تحلیل اثر خودکارسازی بهره برداری مبتنی بر روش کنترل متمرکز MPC بر کفایت و پایداری توزیع حقابه های کشاورزی در شرایط عدم قطعیت در تخصیص آب سطحی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، دانشکده فناوری کشاورزی (ابوریحان)، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران

2 گروه مهندسی آب، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران

3 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکده فناوری کشاورزی (ابوریحان)، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

چکیده

موضوع: پژوهش حاضر به مقایسۀ عملکرد سامانۀ بهره‌برداری خودکار در ارتقا فرایند توزیع قابل اطمینان آب سطحی بین حقابه‌بران در یک شبکۀ آبیاری پرداخته است.
هدف: هدف اصلی این پژوهش، تحلیل مکانی و زمانی مدرن‌سازی سامانۀ بهره‌برداری توزیع آب سطحی در توزیع پایدار و کافی حقابه‌های تعاونی‌های آب‌بران واقع در شبکه آبیاری نکوآباد است. خروجی اصلی تحلیل عبارت است از تعیین دقیق سهم منابع آب سطحی، تحت شرایط متأثر از کم‌آبی در محل بند انحرافی، در تأمین حقابه‌های 163 تعاونی آب‌بر واقع در این شبکه.
روش تحقیق: شبیه‌سازی بهره‌برداری بر پایۀ روش بهره‌برداری دستی (وضعیت پایه) و خودکار با استفاده از کنترلگر متمرکز پیش‌بین انجام شد. تحلیل زمانی بر پایۀ دسته‌بندی وضعیت تأمین آب سطحی در محل بند انحرافی، در قالب هفت سناریوی نرمال تا کم‌آبی شدید، و تحلیل مکانی بر پایۀ شبیه‌سازی فرایند توزیع آب سطحی بین 163 واحد دارای حقابۀ مشخص، واقع در مجاورت سیزده کانال درجه‌دو شبکۀ نکوآباد صورت گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که سامانۀ MPC در مقایسه با سامانۀ دستی، عملکردی به‌مراتب پایدارتر، یکنواخت‌تر و قابل‌اعتمادتر ارائه می‌دهد. در شرایط کم‌آبی، سامانۀ دستی دچار افت غیرخطی در شاخص‌های کفایت و پایداری شد و نابرابری مکانی در تحویل آب به‌طور چشمگیری افزایش یافت. درمقابل، سامانۀ  MPC با حفظ میانگین کفایت بالا، کاهش نوسانات زمانی، و همگن‌سازی مکانی، توانست آستانۀ تحمل کمبود را تا ۲۵ واحد درصد افزایش دهد. تحلیل همبستگی مکانی شاخص‌ها، توزیع آماری عملکرد، و سهم تحویلی آب سطحی نیز مؤید برتری سامانۀ خودکار در حفظ عدالت و تاب‌آوری شبکۀ آبیاری بود.
نتیجه‌گیری: در راستای هدف اصلی این پژوهش، نتیجۀ کاربردی به‌دست‌آمده عبارت است از تعیین دقیق درصد مقادیر آب سطحی تحویل داده شده و بازۀ تغییرات مشخص آن‌ها به هرکدام از 163 آبگیر واقع در شبکه، تحت سناریوهای مختلف تأمین آب در بند انحرافی.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Aiswarya, L., Suresh, M., & Kumar, R. (2024). Canal Automation and Management System to Improve Water Use Efficiency. Springer. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-2155-9_14
Bayat, F., Roozbahani, A., & Hashemy Shahdany, S. M. (2022). Performance evaluation of agricultural surface water distribution systems based on water-food-energy nexus using AHP-Entropy-WASPAS technique. Water Resources Management, 36(12), 4697-4720.
Bayat, F., Roozbahani, A., & Hashemy Shahdany, S. M. (2022). Improving the Performance of Agricultural Water Distribution Systems in Irrigation Networks Using Water-Food-Energy Nexus. Water and Irrigation Management, 11(4), 949-965. [In Persion].
Camacho, E. F., Bordons, C., & Maestre, J. M. (2025). Advances in model predictive control for water distribution systems. Delft University of Technology & University of Seville. [Manuscript in preparation].
Fele, F., Maestre, J. M., Hashemy Shahdany, M., Muñoz de la Peña, D., & Camacho, E. F. (2025). Coalitional model predictive control of an irrigation canal. arXiv preprint arXiv:2501.17561.
Hosseini, M., Jolfan, M., & Roozbahani, A. (2019). Effects of canal automation on reducing groundwater extraction within irrigation districts: Case study of Qazvin irrigation district. Water Resources Management, 33(5), 1721-1734.
Kamrani, K., Roozbahani, A., & Hashemy Shahdany, S. M. (2019). The impact of improving surface water delivery and distribution processes on reducing groundwater abstraction in the Roodasht irrigation network. Agricultural Water Research, 33(3), 1-15. [In Persion].
Kong, L., Liu, Y., Li, J., Tian, Y., Yang, Q., & Chen, Z. (2024). Nonlinear model predictive controller for gate control in open canal irrigation systems with flexible water demands. Computers and Electronics in Agriculture222, 109023.
Nature Research Intelligence. (2024). Predictive control in irrigation canal systems. Nature Research Topic Summary.
Nigam, J., Sharma, P., & Verma, S. (2023). Performance evaluation of irrigation canals using data envelopment analysis. Energies, 16(14), 5490.
Rajaput, M., Tiwari, R., & Deshmukh, A. (2025). A systematic review of performance assessment in canal irrigation systems. Modern Methods in Water Systems, 12(1), 33-49.
Ranjbar, R., Ghasemi, N., & Hashemy Shahdany, S. M. (2025). Stochastic model predictive control of an irrigation canal. Journal of Hydroinformatics, 27(4), 740-754.
Shahverdi, K., Alamiyan-Harandi, F., & Maestre, J. M. (2022). Double Q-PI architecture for smart model-free control of canals. Computers and Electronics in Agriculture197, 106940.
Wang, X., Zhang, Y., Jin, L., Ni, J., Zhu, Y., Cao, W., & Jiang, X. (2025). Design of an integrated gate irrigation system with measurement and control based on Cloud-Edge-End collaboration and fuzzy algorithm. Computers and Electronics in Agriculture239, 111035.
Zhou, K., Fan, Y., Gao, Z., Chen, H., & Kang, Y. (2025). Research progress on operation control and optimal scheduling of irrigation canal systems. Irrigation and Drainage74(2), 861-879.
Zhu, Z., Guan, G., & Wang, K. (2023). Distributed model predictive control based on the alternating direction method of multipliers for branching open canal irrigation systems. Agricultural Water Management285, 108372.
دوره 12، شماره 3
مهر 1404
صفحه 927-944
  • تاریخ دریافت: 08 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری: 19 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش: 23 شهریور 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 01 مهر 1404
  • تاریخ انتشار: 01 مهر 1404