مدیریت توزیع آب در شبکه ‏های آبیاری و زهکشی با رویکردی ترکیبی به سامانه‏ های اطلاعات مکانی، الگوریتم کلونی مورچگان و مسئلۀ فروشندۀ دوره‏گرد

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکدۀ مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران‌

2 دانشیار، دانشکدۀ مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

چکیده

افزایش جمعیت، مصرف بی‏رویه، توسعۀ کشاورزی و تغییرات آب‌و‌هوایی باعث شده تا منابع آب موجود روند کاهشی داشته باشند و به مرحلۀ بحرانی برسند. این معضل در کشورهای در حال توسعه نظیر ایران، ملموس‏تر است. به این منظور، باید سیاست‏های مهمی اتخاذ شوند تا مدیریت منابع آب بهبود یابد و هدررفت آب به حداقل برسد. هدف از انجام این پژوهش، کمک به بهبود مدیریت توزیع آب در شبکۀ آبیاری شهرستان قره ضیاء‏‏الدین با استفاده از سیستم اطلاعات مکانی و بهره‏گیری از الگوریتم کلونی مورچه است. در این مقاله، ابتدا مساحت بهینه به منظور کاشت هر محصول با طراحی یک تابع هدف و اعمال قیودی نظیر بیشترین و کمترین مساحت کشت برای هر محصول در زمین کشاورزی مورد نظر، محاسبه شد. سپس، محصولات با رویکردی ترکیبی به الگوریتم کلونی مورچه و روش حل مسئلۀ فروشندۀ دوره‏گرد اولویت‏بندی شدند تا محصولات با دورۀ آبیاری طولانی‌تر و نیاز آبی بیشتر در ابتدای کانال انتقال آب قرار گیرند تا به این وسیله، بتوان به جلوگیری از هدررفت آب در خط لولۀ انتقال آب کمک کرد. در پایان پژوهش، مساحت‏های بهینۀ به‌دست‌آمده به عنوان داده‏های ورودی به محیط GIS منتقل شدند تا نتایج به‌دست‌آمده در منطقۀ مطالعه‌شده به صورت مکانی، ‌تحلیل و ارزیابی شوند. نتایج پژوهش حاضر نشان داد رویکرد ترکیبی استفاده از الگوریتم کلونی مورچه و بهره‏گیری از مسئلۀ فروشندۀ دوره‏گرد، می‏تواند مدیریت توزیع آب در شبکه‏ها‏ی آبیاری را بهبود بخشد. همچنین، با اعمال روش یادشده، علاوه بر کمک به جلوگیری از هدررفت آب در خطوط لولۀ انتقال، سود سالیانۀ حاصل در اراضی کشاورزی مورد تحقیق 10 درصد افزایش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Water Distribution Management in Irrigation and Drainage Networks, Using Geospatial Information Systems, Ant Colony Optimization and Travelling Salesman Problem Approach

نویسندگان [English]

  • Ardalan Abdollahzadeh 1
  • Alireza Vafaeinejad 2
1 Postgraduate Student, Faculty of Civil Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University. Tehran. Iran
چکیده [English]

Population increase, excessive consumption, agriculture development and climate change have caused a severe decrease in water sources. This dilemma is more tangible in developing countries such as Iran. Therefore it is necessary to adopt important policies in order to improve water management and decrease the water loss. The aim of this research is helping to improve the management of water distribution in irrigation and drainage network in GharaZia-addin city using Spatial Information Systems and Ant Colony Optimization. In this paper, the optimum area for each crop was calculated by designing an objective function and applying constraints such as minimum and maximum plant area for each crop. Then these areas were prioritized by Ant Colony Optimization method and particularly by the travelling salesman problem’s approach in a way that the crops with higher irrigation water demands and more irrigation periods to be planted in the beginning of the network channel. The aim of prioritization is to prevent the water loss during the transportation of water in the water network system. At the end, the obtained areas were used as the input data into GIS to analyze and evaluate the results on the case study field. The results of the study show that by applying Ant Colony Optimization method and the Travelling Salesman Problem, it is possible to improve water management in irrigation and drainage networks. In addition to prevention of water loss in the pipes, the net profit of the agricultural activities has increased 10% by using the method mentioned above

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water distribution
  • Geospatial Information Systems
  • Irrigation and drainage networks
  • Ant colony Algorithm
  • Travelling Salesman Problem
  • Abbasi, F, Sohrab F. Evaluation of Irrigation Efficiencies in Iran. Irrigation and Drainage Structures Engineering‏ 2017;17 (67):113 - 128. [Persian].
  • Davari K, Salarian M. Basics of Irrigation and Drainage Management. 1st ed, Mashhad University: Publication of University Jihad; 2014 [Persian].
  • Biniaz A, Ahmadpour Borazjani M, Ziaei S, Mohammadi H. The Impact of Agricultural Water Pricing on Sustainability of Its Resources. Eco Hydrology. 2020; 7(1): 195- 207 [Persian].
  • Mostofi N, Saberian J. Using GIS for Optimization the Irrigation Program from Repository Dams. Geospatial Engineering Journal. 2016; 7 (3): 117-125 [Persian].
  • Mahmoudi Jam S, Ghoreyshi Najaf Abadi H, Vafaeinejad A, Moridi A, Khazaee S. Potential Evaluation of Underground Water Resource with the Hybrid Approach to Particle Swarm Optimization Algorithm and Geospatial Information Systems. 2017; 4(4): 1199-1213. [Persian].
  • Goodarzi Z, Vafaeinejad A. Using Shuffled Frog-Leaping Algorithm (SFLA) And Geospatial Information System (GIS) To Help Optimally Operation of The Dam Reservoir. Eco Hydrology. 2019; 6(4): 983-991. [Persian].
  • Karamouz M, Krachian R. Planning and Management of Water Resources Systems. 7th Tehran: Publication of Amirkabir University. 2018. [Persian].
  • Rajabi M, Mansourian A, Talei M, Alimohammadi A. A New Innovative Method for Solving Traveling Salesman Problem. Remote Sensing and GIS. 2013; 4(4): 1-20. [Persian].
  • Kosari M,Ekhtesasi M,Malekinejad H. Investigation of Long Term Drought Trend in Semi-arid, Arid and Hyper-arid regions of the World. Desert Management. 2017; 4 (8): 36 - 53. [Persian].
  • Masoumi F, Salimi N, Zafari N. Evaluation of Grasshopper Optimization Algorithm for Optimal Operation of Surface Water Reservoirs with Reliability Constraints. Iranian Journal of Irrigation and Drainage. 2020; 14(2): 579 - 592. [Persian].
  • Kord M, Asghari A, Nakhaei M. Numerical Modeling of the Ardabil Plain Aquifer and its Management Using Optimization of Groundwater Extraction. 2019; 4(1): 153-167. [Persian]
  • Javan Salehi M, Zarghami M, Keighobadi J. Utilization of Model Predictive Control to Improve Optimization – Simulation Models for Managing Water Transfer Systems: Case Study of Zarinehrood Water Transfer Line to Tabriz. Water Resources Research. 2019; 15(4):18-34. [Persian]
  • Naghdi S, Haddad O, Khorsandi M , Chu X. Multi-objective optimization for allocation of surface water and ground water resources. Science of the Total Environment. 2021; 776(1): 1-12.
  • Cong D, Ascough J, Mayer H, Dandy, G, Andales A. Optimization of irrigation scheduling using ant colony algorithms and an advanced cropping system model. Environmental modeling & system. 2017; 97(3): 32-45.
  • Dehghanipour A , Schoups G, Zahabiyoun B, Babazadeh H. Meeting Agricultural and Environmental Water Demand in Endorheic Irrigated River Basins: A Simulation-Optimization Approach Applied to the Urmia Lake Basin in Iran. Agricultural Water Management. 2020; 241(1): 1-15.
  • Jiang Y, Xiong L, Yao F, Xu Z. Optimizing regional irrigation water allocation for multi-stage pumping-water irrigation system based on multi-level optimization-coordination model. Journal of Hydrology. 2019; 4(1): 1-66.
  • Vafaeinejad A. Cropping Pattern Optimization by Using of TOPSIS and Genetic Algorithm Based on the Capabilities of GIS. Eco Hydrology. 2016; 3(1): 69-82. [Persian].
  • Yousefzadeh J, Yousofi H, Mohammadi Varzaneh N, Vafaeinejad A. Using GIS and Linear Programming to Manage Water Distribution in Irrigation Networks and Cropping Pattern Allocation. Eco Hydrology. 2014;1 (2): 123-132. [Persian].
  • Mohamadi Varzaneh N, Vafaeinejad A. Water Allocation in Irrigation Networks by using of Decision Support System Based on the Geospatial Information System (GIS) and Particle Swarm Optimization (PSO). Eco Hydrology. 2015; 2(1): 39-49. [Persian].