تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

بهینه‌سازی چندهدفه کیفیت آب آبیاری ذرت علوفه ای با استفاده از الگوریتم NSGA-II با تلفیق مدل رگرسیونی اثرات متقابل و تحلیل سطوح پاسخ در کاربرد پساب شهری تصفیه شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زارعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
2 استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علومکشاورزی و منابع طبیعی ساری
3 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، ساری، ایران.
4 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز ایران.
چکیده
بهره‌گیری از پساب شهری تصفیه‌شده در آبیاری ذرت علوفه‌ای، راهکاری اجتناب‌ناپذیر برای گذر از بحران کم‌آبی که البته این مهم با مخاطره تجمع فلزات سنگین در بافت گیاه میتواند همراه باشد. هدف این مطالعه، تعیین نسبت اختلاط بهینه آب چاه و پساب با رویکرد بهینه‌سازی چندهدفه به‌منظور دستیابی هم‌زمان به بیشینه عملکرد ذرت علوفه ای و کمینه غلظت عناصر نیکل (Ni)، روی (Zn)، کادمیم (Cd) و سرب (Pb) بود. داده‌های مزرعه‌ای سه‌ساله (۱۴۰۱-۱۳۹۹) از یک آزمایش لایسیمتری در بابلسر، مشتمل بر پنج تیمار اختلاط (۰ تا ۱۰۰ درصد پساب) استخراج گردید. در گام نخست، مدل رگرسیونی اثرات متقابل کامل با میانگین ضریب تعیین تعدیل‌شده 9968/0 میان شش پارامتر کیفیت آب (EC، Na+، SAR، Mg2+، Ca2+ و H) اهداف پنج‌گانه تدوین شد. در ادامه، الگوریتم ژنتیک چندهدفه NSGA-II با ۵۰۰ جمعیت و ۱۰۰۰ نسل، جبهه پارتو شامل ۵۰۰ راه‌حل نامغلوب را استخراج نمود. تحلیل حساسیت ترکیبی، غلظت سدیم را با ضریب 232/0- به‌عنوان تأثیرگذارترین متغیر در ایجاد توازن میان عملکرد و سمیت معرفی کرد. حال آنکه نسبت جذب سدیم (SAR) با ضریب 207/0+ در رتبه دوم اهمیت قرار گرفت. راه‌حل متعادل منتخب از جبهه پارتو، نسبت اختلاط ۲۳ درصد پساب با ۷۷ درصد آب چاه را پیشنهاد داد. این راه‌حل با ثبت عملکرد 54/24 تن در هکتار (33/0 درصد فراتر از تیمار پساب خالص)، غلظت سرب را از 85/46 به 19/14 و کادمیم را از 39/8 به 96/0 میکروگرم بر گرم کاهش داد (به‌ترتیب ۷۰ و ۸۹ درصد بهبود). تحلیل سطوح پاسخ چندهدفه نیز رفتار دوگانه سدیم (ایفای نقش عنصر سودمند در غلظت پایین و تشدید سمیت در غلظت بالا) را تأیید نمود. چارچوب پیشنهادی، ابزاری قابل اتکا برای مدیریت پایدار منابع آب نامتعارف در کشاورزی محسوب می‌گردد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Multi-Objective Optimization of Irrigation Water Quality for Forage Maize Using the NSGA-II Algorithm Integrated with a Full Interactions Regression Model and Response Surface Analysis in Treated Municipal Wastewater Application

نویسندگان English

Narjes Shakeri 1
Mohammad Mirnaseri 2
Mojtaba Khoshravesh 3
Reza delir hasannia 4
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran.
2 Assistant Professor of Water Engineering Department, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University.
3 Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran.
4 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
چکیده English

The utilization of treated municipal wastewater for forage maize irrigation represents an unavoidable strategy for mitigating water scarcity crises. However, this practice may entail the risk of heavy metal accumulation in plant tissues. The objective of this study was to determine the optimal blending ratio of well water and wastewater through a multi-objective optimization framework to simultaneously achieve maximum forage maize yield and minimum concentrations of nickel (Ni), zinc (Zn), cadmium (Cd), and lead (Pb). Three-year field data (2020–2022) were obtained from a lysimetric experiment conducted in Babolsar, Iran, comprising five blending treatments (0 to 100% wastewater). In the initial phase, a full interactions regression model was developed, attaining an average adjusted coefficient of determination of 0.9968 between six water quality parameters (EC, Na⁺, SAR, Ca²⁺, Mg²⁺, and N) and the five objectives. Subsequently, the NSGA-II multi-objective genetic algorithm, configured with a population size of 500 and 1,000 generations, generated a Pareto front consisting of 500 non-dominated solutions. Combined sensitivity analysis identified sodium concentration as the most influential variable governing the yield-toxicity trade-off, exhibiting a sensitivity coefficient of -0.232. In contrast, the sodium adsorption ratio (SAR) ranked second in importance with a coefficient of +0.207. This solution achieved a grain yield of 24.54 ton/ha (0.33% higher than the pure wastewater treatment) while substantially reducing lead concentration from 46.85 to 14.19 µg/g and cadmium concentration from 8.39 to 0.96 µg/g (corresponding to 70% and 89% reductions, respectively).

کلیدواژه‌ها English

Wastewater Irrigation
Multi-Objective Optimization
Pareto Front
Heavy Metals
Water Resources Management