اجرایی کردن و به‌روزرسانی سند ملی آب کشاورزی و بهبود بهره‌وری آب به کمک سامانه مدیریت آب کشاورزی

مدیریت آب در بخش کشاورزی با توجه به شرایط کنونی بحران آب در کشور نیازمند تلاش‌های جدی و روزآمدی در خصوص برآورد دقیق آب مورد نیاز کشاورزی و بازنگری سند ملی آب است. در تمامی راهکارهای موجود در اصلاح و بازنگری سند ملی، ایراد اصلی را می‌توان به نوع نگرش و رویکردها در مواجه با مشکلات و بحران‌های پیش ‌رو وارد دانست. این درحالی است که فرصت برای روش‌های آزمون و خطا و ناپایدار دیروقتی است که به اتمام رسیده است و تداوم وضعیت کنونی، مرگ بسیاری از دشت‌های کشور را به همراه خواهد داشت. این مطالعه با هدف به‌روزرسانی سند ملی آب کشاورزی و رفع خلاء‌های آن، از طریق بهبود بهره‌وری آب و مدیریت تقاضا با توسعه سامانه مدیریت آب کشاورزی (سماک) به صورت موردی در استان خراسان شمالی و با حمایت سازمان محترم جهاد کشاورزی خراسان شمالی انجام شده است. مهم­ترین ویژگی­های سماک را می­توان در قابلیت به‌روزرسانی داده‌ها و اطلاعات به­ صورت زمانی و مکانی، تولید پهنه‌های اقلیمی ـ کشاورزی، برآورد نیاز آبی و آبیاری خالص و ناخالص محصولات کشاورزی با قابلیت توزیع مکانی و زمانی، اصلاح ضرایب گیاهی و تاریخ‌های کشت، بهینه‌سازی الگوی کشت محصولات کشاورزی، کاربردوست بودن و حرکت به سوی سامانه هوشمند کشاورزی دانست. در واقع سماک در جستجوی بهبود بهره‌وری آب و کنترل برداشت از منابع آب بر اساس برآورد واقعی حجم آب مورد نیاز کشاورزی است، تا از این طریق تعادل­بخشی منابع آب و در نتیجه پایداری این منابع، پایداری محیط زیست و پایداری کشاورزی محقق گردد. نتایج سماک می‌تواند آغازگر تحولی جدی در مدیریت آب کشاورزی و بهبود بهره‌وری آب در کشور باشد.

1. مقدمه:

تخریب کمی و کیفی منابع آب ناشی از بهره‌برداری‌های بی‌رویه و غیرکارشناسانه، همسو با رشد و توسعه شهرنشینی و توسعه بخش‌های مصرفی، به‌ویژه کشاورزی اتفاق افتاده است. آنچه مسلم است مواجهه با این بحران و پیشگیری از تشدید آن از اصلی‌ترین ضرورت‌های برنامه‌ریزی‌های حال حاضر محسوب می‌شود.با توجه به اینکه بخش کشاورزی دارای بیشترین سهم تخصیص آب در کشور می‌باشد، لذا مدیریت تقاضا و بهبود بهره‌وری آب در این بخش از اهمیت قابل ملاحظه­ای برخوردار است.

آنچه تاکنون در رابطه با راهکارهای مدیریت عرضه و تقاضای منابع آبی در بخش کشاورزی مطرح شده و به صورت قانون، مصوبه، بخشنامه و... تدوین و ابلاغ گردیده است، بیشتر به صورت کلان و جامع­نگر بوده و خلاء توجه و تمرکز به راه‌حل‌های محلی به شدت احساس می‌گردد. به­منظور تحقق اهداف آئین نامه اجرائی بهینه­سازی مصرف آب مصوب سال 1375، در دهه گذشته فعالیت‌های متفاوت و متنوعی در این خصوص صورت گرفته است.

در این راستا در ابتدا در سال 1377 کتابی با عنوان برآورد آب مورد نیاز گیاهان عمده زراعی و باغی کشور توسط دکتر علی‌اصغر فرشچی تألیف گردید که در آن نیاز آبی گیاه مرجع و نیاز خالص آبی گیاهان زراعی و باغی تخمین زده شده است [فرشی و همکاران، 1377]. در همین راستا علیزاده و همکاران (1382) در پروژه‌ای با عنوان بهینه‌سازی الگوی مصرف آب کشاورزی ایران، نرم‌افزار NETWAT را به­منظور تخمین نیاز خالص آبیاری محصولات زراعی و باغی ایران تهیه نمودند. در این مطالعات نتیجه فقط تخمین نیاز آبی گیاه مرجع و نیاز خالص آبیاری محصولات زراعی و باغی می‌باشد و مفاد مواد 1 و 3 آئین‌نامه اجرائی بهینه‌سازی مصرف آب کشاورزی شامل ارائه الگوی مصرف بهینه آب و ارائه الگوی کشت بهینه تحقق نیافته است. همچنین علیزاده و همکاران (1382) نرم‌افزار OPTIWAT را نیز به­منظور بهینه‌سازی و برنامه‌ریزی مصرف آب کشاورزی تهیه نمودند. علی‌رغم قابلیت این نرم‌افزار در محاسبات نیاز خالص و ناخالص گیاهان زراعی و باغی و ارائه تقویم آبیاری، در این مورد نیز عدم تحقق مفاد ماده 3 آئین‌نامه اجرائی بهینه‌سازی مصرف آب کشاورزی را می‌توان از ضعف‌های این سند برشمرد. پس از گذشت چند سال و مشخص شدن برخی از کاستی‌های سندهای مذکور، شرکت مهندسین مشاور لار در سال 1386 با مبادله قراردادی تحت عنوان "طرح به­هنگام­سازی و اجرایی نمودن سند ملی الگوی مصرف بهینه آب کشاورزی" از سوی وزارت جهاد کشاورزی موظف گردید تا یک بازنگری در مبانی اسناد مذکور انجام داده و آن­را در دو دشت قزوین و فومنات به­صورت پایلوت اجرایی نماید. گرچه نرم‌افزار ارائه شده علاوه بر دارا بودن تمام قابلیت‌های اسناد گذشته، در محیط Web طراحی گردیده و شامل بانک اطلاعات GIS می‌باشد، اما همچنان کاستی‌های اسناد گذشته (عدم تحقق مفاد ماده 3 آئین‌نامه اجرائی بهینه‌سازی مصرف آب کشاورزی) در آن باقی است.بدین ترتیب فارغ از اثربخشی این تلاش‌ها، همچنان کاستی‌های بسیاری در سندهای قبلی به چشم می‌خورد که عدم اجرایی شدن صحیح سند ملی آب را موجب شده است.

افت شدید کمی و کیفی منابع آب، تغییر در طول دوره‌ی آماری هواشناسی،ورود محصولات جدید در الگوی کشت و تغییر در اطلاعات گیاهی و تناوب زراعی و نیز سایر پارامترهای مؤثر در تعیین نیاز ناخالص آبیاری، ضرورت بهنگام‌سازی سند را آشکار می‌سازد. از سوی دیگر با وجود این کمبودها، هنوز هم متاسفانه همین اسناد موجود ملاک تصمیم‌گیری قرار دارند که اجرایی شدن و اثربخشی آنها را به­منظور بهینه‌سازی مصرف آب با مشکلات جدی مواجه می‌نماید. عمده این نواقص عبارت از عدم به­روز بودن اطلاعات هواشناسی و وجود خطا و عدم قطعیت بالا درآنها، عدم وجود دقت مکانی و زمانی، عدم وجود امکانات به‎روزرسانی، عدم لحاظ نمودن اثرات تغییراقلیم و خشکسالی‌های اخیر، استفاده از ضرایب یکسان و واسنجی نشده برای مناطق مختلف در برخی معادلات مورد استفاده، کاربرد ضرایب گیاهی غیرمنطبق با بسیاری از محصولات در مناطق مختلف، عدم محاسبه راندمان واقعی، عدم انطباق تاریخ‌های کشت محصولات با واقعیت، عدم لحاظ نمودن نوع سیستم‌های آبیاری و اثرات آن در محاسبات، عدم وجود ساختارهای نرم‌افزاری مناسب و کاربرپسند جهت بررسی سناریوهای مختلف برای افزایش بهره‌وری آب کشاورزی و غیره می­باشد.

آشکار است که مناسبات مدیریت آب در بخش کشاورزی در شرایط کنونی نیازمند تلاش‌های جدی و روزآمدی در خصوص تدوین سند ملی آب دارد و درتمامی راهکارهای موجود ایراد اصلی را می‌توان به نوع نگرش و رویکردهایی وارد نمود که تاکنون در مواجه با مشکلات و بحران‌های پیش‌رو انتخاب شده است. این درحالی است که فرصت برای روش‌های آزمون و خطا و ناپایدار دیروقتی است که به اتمام رسیده است.

بنابراین جهت رفع نقایص گذشته و محقق شدن تمامی بندهای آئین نامه اجرائی بهینه­سازی مصرف آب، طرح ارائه سامانه مدیریت آب کشاورزی (سماک) برای اولین بار در کشور در پایلوت استان خراسان شمالی اجرا گردید. در واقع در این طرح تلاش گسترده و منسجمی صورت پذیرفت تا از طریق به­روزرسانی سند ملی آب و ایجاد و استقرار سامانه مدیریت آب کشاورزی (سماک) و رفع خلاء‌های آن، اقدام موثری در بهبود بهره‌وری آب و مدیریت تقاضا صورت پذیرد. این طرح از طریق شرکت مهندسین مشاور هیدروتک توس با حمایت سازمان محترم جهاد کشاورزی خراسان شمالی و همکاری اعضا هیئت علمی دانشگاه فردوسی مشهد محقق شده است.

نرم­افزار سماک شامل بانک قابل به­روزرسانی داده‌ها، محاسبه تبخیرـتعرق پتانسیل، محاسبه ضرایب گیاهی و اصلاح آن، محاسبه تبخیرـتعرق واقعی، محاسبه راندمان آبیاری، محاسبه نیازآبی، ارائه الگوی کشت پیشنهادی و ارتقاء بینش کاربران (قابلیت تصمیم‌سازی) است. در واقع سماک در جستجوی بهبود بهره‌وری آب و کنترل برداشت از منابع آب بر اساس برآورد واقعی حجم آب مورد نیاز کشاورزی است، تا از این طریق تعادل­بخشی منابع آب و در نتیجه پایداری این منابع، پایداری محیط زیست و پایداری کشاورزی محقق گردد. هدف این مقاله معرفی سامانه مدیریت آب کشاورزی (سماک)، به عنوان نمونه موفق اجرایی نمودن سند ملی آب کشاورزی و معرفی قابلیت‌ها و اجزاء آن، مبانی نظری بکار رفته و در نهایت خروجی‌های این سامانه در استان خراسان شمالی می­باشد. 

2. مواد و روش­ها:

2ـ1ـ معرفی محدوده مورد مطالعه

استان خراسان شمالی با مساحتی در حدود 28434 کیلومتر مربع در شمال­شرق کشور واقع شده است و شامل 11 محدوده مطالعاتی می­باشد. این استان از شمال با کشور ترکمنستان، از شرق و جنوب با استان خراسان رضوی، از غرب با استان گلستان و از جنوب­غربی با استان سمنان همسایه است (شکل 1).

شکل 1: موقعیت جغرافیایی محدوده­ی مطالعاتی

2ـ2ـ داده ­ها و اطلاعات مورد نیاز

عمده اطلاعات مورد نیاز در بخش­های مختلف این مطالعه را می­توان در قالب کلی اطلاعات توصیفی هواشناسی، اطلاعات توصیفی گیاهی، اطلاعات مکانی منابع خاک و کشاورزی، اطلاعات مکانی منابع آب و اطلاعات مکانی جغرافیایی تقسیم­بندی نمود که به­منظور جمع­آوری این اطلاعات، به سه شیوه­ی ذیل اقدام شد:

الف)مطالعه­ی آرشیوهای موجود در دستگاه‌های اجرایی و مدیریتی استان

اطلاعات حاصل از این مرحله شامل کلیه­ی گزارشات مطالعات پایه، داده‌های خام، نقشه­ها و لایه‌های اطلاعات مکانی(GIS)مرتبط با موضوع طرح بود که پس از هماهنگی­های لازم از سازمان­ها و نهادهای دولتی مختلف استان و گاهاً استان­های همجوار جمع­آوری گردید.

ب)پیمایش­های میدانی و تکمیل پرسش­نامه

در این مرحله با بازدید از ایستگاه­های هواشناسی استان خراسان شمالی، این ایستگاه­ها مورد ارزیابی قرار گرفته و امتیازبندی شدند.همچنین به­منظور جمع­آوری اطلاعات مرتبط با روش­های علمی جاری بین کشاورزان منطقه در خصوص شرایط موجود کشاورزی (شامل نوع و ترکیب کشت محصولات، عملیات کاشت و داشت و برداشت، کاربرد کود، روش­های آبیاری و راندمان­های آبیاری، منابع آب و ...)، با انتخاب تعدادی از روستا­ها که در مناطق مختلف اقلیمی استان قرار داشتند و از پراکندگی مناسب در استان نیز برخوردار بودند، بر اساس پرسش­نامه­های طراحی شده، اطلاعات جامعی در خصوص موارد مذکور گردآوری شد.

ج)برداشت داده­های لایسیمتری

به­منظور تهیه و تکمیل اطلاعات محلی و محاسبه مستقیم میزان تبخیر ـ تعرق از لایسی­متر استفاد شد. برای طراحی لایسی­مترها مطالعات گسترده­ای انجام شد. در راستای انجام این مطالعات اقدامات لازم از جمله انتخاب مکان مناسب جهت ساخت، انتخاب گیاهان مناسب جهت کشت، تعیین ابعاد و طراحی دیواره­های جعبه­های کشت، تعیین نوع سیستم لایسی­متر، طراحی منهول و نصب دیتالاگر صورت گرفت.

2ـ3ـ تهیه­ بانک اطلاعاتی

پس از جمع­آوری اطلاعات مورد نیاز، سازمان­دهی و ورود آنها به "سیستم مدیریت پایگاه داده"انجام شد. این سیستم مجموعه­ای پیچیده از برنامه­های نرم­افزاری است که ذخیره­سازی و بازیابی داده­های سازمان را در پایگاه­ داده­ها کنترل کرده و کنترل امنیت و صحت پایگاه داده‌ها را نیز بر عهده دارد. در واقع این سیستم درخواست­های داده را از برنامه پذیرفته و به سیستم عامل دستور می­دهد تا داده­های مناسب را انتقال دهد. هنگامی که چنین سیستمی مورد استفاده قرار می­گیرد، اگر نیازمندی­های اطلاعاتی سازمانی تغییر یابد، سیستم­های اطلاعاتی نیز آسان­تر تغییر خواهند یافت. سیستم مذکور از صحت پایگاه داده­ها پشتیبانی می­کند, بدین­ترتیب که اجازه نمی­دهد بیش از یک کاربر در هر لحظه، یک رکورد را به­ روزرسانی کند.

2ـ4ـ تهیه نقشه‌های توزیع مکانی و زمانی دما و بارش

با هدف تخمین بارندگی در تمامی نقاط منطقه مورد مطالعه (به خصوص نقاط فاقد داده)، درون­یابی بارندگی و ارائه نقشه­های توزیع مکانی بارندگی انجام شده است. در استان خراسان شمالی 35 ایستگاه باران‌سنجی انتخاب شدند. ارائه نقشه­های فوق با ارزیابی پنج روش متفاوت درون­یابی شامل روش‌های کریجینگ، وزن­دهی نقاط معلوم بر مبنای عکس فاصله آنها از نقطه مجهول (IDW)، توابع شعاع محور(RBF)، تلفیقی و GWR انجام شده است. همین­طور توزیع مکانی دما در منطقه مورد مطالعه بر اساس آمار 16 ایستگاه سینوپتیک، کلیماتولوژی و تبخیرسنجی انجام گرفته است. در این خصوص، پنج روش رگرسیون دما بر حسب ارتفاع، کوکریجینگ، IDW، GWR و تلفیقی به­کار گرفته شد و در نهایت و نتایج حاصل با استفاده از معیارهای مناسب مورد ارزیابی قرار گرفت. لازم به­ذکر است که در نهایت از یک روش تلفیقی جدید که با ترکیب دو روش IDW و رگرسیون، تفسیر جدیدی از درون­یابی بارش و دما به­دست می­دهد، استفاده شده است. روابطی که در ادامه ارائه شده­اند، این روش را مختصراً معرفی می‌نمایند:

(1) 

(2)

که در این روابط علائم IDW و reg به­ترتیب معرف روش­های وزن­دهی نقاط معلوم بر مبنای عکس فاصله آنها از نقطه مجهول و رگرسیونی است و ضرائب  و  دربردارنده­ی اثر فاصله از ایستگاه هواشناسی و ارتفاع می­باشند که تعیین این ضرائب خود بر اساس تعدادی از روابط ریاضی است در همین مطالعه استخراج شده­اند.

2ـ5ـ برآورد تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع 

پس از بررسی روش­های متعدد برآورد تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع و ارزیابی تناسب آنها با شرایط منطقه و نوع داده­های موجود، برآورد تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع، در ایستگاه‌های سینوپتیک استان خراسان شمالی و هفت ایستگاه از استان‌های همسایه با هفت روش محاسبه شد و با روش استاندارد فائو ـ پنمن ـ مانتیث (PM)مورد مقایسه قرار گرفت. در این راستامحاسبات روش‌های تشت تبخیر (Pan)، پریستلی ـ تیلور (PT)، ماکینگ اصلاح شده توسط فائو (Mk)، تورک (Turc) و روش پنمن پ.پ.پ.17 فائو (FP17Pen)،روش پیشنهادی نشریه فائو 56  برای محاسبه تبخیر ـ تعرق در شرایط کمبود یا فقدان داده (Est.PM) و هارگریوز ـ سامانی (HG)دربرآورد تبخیر-تعرق مورد استفاده قرار گرفته است.تشریح معادلات و روش­های فوق در مرجع مجیدی و همکاران (1392) و Majidi et al. 2015 آمده است.

2ـ6ـ اصلاح ضرائب گیاهی و محاسبه تبخیر ـ تعرق واقعی

در این مطالعه، تعدیل ضریب گیاهی بر مبنای مراحل رشد، الگوی کشتو شرایط اقلیمی در دشت­های خراسان شمالی انجام شد. بدین ‌منظور اطلاعات مورد نیاز از قبیل تاریخ شروع و خاتمه مراحل چهارگانه، نوع آبیاری، تاریخ و مقدار آن، ارتفاع گیاه، عمق ریشه و سایر پارامترهای مورد نیاز با اندازه­گیری در مزارع نمونه کشاورزی تهیه شد و ضرایب گیاهی با استفاده از این داده­ها، با شرایط واقعی تطبیق داده شد. در نهایت برای انجام تعدیل ضریب گیاهی از روش نشریه FAO 56 استفاده گردید.

پس از محاسبه ضریب گیاهی و اصلاح ضریب برای منطقه موردنظر، تبخیر ـ تعرق محصولات یا به عبارتی تبخیر ـ تعرق واقعی با ضرب تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع و ضریب گیاهی محاسبه می­شود.

2ـ7ـ محاسبه راندمان آبیاری

به طور کلی در سامانه سماک محاسبات راندمان به دو صورت راندمان برای مزرعه (راندمان نقطه­ای) و راندمان برای محدوده (راندمان منطقه‌ای)تقسیم شده است. راندمان هر یک از این دو حالت از سه راندمان کاربرد، توزیع و انتقال تشکیل شده­اند. برای محاسبه راندمان، راندمان کاربرد برای هر محصول و روش‌آبیاری محاسبه شده و در راندمان انتقال و توزیع مزرعه ضرب می­گردد. برای محاسبه راندمان منطقه­ای برای هر یک از سه راندمان انتقال، توزیع و کاربرد متوسط‌گیری بر اساس حجم آب انجام می­گیرد و سپس میانگین سه راندمان در یکدیگر ضرب می­شوند. باید این نکته ذکر شود که راندمان کاربرد نیز برای هر محصول و روش­آبیاری به­صورت جداگانه متوسط­ گیری می­شود.

2ـ8ـ محاسبه باران مؤثر

بارش مؤثر در طی دوره رشد گیاه رخ می دهد و بارشی که در منطقه ریشه ذخیره می شود به نحوی که ریشه گیاه آن را جذب کرده و به مصرف گیاه برساند بعنوان بارش موثر در نظر گرفته می شود.یکی از دقیق­ترین روش­های محاسبه باران مؤثر "روش سازمان حفاظت خاک اداره کشاورزی ایالات متحده" می­باشد. این سازمان با توجه به اطلاعات دراز مدت مربوط به اقلیم و رطوبت خاک، روشی برای برآورد باران مؤثر ابداع کرد. در این روش، با استفاده از مقادیر باران و تبخیر ـ تعرق ماهانه و همچنین عمق ذخیره آب یا عمق آب آبیاری باران مؤثر برآورد می­گردد. در واقع در این روش میزان تخلیه رطوبت خاک قبل از آبیاری نیز در نظر گرفته می­شود. با عنایت به این مسئله که تمام پارامترهای مورد نیاز برای محاسبه باران مؤثر به این روش در بانک موجود می­باشد، تمام محاسبات برای محدوده استان به این روش انجام شده است.

2ـ9ـ برآورد نیاز ناخالص آبیاری

بعد از محاسبه راندمان و باران موثر نیاز ناخالص آبیاری با کسر کردن باران موثر از نیاز خالص و تقسیم کردن آن بر راندمان محاسبه می‌شود.

2ـ10ـ تعیین الگوی کشت پیشنهادی

برای تعیین الگوی کشت مناسب هر منطقه نیاز به مدیریت دقیق و اطلاعات جامع می‌باشد، در این راستا استفاده از مدل‌های برنامه‌ریزی ریاضی بیش از 50 سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مدل‌ها بسته به اهداف مورد نظر سیاست‌گزاران و همچنین کشاورزان می‌توان سناریوهای مختلفی چون حداکثرسازی درآمد، حداقل سازی مصرف آب، حداقل سازی استفاده از کود و سم و ... و یا ترکیبی از این اهداف را تعرف نمود و سپس با در نظر گرفتن محدودیت‌های هر منطقه به لحاظ دسترسی به منابع، الگوی کشت را پیشنهاد داد (مجیدی و همکاران، 1391). در حال حاضر در نرم­افزار سماک فقط در حالت نقطه‌ای و بر اساس سود حداکثر، الگوی کشت پیشنهادی ارائه می‌شود.

3. نتایج و بحث:

3ـ1ـ ارائه ساختار سامانه

ساختار کلی نرم­افزار سماک در شکل 2 نمایش داده شده است. مطابق با این ساختار، بخشی از مهم­ترین ویژگی‌های نوآورانه و علمی سماک که وجه تمایز آن با تلاش‌های گذشته در این خصوص است، در ادامه تشریح شده است.

شکل 2: ساختار کلی نرم­افزار سماک

 

3ـ2ـ توزیع مکانی دما و بارش

نتایج ارزیابی روش­های مختلف برآورد توزیع مکانی بارش و دمای ماهانه بر اساس شاخص ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) در شکل 3 ارائه شده است. طبق نتایج ارزیابی­ها، در پهنه­بندی هر دو پارامتر بارش و دما، روش GWR بهترین نتایج را به­دست داده است، از این­رو این روش به عنوان روش منتخب مورد استفاده قرار گرفته است.

شکل 3:نتایج ارزیابی روش­های مختلف برآورد توزیع مکانی بارش و دمای ماهانه با استفاده از شاخص(RMSE)

3ـ4ـ نتایج پهنه ­بندی اقلیمی

پهنه‌بندی اقلیمی استان خراسان شمالی با توجه به سال تأسیس و اطلاعات 16 ایستگاه سینوپتیک، کلیماتولوژی و تبخیرسنجی انجام شد. پس از انجام محاسبات بهترین روابط برای تعیین P(بارندگی) و T (درجه حرارت) و D (ضریب دومارتن) تعیین گردید و بدین‌ترتیب بر اساس روش‌ انتخاب شده، این محدوده به 6 منطقه اقلیمی خشک، نیمه­خشک ـ خشک، خشک ـ نیمه­خشک، نیمه­خشک، نیمه­خشک ـ مدیترانه­ای، مدیترانه‌ای و نیمه­مرطوب تقسیم شد (شکل4).

 

3ـ4ـ نتایج برآورد تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع

با مطالعات گسترده­ای که بر روی سناریوهای مختلف صورت گرفت روش‌های مناسب برای محاسبه تبخیر ـ تعرق در استان خراسان شمالی در 3 سناریو ارائه شد (جدول 1). سپس بر اساس اقلیم­های مختلف معین شد که در مناطق مختلف چه روشی برای محاسبه تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع مناسب­تر است (شکل 5).بر اساس نتایج مطالعات،چهار روش هارگریوز، تورک، پنمن تخمینی و پنمن ـ مانتیث به عنوان روش‌های منتخب برای استان تعیین شدند و سپس روش‌های مناسب برای اقلیم­های مختلف مشخص شد.شکل 6 صفحه انتخاب  روش مورد‌نظر برای محاسبه تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع را در نرم­افزار سماک نشان می­دهد.

جدول 1: روش‌های منتخب محاسبه تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع تحت سه سناریوی مختلف

شاهرود	سبزوار	قوچان	بجنورد	شماره سناریو ایستگاه
هارگریوز	هارگریوز	هارگریوز	هارگریوز	سناریو 1
هارگریوز و تورک	فائو، هارگریوز و تورک	هارگریوز	هارگریوز	سناریو 2
هارگریوز	هارگریوز و تخمینی فائو	تورک	هارگریوز	فروردین	سناریو 3
هارگریوز و تورک	هارگریوز	تورک	هارگریوز	اردیبهشت
تورک	تورک	هارگریوز و تورک	تخمینی فائو	خرداد
تورک	تورک	هارگریوز	تخمینی فائو	تیر
تورک	تورک	هارگریوز	تخمینی فائو	مرداد
تورک	تورک	هارگریوز	تخمینی فائو	شهریور
تورک	تورک	هارگریوز	تورک	مهر
هارگریوز	تخمینی فائو	هارگریوز	هارگریوز	آبان
هارگریوز و تورک	هارگریوز و تخمینی فائو	هارگریوز	هارگریوز	آذر
تورک	هارگریوز و تخمینی فائو	هارگریوز	هارگریوز	دی
هارگریوز	تخمینی فائو	هارگریوز	هارگریوز	بهمن
هارگریوز	تورک	هارگریوز	هارگریوز	اسفند

 

شکل 4: نواحی اقلیمی استان خراسان شمالی                         شکل 5: تقسیم ­بندی اقلیم­های برای تعیین روش محاسبه تبخیر ـ تعرق مرجع

شکل 6: صفحه نمایش نتایج محاسبه تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع در سماک

3ـ5ـ اصلاح ضرائب گیاهی

همان­طور که اشاره شد تعدیل ضریب گیاهی بر مبنای مراحل رشد، الگوی کشت و تعیین نیاز آبی آن در دشت­های خراسان شمالی انجام شد. همچنین قابلیت تکمیل اطلاعات گیاهی در سماک بر اساس درجه ـ روز ـ رشد نیز ایجاد شده است (شکل 7).

شکل 7: صفحات انتخاب روش محاسبه ضریب گیاهی و اصلاح آن در سماک

 

3ـ6ـ نتایج تبخیر ـ تعرق محصولات

پس از محاسبه ضریب گیاهی و اصلاح ضریب برای منطقه مورد نظر، تبخیر ـ تعرق محصولات با ضرب تبخیر ـ تعرق گیاه مرجع و ضریب گیاهی محاسبه می­شود و در این مرحله از محاسبات نمایش داده می­شود. نحوه نمایش تبخیر ـ تعرق گیاه در روش نقطه‌ای به صورت جدول 10 روزه و در حالت منطقه‌ای با گراف‌های ماهانه می‌باشد (شکل 8).

شکل 8: نحوه نمایش نتایج و گرفتن خروجی محاسبه نیاز خالص آبیاری در سماک

3ـ7ـ نتایج راندمان آبیاری

در این نرم­افزار سعی شده است که راندمان در نظر گرفته شده تا حد ممکن به واقعیت نزدیک باشد. برای این منظور در بازدیدهای انجام شده از مزارع نمونه راندمان‌های واقعی محاسبه و مبنای عمل قرار گرفت. از طرفی در مناطقی که هنوز راندمان محاسبه نشده است راندمان برای روش‌های مختلف توسط نرم­افزار برآورد می­شود تا کاربر بتواند با تعیین روش آبیاری و نحوه انتقال آب راندمان محاسبه شده توسط نرم­افزار را نیز مشاهده نماید. لازم به­ذکر است که در حالت نقطه­ای (مزرعه) کاربر می­تواند هم راندمان‌های اندازه­گیری شده که قبلاً در بانک ثبت شده است را مشاهده کرده و هم می­تواند از راندمان محاسبه شده توسط نرم­افزار استفاده نماید.

در مورد راندمان منطقه­ای، نرم­افزار با توجه به مزارعی که در بانک در محدوده انتخاب شده ثبت شده­اند نسبت به حجم آب میانگین­گیری وزنی انجام می­دهد و میانگین راندمان را در سه حالت انتقال، توزیع و کاربرد و نیز راندمان کل که از ضرب این سه راندمان به­دست می­آید به کاربر نمایش می­دهد. کاربر می­تواند این مقادیر را پذیرفته و یا راندمان مورد نظر خود را وارد نماید (شکل 9).

شکل 9: نمایش اطلاعات جهت محاسبه راندمان در نرم­افزار سماک در حالت نقطه ­ای و منطقه­ ای

3ـ8ـ نتایج باران موثر

همان­طور که در قبل اشاره شد، محاسبه باران مؤثر بر اساس روش "سازمان حفاظت خاک اداره کشاورزی ایالات متحده" برای کل محدوده استان انجام شد. نتایج محاسبه باران موثر در حالت نقطه­ای در جدول محاسبه نیاز ناخالص و در حالت منطقه‌ای به صورت گراف ارائه می‌شود (شکل 10).

شکل 10: نحوه نمایش نتایج محاسبه در سماک به­صورت  نقطه­ ای و منطقه­ ای

3ـ9ـ نتایج نیاز ناخالص آبیاری

نیاز ناخالص آبیاری با کسر کردن باران موثر از نیاز خالص و تقسیم کردن آن بر راندمان قابل محاسبه است. نمایش نتایج حاصل در سماک در قالب جدول و نمودار است (شکل 11).

شکل 11: صفحات نمایش نتایج محاسبه نیاز ناخالص آبیاری در سماک به­صورت نقطه­ای و منطقه­ای

3ـ10ـ ارائه الگوی کشت

در حال حاضر این نرم­افزار فقط در حالت نقطه‌ای و بر اساس سود حداکثر، الگوی کشت پیشنهادی ارائه می­دهد. محاسبات دقیق­تر بر اساس پارامترهای بیشتر و در حالت منطقه‌ای در مراحل توسعه نرم­افزار می­تواند اضافه شود (شکل 12).

شکل 12: صفحات اطلاعات مورد نیاز و نتایج تعیین الگوی کشت پیشنهادی در سماک

3ـ11ـ مقایسه سماک با اسناد موجود

یکی از کاستی‌های اسناد گذشته در  این است که محاسبات بر اساس اطلاعاتی که یک‌بار وارد شده و قابلیت به­روزرسانی ندارند انجام می‌شود و اگر هم بهنگام سازی این اطلاعات ممکن باشد، تنها اطلاعات ایستگاه‌ها قابل تغییر هستند. در سماک با ایجاد دو بخش بانک داده­ها و محاسبات این قابلیت گنجانده شده که تمامی اطلاعات موردنیاز در تاریخ‌های مشخص به­روزرسانی شوند و نیز در مواردی که اطلاعات موجود نیست، امکان پهنه‌بندی وجود دارد.

دیگر کمبود سندهای آب کشاورزی فعلی، تکیه آن‌ها بر ایستگاه‌های صرفاً هواشناسی و تولید نتایج برای پهنه مکانی وسیعی است که تفاوت‌های بسیاری در خصوصیات اقلیمی، ارتفاعی و سایر عوامل مؤثر بر تبخیر ـ تعرق در آن‌ها وجود دارد. به‌عنوان مثال برای یک محصول خاص در یک منطقه وسیع یک مقدار یکسان برای نیاز آبی آن محصول در نظر گرفته می­شود. ضمن اینکه بسیاری از روش‌های برآورد تبخیر ـ تعرق در شرایط اقلیمی و داده‌های مختلف در دسترس، نتایج دقیقی تولید نمی‌نماید و لازم است در شرایط مختلف معادلات متفاوتی به کار گرفته شود. این موضوع در سماک در نظر گرفته شده و برای هر واحد اقلیمی ـ کشاورزی خاص روش‌ها و معادلات خاص همان ناحیه در نظر گرفته شده است.در واقع در سماک محاسبات هم به­صورت منطقه­ای (استان، شهرستان، بخش، دهستان، دشت) و هم نقطه­­ای (مزرعه) انجام می‌گردد و با یک کلی که در هر نقطه از محدوده استان، اطلاعات نیازآبی محصولات کشاورزی برای همان نقطه یا منطقه حسب نیاز کاربر قابل دریافت است.

نکته­ی دیگر اینکه ضرایب گیاهی در اسناد فعلی منطبق با مراجع سایر کشورهای دنیا استفاده شده است که لزوماً مناسب بسیاری از مناطق نیست. ضمن اینکه تاریخ­های کشت در سند ملی قبلی برای دشت­های مختلف ثابت فرض شده بود. با توجه به تغییر شرایط آب و هوایی از سالی به سال دیگر و حتی تفاوت دما از مکانی به مکان دیگر، زمان کاشت در سطح منطقه متفاوت می­باشد، بنابراین بایستی تدابیر لازم برای انتخاب تاریخ کاشت، به نظر کاربر، در نرم­افزار اندیشیده شود. این مهم در سماک انجام پذیرفته است و ضرایب گیاهی نیز با روش‌های مختلف تولید و اصلاح شده است.

بر اساس ماده ٣ آیین­نامه اجرایی بهینه­سازی مصرف آب کشاورزی، مشخص شد الگوی کشت در هر منطقه بر اساس سیاست­های ملی و منطقه­ای، منابع آب و خاک و ضوابط بهره­برداری مطلوب و دیگر عوامل مؤثر از ضروریات بوده که متأسفانه به­طور کامل و جدید در سندهای قبلی به آن پرداخته نشده است.

سماک با جمع‌آوری اطلاعات زارعین، محصولات کشاورزی و از طرفی وضعیت منابع آبی منطقه، دارای قابلیت بهینه‌سازی الگوی کشت در سطوح مختلف مانند مدیران و نیز خود زارعین (در محدوده مورد تأیید مدیران) می‌باشد. در حقیقت سماک به‌صورت سامانه پشتیبانی تصمیم نیز عمل می‌نماید.

با توجه به برخی اشکالات در اسناد قبلی در خصوص عدم امکان استفاده مستقیم توسط کشاورز، سماک به­نحوی تنظیم‌ گردید که بهره‌گیری از آن برای کشاورزان به‌آسانی میسر باشد. در واقع سماک با استفاده از یک محیط کاربردوست این امکانات را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. به­دلیل قابلیت سماک بابت ثبت و جمع‌آوری اطلاعات کشاورزان، مزارع، محصولات و ...، این سامانه هم مدیریت صحیح آب در کشاورزی (مزرعه، منطقه) را انجام می‌دهد، و هم قادر است تبدیل به سامانه مدیریت هوشمند کشاورزی به لحاظ انتخاب نحوه توزیع سطوح زیرکشت محصولات، توزیع نهاده، مدیریت مکانیزاسیون، به‌زراعی و ... گردد.

4. جمع­ بندی و پیشنهادات:

مهم­ترین ویژگی‌های نوآورانه و علمی سماک که وجه تمایز آن با تلاش‌های گذشته در این خصوص است را می­توان عمدتاً در مواردی از قبیل قابلیت به‌روزرسانی داده‌ها و اطلاعات موردنیاز به­لحاظ زمانی و مکانی، تولید پهنه‌های اقلیمی ـ کشاورزی، برآورد نیازآبی و آبیاری خالص و ناخالص محصولات کشاورزی با قابلیت توزیع مکانی و زمانی، اصلاح ضرایب گیاهی و تاریخ‌های کشت، بهینه‌سازی الگوی کشت محصولات کشاورزی، کاربردوست بودن و حرکت به سوی سامانه هوشمند کشاورزی دانست. در واقع سماک در جستجوی بهبود بهره‌وری آب و کنترل برداشت از منابع آب بر اساس برآورد واقعی حجم آب موردنیاز کشاورزی است، تا از این طریق تعادل­بخشی منابع آب و در نتیجه پایداری این منابع، پایداری محیط زیست و پایداری کشاورزی محقق گردد. نتایج سماک می‌تواند آغازگر تحولی جدی در مدیریت آب کشاورزی و بهبود بهره‌وری آب در کشور باشد.

5. منابع:

1. علیزاده، ا.، 1387، نیاز آبی گیاهان در ایران، انتشارات دانشگاه امام رضا (ع)، مشهد، 228ص.
2. فرشی، ع. ا.، 1377، برآورد آب مورد نیاز گیاهان عمده زراعی و باغی کشور (گیاهان زراعی و باغی)، نشر آموزش کشاورزی، کرج، 918ص.
3. سازمان جهاد کشاورزی خراسان شمالی، مدیریت آب و خاک و امور فنی مهندسی، 1392، مطالعات بازنگری و به هنگام نمودن سند ملی آب (خراسان شمالی), جلد چهارم، جمع­بندی گزارشات و معرفی سامانه مدیریت آب کشاورزی (سماک).
4. علیزاده، ا. مجیدی، ن،  قربانی، م. و محمدیان، ف. 1391، بهینه سازی الگوی کشت با هدف تعادل بخشی منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت مشهد-چناران)، نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 1(6) : 55-68.
5. مجیدی، م. علیزاده، ا. 1390. بررسی تاثیر داده های هواشناسی غیرموجود و روش های تخمین آن ها در دقت برآورد تبخیر- تعرق مرجع و رتبه بندی معادلات در شرایط اقلیمی مختلف (مطالعه موردی استان های خراسان). مجله آب و خاک. دوره 25. شماره 6. ص 1519-1503.
6. Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D. and Smith, M. 1998. Crop Evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56.Food and Agric. Org. of the United Nations, Rome, Italy.
7. USDA Natural Resources Conservation Service. 1997. National Engineering Handbook, Part 652, Irrigation
8. Majidi, M., Alizadeh, A., Vazifedoust, M., Farid, A., & Ahmadi, T. 2015. Analysis of the effect of missing weather data on estimating daily reference evapotranspiration under different climatic conditions. Water Resources Management, 29(7), 2107-2124.