
تعداد نشریات | 13 |
تعداد شمارهها | 622 |
تعداد مقالات | 6,489 |
تعداد مشاهده مقاله | 8,607,750 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 8,199,695 |
مدیریت بهینه برداشت منابع آبهای زیرزمینی با استفاده از الگوریتمهای NSGA-Ⅱ، SPEA-Ⅱ و PESA-Ⅱ (مطالعه موردی: دشت سیلاخور) | ||
مجله پژوهشهای حفاظت آب و خاک | ||
دوره 28، شماره 3، مهر 1400، صفحه 131-151 اصل مقاله (1.16 M) | ||
نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwsc.2021.18920.3439 | ||
نویسندگان | ||
مهدی کماسی* 1؛ امیر علیزاده فرد2؛ مسعود احمدی3 | ||
1دانشیار گروه عمران دانشگاه آیت الله العظمی بروجردی(ره) | ||
2گروه مهندسی آب و سازههای هیدرولیکی دانشگاه آیتالهالعظمی بروجردی (ره) | ||
3گروه عمران دانشگاه آیت اله بروجردی(ره) | ||
چکیده | ||
سابقه و هدف: سطح آبهای زیرزمینی دشت سیلاخور همزمان با رخداد خشکسالیهای پیدرپی، رشد صنعت و افزایش نیازهای آبی کاهش چشمگیری داشته است. علاوه بر این الگوی کشت منطقه نیز در سالهای اخیر به سمت کشت محصولات آببر میل کرده است که مجموعه این رویدادها ضرورت مدیریت کارآمد در تخصیص منابع محدود آب این منطقه را میرساند. در این پژوهش بهمنظور مدیریت پایدار منابع آبهای زیرزمینی، به تعیین الگوی کشت بهینه محصولات عمده زراعی دشت سیلاخور، باهدف حداکثرسازی درآمد خالص کشاورزان و محدودیتهای آب و زمین در دسترس پرداخته شده است. در این راستا دو رویکرد استفاده از برنامهریزی خطی و استفاده از الگوریتمهای فرا اکتشافی چندهدفه در سناریوهای مختلف برداشت بررسی شده و عملکرد توابع جریمه مختلف در الگوریتمها نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین نحوه تغییر الگوی کشت بهینه با افزایش برداشت از آبهای زیرزمینی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مواد و روشها: در گام نخست پس از مدلسازی بارش 10 سال گذشته با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و برنامهریزی ژنتیکی و انتخاب مدل بهتر از نظر دقت، بارندگی سه سال آینده پیشبینی شده و تغذیه آبهای زیرزمینی ناشی از آن تخمین زده شد. سپس برای هرسال زراعی 100 سناریو برداشت مختلف باتوجهبه میزان تغذیه آبخوانها و میزان برداشت آب در سالهای گذشته، در نظر گرفته شد. در گام دوم با استفاده از برنامهریزی خطی باهدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و محدودیتهای آب و زمین در دسترس، الگوی کشت بهینه در سناریوهای برداشت تعیین شده، به دست آمد. در نهایت بهمنظور نامقیدسازی مسئله، محدودیتهای ذکر شده بهصورت توابع جریمه ساکن، پویا و پویای طبقهبندی شده در نرمافزار MATLAB، پیادهسازی شدند. سپس عملکرد سه الگوریتم NSGA-Ⅱ، SPEA-Ⅱ و PESA-Ⅱ با توابع هدف حداکثرسازی درآمد کشاورزان و حداقلسازی میزان جریمه، برای رسیدن به الگوی کشت بهینه حاصل از برنامه-ریزی خطی مورد بررسی قرار گرفت. یافتهها: نتایج این پژوهش حاکی از آن است که هرچند با افزایش برداشت از آبهای زیرزمینی، در الگوی کشت بهینه درآمد کشاورزان افزایش مییابد؛ اما به دلیل محدودیت کل زمین در دسترس برای کشاورزی در دشت سیلاخور، در برداشتهای بیشتر از 5/223، 2/225 و 1/225 میلیون مترمکعب به ترتیب برای سالهای زراعی 1400-1399، 1401-1400 و 1402-1401، سطح زیر کشت محصولات ثابت مانده و به دنبال آن درآمد کشاورزان نیز تغییر نمیکند. نتایج بررسی الگوریتمها و توابع جریمه نیز نشان میدهند که در این مسئله بهترین عملکرد در میان الگوریتمها به ترتیب متعلق به الگوریتمهای SPEA-Ⅱ، PESA-Ⅱ و NSGA-Ⅱ با میانگین تعداد تکرارهای 1/12، 5/14 و 8/17 است. در میان توابع جریمه نیز در هر سه الگوریتم، بهترین عملکرد به ترتیب متعلق به توابع جریمه پویای طبقهبندی شده، پویا و ساکن با میانگین تعداد تکرارهای 1/13، 7/13 و 5/17 میباشد. نتیجهگیری: بهطورکلی میتوان دریافت که بهینهسازی الگوی کشت در سناریوهای برداشت مختلف، نگاهی جامع در اختیار مسئولان برای مدیریت پایدار منابع ارزشمند و محدود آب و تخصیص بهینه آن قرار میدهد. در همین راستا استفاده از الگوریتم SPEA-Ⅱ با تابع جریمه پویای طبقهبندیشده در تعین الگوی کشت بهینه نتایج مطلوبی به دنبال دارد. | ||
کلیدواژهها | ||
بهینهسازی؛ برنامهریزی خطی؛ NSGA-Ⅱ؛ SPEA-Ⅱ؛ PESA-Ⅱ | ||
مراجع | ||
1.Abedinpour, A., Jabbarzadeh, A., and Yahyaei, M. 2018. A multi objective mathematical modeling for crop planning problem under Z-number uncertainty. Journal of Water and Soil Conservation. 25: 5. 1-24. (In Persian)
2.Aghajani, A., Bidabadi, F.S., Joolaei, R., and Keramatzadeh, A. 2013. Managing cropping patterns agricultural crops of Three Counties of Mazandarn province of Iran. International Journal of Agriculture and Crop Sciences. 5: 6. 596-602. (In Persian) 3.Coello, C.A.C. 2002. Theoretical and numerical constraint-handling techniques used with evolutionary algorithms: a survey of the state of the art. Computer methods in applied mechanics and engineering. 191: 1245-1287.
4.Coello, C.A.C., Lamont, G.B., andVan Veldhuizen, D.A. 2007. Evolutionary algorithms for solving multi-objective problems. NewYork, Springer, pp. 91-94.
5.Corne, D.W., Jerram, N.R., Knowles, J.D., and Oates, M.J. 2001. July.PESA-II: Region-based selection in evolutionary multiobjective optimization. In Proceedings of the 3rd Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation. pp. 283-290.
6.Corne, D.W., Knowles, J.D., andOates, M.J. 2000. September. ThePareto envelope-based selection algorithm for multiobjective optimization. In International conference on parallel problem solving from nature. Springer, Berlin, Heidelberg. pp. 839-848.
7.Darwish, M.R., Sharara, M., Sidahmed, M., and Haidar, M. 2007. The impact of a storage facility on optimality conditions of wastewater reuse in land application: A case study in Lebanon. Resources, conservation and recycling. 51: 1. 175-189. (In Persian)
8.Davijani, M.H., Banihabib, M.E., Anvar, A.N., and Hashemi, S.R. 2016.Multi-objective optimization modelfor the allocation of water resourcesin arid regions based on the maximization of socioeconomic efficiency. Water resources management. 30: 3. 927-946.(In Persian)
9.Deb, K., Agrawal, S., Pratap, A., and Meyarivan, T. 2000. September. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II. In International conference on parallel problem solving from nature. Springer, Berlin, Heidelberg. pp. 849-858.
10.Ghadimi, S., and Ketabchi, H. 2019. Impact assessment of different management strategies implementation on the aquifer using numerical simulation (Case study: Namdan aquifer, Fars province, Iran). Journal of Water and Soil Conservation. 25: 6. 1-23.(In Persian)
11.Meftah Halaghi, M., Ghorbani, K., Keramatzadeh, A., and Salarijazi, M. 2020. Crop pattern optimization by using Goal programming (case study: Gharesoo basin). Journal of Waterand Soil Conservation. 27: 1. 163-180. (In Persian)
12.Homaifar, A., Qi, C.X., and Lai,S.H. 1994. Constrained optimizationvia genetic algorithms. Simulation.62: 4. 242-253.
13.Jian-Xia, C., Qiang, H., and Yi-Min, W. 2005. Genetic algorithms for optimal reservoir dispatching. Water Resources Management. 19: 4. 321-331.
14.Joines, J.A., and Houck, C.R. 1994, June. On the use of non-stationary penalty functions to solve nonlinear constrained optimization problems with GA's. In Proceedings of the first IEEE conference on evolutionary computation. IEEE world congress on computational intelligence. IEEE. pp. 579-584.
15.Kashefi Nezhad, P., Hooshmand, A., and Boroomandnasab, S. 2019. Optimal allocation of water resources using non-dominated sorting genetic algorithm (case study: Hamidiya irrigation network). Journal of Water and Soil Conservation. 25: 6. 239-253. (In Persian)
16.Kim, T.W., and Valdés, J.B. 2003. Nonlinear model for drought forecasting based on a conjunction of wavelet transforms and neural networks. Journal of Hydrologic Engineering. 8: 6. 319-328.
17.Komasi, M., and Goudarzi, H.2021. Multi-objective optimization of groundwater monitoring network using a probability Pareto genetic algorithm and entropy method (case study: Silakhor plain). Journal of Hydroinformatics.23 :1. 136-150.
18.Komasi, M., and Sharghi, S. 2016. Data mining methods in time series analysis. Naghous. 156p. (In Persian)
19.Koza, J.R., and Poli, R. 1992. Genetic programming: on the programming of computers by means of natural selection. MIT press. Chapter 5.
20.McCulloch, W.S., and Pitts, W. 1943. A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity. The bulletin of mathematical biophysics. 5: 4. 115-133.
21.Michalewicz, Z. 1995. Genetic algorithms, numerical optimization, and constraints. In Proceedings of the sixth international conference on genetic algorithms. Morgan Kauffman San Mateo. 195: 151-158.
22.Mohammadian, F., Shahnooshi, N., Gorbani, M., and Aghel, H. 2002. Development of a sustainable crop pattern in Fariman-Torbat Jam plain. Journal of Agricultural Economics.4: 2. 1-41. (In Persian)
23.Parsopoulos, K.E., and Vrahatis, M.N. 2002. Particle swarm optimization method for constrained optimization problems. Intelligent Technologies–Theory and Application: New Trends in Intelligent Technologies. 76: 1. 214-220.
24.Peralta, R.C., Forghani, A., and Fayad, H. 2014. Multiobjective genetic algorithm conjunctive use optimization for production, cost, and energy with dynamic return flow. Journal of Hydrology. 511: 776-785.
25.Ristikj, J., Tripcheva-Trajkovska, L., Rikaloski, I., and Markovska, L.1999. Optimization of refinery product blending by using linear programming. In Production and application of oil products. Symposium proceedings.
26.Sahoo, B., Lohani, A.K., and Sahu, R. K. 2006. Fuzzy multiobjective and linear programming based management models for optimal land-water-crop system planning. Water resources management. 20: 6. 931-948.
27.Sarker, R., and Ray T. 2009. An improved evolutionary algorithm for solving multi-objective crop planning models. Computers and Electronics in Agriculture. 68: 2. 191-199.
28.Singh, D.K., Jaiswal, C.S., Reddy, K.S., Singh, R.M., and Bhandarkar, D.M. 2001. Optimal cropping pattern in a canal command area. Agricultural Water Management. 50: 1. 1-8.
29.Thu Bui, L., and Alam, S. 2008.Multi-Objective Optimization in Computational Intelligence: Theory and Practice: Theory and Practice. IGI global. pp. 151-188.
30.Wang, Z., and Zhou, Z. 2004. Optimization of water allocation in canal systems of Chengai irrigation area. Nature and Science. 2: 1. 89-94.
31.Yang, J.M., Chen, Y.P., Horng, J.T., and Kao, C.Y. 1997. April. Applying family competition to evolution strategies for constrained optimization. In International conference on evolutionary programming. Springer, Berlin, Heidelberg. pp. 201-211 32.Yeniay, Ö. 2005. Penalty function methods for constrained optimization with genetic algorithms. Mathematical and computational Applications.10: 1. 45-56.
33.Zitzler, E. 1999. Evolutionary algorithms for multiobjective optimization: Methods and applications. Ithaca: Shaker, 32p.
34.Zitzler, E., Laumanns, M., and Thiele, L. 2001. SPEA2: Improving the strength Pareto evolutionary algorithm. TIK-report, 103p. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 631 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 318 |