Ορθολογικός προγραμματισμός των αρδεύσεων με τη βοήθεια του γραμμικού προγραμματισμού και τη θεωρία της πολυκριτηριακής ανάλυσης

Abstract

The irrational use of water in agriculture is often responsible for several problems concerning the pollution or depletion of water resources. These problems must be confronted according to the principles of sustainability. Therefore, specific policy measures should be designed so as to protect water resources from harmful agricultural activities, mitigating at the same time their potential impact on agricultural development and on farmers’ welfare. The application of economic measures, such as irrigation water pricing, may be conducive to this policy direction, by rationalizing farmers’ behaviour towards water consumption. The aim of this research is to form a basic decision making system based on the Linear Programming. It is a method of Mathematical Programming and the Compromise Programming is one of the methods that are used by the Multicriteria Analysis in decision making systems in agriculture and especially in the irrigation networks so as to produce an output about the optimal crop arrangement (Percentage) the maximum economic benefits for the producer and optimum management of the available irrigation water. In the first chapter, the introduction, the main principles of irrigation are mentioned and a framework for the implementation of sustainable development in irrigated agriculture is formulated. It is also presented the institutional framework for agriculture and irrigation in accordance with the European and the National Law on agriculture and water policy. It is also analyzed the various mathematical models and their applications both in agriculture, generally, and in the management of natural resources. In particular, it is referred to the applications of those models in the management of irrigation water in the Primary production.In the second chapter is presented the area where the study is going to be applied. The area of study was selected following the assumption that it is part of the Local Land Improvement Organization (T.O.E.B.) of Pinios river which is one of the largest organizations in the Larissa Prefecture and in the middle of the Thessaly Plain. All the productive, soil, economic, and other characteristics of the area, that are going to be used as raw data in the mathematical models, are analyzed in details. In the third chapter, the Linear Programming model is analyzed in details. The mathematical function which is going to be used in the model is developed. Furthermore, the restrictions that are going to be used in solving the above function are selected and defined. At the end of the chapter, the results of the solving procedure with the Linear Programming as well as the optimal (final) scenario that is proposed as a solution to the problem we have already set, are presented and analyzed. In the fourth chapter, the general principles and objectives of the Multicriteria Analysis as well as its main methods are described. Furthermore, the Compromise Programming is analyzed in details. It is the method that applied to form alternative scenarios in a procedure which is used to predict the "relatively optimal" solution in a given problem according to the Researcher’s scientific profile. The scenario of Linear Programming is optimal, but it is based on certain absolute limitations, which makes it questionable. For this reason, several hypothetical scenarios were created near the optimal scenario, that produced by the linear programming in order to be considered logical. The criteria that are going to be the basic benchmarks in evaluation procedure of the scenarios were set and their weighting factors too. In the data analysis with the multicriteria analysis, to perform the results, was used a software that was built in a Digital Visual Fortran Version 6 programming language. The evaluation of the results based on the experience and critical point of view of the three members of the Advisory Committee and afterwards the final conclusions were formed. Finally, in the fifth chapter the main results of the dissertation are presented and analyzed. The individual methodological approaches and draws are evaluated the final conclusions are formed. The main result is the final optimal crop restructuring for the area that is covered by the specific irrigation network which take into consideration all the benefits of the use, both economically and environmentally (optimal management of the available irrigation water). In summary, the contribution of this thesis to the scientific research consists of the following points: 1. As a whole, it appears for the first time as an application procedure internationally under this integrated form. 2. The whole procedure combines the application of Mathematical Programming and Multicriteria Analysis models. It is noticed that new production plans can be created for the study-area and its agricultural sector through the crop restructuring. This new agricultural plans could use the available raw materials effectively so as to achieve higher agricultural income and other Economic results for the Producers and protect the water resources in contrast with the existing plans. 3. The Economic theory and the Hydrology are combined, too, so as an effective decision making method to be developed. The results from the application of this method could be a tool that is going to be used by an operator in the optimum irrigation scheduling and save large amounts of water. 4. The use of this methodology could be even more extended to irrigation networks nationally as well as internationally in order to be optimized in a higher level. 5. Valuable results are drawn about the consequences of non-targeted crop restructuring and the irrational use of irrigation water for both farmers and the society. Those results have a positive impact on environment sustainability through the water saving. Furthermore, these results may be even more useful in the procedure of an optimum future decision making system about the water resource management, which it must be in agreement with the framework of the European Directives about the natural resources. 6. It is proposed a new scientific framework to evaluate management decisions and potential measures in irrigated agriculture. However, its implementation should be further studied.

Η μη ορθολογική χρήση του νερού στη γεωργία δημιουργεί συχνά σοβαρά προβλήματα ποιοτικής και, κυρίως, ποσοτικής υποβάθμισης των υδατικών πόρων. Η αντιμετώπιση των εν λόγω προβλημάτων πρέπει να γίνεται, σε κάθε περίπτωση, σύμφωνα με τις αρχές της αειφορίας. Για το λόγο αυτό, οποιοδήποτε νέο μέτρο, που αποσκοπεί στην προστασία των υδατικών πόρων από τις γεωργικές δραστηριότητες, πρέπει ταυτόχρονα να λαμβάνει υπόψη του την αγροτική ανάπτυξη και την ευημερία των γεωργών. Η λήψη μέτρων για στοχευμένη αναδιάρθρωση των καλλιεργειών και ειδικότερα, σε επίπεδο αρδευτικού δικτύου, υπό προϋποθέσεις, μπορούν να συμβάλουν προς αυτή την κατεύθυνση, οδηγώντας το γεωργό σε πιο ορθολογική και πιο αποτελεσματική χρήση του νερού.Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο, μέσω της χρήσης του Γραμμικού Προγραμματισμού που είναι μέθοδος του Μαθηματικού Προγραμματισμού και στη συνέχεια του Συμβιβαστικού Προγραμματισμού ο οποίος είναι μια από τις μεθόδους που χρησιμοποιεί η Πολυκριτηριακή Ανάλυση, σε επίπεδο αρδευτικού δικτύου, την εύρεση της βέλτιστης διάταξης καλλιεργειών (ποσοστιαία αναλογία) με σκοπό τη μεγιστοποίηση των ωφελειών (οικονομικά) για τον παραγωγό και τη βέλτιστη διαχείριση του διαθέσιμου αρδευτικού νερού. Στο πρώτο κεφάλαιο, που είναι εισαγωγικό, αναφέρονται οι βασικές αρχές των αρδεύσεων και διαμορφώνεται ένα πλαίσιο εφαρμογής της αειφόρου ανάπτυξης στην αρδευόμενη γεωργία. Παρουσιάζεται, επίσης, το θεσμικό πλαίσιο για τη γεωργία και τις αρδεύσεις, σύμφωνα με την ευρωπαϊκή, αλλά και την εθνική νομοθεσία σε θέματα αγροτικής και υδατικής πολιτικής. Επίσης γίνεται ανάλυση στα διάφορα μαθηματικά μοντέλα και τις εφαρμογές τους τόσο στη γεωργία γενικά όσο και σε θέματα διαχείρισης φυσικών πόρων. Ειδικότερα γίνονται αναφορές των εφαρμογών τους στη διαχείριση του αρδευτικού νερού στην πρωτογενή παραγωγή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η περιοχή μελέτης και εφαρμογής της έρευνας. Ως περιοχή μελέτης επιλέχτηκε ο Τοπικός Οργανισμός Εγγείων Βελτιώσεων (Τ.Ο.Ε.Β.) Πηνειού που είναι ένας από τους μεγαλύτερους Τ.Ο.Ε.Β. του νομού Λάρισας στην καρδιά του Θεσσαλικού κάμπου. Ακόμη αναλύονται εκτενώς όλα τα παραγωγικά, εδαφολογικά, οικονομικά κλπ. χαρακτηριστικά της περιοχής μελέτης που θα χρησιμοποιηθούν στα επόμενα κεφάλαια για την εφαρμογή των μαθηματικών μοντέλων βελτιστοποίησης. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται διεξοδική ανάλυση του μοντέλου του Γραμμικού Προγραμματισμού, αναπτύσσεται η αντικειμενική συνάρτηση για την χρήση του μοντέλου, επιλέγονται και ορίζονται οι περιορισμοί εφαρμογής και παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα της χρήσης αυτής καθώς και το βέλτιστο (τελικό) σενάριο ως επίλυση του προβλήματος που έχουμε θέση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι γενικές αρχές και οι στόχοι της Πολυκριτηριακής Ανάλυσης και παρουσιάζονται οι κυριότερες μέθοδοι της, καθώς και αναλύεται διεξοδικά ο Συμβιβαστικός Προγραμματισμός που είναι και η μέθοδος που εφαρμόζεται και δημιουργούνται εναλλακτικά σενάρια για τον προσδιορισμό της «σχετικά βέλτιστης» λύσης για τον εκάστοτε μελετητή - ερευνητή. Το σενάριο του Γραμμικού Προγραμματισμού είναι βέλτιστο αλλά βασίζεται σε συγκεκριμένους απόλυτους περιορισμούς γεγονός που το κάνει να δέχεται αμφισβητήσεις. Γι’ αυτό το λόγο δημιουργήθηκαν αρκετά υποθετικά σενάρια πλησίον του βέλτιστου σεναρίου που μας έδωσε σαν αποτέλεσμα ο γραμμικός προγραμματισμός για να θεωρούνται λογικά. Καθορίστηκαν τα κριτήρια για τα οποία θα εξετάσουμε τα σενάρια μας και ορίστηκαν οι συντελεστές βαρύτητας αυτών των κριτηρίων. Η επεξεργασία των δεδομένων, με πολυκριτηριακή ανάλυση, για την διεξαγωγή αποτελεσμάτων, έγινε με πρόγραμμα που κατασκευάστηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Digital Visual Fortran Version 6. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν βάση την εμπειρία και την κρίση της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής για την τελική διεξαγωγή συμπερασμάτων. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα κυριότερα αποτελέσματα της διατριβής, αξιολογούνται οι επιμέρους μεθοδολογικές προσεγγίσεις και εξάγονται τα τελικά συμπεράσματα. Το κυριότερο αποτέλεσμα είναι η τελική βέλτιστη αναδιάρθρωση των καλλιεργειών σε επίπεδο αρδευτικού δικτύου που συγκεντρώνει όλα τα πλεονεκτήματα χρήσης του, τόσο σε οικονομικό όσο και σε περιβαλλοντικό επίπεδο (βέλτιστη διαχείριση του διαθέσιμου αρδευτικού νερού). Συνοπτικά η συμβολής της παρούσας διατριβής στη σχετική έρευνα συνίσταται στα εξής σημεία: 1. Στο σύνολό της εμφανίζεται για πρώτη φορά ως εφαρμογή στον Διεθνή χώρο και κυρίως με τον ολοκληρωμένο χαρακτήρα της. 2. Συνδυάζεται η εφαρμογή μοντέλων Μαθηματικού Προγραμματισμού και Πολυκριτηριακής Ανάλυσης και διαπιστώνεται ότι μπορούν να προκύψουν για την περιοχή μελέτης και τους τομείς αυτής, νέα σχέδια παραγωγής, μέσω αναδιάρθρωσης των καλλιεργειών, που να αξιοποιούν καλύτερα τους διαθέσιμους συντελεστές τους και να επιτυγχάνουν μεγαλύτερο ύψος γεωργικού εισοδήματος και λοιπών οικονομικών αποτελεσμάτων από τα αντίστοιχα υφιστάμενα σχέδιά τους με ταυτόχρονη προστασία των υδατικών πόρων. 3. Συνδυάζονται επίσης η οικονομική θεωρία και η υδρολογία για την ανάπτυξη της κατάλληλης μεθοδολογίας. Το αποτέλεσμα που προκύπτει αποτελεί ένα εργαλείο που, χρησιμοποιούμενο από ένα συλλογικό φορέα, θα βοηθήσει στον ορθολογικό προγραμματισμό των αρδεύσεων εξοικονομώντας μεγάλες ποσότητες νερού. 4. Δίνεται η δυνατότητα χρήσης αυτής της μεθοδολογίας για επέκταση της και εφαρμογής της σε οποιοδήποτε ανάλογο αρδευτικό δίκτυο Διεθνώς με στόχο την βελτιστοποίησή του. 5. Εξάγονται πολύτιμα αποτελέσματα σχετικά με τις συνέπειες της μη στοχευόμενης αναδιάρθρωσής των καλλιεργειών και της αλόγιστης χρήσης του αρδευτικού νερού τόσο για τους γεωργούς, όσο και για την ευρύτερη κοινωνία και το περιβάλλον. Τα αποτελέσματα αυτά μπορεί να αποβούν ιδιαίτερα χρήσιμα για τις μελλοντικές αποφάσεις διαχείρισης των υδατικών πόρων, οι οποίες στο πλαίσιο των επιταγών της Οδηγίας-Πλαίσιο θα πρέπει να περιλαμβάνονται. 6. Προτείνεται ένα νέο πλαίσιο αξιολόγησης διαχειριστικών αποφάσεων και δυνητικών μέτρων στην αρδευόμενη γεωργία, η καθιέρωση του οποίου θα πρέπει βέβαια να εξεταστεί περαιτέρω.