عنوان پایان‌نامه
مدل بهینه سازی بهره برداری تلفیقی از پساب و آب های زیر زمینی شبکه آبیاری ورامین
- رشته تحصیلی
- مهندسی‌کشاورزی-آبیاری و زهکشی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس ابوریحان شماره ثبت: 1008
- تاریخ دفاع
- ۰۳ خرداد ۱۳۹۶
- دانشجو
- مریم یوسفی
- استاد راهنما
- محمدابراهیم بنی حبیب, جابر سلطانی
- چکیده
- استفاده از پساب تصفیه‌‌خانه‌های فاضلاب به عنوان قسمی از آب¬های نامتعارف و مکمل منابع آب زیرزمینی در شبکه‌های آبیاری و زهکشی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است، این در حالیست که آبشویی نیتروژن به محیط خاک و آبخوان از طریق استفاده از کودهای شیمیایی حاوی نیترات و همچنین کاربرد پساب حاوی مقادیر نیتروژن بالا، باید مورد ارزیابی قرار گیرد. در این تحقیق، مدل بهینه‌سازی الگوی¬کشت با بهره‌برداری تلفیقی کمی- کیفی از پساب و آب زیرزمینی با سه هدف حداکثرسازی سود حاصله از بهینه¬سازی الگوی¬کشت، کاهش آبشویی نیتروژن و بهبود تغذیه آبخوان تدوین گردید. مدل فوق‌الذکر توسط سه روش، برنامه¬ریزی غیرخطی (NLP)، الگوریتم تک هدفه هوش¬جمعی(PSO) به روش جمع وزنی و الگوریتم چندهدفه هوش¬جمعی (MOPSO) برای سناریوهای مختلف در سال آبی 92-91 در شبکه آبیاری ورامین اجرا شد که نتایج روشها با یکدیگر مقایسه شده¬اند. اطلاعات ورودی موردنیاز مدل از دو طریق (انجام آزمایش‌های منطقه¬ای و اخذ اطلاعات از سازمان‌های مختلف) گردآوری شد. حل مدل سه هدفه در روش برنامه¬ریزی غیرخطی با افزایش سود حاصله از بهینه¬سازی الگوی¬کشت، بهبود بهره‌وری مصرف آب و تغذیه آبخوان به ترتیب به میزان 6 ، 22 و 29 درصد، منجر به کاهش برداشت تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی و کاهش کود ازته مصرفی به ترتیب به میزان 13 و 85 درصد شده است. در الگوریتم تک هدفه هوش¬جمعی به روش جمع وزنی، مدل سه هدفه با افزایش سود حاصله از بهینه¬سازی الگوی¬کشت، بهبود بهره‌وری مصرف آب و تغذیه آبخوان به ترتیب به میزان 7، 49و 30 درصد، اهداف کاهش برداشت تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی و کاهش کود¬مصرفی را به ترتیب به میزان 35 و 88 درصد محقق شده است. همچنین حل مدل سه هدفه با الگوریتم هوش¬جمعی و تشکیل جبهه پارتو و انتخاب پاسخ بهینه توسط روش تاپسیس نشان داد که با افزایش سود حاصله از بهینه¬سازی الگوی¬کشت، بهبود بهره‌وری مصرف آب و تغذیه آبخوان به ترتیب به میزان 47،7 و 15 درصد، اهداف کاهش برداشت تلفیقی از پساب و آب زیرزمینی و کاهش کود ¬مصرفی را به ترتیب به میزان 36و 89 درصد را محقق گردانیده است. اختلاف کم در حدود 002/0 تا 01/0 درصد بین نتایج مقادیر متناظر توابع هدف در سناریوهای مختلف در دو روش برنامه‌ریزی غیرخطی و هوش¬جمعی، حاکی از قابلیت زیاد الگوریتم فراکاوشی تک هدفه هوش-جمعی، دریافتن پاسخ¬های بهینه بود. همچنین مقایسه نتایج الگوریتم¬های تک هدفه و چند هدفه هوش¬جمعی، بیانگر اختلاف کم بین 4/0 تا 4 درصد بین مقادیر توابع هدف بود که نشان¬دهنده نزدیکی نتایج الگوریتم¬های تک¬هدفه به روش جمع وزنی و چند هدفه هوش¬جمعی، دریافتن پاسخ بهینه بود. مدیریت یکپارچه کمی- کیفی منابع آب آبیاری و پساب در شبکه‌های آبیاری و زهکشی به لحاظ کنترل اثرات زیست محیطی آبشویی نیتروژن به محیط خاک و آبخوان، مسئله‌ای مهم و حائز¬اهمیت است و مدل سه هدفه پیشنهادی این تحقیق می تواند در بهبود کارکردهای بخش¬های سه گانه کشاورزی، محیط زیست و منابع آب در سایر شبکه¬های آبیاری و زهکشی مورد استفاده قرار گیرد
- Abstract
- In recent years, the use of treatment plants’ wastewater, as a component of unconventional water has been considered as a supplementary to groundwater resources in irrigation and drainage networks, while the rate of nitrogen leaching into the soil and aquifer due to the use of chemical fertilizers and wastewater containing high nitrogen rates should be assessed. In this research, development of cropping pattern optimization model was addressed for quantitative-qualitative conjunctive use of unconventional surface water (wastewater) and groundwater. Three objectives of the model were maximizing profits from crop pattern, reducing nitrogen leaching and improving the rate of aquifer recharge. The developed three-objective model was solved by three methods include Nonlinear programming (NLP), particle swarm optimization (PSO) using weighted sum method and multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithms for different scenarios in Varamin irrigation network in 2012-2013 water year, and the results were compared. The essential input data of two methods were collected by field tests and getting information from different organizations. The results of solving the three-objective model by NLP method indicated that the obtained profits from cropping pattern optimization, the water use productivity and aquifer recharge were improved by 6, 22 and 29 percent, respectively and on the other hand the conjunctive use of wastewater and groundwater and consumption of nitrogen fertilizer were decreased by 13 and 85 percent, respectively. In PSO algorithm using weighted sum method the obtained profits from cropping pattern optimization, the water use productivity and aquifer recharge were improved by 7, 49 and 30 percent, respectively and also the conjunctive use of wastewater and groundwater and consumption of nitrogen fertilizer wre decreased by 35 and 88 percent, respectively. Finally in MOPSO algorithm by forming Pareto front and then selecting the optimal solution by TOPSIS method the obtained profits from cropping pattern optimization, the water use productivity and aquifer recharge were improved by 7, 47 and 15 percent, respectively and the objectives of conjunctive use of wastewater and groundwater and also consumption of nitrogen fertilizer were decreased by 36 and 89 percent, respectively. The little difference of about 0.002 to 0.01 between the results of objective functions in NLP and PSO for different scenarios represents the high ability of PSO algorithm to find optimal solution. Also the difference between the objective functions values of single-objective using weighted sum method and multi-objective PSO algorithms is about 0.4 to 4 percent that shows the proximity of PSO using weighted sum method and MOPSO algorithms results in finding the optimal solution. Integrated quantitative-qualitative management of irrigation water and wastewater resources in irrigation and drainage networks in terms of controlling the environmental impacts of nitrogen leaching into the soil and groundwater environment is an important issue, the proposed three-objective model of this paper can be used to improve the performances of agriculture, environment and water resources sectors in irrigation and drainage networks.
