بهینه‌سازی چندهدفه الگوی کشت مبتنی بر ردپای آب در استان‌های شرق کشور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد منابع آب، گروه آبیاری و آبادانی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

2 استادیار گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

افزایش بهره‌وری منابع به کمک بهینه‌سازی الگوی کشت محصولات زراعی، یک راهکار مناسب برای توسعه بخش کشاورزی است. در این تحقیق الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه (NSGAII) برای بهینه‌سازی الگوی کشت محصولات زراعی عمده شهرستان‌های استان‌های شرقی کشور شامل خراسان‌های شمالی، رضوی و جنوبی و استان سیستان‌وبلوچستان با اهداف حداکثر کردن ارزش اقتصادی ردپای آب و حداقل کردن ردپای آب آبی با استفاده از شاخص کمیسیون توسعه پایدار سازمان ملل (UN) در قالب چهار سناریو به کار گرفته‌شده است. نتایج نشان داد در برخی سناریوها امکان تحقق کامل اهداف در الگوی چندهدفه وجود ندارد، همچنین نتایج نشان داد در صورت اجرای الگوی کشت بهینه چنانچه منطقه موردمطالعه از منظر قید امنیت آبی به ترتیب در شرایط بحران متعادل، متوسط و شدید قرار داشته باشد، میزان تولید به ترتیب 50، 75 و 100 درصد میزان فعلی و به‌طور میانگین باعث صرفه‌جویی به ترتیب 55، 40 و 30 درصدی منابع آبی منطقه می‌شود. اجرای این الگو در مناطق موردمطالعه افزایش میزان درآمد، کاهش مصرف آب و به‌تبع آن پایداری بیشتر محیط‌زیست را نیز در بردارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Multi-objective optimization of cropping pattern by emphasizing on water footprint in the eastern provinces of Iran

نویسندگان [English]

  • Ali Arefinia 1
  • Khaled Ahmadaali 2
1 Department of Irrigation and Reclamation Engineering, College of Agriculture & Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Department of Arid and Mountainous Regions Reclamation, Faculty of natural resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
چکیده [English]

Increasing the water productivity by cropping pattern optimization is one of the best ways for development in agriculture. In this study, in order to maximize farmers' income and minimize blue water footprint of wheat, barley, alfalfa, and maize, the NSGA-II multi-objective optimization algorithm and United Nations commission on sustainable development’s indicator has been used in four cropping pattern scenarios in the 56 cities of the eastern provinces of Iran. The results showed that in some scenarios it was not possible to fully achieve these goals in the multi-objective model. The results also showed that the production of 50, 75 and 100% of the current values causes a low, moderate and severe water stress in the study region, that on average, save 55, 40 and 30 % of the region's water resources, respectively. Implementation of this model in the study area would increase revenue, reduce water consumption and, consequently make more environmental sustainability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NSGA II
  • Blue water
  • Water security
  • Multi-Objective Optimization
  • Optimum Cropping Pattern
علیزاده، ا.، مجیدی، ن.، قربانی، م. و محمدیان، ف. 1391. بهینه‌سازی الگوی کشت باهدف تعادل بخشی منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی دشت مشهد چناران). نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 1(6): 68-55.
عربی، ا.، و نیکنیا، ن. 1389. ردپای آب، شاخصی از تأثیر الگوی مصرف کشورها. پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، مشهد، دانشگاه فردوسی مشهد.
Ababaei, B. and Ramezani Etedali, HR. 2014. Estimation of water footprint components of Iran’s wheat production: comparison of global and national scale estimates. Environmental Processes. 1(3): 193–205.
Ababaei B. and Ramezani Etedali, H. 2017. Water footprint assessment of main cereals in Iran. Agricultural Water Management. 179: 401- 411.
Allan, J. A. 1997. Virtual water: A long-term solution for water short Middle Eastern economies? Paper presented at the 1997 British Assoc. Festival of Sci., University of Leeds, UK.
Allan, J. A. 2003. Virtual water eliminates water wars? A case study from the Middle East. PP. 137-145. In: A. Y. Hoekstra (Ed.), Virtual Water Trade, Proc. of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade, Value of Water Research Report Series No. 12, IHE, Delft, The Netherlands.
Allen, R. G. 1998. Crop evapotranspiration. FAO irrigation and drainage paper. 56: 60-64.
Bakker, K. 2012. Water security: research challenges and opportunities. Science 337. (6097): 914-915.
Deb, K. 1999. Multi-Objective genetic algorithms: Problem difficulties and construction of test problem. Evolutionary Computation. 7(3), 205-230.
Ewaid, S. H., Abed, S. A. and Al-Ansari, N. 2019. Water Footprint of Wheat in Iraq. Water, 11(3): 535.
Fallah-Mehdipour, E., Bozorg-Haddad, O., Rezapour Tabari, M.M. and Mariño, M.A. 2012. Extraction of decision alternative in construction management projects: Application and adaptation of NSGA II and PSO. Journal of Expert Systems with Applications. 36: 2794-2803.
FAO. 2015. Towards a water critical perspectives for policy-makers. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Retrieved from http://www.fao.org/3/ai4560e.pdf.
FAO. 2017. Water for Sustainable Food and Agriculture: A report produced for the G20 Presidency of Germany.
FAO. 2018. Transforming food and agriculture to achieve the SDGs. Retrieved from http://www.fao.org/family farming/detail/en/c/1145621.
Forin, S., Mikosch, N., Berger, M. and Finkbeiner, M. 2020. Organizational water footprint: a methodological guidance. The International Journal of Life Cycle Assessment. 25(2): 403-422.
Gollehon, N. and Quinby, W. 2004. Irrigation resources and water. USDA Economics ResearchService.URL:http://www.ers.usda.gov/publications/AREI/EIB 16/Chapter2/2.1/.
Grey, D. and Sadoff, C.W. 2007. Sink or swim? Water security for growth and development. Water Policy. 9 (6): 545-571.
Hoekstra, A. Y. and Chapagain, A. K. 2008. Globalization of water: Sharing the planets freshwater resources. Blakwell Publishing, Oxford, UK. DOI: 10.1002/9780470696224.
Hoekstra, A.Y., Chapagain, A.K., Aldaya, M.M., and Mekonnen, M.M., 2011. The Water Footprint Assessment Manual. Earthscan, London.
Kondash, A. J., Lauer, N. E. and Vengosh, A. 2018. The intensification of the water footprint of hydraulic fracturing. Science advances. 4(8): eaar5982.
Lawrence, P., Meigh, J. R. and Sullivan, C. A. 2003. The Water Poverty Index: An International Comparison, Keele Economic Research Papers 2003/18. Centre for Ecology and Hydrology (CEH), Wallingford, UK.
Mekonnen, M. M. and Hoekstra, A. Y. 2020. Sustainability of the blue water footprint of crops. Advances in Water Resources, 143: 103679.
Pongkijvorasin, S. 2007. Stock-to stock externalities resources in renewable resource economics: watersheds, conjunctive water use, and mud. Ph.D dissertation in economics. University of Hawai‘i.
Ramezani Etedali, H., Ahmadaali, K., Gorgin, F. and Ababaei, B. 2019. Optimization of the cropping pattern of main cereals and improving water productivity: application of the water footprint concept. Irrigation and Drainage. 68(4): 765-777.
Sarzaeim, P., Bozorg-Haddad, O., Fallah-Mehdipour, E. and Loáiciga, H.A. 2016. Discussion of “Multiobjective management of water allocation to sustainable irrigation planning and optimalcropping pattern, Journal of Irrigation and Drainage, In Press.
Sullivan, C. 2002. Calculating a Water Poverty Index, World Development. 30(7): 1195- 1210.
Van Oel P.R., Mekonnen M.M. and Hoekstra A.Y. 2009. The external water footprint of the Netherlands: Geographically-explicit quantification and impact assessment. Ecological Economics. 69: 82-92.