مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

پایش تطبیقی اثر کنترل خودکار تناسبی-انتگرالی (PI) بر کارایی توزیع در سامانه‌های بهره‌برداری از منابع آب سطحی تحت شرایط ناپایدار تأمین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی آب، دانشکده فناوری کشاورزی (ابوریحان)، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
10.22059/jwim.2026.405547.1272
چکیده
در این پژوهش، عملکرد شبکه آبیاری نکوآباد تحت دو سامانه بهره‌برداری دستی و خودکار مبتنی بر کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI) در مواجهه با سناریوهای متوالی کمبود جریان ورودی بررسی شد. با استفاده از مدل شبیه‌ساز هیدرولیکی و تحلیل شاخص‌های کفایت و پایداری، رفتار شبکه در هفت سطح تنش هیدرولوژیکی از شرایط عادی تا کمبود بیش از ۴۰ درصد ارزیابی گردید. نتایج نشان داد که سامانه PI به‌طور قابل‌توجهی سطح خدمات آبی را بهبود بخشیده، نوسانات زمانی و مکانی را کاهش داده و عدالت توزیع آب را ارتقاء داده است. در مقایسه با سامانه دستی، کنترل PI میانگین کفایت را تا ۴۰ درصد افزایش و میانگین پایداری را تا ۳۹ درصد کاهش داد که بیانگر ثبات بیش‌تر و تاب‌آوری بالاتر شبکه است. تحلیل‌های آماری، توزیعی و مکانی نشان دادند که کنترل PI از فروپاشی عملکردی در شرایط بحرانی جلوگیری کرده و ساختار شبکه را به سامانه‌ای هماهنگ، قابل پیش‌بینی و منصفانه تبدیل می‌کند. کاهش ضریب تغییرات، هم‌زمانی واکنش تنظیم‌کننده‌ها و حفظ یکنواختی مکانی عملکرد، نشان‌دهنده توانایی کنترل‌کننده در جذب اختلالات و جلوگیری از گسترش نوسانات در شبکه است. این ویژگی‌ها موجب گذار از مدیریت واکنشی به تنظیم پیش‌نگر شده و امکان برنامه‌ریزی دقیق‌تر، کاهش وابستگی به منابع آب زیرزمینی و افزایش تاب‌آوری در برابر تغییرات اقلیمی را فراهم می‌سازد. این نتیجه کاربردی، امکان پیاده‌سازی چارچوب‌های ارزیابی جامع، مانند چارچوب ارزیابی پایدار سامانه‌های بهره‌برداری منطبق بر پیوند آب-غذا-انرژی و چارچوب ارزیابی مبتنی بر ریسک شکست سیستم را برای مطالعات آتی فراهم می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Adaptive evaluation of Proportional–Integral (PI) automatic controller effects on distribution performance in surface water operation systems under supply instability

نویسندگان English

Reza Jamali
Mahmoud Mashal
S. Mehdy Hashemy Shahdany
Jaber Soltani
Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Technology (Aburihan), University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

In this study, the performance of the Nekouabad Irrigation Network was evaluated under two operating systems: the conventional manual operation and an automated operation based on a Proportional–Integral (PI) controller, in response to consecutive inflow shortage scenarios. Using a hydraulic simulation model and performance indicators of adequacy and sustainability, the network behavior was analyzed across seven levels of hydrological stress, ranging from normal conditions to inflow deficits exceeding 40%. The results revealed that the PI-based system significantly enhanced the level of water service, reduced temporal and spatial fluctuations, and improved the equity of water distribution. Compared with the manual operation, the PI controller increased mean adequacy by up to 40% and reduced mean variability (instability) by 39%, indicating a higher degree of stability and resilience across the network. Statistical, distributional, and spatial analyses confirmed that the PI control system prevented functional collapse under critical conditions and transformed the network into a more coordinated, predictable, and equitable system. The reduced coefficient of variation, synchronized regulator responses, and spatial uniformity of performance demonstrated the controller’s capacity to absorb disturbances and prevent the propagation of fluctuations throughout the network. These features facilitate a transition from reactive management toward predictive regulation, enabling more accurate planning, reduced dependence on groundwater resources, and enhanced resilience to climate variability. The findings support the applicability of comprehensive assessment frameworks—such as sustainability evaluation frameworks based on the Water–Food–Energy Nexus and risk-based system failure assessment—for future studies.

کلیدواژه‌ها English

Irrigation network
Impact analysis
Uncertainty
Water accounting
Spatiotemporal analysis
  1. Afrasiabikia, M., Akram, A. A., & Mendelsohn, R. (2017). Agricultural water allocation efficiency in a developing country canal irrigation system. Environment and Development Economics, 22(5), 574-595.
  2. 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
  3. Akkuzu, E., Ünal, H. B., & Karataş, B. S. (2007). Determination of water conveyance loss in the Menemen open canal irrigation network. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 31(1), 11-22.
  4. Barkhordari, S., & Shahdany, S. M. H. (2022). A systematic approach for estimating water losses in irrigation canals. Water Science and Engineering, 15(2), 161-169.
  5. 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.
  6. Fipps, G. (2000). Potential water savings in irrigated agriculture for the Rio Grande Planning Region (Region M). Texas Cooperative Extension, Texas A&M University System.
  7. 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.
  8. Isapoor, S., Montazer, A., Van Overloop, P. J., & Van De Giesen, N. (2011). Designing and evaluating control systems of the Dez main canal. Irrigation and Drainage, 60(1), 70-79.
  9. Jadhav, P. B., Thokal, R. T., Mane, M. S., Bhange, H. N., & Kale, S. R. (2014). improving conveyance efficiency through canal lining in command area: A Case Study. International Journal of Engineering Innovation & Research, 3(6), 820-826. doi: 10.30482/jeir.2014.51001.10045
  10. Kaghazchi, A., Shahdany, S. M. H., & Roozbahani, A. (2021). Simulation and evaluation of agricultural water distribution and delivery systems with a Hybrid Bayesian network model. Agricultural Water Management, 245(2), 106578. doi: 10.1016/j.agwat.2020.106578
  11. Karimi Avargani, H., Hashemy Shahdany, S. M., Hashemi Garmdareh, S. E., & Liaghat, A. (2020). Determination of water losses through the agricultural water conveyance, distribution, and delivery system: Case study of Roodasht Irrigation District, Isfahan. Water and Irrigation Management, 10(1), 143-156. (In Persian).
  12. Kedir, Y. (2015). Estimation of conveyance losses of Wonji-Shoa sugar cane irrigation scheme in Ethiopia. Journal of Environment and Earth Science, 5(17), 2224-3216. doi: 10.30482/jeesj.2015.424501.3141
  13. Monem, M. J., & Schuurmans, W. (1992). Performance of canal delivery strategies and control systems. IWMI Books, Reports H022428. International Water Management Institute. https://ideas.repec.org/p/iwt/bosers/h022428.html
  14. Rahparast, D., & Hashemy Shahdany, S. M. (2024). Ensuring reliable water distribution in water shortages: Analyzing the dependability of manual operation system in NekoAbad irrigation network, Isfahan. Iranian Journal of Irrigation and Water Engineering, 58(2), 75-90. (In Persian).
  15. Ranjbar, R., Ghasemi, N., & Hashemy Shahdany, S. M. (2025). Stochastic model predictive control of an irrigation canal. Journal of Hydroinformatics, 27(4), 740-754.
  16. Shahrokhnia, M. A., & Javan, M. (2005). Seepage estimation and efficiency evaluation in Doroodzan irrigation system. Journal of Water Management in Agriculture, 1(2), 45-54. (In Persian).
  17. Shahrokhnia, M. A., & Olyan Ghiasi, A. (2018). Methods of seepage estimation in canals and evaluation of seepage and distribution efficiency in Doroodzan irrigation system. Journal of Water Management in Agriculture, 4(2), 27-36. (In Persian).
  18. Shahverdi, K., & Maestre, J. M. (2023). Holistic framework for canal modernization: Operation optimization, and economic and environmental analyses. Water Resources Management, 30(1), 1-20.
  19. 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 Management, 285, 108372.