بهینه‌سازی نوبت‌بندی آب کشاورزی در دشت گیلان

دفتر بهره‌برداری و نگهداری از سدهای گیلان وظیفه بهره‌برداری و نگهداری سدهای استان گیلان ازجمله سد مخزنی سفیدرود با قدمت بهره‌برداری 54 ساله، شاهرگ حیاتی اقتصاد کشاورزی استان را بر عهده دارد. آبیاری دشت گیلان به مدت ده‌ها سال به‌صورت غرقابی توسط سد سفیدرود انجام شده که به علت ساخت سدهای بالادست، رسوب‌گذاری مخزن سد سفیدرود، توسعه شبکه آبیاری، افزایش روزافزون کشاورزی و تغییر اقلیم، به‌ناچار و به‌رغم تبعات اجتماعی فراوان، آبیاری به شیوه نوبت‌بندی، سوق داده شده است. اسلوب اصلی برنامه آبیاری نوبت‌بندی، بر مبنای 8 روز آبیاری و 4 روز قطع آب است. این تناوبی بودن قطع و وصل و همچنین علاوه بر آن وسعت شبکه و تبخیر شدید آب در روزهای خشک، سبب هدررفت آب شده و این در حالی است که مرطوب نگه‌داشتن کانال‌های آبیاری، باعث ذخیره چشم‌گیری در آب می‌شود. برای حل مشکلات ذکرشده، به‌جای قطع و وصل آب از سازه سد، برنامه متناوبی از مانور دریچه‌ها برای شبکه آبیاری تهیه گردیده است.

نظر به پشتوانه چند ده‌ساله بهره‌برداری از سد سفیدرود و بهره‌گیری از دانش روز، دفتر سدهای گیلان نسبت به نوشتن برنامه نرم‌افزاری بومی به نام Water Assignment و به زبان برنامه‌نویسی VBA به‌منظور بهینه نمودن مصرف آب، کسب حداکثر تولید نیروگاه، کاهش تنش ناشی از قطع و وصل آبگذاری، کاهش تلفات و عدم اعمال تغییرات فیزیکی در شبکه و تأسیسات آن، در سال 1395 اقدام نمود. خاطرنشان می‌سازد که خروجی این برنامه در سال زراعی 95-94 در حال اجراست و نتایج شگرفی نیز تاکنون ازجمله افزایش آب بین‌راهی ناشی از زهکشی شبکه به میزان حداقل %50 (و درنتیجه صرفه‌جویی آب) و افزایش فعالیت نیروگاه برق سبز از % 73 به % 93، داشته است.

مقدمه

کشور ایران به لحاظ آب و هواشناسی جزء کشورهای خشک و نیمه‌خشک محسوب می‌شود و به همین دلیل در توسعه فعالیت‌های کشاورزی،‌ آب، مهم‌ترین عامل محدودکننده توسعه کشاورزی و تولید مواد غذایی به‌حساب می‌آید، زیرا با توجه به وسعت قابل‌ملاحظه کشور (000ر621ر1 کیلومترمربع) در مقایسه با جمعیت فعلی، به لحاظ منابع خاک کمبودی حتی در شرایط وجود جمعیت بیشتر نیز به چشم نمی‌خورد، از طرفی منابع مهارشده فعلی و موجود در برنامه‌های آتی نیز، نمی‌تواند پاسخگوی نیاز روزافزون جمعیت در حال افزایش سال‌های آینده به آب برای تولید محصولات کشاورزی، شرب و صنعت باشد. بنابراین در شرایط فعلی علاوه بر نگهداری صحیح از تأسیسات عظیم مهار آب من‌جمله سدها و سایر سیستم‌های استخراج، توزیع و تنظیم آب که در طول تاریخ و بخصوص در دهه‌های اخیر احداث شده است، باید بهره‌برداری و نگهداری صحیح از تأسیسات آبی و مصرف بهینه آب در جامعه‌های شهری و روستایی مورد توجه جدی قرار گیرد. ضرورت دارد از منابعی که با صرف هزینه‌های هنگفت از طریق احداث سدهای مخزنی، انحرافی و یا حفر چاه‌ها و قنوات مهار شده‌اند، استفاده بهینه شده و با حداکثر راندمان و با رعایت اصول صحیح بهره‌برداری و نگهداری، استفاده کامل و درازمدت به عمل آید [1].

برنج‌کاری در گیلان نقش بسیار مهمی در اقتصاد خانوارهای گیلانی دارد. سطح زیر کشت برنج در گیلان بالغ بر 238 هزار هکتار است که بیش از 72 درصد مجموع کشت این استان را شامل می‌شود و حدود 300 هزار خانوار معادل 40 درصد خانوارهای گیلانی به امر برنج‌کاری مشغول می‌باشند. از مجموع 238 هزار هکتار سطوح زیر کشت، این محصول حدود 180 هزار هکتار آن در محدوده شبکه‌های آبیاری و زهکشی سد سفیدرود قرار گرفته است و بقیه اراضی در خارج از این محدوده قرار دارند که از آب رودخانه‌های داخلی، باران فصلی، آب چاه‌های محفوره، چشمه‌ها و آب‌بندان ها تغذیه و آبیاری می‌شوند [2]. با توجه به این که بیش از 72 درصد از اراضی برنج‌کاری در گیلان در محدوده شبکه آبیاری سد سفیدرود واقع شده و از آب سد سفیدرود تغذیه می‌نماید. نقش سد سفیدرود با قدمت بهره‌برداری 54 ساله در اقتصاد گیلان کاملاً مشخص و حیاتی می‌باشد [3].

افزایش روزافزون تقاضای آب برای صنعت و جمعیت شهری، کاهش منطقی مصرف آب برای کشاورزی را اجتناب‌ناپذیر می‌نماید. در این شرایط مهم‌ترین چالش در رابطه با تولید برنج، ذخیره آب، افزایش بهره‌وری آب و تولید برنج بیشتر با آب کمتر است [4].

تلاش‌های زیادی برای کاهش مصرف آب در اراضی برنج‌کاری ایران انجام گرفته است و گزارشات متعددی درباره تأثیر آبیاری تناوبی در کاهش مصرف آب و افزایش بهره‌وری مصرف آب برنج منتشر شده است. بر اساس این گزارشات، با تغییر شیوه آبیاری از غرقابی به آبیاری تناوبی می‌توان بدون کاهش عملکرد و یا با درصد قابل قبولی از آن در مصرف آب صرفه‌جویی نمود و بازده کاربرد آب را به مقدار قابل توجهی افزایش داد [5].

این گزارشات نشان داد ایجاد غرقاب دائم نه تنها یک ضرورت نیست بلکه در مناطق خشک و نیمه‌خشک که حصول بازده مصرف بالاتر، حائز اهمیت است، مقرون به‌صرفه‌تر است که با پذیرش هزینه‌های مدیریتی و کاهش زمان یا مقدار آبیاری، در مصرف آب صرفه‌جویی نمود. همچنین در مواردی تنش ملایم آبی برای رسیدن به عملکرد بالاتر توصیه شده است [5].

بعد از گذشت پنج دهه از احداث سد مخزنی سفیدرود و به تبع آن توسعه شبکه آبیاری سفیدرود در دشت گیلان و به مرور زمان با توسعه شبکه و اراضی کشاورزی و با احداث سدهای متعدد در سرشاخه‌های شاهرود و قزل‌اوزن طی سالیان اخیر ازیک‌طرف و کاهش نزولات جوی از طرف دیگر، به‌صورت اجباری و امری اجتناب‌ناپذیر حق آبه چند صدساله کشاورزان گیلانی کاسته گردیده است. به‌منظور جلوگیری از بروز هرگونه خسارت و نقصان در زمینه حفظ و احیای اراضی کشاورزی لزوم استفاده از برنامه‌های نوین آبیاری و استفاده از تمامی پتانسیل‌های موجود در استان (آب‌بندان ها، رودخانه‌ها، انهار، زهکش‌ها و...) را ضروری می‌نماید [6].

به‌منظور ارتقای وضعیت روش قبلی که آن را «آبیاری تناوبی سراسری» می‌نامیم، روش «آبیاری تناوبی پویا» را معرفی می‌کنیم. هدف این روش، یافتن بهترین الگوی آبیاری است که بر اساس ترکیب متنوعی از قطع و وصل اختصاصی آب در کانال‌ها بر اساس مقتضیات ذکر شده است. درواقع در این روش، قطع کامل از سد صورت نمی‌گیرد و سد عموماً دارای دبی خروجی پایه بوده و قطع و وصل در کانال‌های اصلی شبکه و توسط مانور دریچه‌ها، صورت می‌گیرد.

روش آبیاری در سال آبی 95-1394 برای نخستین بار از حالت تناوبی سراسری به تناوبی پویا تغییر یافت. روش آبیاری در تناوبی سراسری، شامل آبگذاری 8 روزه کلیه کانال‌های دشت گیلان و قطع سراسری 4 روزه آن می‌شد. این در حالی است که روش آبیاری در تناوبی پویا که حاصل خروجی نرم‌افزار Water Assignment بوده، شامل قطع آب سراسری از سد سفیدرود نبوده بلکه آب رها شده از سد در پایین‌دست و در سد تاریک به‌صورت دینامیکی مدیریت می‌شود بطوریکه راندمان بهره‌گیری از انرژی برقابی، حداکثر شده و مقتضیات شبکه اراضی کشاورزی نیز تأمین گردد.

برنامه نرم‌افزاری بومی Water Assignment، به زبان برنامه‌نویسی[1]VBA در محیط نرم‌افزار Microsoft Excel توسط دفتر سدهای گیلان با توجه به پشتوانه چند ده‌ساله بهره‌برداری از سد سفیدرود و بهره‌گیری از دانش روز، در سال 1395 طراحی شد.

 

شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود گیلان

سدهای مخزنی، پروژه‌های عظیم ملی چندمنظوره‌ای هستند که ذخیره آب جهت کشاورزی، تولید نیروی برق، شرب، صنعت، مهار سیل، امـور سیاحتی، فرهنگی و تفریحی از اهداف آن‌ها می‌باشد و از پروژه‌های مهم و حیاتی هر مملکتی به شمار می‌روند [7].

امور بهره‌برداری و نگهداری از سدهای گیلان که یکی از امور اجرایی تحت نظارت معاونت حفاظت و بهره‌برداری شرکت سهامی آب منطقه‌ای گیلان بوده، وظیفه بهره‌برداری و نگهداری سدهای استان گیلان را بر عهده دارد؛ که سد مخزنی سفیدرود به‌عنوان شاهرگ حیاتی اقتصاد کشاورزی استان مهم‌ترین آن‌هاست [8].

پهنه 14000 کیلومترمربعی استان گیلان، 238040 هکتار شالیزار را در خود جای داده است که 349571 شارب دو گروه کلی سنتی آبخور با میزان سطح زیر کشت 66903 هکتار و مدرن آبخور با سطح زیر کشت 171137 هکتار تقسیم کرد که سد مخزنی سفیدرود با شش سد انحرافی (تاریک، سنگر، شاخرز، پسیخان، گله رود و قوام) مختص تأمین آب اراضی تحت پوشش شبکه یا مدرن آبخور است و رودخانه‌های حوضه داخلی شبکه آبیاری، منبع تأمین آب اراضی سنتی هستند [3].

سد سفیدرود در 200 کیلومتری شمال غربی تهران و 100 کیلومتری دریای خزر کمی پائین تر از شهر منجیل در محل تلاقی دو رودخانه قزل‏اوزن و شاهرود قرار گرفته است. قـزل‏اوزن از کوه‌های کردستان و آذربایجـان سرچشمه گرفته با دبـی حداکثـرm³/s  2000 و حداقلl/s  50 پس از طی مسافتkm  500 و شاهرود از کوه‌های الموت و طالقان سرچشمه گرفته، با دبی حداکثرm³/s  800 و حداقل m³/s  2.4 پس از طی مسافتkm  180 وارد دریاچه سد می‏گردند [9]. (شکل 1)

 

شکل 1- نمایی از سد سفیدرود

 

شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود گیلان با مساحت 284180 هکتار در محدوده ساحلی غربی دریای خزر از ارتفاع 26- تا 100+ متر از سطح دریای آزاد (masl) و در قالب 17 واحد عمرانی، شکل گرفته است [2].

واحدهای عمرانی شبکه آبیاری سفیدرود در سمت راست رودخانه سفیدرود شامل واحدهای D1 تا D5، در ساحل چپ رودخانه سفیدرود شامل واحدهای G1 تا G7 و در ناحیه فومنات شامل واحدهای F1 تا F5 می‌باشد. این شبکه دارای 430 کیلومتر (63 رشته) کانال اصلی و درجه یک، حدود 672 کیلومتر (312 رشته) کانال‌های پیش‌ساخته درجه دو و 1080 کیلومتر زهکش‌های اصلی و فرعی (542 رشته) و حدود 15000 وابسته می‌باشد [2].

جریان آب تنظیم‌شده از سد سفیدرود از طریق سد انحرافی تاریک، تونل آب بر فومن، سد انحرافی گله رود و سد انحرافی سنگر، کانال‌های گله رود و راست و چپ سنگر و صدها کیلومتر کانال اصلی و فرعی در محدوده شبکه آبیاری سفیدرود، توزیع شده و اراضی شالیزار را تغذیه می‌نماید. محدوده پروژه سفیدرود گیلان در 17 واحد عمرانی و در قالب سه ناحیه شرق گیلان، مرکزی و فومنات گسترده می‌باشد. کشت برنج در شبکه سفیدرود بزرگ در حدود 96 درصد از اراضی زیر کشت این شبکه را شامل می‌شود [2].

کانال‌های اصلی شبکه آب‌رسانی استان گیلان شامل کانال راست سنگر، کانال چپ سنگر، کانال گله رود و تونل آب بر فومن می‌شود. کروکی تأسیسات هیدرولیکی اصلی رودخانه سفیدرود در شکل  ارائه شده است.

کانال راست سنگر و کانال چپ سنگر توسط سد انحرافی سنگر تغذیه می‌شوند. سد سنگر روی رودخانه سفیدرود در 70 کیلومتری سد سفیدرود بنا گردیده است. هدف از احداث آن، تأمین آب زراعی بخش مرکزی، غرب و شرق گیلان می‏باشد. این سد با بالا آوردن تراز آب به میزان 4 متر به وسیله دو دهانه آبگیر کانال‌های اصلی ساحل چپ و راست را تغذیه می‌کند. سد سنگر دارای دو کانال در جناحین بوده که کانال چپ سنگر با دبی 114 مترمکعب در ثانیه بخش‌های غرب و مرکزی و کانال راست سنگر با دبی 59 مترمکعب در ثانیه بخش شرق گیلان را سیراب می‏نماید و از کانال چپ می‏توان آب بهنگام تصفیه‏خانه را نیز تأمین نمود. سد سنگر دارای طول تاج 231 متر، حوضچه رسوب‌گیر سمت راست به طول 415 متر و به عرض 58 متر، حوضچه رسوب‌گیر سمت چپ به طول 508 متر و عرض 78 متر و 13 دریچه سرریز با قدرت تخلیه دبی 5300 مترمکعب در ثانیه می‌باشد [9].

کانال گله‌رود توسط سد انحرافی گله‏رود تغذیه می‌شود. سد گله‏رود برای تأمین آب زراعی و تأمین آب شرب تصفیه‏خانه بزرگ سنگر طراحی و ساخته شده است که با کمک سد انحرافی شهربیجار می‏تواند در مواقع بحرانی مشکل تصفیه‏خانه را مرتفع نماید. سد انحرافی گله‏رود قدرت تخلیه دبی 25 مترمکعب در ثانیه را با 5 دریچه عمقی دارد و آب مازاد رودخانه سفیدرود به‏صورت سرریز آزاد به پایاب منتقل می‏شود [9].

 

شکل 2- کروکی تأسیسات هیدرولیکی اصلی رودخانه سفیدرود

 

تونل آب‌بر فومن توسط سد انحرافی تاریک تغذیه می‌شود. سد تاریک از نوع مختلط بتنی- خاکی که در 35 کیلومتری پایاب سد روی رودخانه سفیدرود قرار گرفته است. هدف از احداث این سد، تثبیت سطح آب و هدایت آن به کانال‌های آبیاری می‏باشد، سد انحرافی تاریک قدرت تخلیه 5000 مترمکعب در ثانیه آب را دارد. هدف از ساخت سد تاریک، آبیاری دشت فومنات با دبی حداکثر 35 مترمکعب از طریق تونل آب بر فومن به طول 16640 متر می‏باشد. این سد، رقوم آب را 8 الی 9 متر بالا آورده و تونل آب بــر فومن را به‌وسیله یک دهانه آبگیر در ساحل چپ رودخانه، تغذیه می‌کند. حجم مخزن سد 5 میلیون متر‏مکعب است که می‌تواند دبی‌های رها شده روزانه از سد سفیدرود را برای آبیاری پایین‌دست تنظیم نماید. سد تاریک با ارتفاع 22 متر، دارای طول تاج سد 380 متر که 250 متر آن بتنی و 130 متر آن خاکی بوده، 9 دریچه به ابعاد 5.5*15 و 3 دریچه تحتانی با قدرت تخلیه دبی 500 مترمکعب در ثانیه است [9].

مدیریت آبیاری

مدیریت آب کشاورزی با هدف افزایش بهره‌وری آب و حفظ امنیت غذایی در تمامی کشورهای در حال توسعه بخصوص کشور ما به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی مدیریت شبکه‌های آبیاری و زهکشی بشمار می‌آید. این چالش با توجه به شرایط تغییر اقلیم و وقوع خشک‌سالی‌های متناوب اخیر و همچنین توسعه مناطق بالادست حوضه‌های آبریز، در صورت عدم توجه به آن، پیامدهای ناگواری در اراضی پایین‌دست به ارمغان خواهد آورد [2].

شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود با مساحت حدود 284 هزار هکتار به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین شبکه‌های آبیاری و زهکشی کشور می‌باشد. عواملی از قبیل توسعه اراضی کشاورزی در نواحی بالادست، وقوع خشک‌سالی‌های اخیر و تغییر اقلیم، افزایش تقاضا در سایر بخش‌های مصرف آب، محدودیت منابع آب، عدم توسعه کامل شبکه آبیاری مذکور بعد از گذشت بیش از 40 سال از بهره‌برداری آن و ... از یک سو و از سوی دیگر لزوم حفظ جایگاه محصول استراتژیک برنج در امنیت غذایی جمعیت در حال رشد کشور، ارتقاء درآمد بهره‌برداران از فعالیت‌های کشاورزی، باعث وقوع چالش‌های فراوانی در مدیریت آب این شبکه بزرگ آبیاری و زهکشی کشور شده است. شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود نیز با مسائل زیر مواجه بوده و این مسائل باعث کاهش راندمان تعریف‌شده در شبکه (در حدود 45 درصد) گردیده است [2].

بعد از گذشت پنج دهه از احداث سد مخزنی سفیدرود و به تبع آن توسعه شبکه آبیاری سفیدرود در دشت گیلان و به مرور زمان با توسعه شبکه و اراضی کشاورزی و با احداث سدهای متعدد در سرشاخه‌های شاهرود و قزل‌اوزن طی سالیان اخیر ازیک‌طرف و کاهش نزولات جوی از طرف دیگر، به‌صورت اجباری و امری اجتناب‌ناپذیر حق آبه چند صدساله کشاورزان گیلانی کاسته گردیده است. به‌منظور جلوگیری از بروز هرگونه خسارت و نقصان در زمینه حفظ و احیای اراضی کشاورزی لزوم استفاده از برنامه‌های نوین آبیاری و استفاده از تمامی پتانسیل‌های موجود در استان (آب‌بندان ها، رودخانه‌ها، انهار، زهکش‌ها و...) را ضروری می‌نماید [6].

روش آبی در سال آبی 95-1394 برای نخستین بار از حالت تناوبی سراسری به تناوبی پویا تغییر یافت. روش آبیاری در تناوبی سراسری، شامل آبگذاری 8 روزه کلیه کانال‌های دشت گیلان و قطع سراسری 4 روزه آن می‌شد. این در حالی است که روش آبیاری در تناوبی پویا که حاصل خروجی نرم‌افزار Water Assignment بوده، شامل قطع آب سراسری از سد سفیدرود نبوده بلکه آب رها شده از سد در پایین‌دست و در سد تاریک به‌صورت دینامیکی مدیریت می‌شود بطوریکه راندمان بهره‌گیری از انرژی برقابی، حداکثر شده و مقتضیات شبکه اراضی کشاورزی نیز تأمین گردد.

مبانی نظری و گزینش راه حل مسئله

برنامه‌ریزی خطی با بهینه‌سازی (ماکزیمم سازی یا می نیمم سازی) یک تابع خطی که از محدودیت‌های مساوی و/یا نامساوی یا ضمنی تشکیل شده است، سروکار دارد. مسئله برنامه‌ریزی خطی را ابتدا جرج بی.دانتزیک در حدود سال 1947 زمانی که به عنوان مشاور ریاضی اداره بازرسی و نظارت نیروی هوایی ایالات متحده خدمت می‌کرد و در بسط و گسترش برنامه‌ریزی پیشرفته، آموزش و پشتیبانی همکاری داشت، ابداع کرد. در سال 1949 جرج بی.دانتزیک، روش سیمپلکس را برای حل برنامه‌های خطی به چاپ رساند. از آن زمان به بعد افراد زیادی به روش‌های بسیار متعددی ازجمله بسط و توسعه نظری، دیدگاه محاسباتی و به کارگیری کاربردهای جدید آن، در این حوزه وارد شده‌اند. روش سیمپلکس به دلیل توانایی مدل بندی مسائل مهم و پیچیده مدیریتی و توانمندی حل مسائل در مدت زمانی معقول در برنامه‌ریزی خطی، کاربردهای وسیعی یافته است [10].

یک مسئله برنامه‌ریزی خطی را می‌توان با نماد ماتریسی به شکل ساده‌تری مطابق رابطه (1) بیان کرد [10].

(1)

به طوری که

 

     

 

که در آن  تابع هدف (یا تابع معیار) است که باید بهینه شود، ضرایب c، ضرایب هزینه (معلوم) هستند و x ها متغیرهای تصمیم‌گیری (متغیرها، متغیرهای ساختاری یا سطوح فعالیت) هستند که باید مشخص شوند. ضرایب a را ضرایب فنی می‌نامند. یک مجموعه از متغیرهای x که در تمام محدودیت‌ها صدق کنند را نقطه شدنی یا بردار شدنی می‌نامند. مجموعه تمام چنین نقاطی، ناحیه شدنی یا فضای شدنی را تشکیل می‌دهد [10].

اگر تمام توابع، خطی باشند ما با یک مسئله خطی داریم، در غیر این صورت مسئله غیرخطی می‌باشد. در حقیقت خیلی از مسائل واقعی را به خاطر طبیعت غیرخطی بودن تابع هدف و یا غیرخطی بودن هر کدام از روابط، نمی‌توان به صورت یک مسئله خطی نمایش داده و تخمین زد [11].

درصورتی‌که مسئله نوبت‌بندی آب را به زبان ریاضی بیان کنیم مطابق رابطه (2)، داریم:

 

(2)

 

 

 

____________________________________

 

که در آن  دبی کانال شماره j در روز i ام،  مجموع دبی تمامی کانال‌ها در روز i ام،  مجموع آب تحویلی به کانال شماره j در پایان فصل آبیاری، مجموع آب تحویلی به کلیه کانال‌ها در پایان فصل آبیاری، m تعداد کانال‌های آبیاری و n تعداد کل روزهای برنامه آبیاری است.

به‌منظور نمایش ابعاد مسئله، همین نکته کافی است که تعداد معادلات برای سال آبی 95-1394 مطابق رابطه زیر، برابر 141 عدد می‌باشد.

مرداد           تیر          خرداد      اردیبهشت    فروردین

141     =     31     +     31     +     31     +     31     +     17  

تعداد روزهای فصل آبیاری، طبق تقویم زراعی مصوب شده سازمان جهاد کشاورزی که بر اساس آب مورد نیاز گیاه برنج (که در مراحل مختلف رشد خود ازجمله مرحله رویشی، مرحله زایشی و مرحله رسیدن، نیاز داشته) و همچنین گستردگی شبکه آبیاری و تاریخ دیرتر شروع نشاءکاری بعضی از مناطق شبکه که در نزدیکی سازه سد سفیدرود قرار دارند، تعیین می‌شود. مناطقی که در نزدیکی سد سفیدرود قرار دارند، با آب سردی مواجه هستند که در مراحل اولیه رشد گیاه برنج، مضر می‌باشد درحالیکه آب رها شده در طی حرکت به پایین‌دست شبکه، به دمای مناسب مورد نیاز گیاه برنج برای سایر مناطق می‌رسد.

ها به ازای کانال شماره j، دارای ترکیبی از وصل و قطع آب، طبق الگوی مشخص می‌باشند. اسلوب اصلی اجرایی قطع و وصل آب که در طی سالیان نوبت‌بندی آب، اجرا گردیده است شامل 8 روز برقراری آب و 4 روز قطع آب سراسری در کل دشت گیلان بوده است. الگوی اشاره شده، به مدت چندین سال با توجه به بحران آب موجود در حوضه سفیدرود بزرگ و عدم امکان برقراری آبیاری غرقابی در مزارع و با توجه به تحقیقات صورت گرفته بر روی آبیاری تناوبی، اجرا شده است. هنگامی‌که طبق تقویم زراعی، آب از سد سفیدرود رها می‌شود تا حد امکان میزان دبی خروجی از پنستاک های نیروگاه تأمین می‌شود و درصورتی‌که دبی بیشتری نیز نیاز باشد، با استفاده از مجاری تخلیه کننده تحتانی تأمین می‌شود؛ بنابراین به‌طور عمومی در روزهای آبیاری سراسری، دبی حدودm³/s  200 و در روزهای قطع سراسری دبی حدودm³/s  30 (برای مناطق محدودی در شبکه) رهاسازی می‌شود. به ازای دو حالت اشاره شده، تعداد واحدهای نیروگاهی فعال، به ترتیب برابر 5 و 1 می‌باشد. مسئله دیگر این است که بعد از یک قطع سراسری آب و شروع آبیاری سراسری، زمان زیادی (حتی تا 8 روز) طول می‌کشد تا آب به دورترین نقطه شبکه برسد.

به‌منظور ارتقای وضعیت روش قبلی که آن را «آبیاری تناوبی سراسری» می‌نامیم، روش «آبیاری تناوبی پویا» را معرفی می‌کنیم. هدف این روش، یافتن بهترین الگوی آبیاری است که بر اساس ترکیب متنوعی از قطع و وصل اختصاصی آب در کانال‌ها بر اساس مقتضیات ذکر شده است. درواقع در این روش، قطع کامل از سد صورت نمی‌گیرد و سد عموماً دارای دبی خروجی پایه بوده و قطع و وصل در کانال‌های اصلی شبکه و توسط مانور دریچه‌ها، صورت می‌گیرد.

به‌منظور بررسی روش «آبیاری تناوبی پویا»، دو سناریو تعریف می‌گردد.

1. سناریوی شماره 1

در این سناریو، کانال‌های اصلی آبیاری به انضمام پایاب سنگر در نظر گرفته شده است. اسامی کانال‌ها مطابق جدول  است. این سناریو، بر اساس وضعیت موجود کانال‌ها و بدون هیچ‌گونه صرف هزینه‌ای، تعریف می‌شود. فرض می‌کنیم که در این سناریو و با استفاده از یک ابتکار عمل، می‌توانیم شاهد کارآیی بیشتری نسبت به روش آبیاری تناوبی سراسری باشیم.

 

جدول 1- اسامی کانال‌های اصلی آبیاری سناریوی شماره 1

دریچه	پایاب سنگر	کانال راست سنگر	کانال چپ سنگر	گله رود	تونل آب بر فومن
1	پایاب سنگر	کانال راست سنگر	کانال چپ سنگر	گله رود	تونل آب بر فومن
2	-	-	-	-	-

 

2. سناریوی شماره 2

در این سناریو که یک حالت ایده آل است، کانال‌های اصلی آبیاری راست سنگر، چپ سنگر و تونل آب بــر فومن، به دریچه‌های تنظیمی مجهز شده‌اند. به‌عنوان نمونه، کانال راست سنگر دارای دو دریچه فرضی به نام‌های لاهیجان - لنگرود و سیاهکل - آستانه می‌باشد. جزییات سایر کانال‌ها مطابق جدول  است. فرض می‌کنیم که با تعریف این دریچه‌های اضافی، می‌توانیم شاهد کارآیی بیشتری حتی نسبت به سناریوی شماره 1 ولی با صرف هزینه ساخت دریچه‌های اضافی، باشیم.

جدول 2- اسامی کانال‌های اصلی آبیاری سناریوی شماره 2

دریچه	پایاب سنگر	کانال راست سنگر	کانال چپ سنگر	گله رود	تونل آب بر فومن
1	پایاب سنگر	لاهیجان - لنگرود	لاکان	گله رود	بالا
2	-	سیاهکل - آستانه	خمام رود	-	پایین

 

طراحی نرم‌افزار و الگوریتم حل مسئله

نظر به پشتوانه چند ده‌ساله بهره‌برداری از سد سفیدرود و بهره‌گیری از دانش روز، برنامه نرم‌افزاری بومی Water Assignment، به زبان برنامه‌نویسی VBA در محیط نرم‌افزار Microsoft Excel توسط دفتر سدهای گیلان در سال 1395 طراحی شد.

VBA زبان برنامه‌نویسی بسیار قدرتمند بوده که از نسخه 5 نرم‌افزار Microsoft Excel به بعد در دسترس کاربران قرار داده شده است. برای مهندسان و محققان علوم پایه، زبانی شبیه به Basic و یا Fortran می‌باشد. با استفاده از این زبان می‌توان کدهایی نوشت که به شکل خودکار، عملیاتی را بر روی کاربرگ ها، سلول‌ها، سطرها و یا ستون‌های یک فایل Excel اجرا کند. جهت نوشتن کدهای عملیاتی لازم، Excel با داشتن یک محیط برنامه‌نویسی پویا به زبان Visual Basic، امکان طراحی عملیات مورد نیاز را فراهم می‌نماید.

حالات گوناگون رخداد ترکیب دبی کانال‌ها نسبت به محدودیت دبی نیروگاه (فاقد مقیاس)، در شکل 2، ترسیم شده است. طبق این شکل، دبی هر کدام از کانال‌های آبیاری Q₁ الی Q₈، بین یک مقدار حداقل و حداکثر، قابلیت تغییر داشته بطوریکه مقدار مجموع دبی مورد نیاز کانال‌ها، امکان رخداد 13 حالت مختلف را نسبت به مقدار قابل تأمین توسط لوله‌های پنستاک نیروگاه دارا می‌باشد. بر اساس گروه‌بندی کلی‌تر، 13 حالت رخداد را می‌توان به 3 حالت اصلی تقسیم نمود:

 

شکل 2- حالات گوناگون رخداد ترکیب دبی کانال‌ها نسبت به محدودیت دبی نیروگاه (فاقد مقیاس)

 

حالت 1) مقدار مجموع دبی کانال‌های آبیاری، بزرگ‌تر یا مساوی دبی حداکثر قابل تأمین توسط نیروگاه است.

حالت 2) مقدار مجموع دبی کانال‌های آبیاری، کمتر از دبی حداکثر قابل تأمین توسط نیروگاه و بزرگ‌تر یا مساوی دبی حداقل قابل تأمین توسط نیروگاه است.

حالت 3) مقدار مجموع دبی کانال‌های آبیاری، کوچک‌تر از دبی حداقل قابل تأمین توسط نیروگاه است.

بر اساس شکل 2، امکان رخداد حالت‌های 1، 2 و 3 به ترتیب % 61، % 31 و % 8 است. مجموع رخداد حالت‌های 1 و 2 برابر % 92 می‌باشد. این مقدار، این پشت‌گرمی را ایجاد می‌کند که طیف گسترده‌ای از مقدار دبی شبکه آبیاری را می‌توان با مانور واحدهای نیروگاه، تأمین نمود.

در شکل 3 نمودار دبی خروجی و توان تولید یک واحد نیروگاه سد سفیدرود (بر حسب تراز مخزن) ارائه شده است. طبق این شکل، مقدار دبی خروجی پنستاک نیروگاه دارای رابطه غیرخطی با تراز مخزن است درحالی‌که منحنی توان تولید، دارای رابطه دو خطی با تراز مخزن می‌باشد. این مسئله بیانگر این موضوع است که میزان دبی مورد نیاز برای راه‌اندازی واحدهای نیروگاه، فقط به میزان دبی مورد نیاز شبکه بستگی نداشته و توسط رابطه‌ای غیرخطی بر حسب تراز مخزن، دیکته می‌شود.

در شکل 4 منوی اصلی برنامه Water Assignment ارائه شده است. طبق شکل، برنامه شامل ورودی‌های متنوعی برای تنظیم آب در کانال‌ها است. گزینه «تحلیل» در برنامه، به منظور ارزیابی تعداد کل حالات ممکن برای آبگذاری کانال‌ها تعبیه شده است. کارآیی الگوریتم طراحی‌شده برای این گزینه به‌گونه‌ای است که انواع ترکیب‌های مختلف آب دهی در کانال‌های اصلی استان گیلان (با توجه به مقادیر ورودی توسط کاربر) که شامل صدها، هزاران و شاید میلیون‌ها ترکیب اجرایی شده را شناسایی نموده و نتایج را بر اساس قالب کاربردی در یک فایل Excel گزارش می‌نماید. بر اساس الگوی شروع آبگذاری کانال‌ها، گزینه «نوبت‌بندی» این امکان را به کاربر می‌دهد که گزارشی از برنامه پیشنهادی نوبت‌دهی آب در کانال‌های اصلی (در محیط برنامه) دریافت نماید. گزینه «نوبت‌بندی کلی» شامل گزارش کاملی از نوبت‌بندی‌های متنوع کانال‌ها بر اساس الگوهای متنوع شروع، می‌شود. درواقع کاربر با مطالعه فایل Excel تولیدی این گزینه، می‌تواند مقایسه کاملی از نتایج را که شامل دبی تفکیکی کانال‌ها، دبی کل، میزان آب کشاورزی، درصد فعالیت نیروگاه و ... گردیده را مشاهده نموده و بهترین ترکیب را ضمن لحاظ نمودن مقتضیات مدیریتی، انتخاب نماید.

الگوریتم حل نرم‌افزار به‌گونه‌ای طراحی شده است که در هر گام، رقوم مخزن، حجم مخزن و دبی خروجی واحدهای نیروگاه به صورت غیرخطی تخمین زده می‌شوند.

 

شکل 3- نمودار دبی خروجی و توان تولید یک واحد نیروگاه سد سفیدرود (بر حسب تراز مخزن)

 

شکل 4- منوی اصلی برنامه Water Assignment

مشاهدات و نتایج:

برنامه آبیاری تناوبی پویا، بعد از تشکیل جلسات متعدد کمیته منابع و مصارف، در نهایت در جلسه شماره 13 مورخ 3/3/95 مورد تصویب قرار گرفت [12]. در حال حاضر، کانال‌های اصلی استان، مجهز به دریچه‌های آبیاری مطابق سناریوی 2 نیستند؛ و با توجه به اولین تجربه گذر از برنامه آبیاری تناوبی سراسری، سناریوی 1 مورد اجرا قرار گرفت. به‌منظور ارزیابی روش جدید، شاخص‌هایی در ابتدای کار تعیین گردید. هم‌زمان با اجرای برنامه و نمایان شدن سایر جنبه‌های مثبت برنامه که در ابتدا مستتر بودند، این شاخص‌ها نیز به‌عنوان عملکرد برنامه، در نظر گرفته شدند.

به‌عنوان نمونه در جدول ، برنامه نوبت‌بندی آب در کانال‌های اصلی استان گیلان بر اساس برنامه آبیاری تناوبی پویا (خردادماه 1395) ارائه شده است.

 

نتیجه‌گیری:

اثرات شیوه نوین آبیاری در سطح شالیزارهای استان گیلان که بر اساس منطق کارشناسی مستدل و تصمیمات مدیریتی اتخاذ گردید، بیانگر تغییر نگرش در به‌کارگیری خلاقانه روش‌های جدید (با تحلیل داده‌ها و به‌کارگیری تجارب) و دانش مربوطه بوده که از مصادیق بارز اقتصاد مقاومتی در بخش آب است. در ادامه گوشه‌ای از نتایج این روش، شرح داده شده است.

در حالت آبیاری تناوبی سراسری، میزان فعالیت نیروگاه در دوران تقویم زراعی برابر % 73 بوده، درحالی‌که در صورت اجرای سناریوی شماره 1 (وضعیت اجرا شده در سال آبی 95-1394)، میزان شاخص به % 83 و در صورت ساخت دریچه‌های پیشنهادی سناریوی شماره 2، میزان شاخص به % 93 افزایش می‌یابد. تجربه صورت گرفته در اجرای سناریوی شماره 1 در سال آبی 95-1394 این نوید را می‌دهد که با اتخاذ پاره‌ای تصمیمات مدیریتی در حین دوره آبیاری، این شاخص پتانسیل ارتقای بیشتر (حتی به میزان % 100) را نیز داراست. ارزش تولید بیشتر انرژی برق سبز، از آن جهت قابل تأمل است که با توجه به افزایش مصرف برق در فصل تابستان و هم‌زمانی آن با تقویم زراعی آبیاری دشت گیلان، این افزایش تولید، به ثبات برق کشور، کمک مؤثر نمود.

صرف‌نظر از راه‌اندازی پیوسته نیروگاه و کمک به تولید برق سبز کشور، شاهد افزایش درآمد شرکت، حاصل از تولید انرژی برقابی ناشی از روش آبیاری تناوبی پویا بودیم.

در روش آبیاری تناوبی پویا، حداقل تغییرات دبی در بستر رودخانه را داریم. این موضوع باعث جلوگیری از تلفات و افزایش راندمان انتقال آب می‌شود. این مسئله بدین گونه قابل تفسیر است چون‌که در این روش، رودخانه‌های اصلی دارای دبی پایه بوده و شاهد قطع آب سراسری نیستیم، آبی صرف مرطوب نمودن و راه‌اندازی دوباره بستر رودخانه نیاز نیست، بطوریکه شاهد افزایش آب بین‌راهی ناشی از زهکشی شبکه به میزان حداقل %50 (و درنتیجه صرفه‌جویی آب) و نگهداشت آب بیشتر در مخزن سد سفیدرود بودیم.

با توجه به اینکه در این روش، رودخانه دارای دبی پایه بوده و مسافران بهاری و تابستانی استان نسبت به حفظ حریم رودخانه تعهد بیشتری داشتند، از حوادث جانی ناشی از قطع و وصل به مقدار زیادی، جلوگیری به عمل آمد.

در سال آبی 95-1394 تعداد مراجعین کشاورز به شرکت، بسیار اندک بوده که این خود بیانگر افزایش رضایتمندی ذینفعان و ایجاد اعتماد مضاعف در کشاورزان است.

این روش باعث کاهش هزینه‌ها در نگهداری رودخانه نیز شد بطوریکه با تغییر روش آبیاری، به میزان 000ر4 میلیون ریال در هزینه استفاده از بیل مکانیکی و بلدوزر در بستر رودخانه سد سفیدرود صرفه‌جویی داشتیم.منحنی فرمان مخزن سد سفیدرود، با توجه به دبی پیوسته خروجی، تغییر می‌یابد به صورتی که دیگر شاهد افت بی‌سابقه رقوم مخزن در مدت زمان کم نبوده بلکه این تخلیه مخزن به آرامی صورت می‌گیرد و باعث حداقل نمودن تنش اعمالی به تأسیسات سد و شبکه می‌شود.

مدیریت بهینه آب کشاورزی در این روش قابل دسترسی است زیرا با توجه به بارش مؤثر و میزان آب مورد نیاز در قسمت‌های مختلف شبکه، می‌توان آب مورد نیاز را به آن قسمت از شبکه بدون تأثیر بر سایر نقاط شبکه، رساند.

تشکر و قدردانی:

نگارندگان بدین‌وسیله از حمایت‌های بی‌دریغ استاندار محترم (جناب آقای دکتر سالاری) که همواره بر لزوم اجرای مصوبات جلسات منابع و مصارف تأکید داشته و اعضای کارگروه سازگاری با کم‌آبی و کمیته منابع و مصارف استان گیلان که ضمن تشکیل جلسات منظم و متعدد، کمال اهتمام ورزیده‌اند، بطوریکه عملکرد عالی کمیته مذکور در حمایت از اولین برنامه آبیاری تناوبی پویا و گذر از برنامه آبیاری تناوبی سراسری، در سطح کشور نیز بازتاب داشته، تشکر و قدردانی می‌نمایند.

منابع:

1. میرزادگان، ج.، بولتن چگونگی بهره‌برداری و نگهداری از سدها. نشریه شماره 37، انتشارات وزارت نیرو - کمیته ملی سدهای بزرگ ایران، 1380.
2. آقابیگی، س.، خان میرزایی، ر. و تاجداری، خ.، 1394. "شناسایی چالش‌ها و ارائه سیاست‌های راهبردی برای مدیریت بهینه تأمین و مصرف آب در اراضی شالی‌کاری تحت شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود در سال 1393"، اولین کنفرانس و نمایشگاه علوم و مهندسی آب، مرکز همایش‌های بین‌المللی شهید بهشتی، تهران.
3. مومنی، ع.، 1395. "کمیته منابع و مصارف".
4. Bouman, B. A. M., Tuong, T. P., 2001. “Field water management to save water and increase its productivity in irrigated lowland rice”. Agricultural Water Mnag, 49(1), pp. 11-30.
5. رضایی، م.، معتمد، م. ک.، یوسفی فلکدهی، ع. و امیری، ا.، 1389. "تغییرات مصرف آب در مدیریت‌های مختلف آبیاری و تأثیر آن بر میزان عملکرد ارقام مختلف برنج"، نشریه آب و خاک، جلد 24، شماره 3، ص 573-565.
6. خرمی، و. و میرزایی لیما، م.، 1394. "لزوم اجرای برنامه نوبت‌بندی آب در شبکه سفیدرود با کمک نرم‌افزارهای علم مهندسی آب (نرم‌افزار لینگو)".
7. حسنی، ن.، راستی اردکانی، ر. و وزین رام، ف.، کنترل پایداری سدهای بتنی (اندازه‌گیری، رفتارنگاری، نگهداری و علاج بخشی)، انتشارات دانشکده صنعت آب و برق (شهید عباسپور)، 1382.
8. شرکت سهامی آب منطقه‌ای گیلان. سایت شرکت سهامی آب منطقه‌ای گیلان، http://www.glrw.ir.
9. امور سد سفیدرود، 1393. "سد سفیدرود در یک نگاه".
10. Bazaraa, M. S., Jarvis, J. J., Sherali, H. D., Linear Programming and Network Flows. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2010.
11. Bazaraa, M. S., Sherali, H. D., Shetty, C. M., Nonlinear Programming: Theory and Algorithms. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006.
12. کمیته منابع و مصارف، 1395. "صورت‌جلسات کمیته منابع و مصارف".
13. سلحشور دلیوند، ف.، ناظمی، ا. ح. و یزدانی، م. ر.، 1388. "بهبود مدیریت توزیع آب در اراضی کشاورزی"، مجموعه مقالات دوازدهمین همایش کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران، کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران، ص 334-319.

 

جدول 3- برنامه نوبت‌بندی آب در کانال‌های اصلی استان گیلان بر اساس برنامه آبیاری تناوبی پویا (خردادماه 1395)