Document Type : Research Paper
Authors
Abstract
Keywords
مقدمه
کمبود آب یک مسئله جهانی است، این مشکل زمانی حادتر میشود که تقاضای آب در نتیجه رشد جمعیت، افزایش استانداردهای زندگی و همچنین تغییرات جوی افزایش پیدا کند. تنها راه ممکن برای حل این مسئله استفاده کاراتر از آب کشاورزی و افزایش بهرهوری این منابع محدود میباشد. اخیراً، افزایش کارایی آبیاری و بهرهوری آب در چندین مطالعه بررسی شده است ( اونتا و همکاران 1991، ماینودین و همکاران 1997، راجو و کومار 1999، هاواری و آزایز 2001، ستی و همکاران 2002، بنلی و کودال 2003، تیساکیریس و اسپیلوتیس 2006، ستی و همکاران 2006، ساهو و همکاران 2006، لیو و همکاران 2009، کیلیچ و آناک 2010 و منتظر و همکاران 2010). همچنین این عقیده وجود دارد که با برنامه ریزی صحیح مدیریت منابع آب بیش از 50 درصد آب موجود صرفهجویی خواهد شد (شانگون و همکاران 2002). اما، برای پیدا کردن الگوی کشت و مدیریت منابع آب مناسب بایستی معیارهای کشاورزی، محیطی و اجتماعی-اقتصادی در نظر گرفته شود. این معیارها عموماً ناسازگار و متناقض هستند، به عنوان مثال، حداکثر سود خالص مزرعه نیازمند استفاده بیشتر از منابع آب میباشد، در حالیکه پایداری سیستم مستلزم کاهش مصرف آب است.
بریم نژاد و یزدانی (1383) در مطالعهای شاخصهایی برای پایداری در بخش کشاورزی استان کرمان در آلترناتیوها و سیاستهای مختلف به دست آورده اند. در آن مطالعه کرمان از نظر آب و هوایی به سه ناحیه تقسیم شده است و شاخص پایداری برای این سه ناحیه و در دو راندمان 35 و 75 درصد محاسبه شده است. به عنوان نمونه، در ناحیه اول بدون هیچ گونه اعمال سیاست در راندمان 35 درصد شاخص پایداری برابر 15 میباشد و در راندمان 75 درصد این عدد به 2/32 میرسد. سپس این شاخص با توجه به اعمال سیاستهای مختلف تغییر کرده و محاسبه شده است.
بریم نژاد و صدر الاشرافی (1384) در مطالعه ای دیگر، روش جدیدی را نشان میدهند که از معیار کمی پایداری در یک مدل بهینه یابی استفاده میکند. سپس این مدل را به صورت موردی برای شهرستان کرمان آزمون مینمایند و در آخر شاخصهایی برای توسعه پایدار محاسبه میکنند. نتایج حاصله نشان میدهد که با ادامه روند فعلی استفاده از آب در کشور و همچنین با ادامه شیوۀ مدیریتی فعلی در امر آب در کشور در آیندهای نه چندان دور شاهد افزایش درصد نواحی تحت تنش آبی در کشور خواهیم بود.
موسوی و قرقانی(1388) در مطالعه ای شاخص های پایداری آب کشاورزی شهرستان مرودشت رامحاسبه کردند. روش به کار رفته در مورد مسایل مربوط به پایداری سیستم های کشاورزی، برنامه ریزی غیرخطی با مدل برنامه ریزی کسری چند هدفی است که شاخص های مختلف را با فرض وزن های مساوی، مقایسه و بررسی می کند. به دلیل اهمیت میزان آب مصرفی کشاورزی، شاخص های پایداری نسبت درآمد ناخالص به استفاده از آب (06/3 و 53/0) و نسبت اشتغال به استفاده از آب (265/0 و 072/0) در دو سناریو در سال زراعی (86-1385) شهرستان مرودشت به دست آمد.
عمانی(1389) در مطالعهای عوامل موثر بر دانش پایداری آب زراعی در بین گندم کاران شهرستان اهواز را بررسی کرد. این تحقیق از نوع تحقیقات کاربردی و به روش توصیفی از نوع همبستگی بوده و از تکنیک های تحلیل مسیر و عاملی در تعیین عوامل موثر بر سطح دانش پایداری آب زراعی استفاده شده است. بر اساس نتایج حاصل از تحلیل عاملی مشخص شد که شش عامل ویژگی های اقتصادی، استفاده از کانال های ارتباطی، متغیرهای فعالیت های آموزشی و ترویجی، فعالیت های اجتماعی، دانش و اطلاعات، و حمایت های دولت در مجموع 69 درصد تغییرات سطح دانش فنی گندم کاران را تبیین می نماید.
زمانی و همکاران(1389) در مطالعه ای الگوی بهینه کشت شهرستان پیرانشهر در استان آذربایجان غربی را با استفاده از برنامه ریزی کسری چندمعیاره فازی بر اساس داده های مقطعی سال زراعی 1387-1386 با اهداف کشاورزی پایدار تعیین کردند. نتایج نشان داد که الگوی بهینه کشت با استفاده از برنامه ریزی کسری چندهدفه فازی برای دست یابی به پایداری با الگوی فعلی کشت اختلاف زیادی دارد. افزون بر این نتایج حاصل از شاخص های پایداری (نسبت درآمد ناخالص به استفاده از کودهای شیمیایی و سموم مختلف) نشان از اهمیت هدف و یا حداقل کردن این نهاده در جهت پایداری داشت.
هو،مویوو و همکاران (2010) در دشت شمالی چین که یکی از نواحی بسیار مهم تولیدات کشاورزی در چین میباشد، به بررسی روشهایی برای صرفه جویی آب کشاورزی و مدیریت پایدار آبهای زیر زمینی در محدوده آبیاری شیجیژوانگ پرداختند. برای مشخص کردن نظریه کمبود آب، یک روش مدیریت منابع آب پایدار و انعطافپذیر پیشنهاد شده است. نتایج مدل نشان دادکه2/29 درصد یا 7/15 میلیمتر کاهش در آبیاری میتواند تخلیه آبهای زیر زمینی را در دشت متوقف کند. به علاوه 10 درصد کاهش در پمپاژ آب برای آبیاری (در کل 2/39 درصد یا 1/182 میلیمتر) بازیابی آبهای زیر زمینی را تحریک خواهد کرد. نحوه آبیاری فعلی کشاورزان ناکاراست و منابع محدود آب را به هدر میدهد. بنابراین در طرحهای مناسب آبیاری، کاهش عملکرد دانه در نتیجه صرفهجویی 2/39 درصد آب کشاورزی کمتر از 10 درصد خواهد بود.
در شهرستان قوچان 59 درصد آب کشاورزی به دلیل آبیاری‌های نادرست، سنتی و استفاده نکردن از روشهای آبیاری نوین هدر می‌رود.سالانه حدود 238 میلیون متر مکعب آب از منابع زیر زمینی شهرستان قوچان برای بخش کشاورزی استحصال میشود. خشکسالی‌های چند سال گذشته باعث کاهش و افت متوسط سطح آب منابع زیر زمینی شهرستان تا 90 سانتی متر شده است که ضرورت توجه کشاورزان به نحوه بهره برداری درست از این منابع را بیش از پیش می‌طلبد. راندمان آبیاری در شهرستانحدود 41 درصد است و بقیه آن هدر می‌رود که در صورت استفاده کشاورزان و باغداران از روشهای نوین آبیاری این میزان تا 80 درصد افزایش خواهد یافت که تولید و درآمد بیشتری را برای کشاورزان در بر دارد.(زمانی و همکاران،1389 و جهاد کشاورزی قوچان،1387)[U1]
در این مطالعه فرضیه تحقیق این است که از منابع آب در بخش کشاورزی به صورت پایدار استفاده نمیگرددو اهداف تحقیق عبارت از محاسبه شاخص پایداری منابع آب در بخش کشاورزی شهرستان قوچان و تعیین میزان مصرف بهینه آب از دید پایداری است.
مواد و روشها
کاربرد برنامه ریزی ریاضی برای مدل سازی پایداری
برنامهریزی کسری عمومیترین روش در برنامهریزی ریاضی و ادبیات تحقیق در عملیات میباشد. این برنامه ریزی شامل مدلهایی است که اهداف آنها خارج قسمت دو تابع میباشند. سناریوهای که میتوان برنامهریزی کسری را به کار برد دقیقاً همان سناریوهایی هستند که برنامهریزی خطی و تکنیکهای تصمیمگیری چند معیاری MCDM[1] مانند برنامهریزی هدف چندگانهMOP[2]و برنامهریزی هدف در مورد آنها با موفقیت استفاده میشوند. این سناریوها بیشتر مربوط به مباحث طرحریزی کشاورزی- اکوسیستم و مدیریت منابع میباشد.
برای مدل سازی پایداری در مدیریت منابع آب، در ابتدا لازم است که ارتباط بین استفاده از آب و پیامد های آن را تعریف نمود و میزان آب موجود و تقاضا برای آن را از بین احتیاجات حال و آینده ترکیب کرد.
برای توضیح ساختار برنامهریزی کسری اگر x , بردار متغیرهای تصمیم باشد که معمولا در برنامه ریزی ریاضی کاربرد دارد و X, مجموعه جوابهای ممکن برای حل مسئله باشد, ساختار ریاضی یک برنامه ریزی کسری به صورت زیر خواهد بود: (11)
|
(1) |
|
فرض کنیم که d(x) درX مثبت باشد در این حالت وقتی که مجموعه X یک چند وجهی غیر تهی باشد و به زیر مجموعه محدود گردد میتوان آن را به عنوان یک قید خطی در نظر گرفت. در این حالت مسئله به صورت زیر در میآید:
|
(2) |
|
|
|
که A ماتریس واقعی m*n می باشد و میباشد.
اگر n وd در معادله( 1) را به عنوان توابع(خطی به علاوه ثابت) تعریف کرد و xرا یک چند ضلعی محدب به عنوان فرمول استاندارد LP معرفی نمود یک برنامهریزی کسری به دست خواهد آمد.
|
(3) |
|
|
|
0 |
که و و
تابع هدف(نسبت)عموماً یک تابع مقعر نمیباشد. تقعر خاصیتی است که اجازه میدهد تا یک تابع تحت مجموعههای محدب به حداکثر برسد. در هر حال نسبتها توابع شبه مقعرند. از مزایای مهم این توابع این است که تابع شبه مقعر خاصیتی دارد که به یافتن بهینه مقعر کمک مینماید. در این میان سه ماکزیمم وجود دارد: 1- ماکزیمم موضعی[3]که اغلب یک ماکزیمم عمومی میباشد. 2- یک ماکزیمم منحصر به فرد که اگر صورت کسر n(x) اکیداً مقعر باشد یا مخرج کسر اکیدا محدب باشد، به دست می آید. 3-یک ماکزیمم برای برنامه ریزی کسر ی خطی که در نقطه اکستریم چند ضلعی محدب x پیدا میشود.
این دو خصوصیت آخر این امکان را فراهم میکند که روشهای سیمپلکس را برای مساله برنامهریزی کسری خطی(LFP) به کار برد. روشهای زیادی برای حل LFP وجود دارد. میتوان این مدل را ساده کرد و با استفاده از بستههای نرم افزاری استاندارد حل کرد.در این مطالعه از نرم افزار WinQSB استفاده شده است.
جامعه آماری این مطالعه، کشاورزان شهرستان قوچان میباشد. براساس اطلاعات به دست آمده از شهرستان، بیشترین محصولاتی که در الگوی بهینه کشت منطقه وجود دارند، گندم، جو،سیب زمینی، گوجه فرنگی، ذرت، پیاز، لوبیا قرمز، آفتابگردان و چغندر قند میباشد. با بررسیهای انجام شده بر اساس اطلاعات مدیریت جهاد کشاورزی شهرستان قوچان 20 روستا، که زیر نظر 9 مرکز خدمات میباشند، انتخاب شده است. روشنمونهگیریتصادفی با طبقهبندی است.از آنجایی که طرح آمارگیری از 20 روستای شهرستان قوچان دارای هزینههای بسیاری میباشد، لذا اعمال هزینهها در روش نمونهگیری میتوانند موثر باشد.اگر هزینه رفت و آمد به روستاهای شهرستان قوچان و هزینههای اداری و غیره را c0 فرض شود، هزینهی کل نمونهگیری با رابطه 4 بیان میشود:
|
(4) |
با توجه به این هزینه، میتوان مقدار نمونه مورد نیاز با توجه به حجم جامعه را به صورت رابطه 5 محاسبه کرد:
|
(5) |
Nhتعداد کل واحدها در طبقه h ام ( این تعداد شامل تعداد کشاورزان زیر مجموعه هر کدام از مرکز خدماتها)
nh تعداد نمونه در هر طبقه ( تعداد نمونه لازم در هر مرکز خدمات)
Sh تغییرات طبقه h ام (واریانس درآمدی براییک نمونه اولیه از هر مرکز خدمات)
Chکل هزینه نمونهگیری (شامل هزینهی اقامت، رفت و آمد، هزینههای معیشتی و ...) میباشد.
n تعداد کل جامعه ( تعداد کل کشاورزان شهرستان قوچان)
در مطالعه حاضر، ازمیان روستاهای شهرستان قوچان،20روستا شناسایی شد. سپس، اقدام به تکمیل 30 پرسشنامه مقدماتی در جامعهی کشاورزان شهرستان قوچان نموده و پس از دستهبندی اطلاعات، از روی این نمونه مقدماتی تعداد نمونه اصلی تخمین زده شد.
با استفاده از رابطه 5، تعداد نمونه برای هر یک از 9 طبقه محاسبه شده و سپس با هم جمع شده است. بر این اساس تعداد کل نمونه 480 کشاورز برآورد گردید.
نتایج
در جدول 1 محصولات وارد شده در مدل، علامت اختصاری آنها در این مطالعه، میزان سطح زیر کشت در شهرستان و سود هر هکتار از محصول آورده شده است.
جدول 1- محصولات وارد شده در مدل.
|
محصول |
علامت اختصاری |
سطح زیر کشت(هکتار) |
سود هر هکتار |
|
گندم |
7400 |
1214900 |
|
|
جو |
2900 |
1835000 |
|
|
سیب زمینی |
1040 |
4583800 |
|
|
پیاز |
52 |
2465610 |
|
|
گوجه فرنگی |
450 |
481000 |
|
|
آفتابگردان |
100 |
494550 |
|
|
لوبیا قرمز |
25 |
870080 |
|
|
کلزا |
42 |
74500 |
|
|
چغندر قند |
450 |
301716 |
ابتدا برای به دست آوردن مقادیر سمت راست مدل برنامهریزی کالیبره بر اساس 9 محصول وارد شده در مدل حل میشود، مدل کالیبره از جمله مدلهای برنامهریزی خطی است که با توجه به شرایط کشت موجود منطقه، صورت گرفته و متغیرهای تصمیمگیری عیناً معادل سطح کشت فعلی وارد مدل میشوند. برای این منظور، به تعداد محدودیتهای موجود در برنامه، فعالیت به تابع هدف اضافه میشود و مقادیر سمت راست، به صورت یک مجهول به سمت چپ محدودیتها اضافه شده و طی انجام این نوع برنامه، مقادیر سمت راست صفر قرار داده میشود. پس از اعمال کلیه محدودیتها، فعالیتهای مورد بررسی برابر با سطح زیرکشت موجود در منطقه قرار داده میشوند.
|
(6) |
|
|
Subject to:
|
|
هدف اصلی برنامهریزی کالیبره به دست آوردن مقادیر سمت راست برای محدودیتها میباشد.
سپس بر اساس این مقادیر مدل برنامهریزی خطی و کسری با توجه به هشت تناوب وارد شده در تابع هدف مدل حل خواهد شد.
تعیین تناوبهای مدل بر اساس الگوی کشت منطقه
به دو صورت میتوان تناوب زراعی ایستا را وارد برنامه کرد:
1- فعالیت را به صورت فعالیت تناوب در نظر میگیریم، که فعالیت تناوب به دو صورت است، یا سالهای تناوب( نهاده را به صورت سالهای تناوب در نظر میگیریم) یا تقسیم هکتار (مزرعه را تقسیم میکنیم و مکان محصولات را در هر سال تغییر میدهیم).
2- تناوب زراعی را روی محدودیتها اعمال کنیم، که در اینصورت تابع هدف هیچ گونه تغییری نخواهد کرد.
در این مطالعه از روش اول به صورت تقسیم هکتار استفاده شده است. در واقع فعالیت به صورت تناوبی در نظر گرفته شده است و تابع هدف بر اساس تناوب ها تغییر پیدا کرده است.
با توجه به مشخصات جغرافیایی و آب و هوایی منطقه قوچان و همچنین در نظر گرفتن محصولات عمده شهرستان، تناوبهای زیر برای منطقه در نظر گرفته شد:
جدول 2- تناوبهای وارد شده در مدل.
|
تناوب |
محصولات |
|
گندم - سیبزمینی - کلزا – آیش |
|
|
سیبزمینی - گندم - جو - گوجهفرنگی |
|
|
گندم - آفتابگردان - جو – آیش |
|
|
گندم - جو - چغندر قند –آیش |
|
|
گندم - سیب زمینی - جو – پیاز |
|
|
گندم - لوبیا قرمز - جو - چغندر قند |
|
|
گندم - سیب زمینی - جو – آفتابگردان |
|
|
گندم - گوجهفرنگی - کلزا - سیب زمینی |
مدل برنامهریزی خطی
در این بخش، مدل برنامهریزی خطی با توجه به اعداد به دست آمده برای مقادیر سمت راست از برنامهریزی کالیبره و بر اساس تناوبهای وارد شده در مدل به صورت زیر خواهد بود:
تابع هدف
|
[4] |
|
Subject to: |
1- محدودیت آب
2- محدودیت کود اوره
3- محدودیت کود فسفات
4- محدودیت کود پتاس
5- محدودیت کود حیوانی
6- محدودیت سم حشرهکش
7- محدودیت سم علفکش
8- محدودیت سم قارچکش
9- محدودیت نیروی کار کاشت
10- محدودیت نیروی کار داشت
11- محدودیت نیروی کار برداشت
12- محدودیت ماشین آلات
13- محدودیت زمین
14- محدودیت سرمایه
در این مدل ضرایب تابع هدف بیانگر مجموع سود هر تناوب و ضرایب هر محدودیت نیز با توجه به تناوب مربوطه مشخص شده است. همچنین متغیرهای x24 تا x34 مربوط به فعالیت خرید نهاده میباشند.
استفاده از برنامهریزی کسری برای محاسبه شاخص پایداری
با توجه به ساختار برنامهریزی کسری، برای محاسبه شاخص پایداری که بنا بر تعریف میزان سود حاصل از مصرف یک واحد(متر مکعب) آب میباشد، عبارتست از:
Subject to:
1- محدودیت کود اوره
2- محدودیت کود فسفات
3- محدودیت کود پتاس
4- محدودیت کود حیوانی
5- محدودیت سم حشرهکش
6- محدودیت سم علفکش
7- محدودیت سم قارچکش
8- محدودیت نیروی کار کاشت
9- محدودیت نیروی کار داشت
10- محدودیت نیروی کار برداشت
|
|
11- محدودیت ماشین آلات
12- محدودیت زمین
13- محدودیت سرمایه
بحث
بر اساس نتایج به دست آمده از مدل برنامهریزی خطی، از بین هشت تناوب وارد شده در مدل تنها تناوبهای سوم(326/3191 هکتار) یعنی گندم- آفتابگردان- جو و آیش و پنجم(3172/819 هکتار) یعنی گندم- جو - سیب زمینی- پیاز به عنوان تناوب اصلی در منطقه انتخاب شده است و با وارد کردن سایر تناوبها از سود منطقه کاسته خواهد شد. فعالیت خرید نهاده برای محدودیتهای کود پتاس، کود حیوانی، سم حشرهکش، نیروی کار برداشت و سرمایه صورت پذیرفته است که نشاندهنده کمبود این نهادههای تولید در منطقه میباشد. که باعث به وجود آمدن قیمت سایهای برای این نهادهها شده است که به ترتیب برابر با 5000 ، 10، 12000، 10000 تومان و17/0 درصد برآورد گردیده است. قیمت سایهای آب نیز معادل 1194/850ریال محاسبه شده است.
بر اساس برنامهریزی خطی، میزان آب استفاده شده در منطقه معادل 101292000 متر مکعب و بیشترین سود منطقه معادل 271714800000ریال محاسبه شده است. با حل مدل برنامهریزی کسری جوابهای متفاوتی نسبت به مدل برنامهریزی خطی به دست میآید. در این مدل تنها تناوب پنجم به عنوان جواب در نظر گرفته میشود، و آفتابگردان از الگوی کشت منطقه حذف میشود، به طوری که 5/2968 هکتار ازمحصولات این تناوب به عنوان کشت منطقه انتخاب میشود. به عبارتی در مدل برنامهریزی کسری از زمین کمتری نسبت به برنامهریزی خطی استفاده میشود. فعالیت خرید برای نهادههای کود پتاس،کود حیوانی، سم حشرهکش، سم قارچکش، نیروی کار برداشت و سرمایه صورت پذیرفته است. میزان حداکثر سود در روش برنامهریزی کسری برابر با 251638333440ریال میباشد که در مقایسه با برنامهریزی خطی تا حدودی پایینتر است، و میزان آب مصرفی در این نوع برنامهریزی برابر 89292000 متر مکعب است که این میزان نیز از آب مصرفی در مدل برنامهریزی خطی پایینتراست، که دلیل این امر رویکرد استفاده حداقل در مصرف آب در برنامهریزی کسری میباشد.
مقایسه کلی نتایج دو روش برنامه ریزی خطی و برنامه ریزی کسری در جدول 3 آورده شده است.
به این ترتیب با توجه به تعریف شاخص پایداری آب در این مطالعه، شاخص پایداری برابر با 81/281 خواهد بود. به بیانی دیگر، به ازای هر واحد استفاده از آب 81/281 واحد سود به دست خواهد آمد.
جدول 3-مقایسه نتایج دو روش برنامه ریزی خطی و کسری
|
|
برنامه ریزی خطی |
برنامه ریزی کسری |
|
تناوب(های) انتخاب شده |
سوم-پنجم |
پنجم |
|
آب مورد استفاده (متر مکعب) |
101292000 |
89292000 |
|
زمین مورد استفاده(هکتار) |
6432/4010 |
5/2968 |
|
سود حاصله(ریال) |
271714800000 |
251638333440 |
با توجه به اینکه حرکت به سمت الگوی کشت متناسب با استفاده پایدار از آب باعث کاهش سود بهرهبرداران میشود، حمایت بیشتردولت ازکشاورزان به کارگیرنده این الگو الزامی و گامی مؤثر برای حرکت به سمت کشاورزی پایدارتلقی میشود.
[U1]منابع براساس نام و سال نوشته شود
)