بهینه سازی مصرف آب بخش کشاورزی با استفاده از نتایج یک مدل شبیه سازی رشد گیاه (مطالعه موردی: ماهیدشت- کوزران استان کرمانشاه)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشگاه رازی - عضو هیات علمی گروه مهندسی آب

2 استاد دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

ایران با میانگین بارش سالانه حدود 230 میلی متر یکی از کشورهای جهان است که در مناطق خشک و نیمه خشک جهان قرار گرفته است. توزیع نامناسب زمانی و مکانی نزولات جوی با توجه به نیازهای کشاورزی یکی دیگر از مشکلات بخش کشاورزی می باشد. استفاده از مدل های شبیه سازی رشد محصول راهکاری است که از طریق آن می توان بیلان آبی را مورد بررسی قرار داده، فرایند رشد را شبیه سازی کرده و به مطالعه سناریوهای مختلف مدیریتی پرداخت. در این راستا، ترکیب مدل های شبیه سازی رشد گیاهی با سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS) و مدل های بهینه سازی نیز ضرورت پیدا کرده است. یکی از عوامل محدود کننده استفاده از مدل های شبیه سازی رشد محصول واسنجی پارامترهای گیاهی این مدل ها می باشد. تحقیقات نشان داده است که کاربرد مدل های شبیه سازی خارج از محدوده اغلب منجر به نتایج مأیوس کننده ای می شود. تعدادی از این پارامترها بستگی به رقم دارند، بنابراین برای کاربرد این مدل ها ابتدا بایستی آنها را با توجه به رقم محلی واسنجی نمود. در دهه های گذشته مدل های مختلفی برای برنامه ریزی اراضی کشاورزی در مقیاس های مختلف توسعه یافته است. هدف از مطالعه کنونی تعیین سطح زیر کشت محصولات عمده کشاورزی در دشت ماهیدشت استان کرمانشاه بر اساس ترکیب نتایج مدل های شبیه سازی رشد گیاهی و برنامه ریزی خطی می باشد. در این تحقیق برای شبیه سازی رشد گیاه از مدل WOFOST و برای برنامه ریزی خطی از نرم افزار GAMS استفاده شده است.
مواد و روش ها: آزمایشات مزرعه ای در سال های زراعی 1390- 1389 برای واسنجی و اعتبارسنجی پارامترهای گیاهی مدل WOFOST برای محصولات عمده ( گندم، جو و ذرت ) با مدیریت های کم آبیاری انجام گردید. آزمایشات مذکور در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی با سه رژیم آبیاری (آبیاری کامل، 20 و 40 درصد کم آبیاری) و در چهار تکرار انجام شد. اراضی کشاورزی دشت با توجه به خصوصیات خاک و تقسیمات اداری به 440 واحد همگن طبقه بندی گردید. به حداکثر رساندن درآمد کشاورزان به عنوان تابع هدف در مدل برنامه ریزی خطی مد نظر قرارگرفت. محدودیت های فصلی و ماهانه آب، کارگر، زمین و ماشین آلات کشاورزی نیز در سطح منطقه در نظر گرفته شد. با در نظر گرفتن منابع آب موجود با استفاده از مدل تهیه شده الگوی کشت بهینه تحت 8 سناریوی محتلف تامین منابع آب و نوع سیستم آبیاری مشخص گردید.
یافته ها: با استفاده از واسنجی مقدار پارامترهای حساس مدل WOFOST برای محصولات مورد مطالعه در دشت ماهیدشت تعیین گردید. نیاز آبی و مقدار عملکرد محصولات مذکور در شرایط پتانسیل و کم آبی با توجه به میانگین طولانی مدت پارامترهای هواشناسی در منطقه برآورد گردید. تحلیل سناریوهای مورد مطالعه بیانگر این بود که درآمد سناریو6 (دو برابر شدن قیمت آب و سیستم آبیاری بارانی ) با درآمد کل کشاورزان به میزان 140 میلیارد ریال بیشترین در آمد را در بین این سناریوها دارا می باشد. سطح زیر کشت محصولات در این سناریو 75262 هکتار بدست آمد که نسبت به سناریو پایه افزایش نشان داد.
نتیجه گیری: ترکیب مدل های شبیه سازی رشد گیاهی و برنامه ریزی خطی می تواند در تعیین الگوی کشت مناسب تحت شرایط مختلف تامین منابع آب مورد استفاده قرار گیرد. بیشترین در آمد کشاورزان در این مطالعه در سناریوی شماره 6 اتفاق افتد که در آن قیمت آب دو برابر و سیستم آبیاری بارانی به کار رفته بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization of water use in agriculture using the results of a crop growth simulation model (WOFOST) (Case study: Mahidasht- Kuzaran, Kermanshah Province)

چکیده [English]

Background and objective: Iran with the average of annual precipitation about 230 mm is one of the countries in the world which is located in the semi-arid and arid regions. Improper spatial and temporal distribution of rainfall regarding to the time of required water for agriculture is another problem for agricultural sector. Using crop growth simulation models is a strategy which can be used to assess water balance, to simulate the growth process and to study different managerial scenarios.
In this regard, the combination of crop growth simulation models with geographic information system (GIS) and optimization models is also necessary. Calibration of crop parameters is one of the limiting factors of the use of crop growth simulation models. Results of previous researches have shown that the use of simulation models out of range, often leading to disappointing results. Some of these parameters are crop (variety) specific, so to use of these models, they must first be calibrated according to the local varieties. In the past decades several models have been developed for agricultural land use planning in different scales. The aim of the present study was to determine the cropping area of major agricultural crops based on the combined results of the Crop growth simulation model and is linear programming in the Mahidasht plain, Kermanshah province. In this study, WOFOST model is used to simulate crop growth and GAMS software is used for linear programming.

Material and methods: Field experiments was carried out in the cropping year 2010-2011 for calibration and validation of crop parameters of WOFOST model for major crops (wheat, barley and maize) under deficit irrigation managements. Experiments were implemented as randomized complete block design with three irrigation regimes (Full irrigation, 20 and 40 percent deficit irrigation) and four replications. Agricultural lands in the plain were classified into 440 equal units according to soil characteristics and administrative divisions. Maximization of farmers' income was considered as the objective function in the linear programming model. The constraints of monthly water, seasonal water, labor, land and agricultural machinery were considered at the study area. Considering the available water in the study area the best cropping pattern in 8 studied scenarios of water supply and irrigation system were determined using developed model.

Results: The value of most sensitive parameters of WOFOST model for major crops in the Mahidasht plain was determined by model calibration. Yield and water requirement of mentioned crops in the potential and water-limited situations were estimated in the region regarding to long-term average climatic parameters. Analysis of the scenarios showed that the scenario 6 (doubled water price and sprinkler irrigation system) with the total farmers' income of 140 billion IRR has the highest income among studied scenarios. The area under cultivation in this scenario would be 75,262 hectares which shows increasing compared to the base scenario.
Conclusion: The combination of crop growth simulation models and linear programming can be used for determination of the appropriate cropping patterns under different conditions of water resources.
The maximum farmers' income in this study would be occurred in the scenario 6 which water price will be doubled and irrigation system is sprinkler.

کلیدواژه‌ها [English]

  • crop growth simulation model
  • Landuse
  • GIS
  • Linear programming
  • Kermanshah