Model of optimal allocation of water and land to agricultural crops in deterministic and stochastic conditions

Subject Areas : Farm water management with the aim of improving irrigation management indicators

Ebrahim  ,Valizadegan ¹ (water engineering, college of agriculture, Islamic Azad University, khoy branch, Khoy, Iran.)
Asadollah  Dindar Sooha ² (M.Sc. of surface water studies, Ardabil regional water company)

Received: 2020-07-20 Accepted : 2020-11-11 Published : 2021-05-22

Keywords: Optimal irrigation level, Moghan plain, Optimal cropping area, Stochastic dynamic programming,

Abstract :

AbstractTo deal with different water conditions, a model was developed to determine the optimal irrigation level and the optimal cropping area for major agricultural crops in lands of Moghan irrigation and drainage network in downstream of Aras Dam. In this model, in the stochastic conditions, with considering the uncertainty of required water supply, decision variables (optimal irrigation levels and optimal planting area in certain time steps) are obtained using stochastic dynamic programming (SDP) method. Expected value of the maximum profit from planting crops is considered as the return function. Also in deterministic conditions, the model was run by considering 4 scenarios. The results show the superiority of cropping pattern and optimal irrigation levels (even in water deficiency conditions) in terms of all studied factors compared to the common cropping pattern (even without water deficiency) in the region. Minimum value for factor of the required water per hectare is related to scenario 2 (cropping of low water requirement crops with pressurized irrigation in deterministic conditions) which is equal to 5368.14 m3. This factor in scenarios 1, 3 and 4 is 9079.78; 13496.25and 9211.73 m3 respectively and in the common cropping pattern in the region is 10900m3. Maximum value for factor of profit per hectare is related to scenario 2, equal to 102 million Rials. The mentioned factor for scenarios 1, 3 and 4 are 96.5, 73 and 89.5 million Rials, respectively.

References:

آلیاری، ه.، شکاری، فریبرز و شکاری. فرید. 1379. دانه‌های روغنی (زراعت و فیزیولوژی). انتشارات عمیدی. چاپ اول. 182 ص.

بزرگ حداد، ا. 1393. بهینه سازی سامانه‌های منابع آب. انشارات دانشگاه تهران. چاپ سوم. 390 ص.

بی نام. 1392. مطالعات به هنگام سازی طرح جامع آب کشور-حوضه آبریز ارس. مهندسین مشاور مهاب قدس. جلد یازدهم. بیلان منابع و مصارف آب(متوسط ٤٠ ساله).

بی نام. 1390. مطالعات به هنگام سازی طرح جامع آب کشور-حوضه آبریز ارس. مهندسین مشاور مهاب قدس. جلدنهم: گزارش مطالعات کشاورزی و اقتصاد تولید.

بی‌نام، 1390، سیمای شبکه آبیاری و زهکشی موجود مغان، شرکت آب منطقه ای اردبیل.

خواجه پور، م. ر. 1383. گیاهان صنعتی. انتشارات جهاد دانشگاهی صنعتی اصفهان. چاپ چهارم. 582 ص.

دهقانی، ع.، امیر تیموری، س. و زارع مهرجردی، م. ر. 1398.کاربرد الگوریتم جامعه مورچگان در بهینه‏سازی الگوی کشت (شهداد، شهرستان کرمان). اقتصاد کشاورزی، 13(4): 87-103.

دوکوهکی، ح.،  قیصری، م.  و  کریمی جعفری، م. 1391. تعیین ضریب پاسخ محصول ذرت به کم آبی تحت مدیریت آبیاری بارانی توسط مدل DSSAT در دوره‌های متفاوت رشد. سومین همایش ملی مدیریت جامع منابع آب ایران، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری.

رفیعی، و.، شوریان، م. و عطاری، ج. 1396. برنامه‌ریزی الگوی کشت بهینه محصولات کشاورزی با استفاده از ترکیب مدل شبیه‌سازی SWAT و الگوریتم بهینه‌سازی جستجوی هارمونی. تحقیقات منابع آب ایران، 13(3):73-88.

عزیزی، م.، سلطانی، ا.  و خاوری خراسانی، س. 1383. کلزا. انتشارات جهاد دانشگاهی مشهد. چاپ سوم.232 ص.

کارآموز. محمد، کراچیان. رضا، 1393، برنامه ریزی و مدیریت کیفی سیستم های منابع آب، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر. چاپ هفتم. 400 ص.

کریمی، ه. 1385. یونجه. مرکز نشر دانشگاهی تهران. چاپ دوم. 372 ص.

مجیدی، ن. علی‌زاده، ا. و  قربانی، م. 1390. تعیین الگوی کشت بهینه همسو با مدیریت منابع آب دشت مشهد-چناران. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)،25(4): 776-785.

وفایی نژاد، ع. 1395. بهینه‌سازی الگوی کشت با استفاده از روش TOPSIS و الگوریتم ژنتیک بر مبنای قابلیت‌هایGIS  (مطالعه‌ی موردی: اراضی بخش جلگه، استان اصفهان)، اکوهیدرولوژی، 3(1): 69-82.

یزدی صمدی، ب. و پوستینی، ک. 1373. اصول تولید گیاهان زراعی. مرکز نشر دانشگاهی تهران. چاپ اول. 300 ص.

Allen, R. G. and et al. 1998. Crop evapotranspiration (Guidelines for computing crop water requirements). FAO Irrigation and drainage paper 56. 326 pp.

Amanat, L., Moghaddasi, M., Ebrahimi, H and Babazadeh, H. 2020. Optimal water allocation and distribution management in irrigation networks under uncertainty by multi-stage stochastic, case study: Irrigation and drainage networks of Maroon. Irrigation and Drainage, 28 May.

Bogachan, B.  and  Kodal, S. 2003.  A non-linear model for farm optimization with adequate and limited water supplies: Application to the South-east Anatolian Project (GAP) Region. Agricultural Water Management, 62(3):187-203. 

Hao, L., Su, X. and Singh, V. P. 2018. Cropping pattern optimization considering uncertainty of water availability and water saving potential. International Journal of Agriculture and Biological Engineering, 11(1): 178-186.

Haouari, M. and Azaiez N. 2001. Optimal cropping patterns under water deficits. European Journal of Operational Research 130(1):133-146

Kumar, R. and Kheper, S. D. 1980. Decision models for optimal cropping patterns in irrigations based on crop water production functions. Agriculture Water Management, 3(1):.65-76.

Mushtaq, M. and Moghaddasi, M. 2011. Evaluating the potentials of deficit irrigation as an adaptive response to climate change and environmental demand.  Environmental Science & Policy 14(8).

Narayan Sethi, L., and et al. 2002. Optimal Crop Planning and Conjunctive Use of Water Resources in a Coastal River Basin. Water Resources Management, 16: 145–169.

Osama, S., Elkholy, M. and Kansoh, R.M. 2017. Optimization of the cropping pattern in Egypt. Alexandria Engineering Journal, 56:557-566. 

Steduto, P. and et al.2012. Crop yield response to water. FAO Irrigation and drainage paper 66. 519 pp.

Singh, D. K., and et al. 2001. Optimal cropping pattern in a canal command area,   Agriculture water management, 50(2001): 1-8.

Varade, S. and  Patel, J. N. 2018. Determination of Optimum Cropping Pattern Using Advanced Optimization Algorithms. Journal of Hydrologic Engineering, 23(6).

Vedula, S. and Nagesh Kumar, D. 1996. An integrated model for optimal  reservoir operation for irrigation of multiple crops. Water Resources Research, 32(4):  1101-1108.