تحلیل کفایت، پایداری و عدالت توزیع آب سطحی توسط سامانه کنترل خودکار غیرمتمرکز تحت شرایط بهره‌برداری کم‌آبی: مطالعه موردی شبکه آبیاری نکوآباد اصفهان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی آب، دانشکده فناوری کشاورزی (ابوریحان)، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

10.22059/jwim.2024.377591.1165

چکیده

این پژوهش با هدف کلی معرفی خودکارسازی سامانه‌های بهره‌برداری آب سطحی، به‌عنوان یک روش کارآمد در کاهش تلفات آب در بخش کشاورزی انجام شد. در این راستا، وجه فنی مربوط به توسعه سامانه‌های بهره‌برداری مدنظر در پروژه­های مدرن­سازی شبکه­های آبیاری ملاک عمل قرار گرفت. در این راستا عملیات میدانی وسیعی به­منظور جمع­آوری اطلاعات موجود و اندازه‌گیری­های میدانی در بخش آب سطحی (سامانه کانال­های روباز و سازه­های هیدرولیکی وابسته آن) انجام شد. در ادامه شبیه­سازی فرایند توزیع آب سطحی تحت سناریوهای بهره‌برداری نرمال و خشکسالی صورت گرفت تا تحلیل زمانی- مکانی و ارزیابی نحوه توزیع آب سطحی بین واحدهای زراعی درجه سه میسر گردد. در این ارتباط مدل‌سازی سامانه‌های هوشمند توزیع آب سطحی با بهره­گیری از توسعه سامانه‌های کنترل خودکار غیرمتمرکز PI به‌منظور بررسی تأثیر مدرن­سازی سامانه توزیع آب سطحی نیز انجام شد. نتایج شبیه­­سازی، میزان بهبود شاخص کفایت توزیع آب سطحی در آبگیرهای بالادست، میان­دست و پایین­دست شبکه برای سامانه کنترل خودکار غیرمتمرکز PI در محدوده 10-7 درصد، 15-5 درصد و 15-4 درصد در سناریوهای مختلف بهره‌برداری کم­آبی را نشان داد. به­طور مشابه، میزان بهبود شاخص پایداری توزیع آب سطحی به‌ترتیب 25-4 درصد، 41-9 درصد و 42-9 درصد به‌دست آمد. میزان بهبود شاخص عدالت توزیع آب سطحی پس از خودکاسازی در محدوده 13-3 درصد در سناریوهای مختلف حاصل شد. نتایج حاکی از آن است که تحت سناریوی نرمال، با به‌کارگیری سامانه­ کنترل خودکار PI آبگیرهای بالادستی و میان­دستی در تمام آبگیرها توزیع آب در وضعیت مطلوب قرار گرفت. نتایج تحلیل زمانی و مکانی صورت گرفته در این پژوهش حاکی از الگوی واضحی از ناکارآمدی سامانه بهره‌برداری در توزیع آب سطحی تحت سناریوهای کم­آبی ارائه کرده و نقشه­های پهنه­بندی مناطق آسیب­پذیر شبکه را مشخص نمودند. لازم به ذکر است که متدولوژی توسعه داده شده دراین پژوهش قابلیت پیاده­سازی در حدود دو میلیون هکتار از اراضی فاریاب کشور را دارد که تحت پوشش 120 شبکه آبیاری و زهکشی قرار گرفته­اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of adequacy, dependability, and equity of surface water allocation by a decentralized automatic control system under water scarcity conditions: A case study of the nekouabad irrigation network in Isfahan

نویسندگان [English]

  • Dorsa Rahparast
  • S. Mehdy Hashemy Shahdany
Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Technology (Aburaihan), University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

This research aimed at introducing automatic control systems for surface water irrigation networks as an effective approach to reduce water losses in the agricultural sector. The technical aspects of developing these systems in modern irrigation network modernization projects were considered. Extensive field operations were conducted to collect existing data and perform field measurements in the surface water sector (open channel systems and related hydraulic structures). Subsequently, simulation of the surface water distribution process under normal and drought scenarios was carried out to enable spatio-temporal analysis and evaluation of surface water distribution among tertiary agricultural units. In this context, modeling of intelligent surface water distribution systems using the development of decentralized PI automatic control systems was also performed to investigate the impact of surface water distribution system modernization. The simulation results showed that the improvement in the efficiency index of surface water distribution in the upstream, midstream, and downstream reservoirs of the network for the decentralized PI automatic control system was in the range of 10-7%, 5-15%, and 15-4% under different water scarcity scenarios. Similarly, the improvement in the stability index of surface water distribution was 25-4%, 41-9%, and 42-9%, respectively. The improvement in the equity index of surface water distribution after self-calibration was in the range of 13-3% under different scenarios. The results indicate that under the normal scenario, with the use of the PI automatic control system, the water distribution in all reservoirs of the upstream and midstream reservoirs was in a satisfactory state. The results of the spatio-temporal analysis carried out in this research provided a clear pattern of the inefficiency of the irrigation management system in surface water distribution under water scarcity scenarios and identified the maps of vulnerable areas of the network. It is noteworthy that the methodology developed in this research can be implemented in about 2 million hectares of irrigated lands in the country, which are covered by 120 irrigation and drainage districts.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modernization
  • Irrigation Management System
  • Irrigation Network
  • Decentralized Controller
  • Hydraulic Flow Simulation

مراجع

  1. 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.
  2. Bozorgi, A., Roozbahani, A., Hashemy Shahdany, S. M., & Abbassi, R. (2021). Development of multi-hazard risk assessment model for agricultural water supply and distribution systems using Bayesian network. Water Resources Management, 35(10), 3139-3159. doi: 10.1007/s11269-021-02865-9
  3. Daneshfaraz, R., Norouzi, R., Abbaszadeh, H., & Azamathulla, H. M. (2022). Theoretical and experimental analysis of applicability of sill with different widths on the gate discharge coefficients. Water Supply, 22(10), 7767-7781. doi: 10.2166/ws.2022.354
  4. Dejen, Z. A. (2015). Hydraulic and operational performance of irrigation schemes in view of water saving and sustainability: sugar estates and community managed schemes In Ethiopia. Wageningen University and Research.
  5. 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.
  6. Ghumman, A. R., Ahmad, S., Rahman, S., & Khan, Z. (2018). Investigating management of irrigation water in the upstream control system of the upper swat canal. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 42, 153-164. doi: 10.1007/s40996-018-0097-0
  7. Isapoor, S., Montazar, 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. doi: 10.1002/ird.545
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. Khaeez, S., & Shahdany, S. M. H. (2021). Non-structural modification of agricultural water distribution systems in large scale irrigation districts. Computers and Electronics in Agriculture, 184, 106102. doi: 10.1016/j.compag.2021.106102
  12. Ministry of Energy (MOE). (1994). General Design Criteria of Irrigation and Drainage System (Bulletin 281). Iranian Management and Planning Organization. Publication No.107, Tehran, Iran
  13. Molden, D. J., & Gates, T. K. (1990). Performance measures for evaluation of irrigation-water-delivery systems. Journal of irrigation and drainage engineering, 116(6), 804-823. doi: 0.1061/(ASCE)0733-9437(1990)116:6(804)
  14. Orojloo, M., Shahdany, S. M. H., & Roozbahani, A. (2018). Developing an integrated risk management framework for agricultural water conveyance and distribution systems within fuzzy decision-making approaches. Science of the Total Environment, 627(4), 1363-1376. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.01.324
  15. Ostovari, S., & Monem, M. J. (2022). Management and performance improvement of irrigation canals in water‐scarce conditions considering hydraulic drawbacks: A case study for the Eastern Aghili secondary canal, Iran. Irrigation and Drainage, 71(5), 1294-1303. Doi: 10.1002/ird.2744
  16. Schuurmans, J., Schuurmans, W., Berger, H., Meulenberg, M., & Brouwer, R. (1997). Control of water levels in the meuse river. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 123(3), 180-184. doi: 0.1061/(ASCE)0733-9437(1997)123:3180
  17. Serra, P., Salvati, L., Queralt, E., Pin, C., Gonzalez, O., & Pons, X. (2016). Estimating water consumption and irrigation requirements in a long‐established mediterranean rural community by remote sensing and field data. Irrigation and Drainage, 65(5), 578-588. doi: 10.1002/ird.1978
  18. Shahverdi, K., & Maestre, J. M. (2023). Holistic Framework for Canal Modernization: Operation Optimization, and Economic and Environmental Analyses. Water Resources Management, 1-20. doi: 10.1007/s11269-023-03647-1
  19. Soler, J., Gamazo, P., Rodellar, J., & Gómez, M. (2015). Operation of an irrigation canal by means of the passive canal control. Irrigation Science, 33, 95-106. doi: 10.1007/s00271-014-0450-4
  20. Van Overloop, P. J., Negenborn, R. R., Schutter, B. D., & Van De Giesen, N. C. (2010). Predictive control for national water flow optimization in The Netherlands. Intelligent Infrastructures, 42 (3) 439-461. doi: 10.1007/978-90-481-3598-1_17
مدیریت آب و آبیاری
دوره 14، شماره 2
مهر 1403
صفحه 439-462

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار