SUPERVISOR
الهام درویشی گورگاورزی (استاد مشاور) علی یوسفی (استاد مشاور) آرش آذری (استاد مشاور) جهانگیر عابدی کوپائی (استاد راهنما)
STUDENT
Khadijeh Barati
خدیجه براتی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Sustainable exploitation of groundwater resources based on optimum crop pattern using system dynamics approach
One of the most important factors affecting groundwater status is the crop pattern that its optimization can have positive effects such as reducing pressure on water resources and increasing farmers' incomes. Since no study on Kermanshah plain aquifer modeling and determination of optimum crop pattern using system dynamics approach has been done so far, a research was required for the study area about this subject. For this purpose, aquifer modeling of Kermanshah plain was performed in GMS 7.1 software using MODFLOW model for the first time. In order to be more precise in the calculation of management scenarios, the factors affecting the status of water resources were defined as a dynamic model in Vensim PRO x32 software. Then, four scenarios about water supply resources of the agricultural sector were applied over the dynamic model. The results obtained from the dynamic model were applied to the groundwater model and the status of representative hydrograph of aquifer was determined by applying each scenario. In order to predict climate parameters values to investigate the aquifer status in the future, stochastic simulation of time series was used. In this research, crop pattern optimization of Kermanshah plain was performed by the existing optimization tool in Vensim PRO x32 software using multi objective mathematical programming approach by Powell method in three different scenarios for the first time. The values ??of coefficient of determination, maximum error and root mean square error for the groundwater model were 0.93, ±1 m and 0.64, respectively, indicating acceptable accuracy of the model for simulating aquifer status. Based on the obtained results of the groundwater model, the hydraulic conductivity in the aquifer of ??Kermanshah plain varied from 0.1 to 30 m/day and specific yield varied from 0.02 to 0.4. The values ??of coefficient of determination and error percentage for the dynamic model were 0.98 and less than ±2%, respectively, indicating the validity of the model for simulating the real system. The prevailing time series model for monthly rainfall, evaporation, potential evapotrairation and river discharge data was PARMA (1,0) model. Evaluation of accuracy and efficiency of time series models using two statistics root mean square error and Nash-Sutcliffe showed that the selected time series models were acceptable. The values ??of coefficient of determination and root mean square error in the accuracy assessment of groundwater, dynamic and time series models in predicting future water table level were 0.82 and 0.83, respectively, indicating acceptable accuracy of the models in predicting groundwater status in the future. The results showed that if the water requirement of the agricultural sector is supplied only by the aquifer, the groundwater level will decrease by an average of 0.9 m from the beginning to end of the 10-year period (2016-2026). Applying this scenario resulted in the lowest groundwater level and the lowest percentage of water requirement supply for crop pattern plants compared to other scenarios defined in this study. If the water requirement of the agricultural sector are supplied by a combination of effective rainfall, dam, aquifer and refined sewage, groundwater level will increase by an average of 2.1 m from the beginning to the end of the 10-year period. Applying this scenario resulted in the highest groundwater level and the highest percentage of water requirement supply for crop pattern plants compared to other scenarios defined in this study. The results showed that if it is possible to change the crop coefficients of all plants in crop pattern optimization, the percentage of cultivation related to wheat, grain and forage maize, barley, tomato, clover, and onion decreased and the greatest increase of cultivation area allocated to sour cherry, quince, olive, pear, saffron, cherry, rose, greenhouse, plum, and medicinal plants, respectively. If the area covered by wheat is not changed, the cultivation percentages related to grain and forage maize, barley, tomato, clover, onion, faba bean, and apple decreased and the cultivation percentages of other plants increased. Also, if the area covered by wheat and gardens are not changed, the cultivation percentage of crops including grain and forage maize, barley, and clover decreased and the cultivation percentage of other plants increased. The ratio net benefit-to-extracted water from the aquifer in the optimization scenarios was more than the current crop pattern and indicated that the optimum crop patterns were preferred over the current crop pattern. Key Words Aquifer modeling, System dynamics modeling, Time series modeling, Crop pattern optimization, GMS 7.1 software, Vensim PRO x32 software.
از جمله مؤلفه های بسیار مهم و مؤثر بر وضعیت آب زیرزمینی، الگوی کشت می باشد که بهینه سازی آن می تواند اثرات مثبتی از قبیل کاهش فشار وارده بر منابع آب و نیز افزایش درآمد کشاورزان را در پی داشته باشد. از آنجا که تا کنون مطالعه ای در خصوص مدل سازی آبخوان دشت کرمانشاه و تعیین الگوی کشت بهینه آن با استفاده از رویکرد پویایی سیستم ها صورت نگرفته بود لذا انجام تحقیقی در این زمینه برای منطقه مورد مطالعه ضروری بود. به این منظور برای نخستین بار مدل سازی آبخوان دشت کرمانشاه در محیط نرم افزار GMS 7.1 و با استفاده از مدل MODFLOW انجام گرفت. به منظور دقت بیشتر در انجام محاسبات مربوط به اعمال سناریوهای مدیریتی، مؤلفه های مؤثر بر وضعیت منابع آب منطقه در محیط نرم افزار Vensim PRO x32 به صورت یک مدل پویا تعریف شدند. سپس چهار سناریو در زمینه منابع تأمین نیاز آبی بخش کشاورزی بر روی مدل پویا اعمال شد. نتایج به دست آمده از مدل پویا بر روی مدل آب زیرزمینی اعمال گردید و وضعیت هیدروگراف معرف آبخوان در صورت اعمال هر یک از سناریوها تعیین شد. به منظور پیش بینی مقادیر پارامترهای اقلیمی جهت بررسی وضعیت آبخوان در آینده از شبیهسازی استوکاستیک سریهای زمانی استفاده شد. در این تحقیق برای نخستین بار بهینه سازی الگوی کشت دشت کرمانشاه به کمک ابزار بهینه سازِ موجود در نرم افزار Vensim PRO x32 به روش پاول و به صورت چندهدفه در سه سناریو مختلف انجام گرفت. مقادیر ضریب تعیین، حداکثر خطا و ریشه میانگین مربعات خطا برای مدل آب زیرزمینی به ترتیب 93/0، 1± متر و 64/0 به دست آمد که نشان دهنده دقت قابل قبول مدل برای شبیه سازی وضعیت آبخوان بود. بر اساس نتایج به دست آمده از مدل آب زیرزمینی، هدایت هیدرولیکی در آبخوان دشت کرمانشاه از 1/0 تا 30 متر در روز و آبدهی ویژه از 02/0 تا 4/0 متغیر بود. مقادیر ضریب تعیین و درصد خطا برای مدل پویایی سیستم ها به ترتیب 98/0 و کمتر از 2 ±درصد به دست آمد که نشان دهنده اعتبار مدل برای شبیه سازی سیستم واقعی بود. مدل سری زمانی غالب بر داده های ماهانه پارامترهای بارش، تبخیر، تبخیر و تعرق پتانسیل و دبی رودخانه ها، مدل PARMA(1,0) بود. ارزیابی دقت و کارایی مدل های سری زمانی با استفاده از دو آماره ریشه میانگین مربعات خطا و نش-ساتکلیف نشان داد که مدل های سری زمانی منتخب، قابل قبول بودند. مقادیر ضریب تعیین و ریشه میانگین مربعات خطا در سنجش دقت مدل های آب زیرزمینی، پویایی سیستم ها و سری زمانی در پیش بینی تراز سطح ایستابی در آینده به ترتیب 82/0 و 83/0 به دست آمد که نشان دهنده دقت قابل قبول مدل ها در پیش بینی وضعیت سطح آب زیرزمینی در آینده بود. نتایج نشان داد در صورتی که نیاز آبی بخش کشاورزی صرفاً از طریق آبخوان تأمین گردد سطح آب زیرزمینی به طور میانگین از ابتدا تا انتهای مدت 10 ساله (از سال آبی 96-1395 تا سال آبی 1405-1404) به میزان 9/0 متر افت خواهد کرد. اعمال این سناریو منجر به پایین ترین سطح آب زیرزمینی و کمترین درصد تأمین نیاز آبی گیاهان الگوی کشت نسبت به سایر سناریوهای تعریف شده در این تحقیق شد. در صورتی که نیاز آبی بخش کشاورزی به صورت تلفیقی از باران مؤثر، سد، آبخوان و فاضلاب تصفیه شده تأمین گردد میزان صعود سطح آب زیرزمینی به طور میانگین از ابتدا تا انتهای مدت 10 ساله به میزان 1/2 متر خواهد بود. اعمال این سناریو منجر به بالاترین سطح آب زیرزمینی و بیشترین درصد تأمین نیاز آبی گیاهان الگوی کشت نسبت به سایر سناریوهای تعریف شده در این تحقیق شد. نتایج نشان داد در صورت امکانِ تغییر ضرایب کشت تمام گیاهان در بهینه سازی الگوی کشت، درصد کشت گیاهان گندم، ذرت دانه ای و علوفه ای، جو، گوجه فرنگی، شبدر و پیاز کاهش یافت و بیشترین افزایش سطح زیر کشت نیز به ترتیب به آلبالو، به، زیتون، گلابی، زعفران، گیلاس، گل محمدی، گلخانه صیفی جات، آلو و گیاهان دارویی اختصاص داشت. در صورت عدم تغییر در مساحت تحت پوشش گندم، درصد کشت گیاهان ذرت دانه ای و علوفه ای، جو، گوجه فرنگی، شبدر، پیاز، باقلا و سیب کاهش و درصد کشت سایر گیاهان افزایش یافت. همچنین در صورت عدم تغییر در مساحت تحت پوشش گندم و باغ ها، درصد کشت گیاهان ذرت دانه ای و علوفه ای، جو و شبدر کاهش و درصد کشت سایر گیاهان افزایش یافت. نسبت سود خالص به آب استخراج شده از آبخوان در سناریوهای بهینه سازی بیشتر از الگوی کشت فعلی و نشان دهنده ارجحیت الگوهای کشت بهینه بر الگوی کشت فعلی بود. کلمات کلیدی: مدل سازی آبخوان، مدل سازی پویایی سیستم ها، مدل سازی سری زمانی، بهینه سازی الگوی کشت، نرم افزار GMS 7.1، نرم افزار Vensim PRO x32