بررسی عملکرد روش برنامه‌نویسی بیان‌ژن در طراحی آرایش قطره‌چکان‌های سیستم‌های آبیاری قطره‌ای در مقایسه با معادلات تجربی

سابقه و هدف: آرایش قطره‌چکان‌ها از مهمترین و اساسی‌ترین پارامترهای طراحی و اجرای سیستم-های آبیاری قطره‌ای است که تحت تاثیر الگوی توزیع رطوبت خاک قرار می‌گیرد. الگوی توزیع رطوبت خاک در سیستم‌های آبیاری قطره‌ای سطحی و زیرسطحی تأثیر ویژه‌ای بر پارامترهای طراحی از قبیل آرایش قطره‌چکان‌ها و لوله‌های فرعی ، محدوده توسعه ریشه گیاه، راندمان کاربرد آب در آبیاری قطره‌ای، توزیع نمک در خاک دارد. بنابراین ارائه روابطی بین بافت خاک، دبی قطره چکان، حجم آب نفوذ یافته به زمین، حجم خاک خیس شده و زمان برای تخمین قطر و عمق پیاز رطوبتی می‌تواند کمک شایانی در طراحی آرایش بهینه قطره‌چکان‌ها و مدیریت سیستم آبیاری نماید. از مهمترین این روابط، معادلات طراحی تجربی می‌باشند که مبتنی بر تحلیل آزمایشگاهی و روش آنالیز ابعادی باکینگهام ارائه شده‌اند. . هدف اصلی در پژوهش حاضر بررسی عملکرد روش برنامه‌نویسی بیان‌ژن در طراحی آرایش قطره‌چکان‌های سیستم‌های آبیاری قطره‌ای در ایران با دبی قطره‌چکان و بافت خاک مختلف در مقایسه با معادلات تجربی است. مواد و روش‌ها: در این تحقیق از رویکرد برنامه نویسی بیان‌ژن(GEP) برای استخراج روابط بدون بعد الگوی توزیع رطوبت خاک با استفاده از مجموعه داده‌های دبی قطره‌چکان و بافت خاک استفاده شده است. برنامه نویسی بیان‌ژن در نرم افزار MATLAB انجام شده است. در کد تهیه شده عملگرها و توابع قابل استفاده در فرآیند استخراج روابط عبارتند از: جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، جذر، لگاریتم طبیعی، توان دو، تانژانت هایپربولیک، سینوس، کسینوس، تابع نمائی، تابع توانی، قدرمطلق، جزء صحیح و شرط که با استفاده از قابلیت برنامه‌نویسی بیان‌ژن توابع تولیدی را ارائه می‌دهند. در این تحقیق معادلات کاربردی به صورت توابعی از حجم آب کاربردی در زمان آبیاری، هدایت هیدرولیکی خاک و زمان با برنامه‌نویسی بیان‌ژن بهینه‌سازی شدند. نتایج GEP با داده‌های اندازه‌گیری شده و روابط تجربی مقایسه شد. در نهایت براساس نتایج تحلیل بهینه پارتو در برنامه GEP، جداول طراحی کاربردی برای انتخاب بهینه آرایش قطره‌چکان‌ها منطبق بر شرایط ایران و در محدوده دبی قطره‌چکان و بافت خاک تهیه و ارائه شد. یافته‌ها: مقایسه نتایج بهینه‌سازی با GEP و مجموعه روابط تجربی موجود در پیش‌بینی عمق توسعه پیاز رطوبتی (،2/0 RMSE= ،%12 MAPE=، 99/0 R2=) و در برآورد قطر پیاز رطوبتی ،19/0 RMSE= ،%5/18 MAPE=، 99/0 R2=) نشان داد که که دقت نتایج بهینه‌سازی مبتنی بر GEP نسبت به روابط تجربی قبلی بهتر است. نتایج معادلات شواتزمن و زار (1985) در تخمین عمق پیاز رطوبتی ،12/0 RMSE= ،%5/18 MAPE=، 99/0 R2=) و در تخمین قطر پیاز رطوبتی ،72/0 RMSE=،%92 MAPE=،97/0 R2=) است که نتایج بهینه‌سازی GEP هم دقت بهتری داشته و همه با محدوده کاربردی وسیعتر قابلیت استفاده در انواع خاک‌های مختلف و قطره‌چکان‌های با دبی گسترده منطبق بر شرایط ایران را دارد. پس از تائید دقت نتایج روابط حاصله از GEP، جداول طراحی کاربردی برای آرایش و فواصل قطره‌چکان‌های مختلف در خاک‌های شنی، سیلتی، لومی و رسی با اعماق متفاوت ارائه شده است. نتیجه‌گیری: طبق نتایج، رویکرد بهینه‌سازی ژنتیکی نسبت به روابط قبلی دارای محدوده اعتبار وسیعتری می‌باشد( دبی 1 تا 50 لیتر در ساعت؛ عمق تا 110 سانتیمتر). همچنین با توجه به اینکه مدل GEP براساس مجموعه داده‌های آزمایشی منطبق بر شرایط قطره‌چکان‌های موجود در ایران بهینه‌سازی شده است و انواعی از شرایط مختلف کاربردی خاک و آب را در بر دارد، دقت مطلوب‌تری در تخمین الگوی توزیع رطوبت خاک در آبیاری قطره‌ای در ایران دارد. بنابراین استفاده از روابط ارائه شده با مدل GEP می‌تواند عدم قطعیت‌ها و خطاها در طراحی سیستم آبیاری قطره‌ای را کاهش داده و به بهبود کارآئی مصرف آب و عملکرد این سیستم‌ها در شرایط عملکردی ایران کمک نماید.