Integrated application of game theory and genetic algorithm in optimal allocation of water resources in Sistan region under drought conditions with deficit irrigation strategy
Zahra Ghaffari moghadam
1
(
Assistant Professor, Department of Agricultural Economics, Agriculture Institute, Research Institute of zabol, Zabol, Iran
)
Ali Sardar Shahraki
2
(
Associate Professor of Agricultural Economics, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
)
Arash Ghaffari moghadam
3
(
Master's degree in Computer Engineering, Hatef University, Zahedan, Iran
)
Keywords: Stackelberg, Water requirements, Genetic algorithm, Allocation water, Water market,
Abstract :
Due to frequent droughts, it is usually not possible to increase water allocation and therefore it is the limiting factor of water volume. Considering the limitation of water resources, the use of appropriate techniques to optimize the allocation of water to different products can be a solution. Using deficit irrigation methods is an optimal strategy to deal with the water shortage crisis. In the current study have been investigated the effects of deficit irrigation on water allocation between crops and regions, system profit, water exchange between regions. For this purpose, the Stackelberg-Nash-Cournot equilibrium model has been used with the aim of allocating water between different irrigated areas at the leader level and allocating water between different crops at the follower level in the condition that the water market is formed and emphasis on deficit irrigation. In this study, three scenarios of 5% deficit irrigation, 10% deficit irrigation and 15% deficit irrigation have been considered to deal with drought conditions in Sistan region. The results showed that in the condition that full irrigation is done, the most water is allocated to the melon crop and the least amount of water to the wheat crop, and the profit in this case is 2.71×1011 IRR, which increases the profit by applying deficit irrigation scenarios. The results of this research can be used as assistants for network managers and responsible people for water allocation.
Water Resources Engineering Journal
Research Paper | |||||||
application of game theory in optimal allocation of water resources in Sistan region under drought conditions with deficit irrigation strategy | |||||||
Zahra Ghaffari moghadam* Assistant Professor, Department of Agricultural Economics, Agriculture Institute, Research Institute of zabol, Zabol, Iran Email (zahraghafari@uoz.ac.ir) Ali Sardarshahraki Associate Professor of Agricultural Economics, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran, Email: a.s.shahraki@eco.usb.ac.ir Arash Ghaffari moghadam Master's degree in Computer Engineering, Hatef University, Zahedan, Iran Email: Arashgh68@gmail.com
| |||||||
| Abstract Introduction: Due to frequent droughts, it is usually not possible to increase water allocation and therefore it is the limiting factor of water volume. Considering the limitation of water resources, the use of appropriate techniques to optimize the allocation of water to different products can be a solution. Using deficit irrigation methods is an optimal strategy to deal with the water shortage crisis. Methods: In the current study have been investigated the effects of deficit irrigation on water allocation between crops and regions, system profit, water exchange between regions. For this purpose, the Stackelberg-Nash-Cournot equilibrium model has been used with the aim of allocating water between different irrigated areas at the leader level and allocating water between different crops at the follower level in the condition that the water market is formed and emphasis on deficit irrigation. In this study, three scenarios of 5% deficit irrigation, 10% deficit irrigation and 15% deficit irrigation have been considered to deal with drought conditions in Sistan region. Findings: The results showed that in the condition that full irrigation is done, the most water is allocated to the melon crop and the least amount of water to the wheat crop, and the profit in this case is 2.71×1011 IRR, which increases the profit by applying deficit irrigation scenarios. The results of this research can be used as assistants for network managers and responsible people for water allocation.
| ||||||
Use your device to scan and read the article online
DOI: | |||||||
Keywords: Stackelberg, Water requirements, Genetic algorithm, Allocation water, Water market | |||||||
Citation: | |||||||
*Corresponding author: Zahra Ghaffari moghadam Address: Tell: +9854-32220690 Email: zahraghafari@uoz.ac.ir |
Extended Abstract
Introduction
One of the most important challenges in water resource management is the sharp increase in human water consumption alongside a reduction in water availability for agricultural production. Due to frequent droughts, increasing water allocation is usually not possible, and water volume becomes a limiting factor.
Materials and Methods
Given the limitations on water resources, employing appropriate techniques to optimize water allocation across different crops could be a viable solution. One such strategy is the use of deficit irrigation, which has proven to be an optimal method for addressing water shortages. This study investigates the effects of deficit irrigation on water allocation between crops and regions, system profitability, and water exchanges between regions. To achieve this, the Stackelberg-Nash-Cournot equilibrium model has been applied to allocate water among irrigated areas at the leadership level, and among different crops at the follower level, within the context of a water market and with an emphasis on deficit irrigation.
In this study, the model proposed by Kalerk was used to estimate functional changes in selected agricultural products under water stress conditions. Three deficit irrigation scenarios (5%, 10%, and 15%) were considered to address drought conditions in the Sistan region. In this framework, local managers are considered high-level decision makers (leaders) who distribute available water among various irrigated regions, represented by the decision variable. Farmers, actin as low-level decision makers, allocate the water to crops within each region, denoted by
The model also allows for water exchange between regions, whereby regions with excess water can sell surplus to others, generating income and increasing overall profits. The goal of farmers is to maximize economic benefits for their irrigated areas through the creation of a water market.
Findings
The results indicated that in full irrigation conditions, the melon crop received the highest water allocation, while wheat received the least. In this scenario, the total profit was 2.71×10¹¹ IRR, with the water allocation inequality index being 0.0334, indicating equitable water distribution among the regions. With the implementation of deficit irrigation scenarios, profits increased and the water allocation inequality index decreased. The analysis revealed that the benefits from the stored water in deficit irrigation compensated for the reduction in crop yields. By saving water and reallocating it to high-yielding crops, the loss from reduced yields could be mitigated. Moreover, deficit irrigation reduced the relative decline in crop performance, as unmet water needs were minimized, and a higher percentage of water demands were fulfilled.
Conclusion
Although deficit irrigation is not currently practiced in the Sistan region for income generation through water sales, it presents a viable approach for optimizing water use in areas with crops that yield higher economic returns. The combined policy of deficit irrigation and water markets will likely enhance water exchanges between regions and increase economic profits. This policy is recommended as an effective tool for the sustainability of water resources in the Sistan region. The findings from this study can assist network managers and water allocation authorities in making informed decisions.
Ethical Considerations compliance with ethical guidelines
The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.
Funding
The cost of this research was provided by the grant of Zabol Research Institute with the code IR-RIOZ-GR-0702.
Authors' contributions
Design and conceptualization: zahra ghaffari moghadam, Ali Sardarshahraki.
Methodology and data analysis: zahra ghaffari moghadam, Arash Ghaffari moghadam.
Supervision and final writing: zahra ghaffari moghadam, Ali Sardarshahraki.
| |||||||
کاربرد تئوری بازی در تخصیص بهینه منابع آب منطقه سیستان تحت شرایط خشکسالی با راهبرد کمآبیاری | |||||||
زهرا غفاری مقدم 1-استادیار گروه اقتصاد کشاورزی، پژوهشکده کشاورزی، پژوهشگاه زابل، زابل،ایران 2-دانشیار اقتصاد کشاورزی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران a.s.shahraki@eco.usb.ac.ir 3-دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر، دانشگاه هاتف، زاهدان، ایران Arashgh68@gmail.com | |||||||
| چکیده مقدمه: با توجه به خشکسالیهای فراوان، معمولاً امکان افزایش تخصیص آب وجود ندارد و بنابراین عامل محدودکننده حجم آب میباشد. با توجه به محدودیت منابع آب استفاده از تکنیکهای مناسب جهت بهینه سازی تخصیص آب به محصولات مختلف میتواند راهگشا باشد. استفاده از روشهای کمآبیاری راهبردی بهینه جهت مقابله با بحران کمآبی میباشد. روش: در مطالعه حاضر اثرات کمآبیاری بر تخصیص آب بین محصولات و مناطق، سود سیستم، مبادله آب بین مناطق بررسی شده است. برای این منظور از مدل تعادلی استاکلبرگ- نش- کورنو با هدف تخصیص آب بین مناطق مختلف تحت آبیاری در سطح رهبر و تخصیص آب بین محصولات مختلف در سطح پیرو در شرایطی که بازار آب شکل بگیرد و تاکید بر کمآبیاری انجام شده است. در این مطالعه سه سناریو 5 درصد کمآبیاری، 10 درصد کمآبیاری و 15 درصد کمآبیاری جهت مقابله با شرایط خشکسالی در منطقه سیستان در نظر گرفته شده است. یافتهها: نتایج حاصل نشان داد در شرایطی که آبیاری کامل انجام شود بیشترین آب به محصول خربزه و کمترین اب به محصول گندم اختصاص یافته است و سود حاصل در این حالت 1011×71/2 ریال میباشد که با اعمال سناریوهای کمآبیاری میزان سود افزایش خواهد یافت. مقدار شاخص نابرابری تخصیص در آب بدست آمده در این سناریو 0334/0میباشد که مقدار این شاخص نزدیک به صفر میباشد و نشان میدهد تخصیص آب بین مناطق عادلانه بوده است. در بین محصولات بیشترین آب به محصول خربزه و کمترین آب به محصول گندم تخصیص داده شده است. با اعمال سناریو کمآبیاری مقدار سود افزایش و مقدار شاخص نابرابری تخصیص در آب کاهش مییابد. نتیجهگیری:. نتایج نشان داد در صورت استفاده از روش کم آبیاری، منفعت حاصل از مقدار آب ذخیره شده جبران کاهش عملکرد محصول را کرده و با استفاده از مقدار آب صرفه جویی میتوان به محصولات پربازده آب بیشتری تخصیص داد و ضرر ناشی از کاهش عملکرد را جبران کرد. همچنین با اعمال سناریو کمآبیاری کاهش در عملکرد نسبی برای محصولات کاهش پیدا میکند. کمآبیاری سبب شده است که نیاز آبی تامین نشده محصولات کاهش یابد و درصد بیشتری از نیاز آبی آنها تامین شود
| ||||||
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید
DOI:
| |||||||
واژههای کلیدی: استاکلبرگ، نیاز آبی، الگوریتم ژنتیک،تخصیص آب، بازار آب | |||||||
* نویسنده مسئول: زهرا غفاری مقدم نشانی: گروه اقتصاد کشاورزی، پژوهشکده کشاورزی، پژوهشگاه زابل، زابل، ایران. تلفن:05432220690 پست الکترونیکی: zahraghafari@uoz.ac.ir |
مقدمه
یکی از مهمترین چالشها در مدیریت منابع آب روبهرو شدن انسان با افزایش شدید تقاضای آب و کاهش عرضه آب در تولید محصولات کشاورزی میباشد(1, 2). بنابراین، رویکردهای برنامه ریزی موثری با توجه به مدیریت تقاضا برای بهبود مدیریت تولید محصولات کشاورزی بایستی تدوین گردد. با توجه به پیچیدگی سیستم برنامهریزی تولید محصولات کشاورزی، محققان دائما در تلاشند تا روشهای کاربردیتری برای برنامهریزی موثر تولید محصولات کشاورزی ایجاد کنند. این روشها بیشتر بر آب آبیاری، سطح زیرکشت و توزیع منبع مهم متمرکز است (3). کمبود آب در بین مصرفکنندگان مختلف آب یاعث ایجاد مناقشات و درگیری بین آنها در بخشهای مختلف شده است بنابراین جهت کاهش چنین درگیریهایی میتوان به تعیین و تخصیص عادلانه آب مبادرت ورزید. کلید تخصیص اولیه حقوق آب، پایبندی به اهداف متعدد منافع اقتصادی، برابری اجتماعی، کنترل ریسک و حفاظت از محیط زیست میباشد (4, 5). از جمله مطالعاتی که در زمینه مدیریت و تخصیص منابع آب در سالهای اخیر انجام شده است می توان به موارد زیر اشاره نمود: فرانسیسکو و همکاران (6) از مدلهای برنامه ریزی ریاضی، زنگ و همکاران(7) از برنامهریزی مشترک چند مرحلهای بازهای- احتمالاتی و روش شبیه سازی مونت کارلو، ایگزیو و همکاران (8) و یائو و همکاران (9) از مدل استاکلبرگ نش – کورنو، آلارکون و ژوانا (10) از مدلهای بهینه سازی در قالب بازار آب ، جهت تخصیص منابع آب استفاده نمودند. که در همه این مطالعات به اثر بخشی بازار آب در تخصیص منابع آب اشاره شده است (11-13). روشهای شبیه سازی (14, 15)، مدلهای شبیه سازی و بهینه سازی توام (16-18) و تئوری بازیها (19-21) اشاره نمود.
تخصیص آب صرفا بر اساس سطوح کشت و بدون توجه به نوع محصولات کشت شده، واکنش محصولات به کمآبی و میزان عملکرد آن انجام میگیرد. اگرچه کمبود آبیاری عملکرد محصول را کاهش میدهد، با تخصیص بهینه آب به مصارف داخل و خارج از مزرعه، کشاورزان ممکن است درآمد خالص خود را از ترکیبی از تولید محصول و فروش آب افزایش دهند(22-24). برای به حداکثر رساندن درآمد خالص مزرعه در این حالت، کشاورزان باید برای هر کاربری به طور بهینه آب را تخصیص دهند. بنابراین هنگامی که تامین آب، گران یا ناکافی است تا نیازهای آبی کامل محصول را برآورده کند، کم آبیاری ممکن است با کاهش استفاده از آب گران قیمت یا آبیاری زمین بیشتر با منابع آبیاری محدود، درآمد خالص را به حداکثر برساند (25). یکی از استراتژيهای بهینهسازی کم آبیاری میباشد که در این استراتژي گیاه به صورت هدفمند درجاتی از کمآبی و کاهش عملکرد را محتمل میشود. هدف اصلی و اساسی در کمآبیاری افزایش کارایی مصرف آب میباشد که با استفاده از کاهش میزان آب مورد نیاز در هر آبیاری یا حذف آبیاریهای فاقد بهرهوری امکان پذیر میباشد. چنانچه عرضه آب محدود باشد و یا هزینه تامین آب بالا باشد، سطح بهینه اقتصادی آبیاری کمتر از میزان آبی است که گیاه جهت دستیابی به حداکثر عملکرد (آبیاری کامل) نیاز دارد. این تكنيك كم آبياري به طور گسترده در نواحی مواجه با كم آبی، مورد استفاده قرار گرفته است (26). امروزه با استفاده از تکنیک کمآبیاری میتوان عملکرد قابلقبول و اقتصادی را با حداقل آب مصرفی داشت (27) و از آن به عنوان یک استراتژی درآمدزا اقتصادی در وضعیت بحران آب، راهکار مصرف آب کمتر با هدف حداکثر استفاده از واحد حجم آب مصرفی و همچنین ذخیره آب صرفهجویی بـرای تــوسعه کشاورزی و دیگر بخشهـای مصرف آب مطرح نمود (28). در این مطالعه هدف، تخصیص بهینه آب بین مناطق و محصولات مختلف در شرایط خشکسالی و کمآبی با تاکید بر سیاست کمآبیاری میباشد از جمله مطالعاتی که در این زمینه انجام شده است میتوان به مطالعات شیرشاهی و همکاران (29) در رابطه با بهینه سازی سطح زیر کشت در سناریوهای مخنلف آبیاری، محمدخانی و همکاران (30) بهینه سازی تخصیص آب در شرابط تنش آبی، پانده و اوماماهش(31) الگوی کشت و تخصیص بهینه آب بااستفاده از الگوریتم ژنتیک در شرایط کمآبیاری اشاره نمود. محمودزاده ورزی و همکاران(24) در مطالعه خود مدلی برای بهینه سازی تخصیص آب برای یک مزرعه و محصول با استفاده از توابع تولید آب محصول و مفهوم کم آبیاری ارائه نمودند. نتایج مطالعه نشان داد زمانی که قیمت محصول نسبت به قیمت اجاره آب پایین است، اجاره تمام آب موجود و آیش یا کاشت محصولات بدون آبیاری بیشترین درآمد را به همراه دارد. در منطقه سیستان سطوح قابل کشت کشاورزی مطابق مطالعات جامع منابع آب، 135 هزار هکتار است و با توجه به الگوی کشت منطقه سرانه آب مصرفی در بخش کشاورزی به طور میانگین بیش از 8500 مترمکعب در هکتار میباشد(32). شرایط آب و هوایی منطقه سیستان و وابستگی کامل به رودخانه هیرمند و اقدامات کشور افغانستان در مهار آب رودخانه هیرمند، باعث بروز مخاطرات شدید آبی و تاثیرات منفی در اشتغال، اقتصاد، محیط زیست و کشاورزی شده است و باعث ایجاد مشکلات فراوانی در مسئله مدیریت آب در این منطقه شده است (32). بنابراین بررسی وضعیت آب در منطقه سیستان به عنوان مسئلهای استراتژیک و حیاتی از اهمیت بالایی برخوردار است. میزان آب ورودی رودخانه هیرمند به منطقه سیستان و آب تخصیص یافته به بخش کشاورزی در طی سالهای اخیر روند کاهشی داشته است و باعث کاهش سطح زیر کشت محصولات کشاورزی شده است بهطوریکه در صورت ادامه این روند ضمن ایجاد مشکلات اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی وقایعی نظیر مهاجرت، افزایش سطح فقر، خالی شدن روستاها از سکنه، شکلگیری اعتراضها و تنشهای منطقهای بر سر منابع آب، نابودی کشاورزی، مرگ گونههای جانوری و گیاهی، نابودی محیطزیست، بیابانزائی و گرد و غبار از مصادیق بحران آبی در بخش کشاورزی منطقه سیستان میباشد. لذا با توجه به بحران آبی و خشکسالیهای پی در پی که منطقه سیستان سالهای متمادی با آن گرفتار است. این مطالعه به دنبال آن است با استفاده از مدل استاکلبرگ- نش- کورنو و تاکید بر بازار آب مقدار آب موجود در بخش کشاورزی در شرایط خشکسالی در سه سناریو کمآبیاری بین مناطق و محصولات مختلف کشاورزی تخصیص داده شود. در مطالعات گدشته به تخصیص آب در شرایطی که کم آبیاری و بازار آب به طور همزمان اعمال شود اشاره نشده است
مواد و روشها
منطقه سيستان با وسعت بیش از 2500 کیلومتر مربع و طول جغرافيايی 61 درجه و 31 دقيقه شرقی و عرض جغرافيايی 30 درجه و 55 دقيقه شمالی، نسبت به نيم روز گرينويچ با ارتفاع بیش از 400 متر از سطح دریا در شرق ايران و در شمال استان سيستان و بلوچستان قرار گرفته است. منطقه سیستان با متوسط بارندگی 50 تا 55 میلیمتر، حدود 7 درصد از متوسط بارندگی جهان را دارد. ميزان تبخير سالانه آن در حدود 4800 ميليمتر گزارش شده است. متوسط حداکثر درجه حرارت متوسط حداقل درجه حرارت در اين منطقه به ترتیب 5/8 و 5 درجه سانتیگراد است. بادهای 120 روزه از مهمترین ویژگیهای آب و هوايی سيستان میباشد که سرعت آن در سالهای خشکسالی به بیش از 120 کیلومتر در ساعت نیز رسیده است این بادها از اواسط خرداد ماه شروع و تا اوايل پاییز ادامه دارد و در سالهای اخیر به بیش از 120 روز هم رسیده است. انتقال شن و ماسه، تشديد فرسايش و افزايش ميزان تبخيراز عواقب بادهای 120روزه میباشد(33).
شکل 1: موقعیت جغرافیایی منطقه سیستان
افزایش کارایی مصرف آب از طریق کاهش میزان مصرف آب محصولات در اثر اعمال تنشهاي آبی (سناریوهاي کمآبیاري) هدف اصلی به کارگیري روش کمآبیاري در سطح اراضی میباشد که روی میزان عملکرد محصولات تاثیر میگذارد (34). در سالهاي اخیر، جهت بررسی مدیریت آبیاري تحت شرایط کمآبی در سطح مزارع زراعی مدلهاي متعددي توسعه یافتهاند. در این راستا، الگوي پیشنهادي کالرک که توسط بخش توسعه آب و خاک فائو توسعه یافته و امروزه به عنوان مدل پیشفرض در نرمافزار کروپوات لحاظ شده است، یکی از روشهاي کاربردي جهت محاسبه کاهش عملکرد بر پایه روشهاي مدرن برآورد تبخیر و تعرق و عکسالعمل محصولات به تنش آبی میباشد. به اين ترتيب در مطالعة جاري به منظور اعمال كم آبياري و تعيين استراتژي كم آبياري براي گياه از رابطة1در فضاي ساير محدوديتها و هدفهاي مدل استفاده شد (35-37).
این الگو با استفاده از روابط زیر تعریف میشود:
در این رابطه میزن تبخیر و تعرق بالقوه سطوح گیاهی مرجع و
ضریب گیاهی است. تاثیر کاهش آب بر روی عملکرد محصولات بر اساس تایع تولید زیر محاسبه میشود:
(1)
در رابطه بالا عملکرد واقعی،
عملکرد پتانسیل،
تبخیر و تعرق واقعی،
تبخیر و تعرق پتانسیل،
عملکر نسبی محصولات و
ضریب حساسیت گیاه به تنش آبی میباشد (35-37).
مدل تعادلی استاکلبرگ- نش- کورنو
بر مبنای چارچوب مدل تعادلی استاکلبرگ- نش- کورنو که یکی از انواع مدلهای تئوری بازی میباشد، دو نهاد تصمیم گیری در نظر گرفته شده است. مدیران محلی به عنوان تصمیم گیرندگان سطح بالا (رهبر) که آب موجود در بخش کشاورزی را بین نواحی مختلف تحت آبیاری توزیع میکنند و با متغیر تصمیم نشان داده میشود. سپس کشاورزان به عنوان تصمیم گیرندگان سطح پایین آب تخصیص داده شده به هر منطقه را به محصولات کشاورزی تخصیص میدهند و با
نشان داده میشود (8). در مدل پیشنهادی مطالعه امکان مبادله آب بین مناطق وجود دارد. بهطوریکه مناطقی که آب مازاد دارند میتوانند این آب اضافه را به مناطق دیگر بفروشند و از این طریق امکان ایجاد درآمد و افزایش سود برای آنها وجود و با
نشان داده میشود (38). هدف پیروان این است که با ایجاد بازار آب، مزایای اقتصادی بیشتری را برای مناطق آبیاری خودشان بدست آورند.
تصمیم گیرندگان سطح بالا (رهبر)
تصمیمگیرندگان سطح بالا تعیین میکند چه مقدار حق آبه به هر یک از مناطق آبیاری اختصاص یابد. هدف رهبر در این مطالعه این است که بر اساس اصل برابری، نابرابری در تخصیص آب به ازای هر واحد سود اقتصادی در هر ناحیه را طبق معادله 3 حداقل کنند (8).
(2)
E شاخص نابرابری در تخصیص آب را نشان میدهد هر چه E به صفر نزدیکتر باشد به این معنی است که تخصیص آب عادلانهتر خواهد بود و هر چه مقدار E به یک نزدیک شود نشان میدهد تخصیص آب بین مناطق ناعادلانهتر میباشد.
مقدار تخصیص آب به ازای هر واحد سود اقتصادی در هر منطقه آبیاری می باشد.
تابع سود اقتصادی میباشد که با استفاده از رابطه 4 تعریف میشود:
(3)
محدودیتهای سطح بالا
(4)
تصمیم گیرندگان سطح پایین (پیرو)
هدف تصمیمگیرندگان پایین که کشاورزان هر منطقه هستند حداکثر کردن سود اقتصادی میباشد که با استفاده از رابطه 6 تعریف میشود:
(5)
محدودیتهای مدل در سطح پایین برابر است با:
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
با توجه به توابع هدف و محدودیتها مدل کلی استاکلبرگ- نش- کورنو را میتوان به صورت زیر نوشت:
(11)
از آنجائیکه مدلهای برنامه ریزی دو سطحی با چندین پیرو یک مسئله سخت چند جمله ای غیر قطعی و غیر محدب میباشد که امکان بافتن جواب بهینه برای آن مشکل است که در این مطالعه از یک فرایند فراابتکاری استفاده شده است که ترکیبی از الگوریتم ژنتیک و روش برنامه ریزی فازی میباشد(8). جهت حل مدل از یک فرایند فراابتکاری که ترکیبی از الگوریتم ژنتیک پویا و برنامهریزی فازی است استفاده شده است (8). برای این منظور ابتدا هر یک از توابع هدف را با توجه به محدویتهای متناظر با خودش مقادیر حداقل و حداکثر آنها را بدست آورده سپس با استفاده از روش برنامهریزی آرمانی فازی توابع عضویت مربوط به هر یک را تشکیل داده و به عنوان تابع برازندگی وارد الگوریتم ژنتیک میکنیم.
(12)
در این مطالعه یک الگوریتم ژنتیک جدید برای حل مسئله پیشنهاد شده است که میتوان آن را الگوریتم ژنتیک پویا نامید که در این الگوریتم عملگر جهش برای سطح پایین به صورت پویا تغییر میکند. که با معرفی این الگوریتم جوابهای بهتری برای مدل حاصل شده است. که در این الگوریتم در تکرارهای بالاتر میزان حداکثر جهش متغیر y کمتر خواهد شد تا y مقدار کمتری تغییر کند. این الگوریتم از همگرایی زودرسی که در الگوریتم ژنتیک ساده وجود دارد جلوگیری میکند. در شکل فلوچارت این الگوریتم آورده شده است
شکل 2- فلوچارت روش الگوریتم ژنتیک برای مدل استاکلبرگ- نش- کورنو
جدول 1- ضریب حساسیت و نیاز آبی گیاهان در شرایط مختلف
نیاز آبی در شرایط 15 درصد کم آبیاری | نیاز آبی در شرایط 10 درصد کم آبیاری | نیاز آبی در شرایط 5 درصد کم آبیاری | نیاز آبی در شرایط آبیاری کامل | ضریب حساسیت گیاه به تنش آبی |
|
4556 | 4824 | 5092 | 5360 | 9/0 | گندم |
4250 | 4500 | 4750 | 5000 | 95/0 | جو |
2924 | 3096 | 3268 | 3440 | 9/0 | عدس |
5/6366 | 6741 | 5/7115 | 7490 | 8/0 | پیاز |
4420 | 4680 | 4940 | 5200 | 85/0 | خربزه |
5/6230 | 6597 | 5/6963 | 7330 | 85/0 | هندوانه |
19074 | 20196 | 21318 | 22440 | 85/0 | یونجه |
9350 | 9900 | 10450 | 11000 | 75/0 | انگور |
نتایج
میزان آب ورودی به منطقه سیستان در شرایط خشکسالی با استفاده از روش دادههای تاریخی و شبیهسازی مونتکارلو 260 میلیون متر مکعب بدست آمد که با توجه به اراضی قابل کشت در منطقه آب بسیار کمی میباشد بنابراین سعی بر این است که مدلی توسعه داده شود که علاوه بر حفظ حداکثری اراضی قابل کشت و ماندگاری مردم در منطقه آب به گونه ای بین محصولات و مناطق مختلف تخصیص داده شود که حداکثر سود اقتصادی از آن حاصل شود. در این مطالعه 16 منطقه تحت آبیاری ( بر اساس تقسیم بندی طرح 46 هزار هکتاری) در نظر گرفته شده است و محصولات منتخب نیز از بین محصولاتی انتخاب شده است که بیشترین سطح زیر کشت در طی سالهای اخیر در منطقه داشته و کشاورزان تمایل زیادی به کشت این محصولات داشتند.
برای بدست آوردن سطح زیرکشت محصولات مختلف در مناطق مختلف تحت آبیاری از نتایج مدل نرلاو ارائه شده توسط غفاری مقدم و همکاران (39) استفاده شده است و سطح زیر کشت مربوط به هر منطقه با استفاده از این مدل پیشبینی گردید که نتایج آن در جدول 2 آورده شده است.
جدول 2- پیشبینی سطح زیر کشت محصولات با استفاده از مدل نرلاو (هکتار)
| گندم | جو | عدس | پیاز | خربزه | هندوانه | یونجه | انگور | جمع کل |
هیرمند یک | 17/163 | 6/1718 | 15/89 | 4/129 | 5/2042 | 4/2091 | 346 | 249 | 7639 |
هیرمند دو | 164 | 5/1707 | 89 | 129 | 2030 | 5/2886 | 343 | 4/247 | 6/7596 |
هیرمند سه | 6/152 | 6/1835 | 93 | 134 | 6/2174 | 3056 | 377 | 5/267 | 8090 |
هیرمند چهار | 6/156 | 1790 | 4/91 | 132 | 2123 | 2996 | 365 | 260 | 7914 |
هامون یک | 6/161 | 967 | 6/44 | 59 | 4/655 | 1334 | 299 | 212 | 3732 |
هامون دو | 3/153 | 3/1019 | 2/46 | 5/60 | 689 | 6/1390 | 320 | 224 | 3903 |
هامون سه | 176 | 890 | 4/42 | 56 | 5/605 | 1249 | 5/268 | 6/193 | 6/3481 |
هامون چهار | 4/151 | 8/1031 | 5/46 | 61 | 697 | 1404 | 325 | 227 | 6/3943 |
نیمروز یک | 135 | 1306 | 3/71 | 63 | 854 | 1496 | 366 | 237 | 6/4528 |
نیمروز دو | 158 | 1117 | 6/64 | 58 | 736 | 1322 | 299 | 200 | 7/3954 |
نیمروز سه | 3/149 | 6/1183 | 67 | 60 | 778 | 1384 | 322 | 213 | 4/4156 |
زابل یک | 5/137 | 8/1133 | 4/93 | 64 | 762 | 1513 | 367 | 5/251 | 4278 |
زابل دو | 6/184 | 849 | 2/41 | 55 | 579 | 5/1203 | 253 | 184 | 5/3348 |
زهک یک | 232 | 935 | 4/46 | 74 | 712 | 992 | 269 | 281 | 3543 |
زهک دو | 225 | 964 | 3/47 | 4/75 | 4/733 | 5/1016 | 280 | 290 | 5/3632 |
زهک سه | 5/125 | 1716 | 68 | 4/102 | 1269 | 1603 | 589 | 541 | 6014 |
جمع کل | 57/2625 | 2/20164 | 231858 | 4/50596 | 3/165440 | 6/452065 | 5/5388 | 4078 | 7145832 |
ماخذ: (39)
با استفاده از مدل عرضه نرلاو الگوی کشت برای هر یک از نواحی تحت بررسی در منطقه سیستان پیش بینی شد که جمع کل سطح زیر کشت در منطقه سیستان 79756 هکتار میباشد (39).
تخصیص آب بین مناطق و محصولات
با در نظر گرفتن شرایط خشکسالی در منطفه و تخصیص 260 میلیون مترمکعب آب از مخازن چاه نیمه به این منطقه و راندمان آبیاری 35 درصد مقدار آب موجود با استفاده از مدل تعادلی استاکلبرگ- نش- کورنو بین مناطق و محصولات مختلف تخصیص داده شد که نتایج آن در ادامه آورده شده است.
جدول 3- مقدار آب تخصیص یافته به هر منطقه و محصول در شرایط آبیاری کامل (هزار متر مکعب)
میزان آب تخصیصی به محصول | میزان آب تخصیصی به منطقه | مناطق | |||||||
انگور | یونجه | هندوانه | خربزه | پیاز | عدس | جو | گندم | ||
674 | 666 | 2941 | 6841 | 2769 | 456 | 1460 | 205 | 87/17363 | هیرمند یک |
1208 | 631 | 3361 | 7652 | 2474 | 49 | 1758 | 154 | 47/14242 | هیرمند دو |
506 | 900 | 3325 | 7732 | 2867 | 240 | 1667 | 1298 | 3/18872 | هیرمند سه |
573 | 625 | 2876 | 6592 | 2754 | 249 | 1440 | 147 | 19588 | هیرمند چهار |
674 | 2452 | 2036 | 9215 | 1152 | 25 | 802 | 148 | 6/14362 | هامون یک |
1652 | 2403 | 1751 | 8892 | 1250 | 337 | 1063 | 751 | 15541 | هامون دو |
672 | 460 | 3001 | 7847 | 1205 | 163 | 1624 | 413 | 13139 | هامون سه |
966 | 1884 | 3727 | 8753 | 1295 | 26 | 761 | 139 | 6/15551 | هامون چهار |
3397 | 1154 | 1498 | 8122 | 1223 | 80 | 1045 | 331 | 17945 | نیمروز یک |
1832 | 5096 | 1376 | 5723 | 1100 | 621 | 1307 | 600 | 5/13290 | نیمروز دو |
611 | 1253 | 1355 | 7875 | 1283 | 70 | 1058 | 137 | 18525 | نیمروز سه |
1576 | 770 | 2100 | 10523 | 1371 | 159 | 836 | 409 | 18694 | زابل یک |
329 | 433 | 1821 | 8600 | 1175 | 23 | 1007 | 392 | 15877 | زابل دو |
881 | 581 | 953 | 9308 | 1396 | 291 | 900 | 1066 | 7/13930 | زهک یک |
1781 | 495 | 1632 | 8649 | 1613 | 241 | 1141 | 207 | 6/14464 | زهک دو |
1009 | 1748 | 1539 | 5279 | 1988 | 668 | 1653 | 471 | 6/18426 | زهک سه |
18341 | 21551 | 35292 | 127603 | 26915 | 3698 | 19522 | 6868 | 260000 | جمع کل |
ماخذ: یافتههای تحقیق
آبیاری کامل به شرایطی گفته میشود که هدف تامین نیاز آبی گیاه به طور کامل باشد با در نظر گرفتن نیاز آبی گیاه، مقدار آب موجود در بخش کشاورزی که 260 میلیون مترمکعب براورد شده بود، ابتدا بین مناطق و سپس بین محصولات مختلف تخصیص داده شد. در بین مناطق بیشترین آب به منطقه هیرمند 4 و کمترین آب به نیمروز 2 تخصیص داده شده است. در بین محصولات نیز بیشترین اب به خربزه و هندوانه به دلیل بازدهی بالا و نیاز آبی پایین این محصولات و کمترین آب به گندم به دلیل بازدهی پایین و نیاز آبی بالا تخصیص داده شده است.
یکی از راههای مقابله با شرایط خشکسالی، کمآبیاری می باشد لذا در این مطالعه برای مقابله با شرایط کم آبی سه سناریو کم آبیاری شامل 5 درصد کمآبیاری، 10 درصد کم آبیاری و 15 درصد کمآبیاری در نظر گرفته شد. در این حالت نیاز آبی محصول به میزان 5، 10 و 15 درصد کاهش داده و در هر یک از این حالتها میزان سود، آب تخصیص دادهشده به تفکیک برای هر شهرستان، عملکرد نسبی، نیاز آبی تامین شده، حجم آب مبادله شده محاسبه و با شرایط آبیاری کامل مقایسه شدند. نتایج مربوط به اعمال سناریوها در جداول 4، 5 و 6 آورده شده است
جدول 4- مقدار آب تخصیص یافته به هر منطقه و محصول در شرایط 5 درصد کم آبیاری (هزار متر مکعب)
میزان آب تخصیصی به محصول | میزان آب تخصیصی به منطقه | مناطق | |||||||
انگور | یونجه | هندوانه | خربزه | پیاز | عدس | جو | گندم | ||
994 | 1331 | 3283 | 4181 | 2259 | 260 | 1423 | 836 | 18923 | هیرمند یک |
575 | 2661 | 3532 | 6312 | 2352 | 79 | 4140 | 614 | 17741 | هیرمند دو |
580 | 664 | 3299 | 6283 | 2638 | 115 | 1805 | 154 | 18344 | هیرمند سه |
2193 | 625 | 3081 | 6745 | 2688 | 494 | 2382 | 937 | 17302 | هیرمند چهار |
466 | 1152 | 1333 | 7473 | 1197 | 160 | 796 | 148 | 12540 | هامون یک |
2677 | 548 | 1896 | 7406 | 1230 | 282 | 1205 | 141 | 5/14910 | هامون دو |
385 | 721 | 2886 | 7826 | 1145 | 317 | 724 | 243 | 8/14225 | هامون سه |
377 | 2115 | 2080 | 8778 | 1029 | 133 | 816 | 365 | 8/14726 | هامون چهار |
1345 | 8388 | 6204 | 6979 | 867 | 651 | 1136 | 845 | 17106 | نیمروز یک |
1434 | 512 | 1472 | 8708 | 1138 | 56 | 1317 | 483 | 17309 | نیمروز دو |
1396 | 2839 | 4466 | 7457 | 1218 | 37 | 927 | 137 | 16954 | نیمروز سه |
585 | 629 | 1485 | 9192 | 1302 | 140 | 984 | 352 | 17250 | زابل یک |
323 | 1735 | 1499 | 8047 | 1096 | 74 | 796 | 286 | 14438 | زابل دو |
466 | 462 | 953 | 6658 | 1125 | 180 | 1552 | 1772 | 14439 | زهک یک |
487 | 2272 | 1023 | 8048 | 1532 | 441 | 1171 | 432 | 16766 | زهک دو |
2109 | 1955 | 1951 | 4985 | 1996 | 283 | 1570 | 459 | 17018 | زهک سه |
16390 | 28609 | 40442 | 115077 | 24814 | 3700 | 22743 | 8205 | 260000 | جمع کل |
ماخذ: یافتههای تحقیق
جدول 5- مقدار آب تخصیص یافته به هر منطقه و محصول در شرایط 10 درصد کم آبیاری (هزار متر مکعب)
میزان آب تخصیصی به محصول | میزان آب تخصیصی به منطقه | مناطق | |||||||
انگور | یونجه | هندوانه | خربزه | پیاز | عدس | جو | گندم | ||
901 | 1436 | 3160 | 4685 | 2492 | 75 | 1407 | 1553 | 14962 | هیرمند یک |
791 | 753 | 3367 | 5929 | 2411 | 462 | 3248 | 693 | 18853 | هیرمند دو |
444 | 3520 | 2934 | 4063 | 2581 | 509 | 1842 | 260 | 16383 | هیرمند سه |
432 | 1367 | 3392 | 3807 | 2546 | 144 | 1445 | 1368 | 15007 | هیرمند چهار |
1231 | 698 | 1345 | 5368 | 1134 | 121 | 745 | 1145 | 12546 | هامون یک |
670 | 1156 | 3046 | 7843 | 966 | 26 | 1414 | 141 | 15877 | هامون دو |
640 | 501 | 1806 | 8054 | 929 | 318 | 1463 | 359 | 14090 | هامون سه |
625 | 770 | 3894 | 5232 | 1173 | 375 | 978 | 874 | 8/13055 | هامون چهار |
393 | 627 | 1842 | 8907 | 1024 | 150 | 1179 | 522 | 19449 | نیمروز یک |
332 | 932 | 3010 | 7015 | 1119 | 200 | 1259 | 284 | 18108 | نیمروز دو |
1340 | 552 | 2649 | 9151 | 1029 | 37 | 1045 | 991 | 19318 | نیمروز سه |
417 | 679 | 4203 | 8896 | 1170 | 173 | 1329 | 381 | 17064 | زابل یک |
3720 | 4781 | 4509 | 7414 | 993 | 137 | 6003 | 293 | 15871 | زابل دو |
566 | 462 | 5671 | 9191 | 702 | 26 | 2365 | 834 | 13502 | زهک یک |
1061 | 933 | 2487 | 7692 | 1452 | 122 | 1024 | 212 | 16739 | زهک دو |
2432 | 1808 | 2468 | 5065 | 1973 | 38 | 1330 | 234 | 19068 | زهک سه |
15995 | 20976 | 49781 | 108311 | 23694 | 2912 | 28075 | 10144 | 260000 | جمع کل |
ماخذ: یافتههای تحقیق
جدول 6- مقدار آب تخصیص یافته به هر منطقه و محصول در شرایط 15درصد کم آبیاری (هزار متر مکعب)
میزان آب تخصیصی به محصول | میزان آب تخصیصی به منطقه | مناطق | |||||||
انگور | یونجه | هندوانه | خربزه | پیاز | عدس | جو | گندم | ||
2395 | 1940 | 3585 | 8410 | 2281 | 620 | 1579 | 153 | 7/16413 | هیرمند یک |
566 | 1609 | 2948 | 5861 | 2188 | 148 | 1271 | 154 | 5/13380 | هیرمند دو |
676 | 646 | 2958 | 3975 | 2242 | 258 | 1449 | 1781 | 17325 | هیرمند سه |
1225 | 652 | 3929 | 5438 | 2268 | 261 | 1428 | 224 | 16704 | هیرمند چهار |
421 | 531 | 1760 | 8277 | 1071 | 332 | 939 | 581 | 17218 | هامون یک |
372 | 739 | 1603 | 8700 | 1098 | 318 | 898 | 141 | 16096 | هامون دو |
773 | 460 | 1788 | 7647 | 1024 | 173 | 1067 | 347 | 13274 | هامون سه |
1150 | 623 | 1411 | 8801 | 965 | 121 | 872 | 139 | 16392 | هامون چهار |
678 | 627 | 4592 | 8733 | 790 | 88 | 963 | 124 | 19048 | نیمروز یک |
503 | 3816 | 2934 | 7492 | 856 | 61 | 823 | 188 | 17724 | نیمروز دو |
1132 | 1260 | 2489 | 8302 | 1090 | 483 | 937 | 447 | 14308 | نیمروز سه |
417 | 2010 | 1619 | 9259 | 1165 | 139 | 1119 | 688 | 17933 | زابل یک |
305 | 903 | 2911 | 7269 | 869 | 161 | 1760 | 502 | 16527 | زابل دو |
509 | 462 | 3882 | 8997 | 1349 | 90 | 750 | 1917 | 17964 | زهک یک |
4432 | 4289 | 4073 | 9262 | 1371 | 187 | 5383 | 243 | 16553 | زهک دو |
1124 | 1127 | 1539 | 4502 | 1863 | 302 | 1427 | 132 | 13120 | زهک سه |
16679 | 21692 | 44021 | 120924 | 22491 | 3743 | 22665 | 7760 | 260000 | جمع کل |
ماخذ: یافتههای تحقیق
با اعمال گزینههای کم آبیاری، با استفاده از مدل پیشنهادی مقدار آب موجود در بخش کشاورزی بین محصولات و مناطق تخصیص داده شد به طوریکه اهداف مورد نظر مدل برآورده شود. در سناریو 5 درصد کم آبیاری بیشترین آب به هیرمند یک، در سناریو 10 و 15 درصد کمآبیاری بیشترین آب به نیمروز یک و در بین محصولات نیز بیشترین آب در هر سه سناریو به خربزه اختصاص پیدا کرده است. با اعمال سناریو کم آبیاری و صرفه جویی در آب مصرفی میزان آب تخصیص داده شده به محصولات افزایش یافته است و این افزایش برای محصولاتی که نیاز آبی بالاتری بیشتری داشتند کمتر بوده است. و تخصیص آب به سمت محصولاتی پیش میرود که صرفه اقتصادی بالاتری داشتند
نیاز آبی تامین شده
از آنجائیکه منطقه در شرایط خشکسالی قرار دارد و آورد رودخانه هیرمند بسیار کم میباشد و سطح زیر کشت پیشبینی شده 79756 هکتار میباشد لذا با این مقدار آب محصولات به طور کامل نیاز آبی خود را دریافت نکردهاند. نتایج مربوط به متوسط میزان نیاز آبی تامین شده محصولات در جدول 7 آورده شده است
جدول 7- متوسط نیاز آبی تامین شده محصولات منتخب در مناطق مختلف (درصد)
انگور | یونجه | هندوانه | خربزه | پیاز | عدس | جو | گندم |
|
15 | 6 | 6 | 64 | 96 | 38 | 7 | 17 | آبیاری کامل |
14 | 9 | 8 | 61 | 93 | 42 | 8 | 21 | 5 درصد کم آبیاری |
15 | 7 | 11 | 62 | 92 | 34 | 12 | 29 | 10 درصد کمآبیاری |
15 | 8 | 10 | 72 | 94 | 46 | 10 | 21 | 15 درصد کمآبیاری |
ماخذ: یافتههای تحقیق
با توجه به نتایج جدول 7 مشاهده میشود در تمام سناریوها پیاز به دلیل سود اقتصادی بالا بیش از 90 درصد نیاز آبی خود را دریافت کرده است. با اعمال سناریو کم آبیاری به دلیل افزایش آب قابل دسترس برای گیاه مقدار تامین نیاز آبی برای محصولات نیز افزایش یافته است. نیاز آبی تامین شده یونجه نسبت به سایر محصولات کمتر است و این نشان میدهد آب کمی در هر سه سناریو به این محصول تخصیص داده شده است که میتواند به علت نیاز آبی بالای این محصول باشد.
عملکرد نسبی
با اعمال تنش آبی و عدم تامین آب کافی مورد نیاز، با کاهش محصول مواجه خواهیم شد به طوریکه برای محصولات با ضریب حساسیت بالا با کاهش بیشتر محصول روبهرو خواهند شد البته با توجه به تابع هدف در مدل محصولی که سودآوری بیشتری داشته باشد با تنش کمتری مواجه میشود تا کاهش محصول کمتری داشته باشد. در نمودار 2 تا 5 عملکرد نسبی محصولات در سناریوهای مختلف آبیاری کامل و کمآبیاری نمایش داده شده است. از آنجا که حد اقتصادی بودن عملکرد گیاهان ضریب 7/0 در نظر گرفته شده است (40). برای محصولاتی که این نسبت برای آنها کمتر از 7/0 میباشد نشان میدهد که کشت این گیاهان در شرایط کمآبی به دلیل نیاز آبی بالا و کاهش عملکرد چندان اقصادی نیست. در شرایط آبیاری کامل عملکرد تخمینی به دست آمده برای پیاز در همه مناطق تحت بررسی بیشتر از 7/0 می باشد، بعد از پیاز خربزه بیشترین نسبت عملکرد را داشته است. با اعمال سناریو کمآبیاری کاهش در عملکرد نسبی برای محصولات کاهش پیدا کرده است. نتایج شیرشاهی و همکاران (29) نشان داد که کشت محصولات گوجه، یونجه و چغندرقند به دلیل اینکه عملکرد نسبی آنها کمتر از 7/0 میباشد اقتصادی نیست.
نمودار 1- نتایج عملکرد نسبی محصولات در مناطق مختلف در سناریو آبیاری کامل
نمودار 2- نتایج عملکرد نسبی محصولات در مناطق مختلف در سناریو 5 درصد کمآبیاری
نمودار 3- نتایج عملکرد نسبی محصولات در مناطق مختلف در سناریو 10 درصد کمآبیاری
نمودار 4- نتایج عملکرد نسبی محصولات در مناطق مختلف در سناریو 15 درصد کمآبیاری
سود اقتصادی سیستم
با اعمال سناریوهای کمآبیاری مقدار سود اقتصادی و شاخص E در هر یک از سناریوها محاسبه شد
جدول7- میزان سود اقتصادی و شاخص E در هر سناریو
سناریو | سود اقتصادی سیستم (ریال) | شاخص E |
آبیاری کامل | 1011×71/2 | 0334/0 |
5 درصد کمآبیاری | 1011×77/2 | 033/0 |
10درصد کمآبیاری | 1011×79/2 | 031/0 |
15 درصد کمآبیاری | 1011×04/3 | 030/0 |
ماخذ: یافتههای تحقیق
از آنجائیکه مقدار شاخص E مقداری کوچک و نزدیک به صفر است نشان میدهد تخصیص آب بین مناطق عادلانه میباشد. و با اعمال سناریوها مقدار این شاخص نیز کاهش یافته است و نشان می دهد چنانچه کم آبیاری اعمال شود تخصیص آب بین مناطق عادلانهتر خواهد بود. مقدار سود اقتصادی در شرایط آبیاری کامل 1011×71/2 ریال میباشد که در سناریوهای مختلف مقدار سود اقتصادی افزایش مییابد بهطوریکه با اعمال سناریوی کم آبیاری 5 درصد میزان سود 1011×06/0، در سناریوی 10 درصد کمآبیاری 1011×08/0 و در سناریوی 15 درصد کمآبیاری 1011×33/0 ریال نسبت به حالت آبیاری کامل افزایش یافته است که این حاکی از این می باشد اب صرفه جویی شده ناشی از کمآبیاری باعث افزایش آب تخصیص داده شده به محصولات میشود که در نتیجه منجر به افزایش سود اقتصادی خواهد شد. در نمودار 3 مقایسه میزان سود هر منطقه در هر سناریو نشان داده شده است.
نمودار 5- مقایسه میزان سود هر منطقه در هر سناریو (ریال)
بیشترین مقدار سود در بین مناطق در همه سناریوها متعلق به چهار منطقه هیرمند میباشد و کمترین سود اقتصادی را در منطقع زابل دو داشتهایم. در رتبه بندی سود اقتصادی بین محصولات تولید خربزه، پیاز و هندوانه بیشترین سود اقتصادی را به همراه داشته است و کمترین سود نیز تولید گندم و عدس دارد.
بازار آب
در این مطالعه تلاش شده است علاوه بر در نظر گرفتن شرایط کمآبیاری اثرات شکلگیری بازارهای آب منطقهای بر تخصیص آب بین مناطق و محصولات نیز ارزیابی شود. نتایج حاصل از مبادله آب بین مناطق تحت سناریوهای مختلف در جدول 8 آورده شده است
جدول 8- حجم کل آب مبادله شده بین مناطق در سناریوهای مختلف (هزار متر مکعب)
| آبیاری کامل | 5 درصد کمآبیاری | 10 درصد کمآبیاری | 15 درصد کمآبیاری |
حجم آب فروخته شده | 17847 | 16840 | 20090 | 20435 |
حجم آب خریداری شده | 17847 | 16840 | 20090 | 20435 |
ماخذ: یافتههای تحقیق
در شرایط آبیاری کامل حجم آب مبادله شده بین مناطق 17847 هزار متر مکعب یوده است که با اعمال شرایط کمآبیاری حجم آب مبادله شده نیز تغییر پیدا کرده است به طوریکه با اعمال 5 درصد کمآبیاری مقدار خرید و فروش آب به 16840 هزار مترمکعب کاهش پیدا کرده است. در شرایط کمآبیاری 10 درصد و 15 درصد مقدار خرید و فروش نسبت به آبیاری کامل افزایش پیدا کرده است از آنجائيکه با اعمال کمآبیاری مقدار آب در دسترس افزایش پیدا میکند لذا این آب صرفه جویی شده یا جهت تخصیص به محصولات و یا خرید و فروش استفاده میشود. نتایج حاصل از مبادله آب در سناریوهای مختلف کمآبیاری به تفکیک بین مناطق مختلف در نمودارهای 9-6 نشان داده شده است.
نمودار 6- میزان مبادله آب بین مناطق در شرایط آبیاری کامل
نمودار 7- میزان مبادله آب بین مناطق در شرایط 5 درصد کمآبیاری
نمودار 8- میزان مبادله آب بین مناطق در شرایط 10 درصد کمآبیاری
نمودار 9- میزان مبادله آب بین مناطق در شرایط 15 درصد کمآبیاری
در شرایط آبیاری کامل مناطق هیرمند سه، هامون چهار، نیمروز یک و زهک یک خریدار آب و سایر مناطق فروشنده اب بودند که بیشترین خرید آب توسط نیمروز یک انجام گرفته شده است و بیشترین فروش آب در زهک سه مشاهده میشود. با 5 درصد اعمال کمآبیاری بیشترین خرید در نیمروز یک و بیشترین فروش در هیرمند یک اتفاق افتاده است
و چهار منطقه هامون، هیرمند چهار، نیمروز یک و سه خریدار آب و دیگر مناطق فروشنده آب بودند. در شرایط 10 درصد کمآبیاری نیز بیشترین مقدار فروش آب در نیمروز یک و بیشترین خرید آب در زابل دو و در شرایط 15 درصد کمآبیاری بیشترین خرید توسط زهک دو و بیشترین فروش توسط هیرمند سه انجام گرفته است.
بحث و نتیجهگیری
هدف در این مطالعه تخصیص منابع آب در بخش کشاورزی جهت توسعه پایدار میباشد که برای این منظور از مدل استاکلبرگ – نش- کورنو که یکی از انواع مدلهای برنامه ریزی دو سطحی میباشد، استفاده شده است. این مدل نه تنها تعادل بین مدیران و کشاورزان را مورد توجه قرار میدهد بلکه مبادله آب بین مناطق نیز دراین مدل در نظر گرفته میشود. یافتههای پژوهش از این نظر اهمیت دارند که نشان میدهند با اعمال یک مدیریت بهنیه و هدفمند جهت تخصیص آب میتوان اثرات خشکسالی را جبران نمود به طوریکه که با تغییرات حاصل از بهینهسازی، میتوان سود خالص کشاورزان را در بسیاری از موارد افزایش داد. اگرچه کم آبیاری در حال حاضر در منطقه سیستان به منظور ایجاد درآمد از طریق فروش آب انجام نمی شود، اما این یک رویکرد قابل قبول جهت استفاده بهینه آب برای مناطق و محصولاتی که بازده اقتصادی بیشتری دارند مفید خواهد بود.
سود خالص سالانه در سناریو آبیاری کامل 1011×71/2 ریال میباشد و میزان کل آب در دسترس برای بخش کشاورزی 260 میلیون متر مکعب میباشد. مقدار شاخص نابرابری تخصیص در آب بدست آمده در این سناریو 0334/0میباشد که مقدار این شاخص نزدیک به صفر میباشد و نشان میدهد تخصیص آب بین مناطق عادلانه بوده است. در بین محصولات بیشترین آب به محصول خربزه و کمترین آب به محصول گندم تخصیص داده شده است. با اعمال سناریو کمآبیاری مقدار سود افزایش و مقدار شاخص نابرابری تخصیص در آب کاهش مییابد. نتایج نشان داد در صورت استفاده از روش کم آبیاری، منفعت حاصل از مقدار آب ذخیره شده جبران کاهش عملکرد محصول را کرده و با استفاده از مقدار آب صرفه جویی میتوان به محصولات پربازده آب بیشتری تخصیص داد و ضرر ناشی از کاهش عملکرد را جبران کرد. همچنین با اعمال سناریو کمآبیاری کاهش در عملکرد نسبی برای محصولات کاهش پیدا میکند. کمآبیاری سبب شده است که نیاز آبی تامین نشده محصولات کاهش یابد و درصد بیشتری از نیاز آبی آنها تامین شود. نتایج مطالعه حاضر منطبق با نتایج مطالعه ایگزیو و همکاران (8) و یائو و همکاران (9)می باشد آنها نیز در مطالعه خود به این نتیجه رسیدند که با ایجاد بازار آب و معامله آب بین مناطق تحت آبیاری سود اقتصادی افزایش خواهد یافت و تخصیص آب بین مناطق عادلانه تر خواهد بود. همچنین فرانسيسکو و همکاران(6) زنگ و همکاران(38)، غفاری مقدم و همکاران(14) در مطالعات خود به اثر بخشی بازار آب در فرایند تخصیص آب نیز اشاره نمودند. در این مطالعه علاوه بر تخصیص آب در شرایطی که بازار آب ایجاد میشود شرایط کمآبیاری نیز در نظر گرفته شده است.
پیشنهادها
با توجه به نتایج سیاست تلفیقی شامل اعمال کمآبیاری و بازار آب منجر به افزایش مبادله آب بین مناطق و سود اقتصادی خواهد شد لذا پیشنهاد میشود جهت پایداری منابع آب در منطقه سیستان از این سیاست به عنوان ابزاری موثر استفاده نمود. از نتایج این تحقیق به عنوان کمک یار مدیران شبکه و افراد مسئول برای تخصیص آب میتوان استفاده کرد.
تعریف متغیرها و پارامترها
جدول 9- معرفی متغیرها و پارامترهای به کار برده شده در مدل
توضیحات | نماد |
مناطق تحت آبیاری | i |
نوع محصول در منطقه آبیاری | j |
کل آب موجود در بخش کشاورزی (مترمکعب) |
|
بازده خالص محصول j در منطقه i به ازای هر واحد آب (ریال) |
|
قیمت آب که توسط رهبر تعیین میشود (ریال) |
|
هزینه آبی که از بازار آب خریداری میشود (ریال) |
|
سطح زیر کشتی محصول j در منطقه i (هکتار) |
|
راندمان آبیاری |
|
سطح زیر کشت در منطقه i (هکتار) |
|
عملکرد واقعی محصول j به ازای یک هکتار در منطقهi (کیلوگرم) |
|
عملکرد بالقوه محصول j به ازای یک هکتار در منطقهi (کیلوگرم) |
|
سود اقتصادی (ریال) |
|
میزان حق ابه اولیه هر منطقه i که توسط تصمیم گیرنده سطح بالا (رهبر) تعیین میشود (مترمکعب) |
|
آبی که به هر محصول در منطقه i تخصیص داده می شود و توسط تصمیم گیرنده سطح پایین (پیرو) تعیین میشود (مترمکعب) |
|
مقدار آب فروخته شده (مترمکعب) |
|
مقدار آب خریداری شده (مترمکعب) |
|
متغیر 0-1 که آیا آب خریداری شود یا خیر |
|
حداکثر نیاز آبی گیاه (مترمکعب) |
|
حداقل آب مورد نیاز گیاه برای ادامه حیات و عدم قرار گرفتن در تنشهای معنیدار آبی (مترمکعب) |
|