مدیریت بهینه برداشت منابع آب های زیرزمینی با استفاده از الگوریتم های NSGA-II، SPEA-II و PESA-II (مطالعه موردی: دشت سیلاخور)

سابقه و هدف:

 سطح آب های زیرزمینی دشت سیلاخور هم زمان با رخداد خشکسالی های پی درپی، رشد صنعت و افزایش نیازهای آبی کاهش چشمگیری داشته است. علاوه بر این الگوی کشت منطقه نیز در سال های اخیر به سمت کشت محصولات آب بر میل کرده است که مجموعه این رویدادها ضرورت مدیریت کارآمد در تخصیص منابع محدود آب این منطقه را می رساند. در این پژوهش به منظور مدیریت پایدار منابع آب های زیرزمینی، به تعیین الگوی کشت بهینه محصولات عمده زراعی دشت سیلاخور، باهدف حداکثرسازی درآمد خالص کشاورزان و محدودیت های آب و زمین در دسترس پرداخته شده است. در این راستا دو رویکرد استفاده از برنامه ریزی خطی و استفاده از الگوریتم های فرا اکتشافی چندهدفه در سناریوهای مختلف برداشت بررسی شده و عملکرد توابع جریمه مختلف در الگوریتم ها نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین نحوه تغییر الگوی کشت بهینه با افزایش برداشت از آب های زیرزمینی نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

در گام نخست پس از مدل سازی بارش 10 سال گذشته با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و برنامه ریزی ژنتیکی و انتخاب مدل بهتر از نظر دقت، بارندگی سه سال آینده پیش بینی شده و تغذیه آب های زیرزمینی ناشی از آن تخمین زده شد. سپس برای هرسال زراعی 100 سناریو برداشت مختلف باتوجه به میزان تغذیه آبخوان ها و میزان برداشت آب در سال های گذشته، در نظر گرفته شد. در گام دوم با استفاده از برنامه ریزی خطی باهدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و محدودیت های آب و زمین در دسترس، الگوی کشت بهینه در سناریوهای برداشت تعیین شده، به دست آمد. در نهایت به منظور نامقیدسازی مسیله، محدودیت های ذکر شده به صورت توابع جریمه ساکن، پویا و پویای طبقه بندی شده در نرم افزار MATLAB، پیاده سازی شدند. سپس عملکرد سه الگوریتم NSGA-II، SPEA-II و PESA-II با توابع هدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و حداقل سازی میزان جریمه، برای رسیدن به الگوی کشت بهینه حاصل از برنامه-ریزی خطی مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج این پژوهش حاکی از آن است که هرچند با افزایش برداشت از آب های زیرزمینی، در الگوی کشت بهینه درآمد کشاورزان افزایش می یابد؛ اما به دلیل محدودیت کل زمین در دسترس برای کشاورزی در دشت سیلاخور، در برداشت های بیشتر از 5/223، 2/225 و 1/225 میلیون مترمکعب به ترتیب برای سال های زراعی 1400-1399، 1401-1400 و 1402-1401، سطح زیر کشت محصولات ثابت مانده و به دنبال آن درآمد کشاورزان نیز تغییر نمی کند. نتایج بررسی الگوریتم ها و توابع جریمه نیز نشان می دهند که در این مسئله بهترین عملکرد در میان الگوریتم ها به ترتیب متعلق به الگوریتم های 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 طبقه بندی شده، پویا و ساکن با میانگین تعداد تکرارهای 1/13، 7/13 و 5/17 می باشد.

به طورکلی می توان دریافت که بهینه سازی الگوی کشت در سناریوهای برداشت مختلف، نگاهی جامع در اختیار مسیولان برای مدیریت پایدار منابع ارزشمند و محدود آب و تخصیص بهینه آن قرار می دهد. در همین راستا استفاده از الگوریتم SPEA-II با تابع جریمه پویای طبقه بندی شده در تعین الگوی کشت بهینه نتایج مطلوبی به دنبال دارد.