بهينه سازي مصرف آب بخش كشاورزي با استفاده از نتايج يك مدل شبيه سازي رشد گياه (WOFOST) (مطالعه موردي: ماهيدشت - كوزران استان كرمانشاه)

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

سابقه و هدف: ايران با ميانگين بارش سالانه حدود 230 ميلي متر يكي از كشورهاي جهان است كه در مناطق خشك و نيمه خشك جهان قرار گرفته است. توزيع نامناسب زماني و مكاني نزولات جوي با توجه به نيازهاي كشاورزي يكي ديگر از مشكلات بخش كشاورزي مي باشد. استفاده از مدل هاي شبيه سازي رشد محصول راهكاري است كه از طريق آن مي توان بيلان آبي را مورد بررسي قرار داده، فرايند رشد را شبيه سازي كرده و به مطالعه سناريوهاي مختلف مديريتي پرداخت. در اين راستا، تركيب مدل هاي شبيه سازي رشد گياهي با سيستم اطلاعات جغرافيايي (GIS) و مدل هاي بهينه سازي نيز ضرورت پيدا كرده است. يكي از عوامل محدود كننده استفاده از مدل هاي شبيه سازي رشد محصول واسنجي پارامترهاي گياهي اين مدل ها مي باشد. تحقيقات نشان داده است كه كاربرد مدل هاي شبيه سازي خارج از محدوده اغلب منجر به نتايج مايوس كننده اي مي شود. تعدادي از اين پارامترها بستگي به رقم دارند، بنابراين براي كاربرد اين مدل ها ابتدا بايستي آنها را با توجه به رقم محلي واسنجي نمود. در دهه هاي گذشته مدل هاي مختلفي براي برنامه ريزي اراضي كشاورزي در مقياس هاي مختلف توسعه يافته است. هدف از مطالعه كنوني تعيين سطح زير كشت محصولات عمده كشاورزي در دشت ماهيدشت استان كرمانشاه بر اساس تركيب نتايج مدل هاي شبيه سازي رشد گياهي و برنامه ريزي خطي مي باشد. در اين تحقيق براي شبيه سازي رشد گياه از مدل WOFOST و براي برنامه ريزي خطي از نرم افزار GAMS استفاده شده است. مواد و روش ها: آزمايش هاي مزرعه اي در سال هاي زراعي 1390- 1389 براي واسنجي و اعتبارسنجي پارامترهاي گياهي مدل WOFOST براي محصولات عمده (گندم، جو و ذرت) با مديريت هاي كم آبياري انجام گرديد. آزمايشات مذكور در قالب طرح بلوك هاي كامل تصادفي با سه رژيم آبياري (آبياري كامل، 20 و 40 درصد كم آبياري) و در چهار تكرار انجام شد. اراضي كشاورزي دشت با توجه به خصوصيات خاك و تقسيمات اداري به 440 واحد همگن طبقه بندي گرديد. به حداكثر رساندن درآمد كشاورزان به عنوان تابع هدف در مدل برنامه ريزي خطي مد نظر قرارگرفت. محدوديت هاي فصلي و ماهانه آب، كارگر، زمين و ماشين آلات كشاورزي نيز در سطح منطقه در نظر گرفته شد. با در نظر گرفتن منابع آب موجود با استفاده از مدل تهيه شده الگوي كشت بهينه تحت 8 سناريوي محتلف تامين منابع آب و نوع سيستم آبياري مشخص گرديد. يافته ها: با استفاده از واسنجي مقدار پارامترهاي حساس مدل WOFOST براي محصولات مورد مطالعه در دشت ماهيدشت تعيين گرديد. نياز آبي و مقدار عملكرد محصولات مذكور در شرايط پتانسيل و كم آبي با توجه به ميانگين طولاني مدت پارامترهاي هواشناسي در منطقه برآورد گرديد. تحليل سناريوهاي مورد مطالعه بيانگر اين بود كه درآمد سناريو 6 (دو برابر شدن قيمت آب و سيستم آبياري باراني ) با درآمد كل كشاورزان به ميزان 140 ميليارد ريال بيشترين در آمد را در بين اين سناريوها دارا مي باشد. سطح زير كشت محصولات در اين سناريو 75262 هكتار بدست آمد كه نسبت به سناريو پايه افزايش نشان داد. نتيجه گيري: تركيب مدل هاي شبيه سازي رشد گياهي و برنامه ريزي خطي مي تواند در تعيين الگوي كشت مناسب تحت شرايط مختلف تامين منابع آب مورد استفاده قرار گيرد. بيشترين در آمد كشاورزان در اين مطالعه در سناريوي شماره 6 اتفاق افتد كه در آن قيمت آب دو برابر و سيستم آبياري باراني به كار رفته بود.

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.