکشت، برداشتهای ماهانه منابع آب سطحی و برداشتهای منابع آب زیرزمینی تعریف شدند. در نهایت دو مدل شبیه ساز شبکه عصبی و مدل بهینه ساز به یکدیگر متصل شدند. هدف اصلی مدل ترکیبی رسیدن به حداکثر سود خالص اقتصادی با محدودیت مقدارمجاز افت سطح آب زیرزمینی از طریق کم آبیاری و اصلاح الگوی کشت تعیین شد . طبق نتایج حاصله بر مبنای سود خالص اقتصادی و شاخص بهره وری آب، در کلیه سناریوهای مدل به غیر از سناریوهای سال نرمال در منطقه یک، برترین ترکیب کشت به ترتیب الگوی کشت دوم، الگوی کشت اول و سپس موجود می باشند. در سناریوهای سال نرمال در منطقه یک، الگوی کشت اول ، دوم و موجود به ترتیب سود خالص اقتصادی و شاخص بهره وری آب بیشتری دارند. درکلیه سناریوها از لحاظ شرایط اقلیمی به ترتیب سال تر، نرمال و خشک بیشترین سودخالص اقتصادی را دارند. درصد تأمین نیاز کل آبی در سناریوهای منطقه یک بین 78 تا 93 درصد و در سناریوهای منطقه دوم بین 76 تا 97 درصد برآورد شد. از لحاظ کفایت تأمین نیازآبی در ماههای مختلف، بیشترین تنش ماهانه در ماههای اسفند تا خرداد اتفاق می افتد. بیشترین سطوح کشت مربوط به سناریوهای الگوی کشت اول در هر دو منطقه بود.کمترین سطوح کشت در سناریوهای سالهای خشک اتفاق افتاد. همچنین، نتایج نشان داد که مدلهای شبیه ساز –بهینه ساز قادربه کاهش افت آب زیرزمینی از 77/0 متر تا 84/1 متر در سناریوهای منطقه یک و از 28/1 مترتا 97/1 متر درمنطقه دو می باشند. علاوه براین، با جایگزینی دوالگوی کشت جدید بجای الگوی کشت موجود، سودخالص اقتصادی از 5/35 تا 7/53 درصد در منطقه یک و از2/27 تا 7/59 درصد در منطقه دو و شاخص بهره وری آب یا سودخالص در ازاء واحد مصرفی آب، از 9/18 تا 2/32 درصد در منطقه یک و از0/9 تا 6/52 درصد در منطقه دو افزایش می یابد. کلمات کلیدی: الگوریتم جستجوی گرانشی، شبکه عصبی مصنوعی، بهینه سازی، الگوی کشت، کم آبیاری، مصرف تلفیقی.