کاربرد تلفیقی تئوری بازی و الگوریتم ژنتیک 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 )
علی سردارشهرکی ² ( دانشیار اقتصاد کشاورزی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران )
آرش غفاری مقدم ³ ( دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر، دانشگاه هاتف، زاهدان، ایران )

تاریخ ارسال : 1403/03/29

کلید واژه: استاکلبرگ, نیاز آبی, الگوریتم ژنتیک, تخصیص آب, بازار آب,

چکیده مقاله :

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. 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. 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. از نتایج این تحقیق به عنوان کمک یار مدیران شبکه و افراد مسئول برای تخصیص آب میتوان استفاده کرد.

چکیده انگلیسی :

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.

متن کامل:



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 ([e-mail])  Ali Sardarshahraki Associate Professor of Agricultural Economics, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran, Email: [e-mail] Arash Ghaffari moghadam Master's degree in Computer Engineering, Hatef University, Zahedan, Iran Email: [e-mail]
Received:   Revised:   Accepted:	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: [phone] Email: [e-mail]

 

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.

 

 

 

مقاله پژوهشی
کاربرد تئوری بازی در تخصیص بهینه منابع آب منطقه سیستان تحت شرایط خشکسالی با راهبرد کم‌آبیاری
زهرا غفاری مقدم *1، علی سردارشهرکی2، آرش غفاری مقدم3 1-استادیار گروه اقتصاد کشاورزی، پژوهشکده کشاورزی، پژوهشگاه زابل، زابل،ایران [e-mail] 2-دانشیار اقتصاد کشاورزی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران [e-mail] 3-دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر، دانشگاه هاتف، زاهدان، ایران   [e-mail]
تاریخ دریافت:   تاریخ داوری:   تاریخ پذیرش:	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:[phone] پست الکترونیکی: [e-mail]

 

 

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

 

ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش

همکاری مشارکت­کنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.

حامی مالی

هزینه­ تحقیق حاضر از محل گرنت پژوهشگاه زابل با کد IR-RIOZ-GR-0702 تامین شده است.

مشارکت نویسندگان

طراحی و ایده­پردازی: زهرا غفاری مقدم، علی سردارشهرکی؛ روش­شناسی و تحلیل داده­ها: زهرا غفاری مقدم، آرش غفاری مقدم ؛

 نظارت و نگارش نهایی: زهرا غفاری مقدم، علی سردارشهرکی.

تعارض منافع

بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.

 

 

 

References

 

1.        Ren C, Li Z, Zhang H. Integrated multi-objective stochastic fuzzy programming and AHP method for agricultural water and land optimization allocation under multiple uncertainties. Journal of Cleaner Production. 2019;210:12-24.

2.        Li M, Fu Q, Singh VP, Ma M, Liu X. An intuitionistic fuzzy multi-objective non-linear programming model for sustainable irrigation water allocation under the combination of dry and wet conditions. Journal of Hydrology. 2017;555:80-94.

3.        Zhang F, Guo P, Engel BA, Guo S, Zhang C, Tang Y. Planning seasonal irrigation water allocation based on an interval multiobjective multi-stage stochastic programming approach. Agricultural Water Management. 2019;223:105692.

4.        Wu D, Liu M. Coordinated optimal allocation of water resources and industrial structure in the Beijing–Tianjin–Hebei regions of China. Chinese Journal of Population, Resources and Environment. 2022;20(4):392-401.

5.        Feng J. Optimal allocation of regional water resources based on multi-objective dynamic equilibrium strategy. Applied Mathematical Modelling. 2021;90:1183-203.

6.        Francesco S, Dionisio, P., Carlos, G., Vito, F. An ensemble experiment of mathematical programming models to assess socio-economic effects of agricultural water pricing reform in the Piedmont Region, Italy. . Journal of Environmental Management. 2020;17(3). Epub 29.

7.        Zeng X, Li Y, Huang G, Liu J. Modeling water trading under uncertainty for supporting water resources management in an arid region. Journal of Water Resources Planning and Management. 2016;142(2):04015058.

8.        Xu Z, Yao L, Zhou X, Moudi M, Zhang L. Optimal irrigation for sustainable development considering water rights transaction: A Stackelberg-Nash-Cournot equilibrium model. Journal of Hydrology. 2019;575:628-37.

9.        Yao L, Xu Z, Chen X. Sustainable water allocation strategies under various climate scenarios: A case study in China. Journal of Hydrology. 2019;574:529-43.

10.        Alarcón J, Juana L. The Water Markets as Effective Tools of Managing Water Shortages in an Irrigation District. Water Resources Management. 2016;30(8):2611-25.

11.        Yue Q, Zhang F, Zhang C, Zhu H, Tang Y, Guo P. A full fuzzy-interval credibility-constrained nonlinear programming approach for irrigation water allocation under uncertainty. Agricultural Water Management. 2020;230:105961.

12.        Li M, Xu Y, Fu Q, Singh VP, Liu D, Li T. Efficient irrigation water allocation and its impact on agricultural sustainability and water scarcity under uncertainty. Journal of Hydrology. 2020;586:124888.

13.        Elleuch MA, Anane M, Euchi J, Frikha A. Hybrid fuzzy multi-criteria decision making to solve the irrigation water allocation problem in the Tunisian case. Agricultural systems. 2019;176:102644.

14.        Wu R-S, Liu J-S, Chang S-Y, Hussain F. Modeling of mixed crop field water demand and a smart irrigation system. Water. 2017;9(11):885.

15.        Lin P, You J, Gan H, Jia L. Rule-based object-oriented water resource system simulation model for water allocation. Water Resources Management. 2020;34:3183-97.

16.        Li M, Li J, Singh VP, Fu Q, Liu D, Yang G. Efficient allocation of agricultural land and water resources for soil environment protection using a mixed optimization-simulation approach under uncertainty. Geoderma. 2019;353:55-69.

17.        Wang Y, Yang J, Chang J. Development of a coupled quantity-quality-environment water allocation model applying the optimization-simulation method. Journal of Cleaner Production. 2019;213:944-55.

18.        Chakraei I, Safavi HR, Dandy GC, Golmohammadi MH. Integrated simulation-optimization framework for water allocation based on sustainability of surface water and groundwater resources. Journal of Water Resources Planning and Management. 2021;147(3):05021001.

19.        Zeng Y, Li J, Cai Y, Tan Q, Dai C. A hybrid game theory and mathematical programming model for solving trans-boundary water conflicts. Journal of Hydrology. 2019;570:666-81.

20.        Kosolapova NA, Matveeva LG, Nikitaeva AY, Molapisi L. Modeling resource basis for social and economic development strategies: Water resource case. Journal of Hydrology. 2017;553:438-46.

21.        Philpot SL, Johnson PA, Hipel KW. Analysis of a brownfield management conflict in Canada. Hydrological Research Letters. 2017;11(3):141-8.

22.        Geerts S, Raes D. Deficit irrigation as an on-farm strategy to maximize crop water productivity in dry areas. Agricultural Water Management. 2009;96(9):1275-84.

23.        Fereres E, Soriano MA. Deficit irrigation for reducing agricultural water use. Journal of experimental botany. 2007;58(2):147-59.

24.        Mahmoudzadeh Varzi M, Trout TJ, DeJonge KC, Oad R. Optimal water allocation under deficit irrigation in the context of Colorado water law. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2019;145(5):05019003.

25.        Trout TJ, Howell, T. A., English, M. J., Martin, D. L. Deficit irrigation strategies for the western US. Transactions of the ASABE. 2020;63(6):12.

26.        English M, Raja SN. Perspectives on deficit irrigation. Agricultural Water Management. 1996;32(1):1-14.

27.        Englsih M, Music J, Murty V. Deficit irrigation. Management of Farm Irrigation Systems ASAE Monograph, Michigan. 1990:631-63.

28.        Salemi H, Soom MAM, Lee TS, Mousavi SF, Ganji A, Yusoff MK. Application of AquaCrop model in deficit irrigation management of Winter wheat in arid region. African Journal of Agricultural Research. 2011;610(1):2204-15.

29.        Shirshahi F, Babazadeh H, Ebrahimipak N, Khaledian M. Determining Optimum major Crops Cultivation Areas in Different Levels of deficit Irrigation in Qazvin Irrigation and drainage district. Water and Soil Science. 2020;30(1):69-81.

30.        Mohammad khani M, karimi m, Gomrokchi a. Optimization of Water Allocation between Different Crops in Water Stress Conditions in Qazvin Irrigation Network. Water and Soil. 2017;31(1):1-10.

31.        Pande G, Umamahesh N. Optimal Cropping Pattern and Water Allocation Using Ga Under Deficit Irrigation Conditions. 2022.

32.        Ali S. Optimal Allocation of Water Resources of Hirmand Basin by Application of Game Theory and Evaluating the Managerial Scenarios [thesis]: university of Sistan and Baluchestan. ; 2016.

33.        Ghaffari Moghadam Z, SardarShahraki A. Prediction of monthly consumption of drinking water in the Sistan region under climate change impact. Journal of Natural Environmental Hazards. 2023;12(37):75-100.

34.        Zapata-Sierra AJ, Manzano-Agugliaro F. Controlled deficit irrigation for orange trees in Mediterranean countries. Journal of Cleaner Production. 2017;162:130-40.

35.        Clarke D, Smith M, El-Askari K, editors. CropWat for Windows: user guide. 2001: IHE Oak Brook, IL, USA.

36.        Steduto P, Hsiao TC, Fereres E, Raes D. Crop yield response to water: fao Rome; 2012.

37.        Graveline N, Mérel P. Intensive and extensive margin adjustments to water scarcity in France's Cereal Belt. European Review of Agricultural Economics. 2014;41(5):707-43.

38.        Goetz RU, Martínez Y, Xabadia À. Efficiency and acceptance of new water allocation rules-The case of an agricultural water users association. Science of the total environment. 2017;601:614-25.

39.        Ghaffari Moghadam Z, Moradi E, Hashemi Tabar M, Sardar Shahraki A. Developing a Bi-level programming model for water allocation based on Nerlove’s supply response theory and water market. Environment, Development and Sustainability. 2023;25(6):5663-89.

40.        Georgiou P, Papamichail D, Vougioukas S. Optimal irrigation reservoir operation and simultaneous multi‐crop cultivation area selection using simulated annealing. Irrigation and drainage: the journal of the International Commission on Irrigation and Drainage. 2006;55(2):129-44.

 

 

---