برنامه‌ریزی الگوی کشت بهینه کشاورزی با لحاظ اندرکنش منابع آب سطحی و زیرزمینی با استفاده از ترکیب مدل‌های swat و modflow و الگوریتم ازدحام دسته ذرات (pso)

در کشورهای دارای اقلیم خشک نظیر ایران، منابع آب سطحی و زیرزمینی به علت استفاده بیش از حد و فاقد مدیریت بهم پیوسته تحت فشار و تنش‌ قرار دارد. بررسی تعاملات بین آب سطحی و زیرزمینی و پیدا کردن یک استراتژی مناسب برای مدیریت منابع آب، برای حفظ و پایداری این منابع ضروری می‌باشد. هدف مطالعه حاضر، بهینه‌سازی تخصیص منابع آب به محصولات کشاورزی در دشت اشتهارد واقع در استان البرز است که در آن آبخوان، یک منبع مهم برای زراعت آبی می‌باشد و به علت برداشت بیش از حد از آبخوان، افت شدید سطح آب آبخوان به مساله بحرانی در منطقه تبدیل شده است. به این منظور، با استفاده از یک رویکرد شبیه‌سازی- بهینه‌سازی تعاملات آب سطحی و زیرزمینی مورد بررسی قرار گرفته که در آن با استفاده از مدل‌های swat و  modflow به ترتیب حوضه آبریز و عملکرد محصولات کشاورزی و رفتار آبخوان و سطح آب زیرزمینی شبیه‌سازی شده و الگوی کشت بهینه کشاورزی در دشت با استفاده از الگوریتم pso به دست آمده است. متغیرهای تصمیم در مساله بهینه‌سازی، سطح زیرکشت محصولات آبی و میزان آبیاری هر یک از محصولات است و تابع هدف مساله، بیشینه‌سازی سود به دست آمده از تولیدات محصولات زراعی است. محدودیت اصلی حاکم بر مساله نیز این است که سطح آب زیرزمینی از سطح پایداری آبخوان نبایستی پایین‌تر رود. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که در شرایط بهینه، میزان افت سطح آب‌ زیرزمینی کاهش یافته و آبخوان با بحران‌ کمتری در طول دوره بهره‌برداری مواجه شده است. برای نیل به این هدف، در جواب بهینه بخشی از سطح زیر کشت گندم زمستانه و پنبه با جوی زمستانه جایگزین شده و مقدار آبیاری بهینه با کاهش %45، %7 و %10 به ترتیب برای گندم زمستانه، جوی زمستانه و پنبه باعث کاهش برداشت آب از آبخوان شده است. پس از اعمال این تغییرات سود حاصل از عملکرد محصول گندم زمستانه و پنبه به ترتیب %35 و %13 کاهش و جو %49 افزایش یافته که به طور کلی منجر به افزایش سود تولید محصولات آبیاری به میزان %4 شده است.

Planning the Optimum Crop Pattern Considering Surface and Groundwater Resources Interaction by Coupling SWAT, MODFLOW and PSO

In arid regions, excessive use without proper management put water resources under immense pressure and multiple stresses. Finding a good strategy for water resources management is essential to preserve sustainability in such regions. This study aimed at optimizing the water use for the agricultural crops in the Eshtehard watershed in Iran, where the aquifer is a strategic resource for irrigated agriculture and is facing intensive drawdown due to over extraction. A hydroagronomic simulationoptimization approach is used for surface and groundwater modeling in which the agricultural production and water level variation are simulated by linking SWAT and MODFLOW and the optimal crops pattern is searched for by the PSO algorithm. The crops’ area and their irrigation water consumption are the decision variables with the objective of maximizing the net benefit gained from the crops’ yield while the groundwater drawdown is limited to a predefined stability level. Results showed that in the optimum state, irreparable damage to groundwater depletion is reduced. To this result, a part of area cultivated by winter wheat and cotton must be replaced by winter barley which results in reduction of the groundwater extraction for winter wheat, winter barley and cotton by 45%, 7%, and 10%, respectively. Also, after the application of these changes, the profit from winter wheat and cotton crops decreased by 35% and 13%, respectively, and that for barley increased by 49%, which generally increased the production profit of irrigation products by 4%.