مدل بهينه سازي غيرخطي و ازدحام ذرات براي بهره برداري تلفيقي از پساب و آب زيرزميني در دشت ورامين

Non-Linear Programming and Particle Swarm Optimization Model for Management of Conjunctive Use of Wastewater and Groundwater in Varamin Plain

براي تامين نظر همزمان كشاورزان، مديران منابع آب و محيط زيست ضرورت دارد تهيه مدل بهينه سازي الگوي كشت با بهره برداري تلفيقي كمي- كيفي از پساب و آب زيرزميني با سه هدف حداكثرسازي سود كشاورزان، كاهش آبشويي نيتروژن و بهبود تغذيه آبخوان مدنظر قرار گيرد. در اين پژوهش، مدل به دو روش بهينه سازي برنامه ريزي غيرخطي و نيز با روش الگوريتم ازدحام ذرات براي شبكه آبياري ورامين در سال آبي 92-1391 تهيه شد. نتايج حاصل از حل مدل سه هدفه در روش برنامه ريزي غيرخطي نشان داد كه افزايش سود حاصله از بهينه سازي الگوي كشت، بهبود بهره وري مصرف آب و تغذيه آبخوان به ترتيب به ميزان 6%، 22% و 29% منجر به كاهش برداشت تلفيقي از پساب و آب زيرزميني و كاهش كود نيتروژن مصرفي به ترتيب به ميزان 13% و 85% شده است. همچنين، حل مدل سه هدفه با الگوريتم هوش جمعي نيز نشان دادكه با افزايش سودحاصله ازبهينه سازي الگوي كشت، بهبود بهره وري مصرف آب و تغذيه آبخوان به ترتيب به ميزان 7%، 49% و 30%، اهداف كاهش برداشت تلفيقي از پساب و آب زيرزميني و كاهش كود مصرفي به ترتيب به ميزان 35% و 88% محقق شده است. مقايسه نتايج مقادير متناظر توابع هدف در سناريوهاي مختلف در دو روش برنامه ريزي غيرخطي و ازدحام ذرات ، حاكي از اختلاف بين 0/002 تا 0/01 درصد بين مقادير حاصله از دو روش بود. لذا، الگوريتم فراكاوشي ازدحام ذرات با اختلاف بسيار كمي از روش برنامه ريزي غيرخطي، قابليت زيادي را در ارائه پاسخ هاي بهينه دارا است. نتايج اين پژوهش مي تواند در استفاده بهينه منابع آب، افزايش درآمد كشاورزان و كاهش آبشويي نيتروژن در ساير شبكه هاي آبياري مورد استفاده قرار گيرد. اصولاً استفاده از پساب ها و فاضلاب ها در آبياري محصولات خوراكي كشاورزي براي تغذيه انسان و دام توصيه نمي شود و رعايت كامل استاندارها و ضوابط در استفاده از پساب ها در كشاورزي، امري ضروري و لازم الاجرا است.

To address farmers’ as well as water resources and environment managers’ opinions, it is necessary to develop the optimal cropping pattern models for maximizing farmers’ benefits, reducing nitrogen leaching, and improving the rate of aquifer recharge by applying quantitative-qualitative conjunctive use of unconventional surface water (reclaimed wastewater) and groundwater. In this research, the developed models (nonlinear programming (NLP) and particle swarm optimization (PSO)) were run in Varamin Irrigation Network for water year 2012-2013. The results of solving 3-objective nonlinear programming (NLP) model showed that by improving the net benefit of cropping pattern optimization, water productivity and aquifer recharge by about 6%, 22% and 29% led to reduction of conjunctive withdrawals of wastewater and groundwater and fertilizer consumption by about 13% and 85%. Also, the results of solving 3-objective model by Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm showed that by improving the net benefit of cropping pattern optimization, water productivity and aquifer recharge by about 7%, 49% and 30%, conjunctive withdrawals of wastewater and groundwater summation and fertilizer consumption decreased by about 35%, 88%, respectively. Comparison of the results of the values of objective functions in different scenarios by NLP and PSO methods showed a difference of about 0.002% to 0.01%. So, heuristic algorithm (PSO) has very little difference with NLP and has great ability in providing optimal results. The results of this research could be applied to the optimum use of water resources, increasing farmers’ benefits and decreasing nitrogen leaching in other irrigation network projects. However, it is to be emphasized that use of wastewater for irrigation of food crops for human and domestic animals is not recommended and full compliance with standards and regulations in applying reclaimed waste water in agriculture, is necessary and binding.