رتبه‌بندی سامانه‌های آبیاری بارانی با ترکیب روش‌های تصمیم‌گیری چندمعیاره آنتروپی، تحلیل روابط خاکستری و تاپسیس (EGC-TOPSIS): دشت دهگلان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه ولیعصر (عج) رفسنجان، ایران

چکیده

امروزه انتخاب سامانه‌های آبیاری مناسب در مزارع برای افزایش بهره‌وری آب یک ضرورت است. انتخاب سامانه‌های آبیاری در مناطق مختلف امری پیچیده و تحت تأثیر عوامل و سطوح مختلف تصمیم‌گیری می‌باشد. در تحقیق حاضر، با ترکیب روش‌های تصمیم‌گیری چندمعیاره آنتروپی، تحلیل روابط خاکستری و تاپسیس (EGC-TOPSIS)، روش انتخاب یکپارچه‌ای برای انتخاب سامانه آبیاری بارانی مناسب بر اساس شاخص‌های ارزیابی عملکرد آنها ارائه و نتایج آن با روش آنتروپی-تاپسیس (E-TOPSIS) مقایسه شد. همچنین از مدل ترکیبی تحلیل مؤلفه‌های اصلی-رگرسیون خطی چندگانه (MLR-PCA) برای ارائه روابط پیش‌بینی شاخص‌ تصمیم نهایی در روش پیشنهادی EGC-TOPSIS و شاخص نزدیکی فاصله در روش E-TOPSIS بهره گرفته شد. بدین منظور 20 سامانه آبیاری بارانی کلاسیک ثابت آبپاش متحرک و لوله چرخدار دشت دهگلان کردستان ارزیابی شد. ارزیابی به روش آبپاش منفرد و با استفاده از شاخص‌های ضریب یکنواختی کریستیان سن، یکنواختی توزیع، راندمان پتانسیل کاربرد ربع پایین، راندمان کاربرد ربع پایین، تلفات نفوذ عمقی و تلفات پاششی انجام شد. نتایج تئوری آنتروپی نشان داد که یکنواختی توزیع با وزن 194/0 مؤثرترین معیار در رتبه‌بندی سامانه‌های آبیاری مورد مطالعه است. میانگین شاخص تصمیم نهایی و میانگین رتبه‌های سامانه‌های آبیاری لوله چرخدار به ترتیب برابر با 52/0 و 1/9 محاسبه شد که حاکی از برتری این سامانه‌ها نسبت به کلاسیک ثابت آبپاش متحرک در منطقه مورد مطالعه بود. این نتیجه با روش تحلیل خوشه‌ای نیز مورد تأیید قرار گرفت. نتایج رتبه‌بندی دو روش ترکیبی EGC-TOPSISو E-TOPSIS به طور معناداری با R2=0.79 به یکدیگر همبسته بودند. همچنین، مدل ترکیبی MLR-PCA با سه مؤلفه اصلی، به طور مطلوبی با R2=0.95 قادر به پیش‌بینی مقادیر شاخص تصمیم نهایی بود. به طور کلی مدل EGC-TOPSIS با منطق ریاضی قوی می‌تواند نتایج مفید، جامع و کاربردی را ایجاد کند و در ارزیابی و رتبه بندی سامانه های آبیاری مناطق مشابه مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Ranking of Sprinkler Irrigation Systems Using Hybridizing of Multi-Attribute Decision-Making Approaches of Entropy, Grey Relational, and TOPSIS (EGC-TOPSIS): Dehgolan Plain

نویسنده [English]

  • Akram Seifi
Assistant Professor, Department of Water Engineering, Vali-e-Asr University, Rafsanjan, Iran
چکیده [English]

Today, appropriate selection of irrigation systems in farms is necessary for increasing water use efficiency. The selection of irrigation systems in different regions is complex problem and involves different factors and levels of decision making. In the present study, by hybridizing multi-attribute decision-making (MADM) approaches of Entropy, grey relational, and TOPSIS; an integrated method of EGC-TOPSIS were applied for appropriate selection of sprinkler irrigation systems based on performance evaluation indicators of irrigation systems. Then, the results of hybrid EGC-TOPSIS method were compared with E-TOPSIS method. Also, the hybrid principal component analysis-multiple linear regression (MLR-PCA) model was used for identify the estimation equations of ultimate decision index and distance closeness index for hybrid EGC-TOPSIS and E-TOPSIS methods, respectively. For this aim, 20 sprinkler irrigation systems including movable sprinkler solid-set and wheel-move irrigation systems were evaluated in Dehgolan plain as case study. The evaluation was done by single sprinkler approach and using indicators of Christensen uniformity coefficient, distribution uniformity, water application efficiency in the lower quarter, potential efficiency of lower quarter, deep percolation losses, and wind drift and evaporation losses. The entropy results show that the distribution uniformity with weight of 0.194 is the most effective factor for ranking of studied irrigation systems. The mean ultimate decision index and mean ranks of wheel-move irrigation systems were calculated equal to 0.52 and 9.1, respectively, that show the superiority of this system than movable sprinkler solid-set system in the studied region. This result was approved by cluster analysis method. The ranking results of both hybrid EGC-TOPSIS and E-TOPSIS models were significantly correlated with R2=0.79. Also, the MLR-PCA model with three main components was appropriately able to estimate ultimate decision index by R2=0.95. Based on the results, the hybrid EGC-TOPSIS method with strong mathematical background can produce useful, comprehensive, and practical results that can be utilized for evaluating and ranking of irrigation systems in similar regions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Potentiality
  • Principal component analysis
  • Feasibility analysis
  • Novel irrigation system
  • Performance Indicators
آذر، ع.، و رجب­زاده، ع. 1381. تصمیم­گیری کاربردی؛ رویکرد M.A.D.M. نشر نگاه دانش، تهران.
آذربو، ن.، معروف­پور، ع.، فرزان­کیا، ف.، و رستمیان، ب. 1395. بررسی دقت برخی از مدل های برآورد تلفات ناشی از تبخیر و باد در سیستم آبیاری بارانی کلاسیک ثابت. مجله پژوهش آب ایران. 10(2): 47-54.
احمدی، ا.، هزارجریبی، ا.، قربانی، خ.، و حسام، م. 1397. مکان­یابی نواحی مستعد اجرای سامانه­های نوین آبیاری (موضعی-بارانی-کم­فشار) با تحلیل سلسله مراتبی (AHP) در GIS (مطالعه موردی: شهرستان اسفراین-خراسان شمالی). نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 25(5): 69-87.
بی­نام. 1385. مطالعات امکان­سنجی توسعه روش­های آبیاری تحت فشار در استان کرمانشاه. دفتر بهبود و توسعه آبیاری تحت فشار، جلد 2، انتخاب سیستم­های مناسب در پهنه­های مستعد.
پورمحسنی، ع. 1377. بررسی وضعیت و عملکرد آبیاری بارانی در استان خوزستان. پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.
تیموری، م.، بردی شیخ، و.، و سعدالدین، ا. 1397. ارزیابی و مقایسه کیفیت آب با استفاده از رو شهای تحلیل رابطه خاکستری و NSFWQI در مخزن سد شیرین دره. مجله سلامت و محیط زیست. (2): 169-182.
دلبری، م.، افراسیاب، پ. و میرعمادی، س.ر. 1389. تجزیه و تحلیل تغییرات مکانی- زمانی شوری و عمق آب زیرزمینی (مطالعه موردی: استان مازندارن). نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 4(3): 359-374.
رستمیان، ب.، معروف­پور، ع.، آذربو، ن.، و فرزان­کیا، ف. 1393. بررسی اثر عوامل جوی و هیدرولیکی برمیزان تلفات تبخیر و باد آبپاش­های ضربه­ای در سیستم آبیاری بارانی کلاسیک ثابت. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 28(4): 661-669. 
سالمی، ح.، و رضوانی، س.م. 1395. ارزیابی فنی سیستم آبیاری بارانی در شرایط زارعین (استان اصفهان و همدان). نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک. 23(3): 345-350.
سیفی، ا.، و سروش، ف. 1398. روش ترکیبی تصمیمگیری چندمعیاره تاپسیس با آنتروپی برای رتبه­بندی کیفیت و ریسک آلودگی آبهای زیرزمینی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران 13(3): 699-714.
صدیق­کیا، م.، ناطقی، م.ب.، کاویانی کوثرخیزی، ش. و نقی­پور، ن. 1393. ارزیابی و جانمایی انواع روش‌های آبیاری با الگوی تحلیل سلسله مراتبی در اراضی سازمان اتکا در منطقه دورود. نشریه پژوهش آب در کشاورزی. 28(4): 649-758. 
عباسی، ف.، فرزادمهر، ج.، چپی، ک.، بشیری، م. و آذرخشی، م. 1395. تغییرات زمانی و مکانی پارامترهای کیفی آب زریزمینی دشت قروه و دهگلان و ارتباط آن با خشکسالی. هیدروژئولوژی. (2): 11-23. 
عباسی، ف.، سهراب، ف.، و عباسی، ن. 1395. ارزیابی وضعیت راندمان آب آبیاری در ایران. تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 17(67): 113-128. 
علیزاده، ا. 1390. طراحی سیستم­های آبیاری: طراحی سیستم­های آبیاری تحت فشار. جلد دوم، انتشارات دانشگاه امام رضا، 368 صفحه.
فاریابی، ا.، معروف­پور، ع.، و قمرنیا، ه. 1389. بررسی و ارزیابی سیستم­های آبیاری بارانی کلاسیک ثابت دشت دهگلان کردستان. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک. (54): 1-15.
فرزان­کیا، ف.، معروف­پور، ع.، رستمیان، ب.، و آذربو، ن. 1393. بررسی یکنواختی توزیع آب برخی آبپاشه­ای ضربه­ای در سیستم آبیاری بارانی کلاسیک ثابت در شرایط مختلف جوی و هیدرولیکی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 8(3): 519-527. 
قره­داغی، م. م.، معروف­پور، ع.، بابایی، خ.، و پاشازاده، م. 1390. کاربرد فرایند تحلیل سلسله مراتبی در انتخاب سیستم­های آبیاری تحت فشار (مطالعه موردی: دشت دهگلان کردستان). علوم و مهندسی آبیاری (مجله علمی کشاورزی). 34(2): 95-106.
قره­داغی، م. م.، معروف­پور، ع.، بابایی، خ.، و منصوری، ف. 1392. پتانسیل­یابی مناطق مستعد جهت اجرای سیستم­های آبیاری تحت فشار با استفاده از GIS (مطالعه موردی: شبکه آبیاری و زهکشی باباخان). نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 27(6): 1111-1122.
کهنسال، م.، و رفیعی، ه. 1387. انتخاب و رتبه­بندی آبیاری بارانی و سنتی در استان خراسان رضوی. مجله علوم و صنایع کشاورزی، ویژه اقتصاد و توسعه کشاورزی. 22(1): 91-104. 
مجدسلیمی، ک.، صلواتیان، س.ب.، و امیری، ا. 1394. ارزیابی فنی سامانه­های آبیاری بارانی کلاسیک اجرا شده در باغ­های چای استان گیلان. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 29(2): 336-349.
مجنونی هریس، ا.، نایبی، م. و صدرالدینی، ع. 1396. انتخاب مناسب­ترین سیستم آبیاری در دشت­های فامنین، قهاوند و رزن. علوم و مهندسی آبیاری. 40(4): 155-167. 
مشرفی، گ. ی.، معروف­پور، ع.، و قمرنیا، ه. 1390. ارزیابی سیستم‌های آبیاری بارانی لوله چرخدار دشت دهگلان کردستان. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 5(1): 92-103. 
مولایی، ز.، معروف­پور، ع.، و ملکی، ع. 1395. بررسی و ارزیابی فنی برخی سامانه­های آبیاری بارانی کلاسیک ثابت دشت کوهدشت. مجله پژوهش آب ایران. 10(2): 125-132.
ناصری، ا.، عباسی، ف.، و اکبری، م. 1396. برآورد آب مصرفی در بخش کشاورزی به روش بیلان آب. تحقیقات مهندسی سازه‌های آبیاری و زهکشی. 18(68): 17-32. 
نصیری قیداری، ا.، منتظر، ع. ا.، و مؤمنی، م. 1389. کاربرد ترکیبی فرآیند تحلیل سلسله مراتبی و تکنیک تاپسیس در تعیین ارزش وزنی معیارها و ارزیابی عمکرد شبکه­های آبیاری و زهکشی (مطالعه موردی: نواحی سه­گانه شبکه آبیاری سفیدرود). نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 4(2): 284-296.
نیک­مهر، س.، و زیبایی، م. 1395. ارزیابی طرح‌های آبیاری و زهکشی استان خوزستان: کاربرد تحلیل سلسله مراتبی فازی و روش تاپسیس. اقتصاد کشاورزی. 10(2): 173-190.
وردی­نژاد، و.، رشیدی، م. س.، معروف­پور، ع.، رضایی، ح. و سرابی، ج. 1396. بررسی آزمایشگاهی افت فشار موضعی شیرهای خودکار در سامانه­های آبیاری بارانی کلاسیک ثابت با آبپاش متحرک. تحقیقات آب و خاک ایران. 48(2): 451-461. 
هادی­زاده، ع. 1385. ارائه روشی در گزینش سیستم آبیاری مناسب. مجموعه مقالات همایش مدیریت شبکه­های آبیاری و زهکشی. دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران.
Afshar, A., Mariño, M.A., Saadatpour, M. and Afshar, A. 2011. Fuzzy TOPSIS multi-criteria decision analysis applied to Karun reservoirs system. Water Resources Management. 25(2): 545-563.
Behzadian, M., Otaghsara, S.K., Yazdani, M. and Ignatius, J. 2012. A state-of the-art survey of TOPSIS applications. Expert Systems with Applications. 39(17): 13051-13069.
Boran, K. 2017. An evaluation of power plants in Turkey: Fuzzy TOPSIS method. Energy Sources, Part B: Economics, Planning, and Policy. 12(2): 119-125.
Cevik Onar, S., Oztaysi, B. and Kahraman, C. 2014. Strategic decision selection using hesitant fuzzy TOPSIS and interval type-2 fuzzy AHP: a case study. International Journal of Computational Intelligence Systems. 7(5): 1002-1021.
Chang, H.K., Liou, J.C. and Chen, W.W. 2012. Protection priority in the coastal environment using a hybrid ahp-topsis method on the Miaoli coast, Taiwan. Journal of Coastal Research. 28(2): 369-374.
Christiansen, J.E. 1942. Irrigation by sprinkling. California agricultural experiment station bulletin 670. University of California, Berkeley, CA, 4275.
Chung, E.S., Hong, W.P., Lee, K.S. and Burian, S.J. 2011. Integrated use of a continuous simulation model and multi-attribute decision-making for ranking urban watershed management alternatives. Water resources management. 25(2): 641-659.
Cobban, S. 1995. An evaluation of the floppy sprinkler with reference to the rotary impact sprinkler for the irrigation of tea in East Africa. Unpublished M. Sc. Thesis. Cranfield University, Silsoe College, UK.
Conrad, C., Dech, S.W., Hafeez, M., Lamers, J., Martius, C. and Strunz, G. 2007. Mapping and assessing water use in a Central Asian irrigation system by utilizing MODIS remote sensing products. Irrigation and Drainage Systems. 21(3-4): 197-218.
Dai, J., Qi, J., Chi, J., Chen, S., Yang, J., Ju, L. and Chen, B. 2010. Integrated water resource security evaluation of Beijing based on GRA and TOPSIS. Frontiers of Earth Science in China. 4(3): 357-362.
Darouich, H.M., Pedras, C.M., Gonçalves, J.M. and Pereira, L.S. 2014. Drip vs. surface irrigation: A comparison focussing on water saving and economic returns using multicriteria analysis applied to cotton. Biosystems Engineering. 122: 74-90.
Das, P.P. and Chakraborty, S. 2020. A grey correlation-based TOPSIS approach for optimization of surface roughness and micro hardness of Nitinol during WEDM operation. Materials Today: Proceedings.
Dechmi, F., Playán, E., Cavero, J., Faci, J.M. and Martínez-Cob, A. 2003. Wind effects on solid set sprinkler irrigation depth and yield of maize (Zea mays). Irrigation Science. 22(2): 67-77.
Faryabi, A., Maroufpoor, E., Ghamarnia, H. and Yamin Moshrefi, G. 2020. Comparison of classical sprinkler and weel move irrigation systems in Dehgolan plain, North-West Iran. Irrigation and Drainage. DOI: 10.1002/ird.2412.
Gu, H. and Xu, J. 2011. May. Grey relational model based on AHP weight for evaluating groundwater resources carrying capacity of irrigation district. In 2011 International Symposium on Water Resource and Environmental Protection (Vol. 1, pp. 308-310). IEEE.
Hosseinzade, Z., Pagsuyoin, S.A., Ponnambalam, K. and Monem, M.J. 2017. Decision-making in irrigation networks: Selecting appropriate canal structures using multi-attribute decision analysis. Science of the Total Environment. 601: 177-185.
Ju-Long, D. 1982. Control problems of grey systems. Systems & Control Letters. 1(5): 288-294.
Keller, J. 1983. SCS national engineering handbook Section 15. US Government Office, Washington DC.
Keller, J. and Bliesner, R.D. 1990, Sprinkler and trickle irrigation, Van Nostrand Reinhold, New York.
Li, P., Wu, J. and Qian, H. 2012. Groundwater quality assessment based on rough sets attribute reduction and TOPSIS method in a semi-arid area, China. Environmental Monitoring and Assessment. 184(8): 4841-4854.
Liu, D., Qi, X., Li, M., Zhu, W., Zhang, L., Faiz, M. A., and Cui, S. 2019. A resilience evaluation method for a combined regional agricultural water and soil resource system based on Weighted Mahalanobis distance and a Gray-TOPSIS model. Journal of Cleaner Production. 229: 667-679.
Liu, H.C., Li, P., You, J.X. and Chen, Y.Z. 2015. A novel approach for FMEA: Combination of interval 2‐tuple linguistic variables and gray relational analysis. Quality and Reliability Engineering International. 31(5): 761-772.
Liu, H.J. and Kang, Y. 2006. Effect of sprinkler irrigation on microclimate in the winter wheat field in the North China Plain. Agricultural Water Management. 84(1-2): 3-19.
Maroufpoor, E., Faryabi, A., Ghamarnia, H. and Moshrefi, G.Y. 2010. Evaluation of uniformity coefficients for sprinkler irrigation systems under different field conditions in Kurdistan Province (northwest of Iran). Soil and Water Research. 5(4): 139-145.
Maroufpoor, S., Maroufpoor, E. and Khaledi, M. 2019. Effect of farmers’ management on movable sprinkler solid-set systems. Agricultural Water Management. 223: 105691.
Merkley, G.P. and Allen, R.G. 2004. Sprinkle & Trickle Irrigation: Lecture Notes. Biological and Irrigation Engineering Department, Utah State University.
Merriam, J.L. and Keller, J. 1978. Farm irrigation system evaluation: A guide for management.
Montazar, A. and Behbahani, S.M. 2007. Development of an optimised irrigation system selection model using analytical hierarchy process. Biosystems Engineering. 98(2): 155-165.
Pagsuyoin, S.A., Santos, J.R., Latayan, J.S. and Barajas, J.R. 2015. A multi-attribute decision-making approach to the selection of point-of-use water treatment. Environment Systems and Decisions. 35(4): 437-452.
Rodrigues, G.C., Paredes, P., Gonçalves, J.M., Alves, I. and Pereira, L.S. 2013. Comparing sprinkler and drip irrigation systems for full and deficit irrigated maize using multicriteria analysis and simulation modelling: Ranking for water saving vs. farm economic returns. Agricultural Water Management. 126: 85-96.
Seginer, I. and Kostrinsky, M. 1975. Wind, sprinkler patterns, and system design. Journal of the Irrigation and Drainage Division. 101(4): 251-264.
Shafiullah, G. and Al-Ruwaih, F. M. 2020. Spatial-multivariate statistical analyses to assess water quality for irrigation of the central part of Kuwait. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 79(1): 27-37.
Silva, L.L. 2006. The effect of spray head sprinklers with different deflector plates on irrigation uniformity, runoff and sediment yield in a Mediterranean soil. Agricultural Water Management. 85(3): 243-252.
Tian, G., Zhang, H., Feng, Y., Wang, D., Peng, Y. and Jia, H. 2018. Green decoration materials selection under interior environment characteristics: A grey-correlation based hybrid MCDM method. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 81: 682-692.
Tu, Q., Li, H., Wang, X., Chen, C., Luo, Y. and Dwomoh, F. A. 2014. Multi-criteria evaluation of small-scale sprinkler irrigation systems using Grey relational analysis. Water Resources Management. 28(13): 4665-4684.
Walker, W.R. and Skogerboe, G.V. 1987. Surface irrigation. Theory and practice. Prentice-Hall.
Yang, T., Zhang, Q., Wan, X., Li, X., Wang, Y. and Wang, W. 2020. Comprehensive ecological risk assessment for semi-arid basin based on conceptual model of risk response and improved TOPSIS model-a case study of Wei River Basin, China. Science of the Total Environment. 719: 137502.
Zhang, F.B., Wang, Z.L. and Yang, M.Y. 2015. Assessing the applicability of the Taguchi design method to an interrill erosion study. Journal of Hydrology. 521: 65-73.