مطالعات علوم محیط زیست

مطالعات علوم محیط زیست

مدیریت زیست محیطی بازمصرف زهاب کشاورزی در ایران: مطالعه تطبیقی تجربه‌های بین‌المللی و چشم‌انداز آتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه
10.22034/jess.2024.467111.2271
چکیده
با توجه به محدودیت منابع آب، عواملی چون رشد روزافزون جمعیت، تغییر اقلیم و افزایش رقابت بین بخش‌های مختلف مصرف‌کننده آب، عرضه مستمر آب را تحت تأثیر مضاعف قرارداده است. پایداری محیط زیست و تأمین امنیت غذایی رابطه مستقیمی با مدیریت مصرف آب در بخش کشاورزی (بزرگترین مصرف‌کننده منابع آب دردسترس) دارد. لذا، برای رسیدن به راهکاری برای برون‌رفت از بحران آب در جهان، توجه ویژه‌ای به منابع آب غیرمتعارف، ضروری می‌باشد. در راستای شناخت ترکیبات و آلاینده‌ها، چالش‌ها و کاربرد بازمصرف زه‌آب، در مقاله حاضر با ارائه یک مطالعه تطبیقی از تجربیات بین‌المللی، رویکردهای مختلف کاربرد و پتانسیل بازمصرف زه‌آب ارزیابی شده است. بر اساس نتایج، با کاهش مقاومت اجتماعی در خصوص بازمصرف زه‌آب کشاورزی، کاربرد فیلترهای زیستی، سامانه‌های زهکشی و فناوری‌های نوین جهت تصفیه و استفاده هدفمند از پتانسیل‌های ارزشمند زه‌آب، نتایجی مانند کمک به پایداری محیط زیست، بهبود کیفیت منابع، افزایش بهره‌وری و پایداری منطقه‌ای در راستای اهداف توسعه پایدار را به دنبال داشته است. با استفاده از تجربه‌های مشابه هرچند که در وضعیت فعلی، موانع متعددی در زمینه توسعه بازمصرف زه‌آب کشاورزی در ایران وجود دارد اما بازمصرف برنامه‌ریزی شده و مناسب زه‌آب می‌تواند به عنوان راه حلی برای چالش‌های روبه رشد کمبود آب تلقی شده و چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای با پیشرفت فناوری و درک نیاز به کشاورزی پایدار ارائه دهد. با برنامه‌ریزی و مدیریت صحیح، این رویکرد می‌تواند ضمن کاهش فشار بر منابع، اثرات اقتصادی و محیط‌زیستی مثبتی در امنیت آبی و غذایی در ایران برجای بگذارد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Environmental Management of Agricultural Drainage Water Use in Iran: A Comparative Study of International Experiences and Prospect

نویسندگان English

Elham Ebrahimi 1
Shiva Omidi 2
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
2 MSc. Student, Department of Environment, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده English

Introduction and Objective: Due to the limited water resources, factors such as increasing population growth, climate change and increased competition between different water consuming sectors have affected the continuous supply of water. The sustainability of water resources and providing food security has a direct relationship with water use management in the agricultural sector (the largest consumer of available water resources). Therefore, to find a solution to overcome the water crisis in the world, it is necessary to pay special attention to non-conventional water sources. The progression along this trajectory of technological progress, coupled with the increasing international acknowledgment of the imperative to conserve water and promote sustainable agriculture, holds great promise. The future vision for promoting water-saving agriculture involves leveraging technological advances, regulatory frameworks, and public awareness to ensure sustainable practices. Research on the sustainable use of wastewater in agriculture is gaining significance, with a focus on refining technical aspects and addressing social considerations. Implementing low-cost and energy-saving irrigation techniques, rainwater harvesting, and pond covering can enhance water management in agriculture while considering economic viability and operational feasibility.The forthcoming perspective may be succinctly encapsulated as the adoption of novel technological tools, establishment of regulatory structures, enactment of pertinent laws, elevation of public consciousness and approval, rigorous economic evaluation, fusion with sustainable farming methods, and practical implementation of drainage systems, particularly in emerging regions. By integrating these approaches with sound legislation and economic analysis, the future of water-saving agriculture looks promising for ensuring food security and environmental sustainability.
Material and Methods: Due to the high salinity of agricultural drainage and the short-term and long-term effects of irrigation with runoff on soil quality and its effect on fertility, the use of runoff without proper treatment and desalination is not recommended at all. In order to identify the compounds and pollutants, the challenges and the drainge reuse, in this article, by presenting a comparative study of international experiences, different approaches to the use and drainge reuse for irrigation of agricultural crops have been evaluated. These experiences included the use of different methods: effective pre-treatment of drainage water, desalination (thermal hybrid fossil-solar desalination), reverse osmosis, multi-effect distillation, irrigation tanks in the field, artificial wetlands, drainage pits and irrigation canals, filter column system based on zeolite and iron, self-purification and mixing of drainage water with fresh water until reaching the standard. In addition to this, an effort was made to develop a conceptual model in relation to the technical, environmental and managerial aspects of the reuse of agricultural drainage, to provide a basic platform for the conceptual modeling of drainage recycling based on the above-mentioned materials and to provide a starting point for comprehensive environmental management in future studies.
Results: Based on the results, with the reduction of social resistance regarding the reuse of agricultural drainage, the use of biological filters, drainage systems and new technologies for the purposeful treatment and use of the valuable potential of drainage (an non-conventional source rich in fertilizer), results such as helping the sustainability of environment, water and soil resources (especially during extreme events of drought and flood), improving the quality of available water resources, increasing the productivity and regional stability of agriculture in line with the goals of sustainable development. Learning from successful experiences in countries emphasizes the importance of sound legislation, strict water management systems, and promoting water conservation practices to enhance agricultural water use efficiency and protect water resources. Using similar experiences in the world, although in the current situation, there are many obstacles in the development of agricultural drainage reuse in Iran, however, the planned and appropriate reuse of drainage can be considered as a solution to the growing challenges of water shortage and a promising prospect with advances in technology and understanding the need for sustainability. If under specific conditions, controls and restrictions, the use of agricultural drainage in crop irrigation can be suitable for hydroponic cultivation related to salinity-resistant crops. In this type of cultivation, the plant receives its required nutrients in the form of solution from water. Of course, drainage reuse in this method also requires a detailed examination of products and operational feasibility (considering an acceptable level of product loss). Since, in addition to water restrictions, one of the main challenges of Iran in moving towards the goals of sustainable development is the limitation of land and suitable soil resources, these lands be accompanied by environmental issues. Land irrigation with drainage (without desalination and proper treatment) can cause more salinity, lower vegetation, soil erosion, etc., which in the future can lead to a further decrease in crops and a threat to food security. This issue affects the desire to increase consumption of available resources (such as increasing the cultivated area, various technologies that lead to increased water consumption in the long term, etc.) in order to produce more products, causing environmental sustainability to face greater risks.
Conclusion: Considering the inability to use agriculture drainage (direct use and without expensive purification and desalination), some industries have the potential to use it with special considerations. Of course, a proposed method can include the use of drainage in hydroponic cultivation (in a controlled manner) to achieve significant productivity from the drainage reuse while ensuring soil stability. Considering salinity-resistant products, in the hydroponic method, soil pollution will not be a critical issue, and water will be saved and the cost of production will be reduced. Walking this path with technological advances and the growing global recognition of the need to save water and sustainable agriculture is promising, and the future vision can be summarized as the use of new technologies, regulatory frameworks, appropriate legislation, promotion of public awareness and acceptance, sound economic analysis, integration with sustainable agricultural practices and operational applicability of drainage, especially in developing areas. All these can be imagined in the direction of future research are affected by the goals and macro policies for water management (one of the essentials of sustainable agriculture). Therefore, with proper planning and management, this approach can reduce the pressure on water resources and leave positive economic and environmental effects on water and food security in Iran.

کلیدواژه‌ها English

Nonconventional Water
Water Security
Agricultural Drainage
Water Quality
Environmental Sustainability
1.      ابراهیمی، الهام. 1401. ارزیابی مجانب­های رشد بخش کشاورزی در یک سیستم آبی محیط زیستی. رساله دکتری. دانشگاه تهران، ایران.
2.      ابراهیمی، الهام.، برخورداری، حسام. 1402. مدیریت بازمصرف زهاب کشاورزی در ایران: چالش‌ها و فرصت‌ها. دومین همایش ملی مدیریت کیفیت آب و چهارمین همایش ملی مدیریت مصرف آب، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
3.      ابراهیمی، الهام؛ ضرغامی، مهدی. (1396). مقایسه تأثیر سیاستهای احیا تحت تأثیر تغییر اقلیم به کمک پویایی سیستم‏ها؛ مطالعه موردی زیست بوم دریاچه ارومیهتحقیقات منابع آب ایران. (4)13، 184-189.
4.      اصلانی، مصطفی.، منعم، محمد جواد.، باقری، علی. 1402. توسعه مدل مفهومی پیوند آب، غذا و انرژی (Nexus) در مدیریت آب در شبکه‌های آبیاری با استفاده از رویکرد پویایی سیستم‎‌ها، پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، ۱۴ (۲۸) :۳۶-۱۶ 
5.      حسن اقلی، علیرضا. (1385). مدیریت زه آب‌های حاصل از سامانه­های زهکشی و کاربرد مجدد آن در کشاورزی، چهارمین کارگاه فنی زهکشی و محیط‌زیست، تهران.
6.      رجب زاده، فائزه؛ و پذیرا، ابراهیم. (1401). مدیریت زهاب های حاصل از آبیاری زراعت نیشکر در دشت خوزستان. مدیریت آب در کشاورزی، 9(1)، 119-134.
7.      رضایی، حامد. (1398). کشاورزی و آلودگی منابع آب، موسسه تحقیقات خاک و آب، نشریه فنی: 568.
8.      زندی، سعید؛ سلطانی محمدی، امیر، گلابی، منا؛ اندرزیان، بهرام. (1399). بررسی تأثیر آبیاری با زهاب بر عملکرد کینوا در شرایط آب و هوایی اهواز، مجله علوم و مهندسی آبیاری، 43(3)، 45-56.
9.      سلطانی، نجمه؛ جوکار، مهرانگیز. (1394). نقش تناوب زراعی در تنوع بیولوژیکی خاک. کنگره پیشگامان پیشرفت.
10.  شریفی‌پور، مجید؛ لیاقت، عبدالمجید؛ ناصری، عبدعلی؛ نوذری، حامد؛ حاجیشاه، محمود؛ زرشناس، محسن؛ هویزه، حمید؛ نصری، منوچهر. (1399). مدیریت زهاب شبکه های آبیاری و زهکشی جنوب غربی استان خوزستان. تحقیقات آب و خاک ایران (علوم کشاورزی ایران)، 51(2 )، 525-539.
11.  غلامی، مصیب؛ علی بیگی، امیرحسین؛ پاپ زن، عبدالحمید. (1400). دانش، نگرش و رفتار کشاورزان استان کرمانشاه در مورد کشاورزی حفاظتی. پژوهش مدیریت آموزش کشاورزی، 13(57)، 131-147.
12.  فرصتیان، سیده انسیه؛ مجنون حسینی، ناصر؛ حسینی، سیدمحمدباقر؛ محمدی، ولی اله. (1388). بررسی کشت مخلوط نواری سورگوم علوفه ای با لوبیا چشم بلبلی و سویا. مجله علوم گیاهان زراعی ایران (علوم کشاورزی ایران)، 40(3)، 143-150.
13.  نیسی، لمیا؛ لطیفی، سیدمحمدجواد. (1394). استفاده مجدد از زهاب در کشاورزی، دومین همایش بین المللی و پنجمین همایش ملی پژوهش های محیط‌زیست و کشاورزی ایران، همدان.
14.  واحدی ترشیزی، محمد.، فتحی، مهران.، زمانی، سحر.، حسینی میقانی، عاطفه. 1396. معرفی کشت هیدروپونیک به عنوان روشی نوین در توسعه کارآفرینی کشاورزی. نشریه کارآفرینی در کشاورزی 4(2)، 43-60.
15.   Abdel-Azim, R., Allam, M. 2005. Agricultural drainage water reuse in Egypt: strategic issues and mitigation measures. In: Hamdy, A., El Gamal, F., Lamaddalena, N., Bogliotti, C., Guelloubi, R. (Eds.), Non-conventional Water Use: WASAMED Project. Bari: CIHEAM/EU DG Research. Options Mediterran  eennes:  Serie B. Etudes et Recherches; n.53, pp. 105  e117.
16.   Allam, A., Fliefle, A., Tawfik, A., Yoshimura, Y., El Saadi, A. 2015. A simulation-based suitability index of the quality and quantity of agricultuarla drainage water for reuse in irrigation. Sci. Total Environ. 536, 79e90. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.07.029
17.   Ashu, A., & Lee, S. I. 2018. Reuse of agriculture drainage water in a mixed land-use watershed. Agronomy, 9(1), 6. https://doi.org/10.3390/agronomy9010006.
18.   Barnes, J. 2014. Mixing waters: The reuse of agricultural drainage water in Egypt. Geoforum, 57, 181-191. https://doi.org/10.1016/j.geoforum.2012.11.019.
19.   Basic Agricultural Study, 2023. Drainage system in agriculture - Basic Agricultural Study. https://agriculturistmusa.com/drainage-system-in-agriculture/. Accessed on 26 Feb 2024.
20.   Diffenbaugh, N. S., Swain, D. L., & Touma, D. 2015. Anthropogenic warming has increased drought risk in California. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(13), 3931-3936. https://doi.org/10.1073/pnas.1422385112
21.   FAO and UN Water, 2021. Progress on Level of Water Stress. Global status and acceleration needs for SDG Indicator 6.4.2, 2021. Rome. https://doi.org/10.4060/cb6241en
22.   FAO, 1992. A commodity system assessment methodology. https://www.fao.org/3/a-x5405e/index.html. Accessed on 1 June, 2024.
23.   Florea, A. F., Lu, C., & Hansen, H. C. B. 2022. A zero-valent iron and zeolite filter for nitrate recycling from agricultural drainage water. Chemosphere, 287, 131993. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131993
24.   Hasselquist, E. M., Lidberg, W., Sponseller, R. A., Ågren, A., & Laudon, H. 2018. Identifying and assessing the potential hydrological function of past artificial forest drainage. Ambio, 47, 546-556.
25.   Hejase, C. A., Weitzel, K. A., Stokes, S. C., Grauberger, B. M., Young, R. B., Arias-Paic, M. S., ... & Dionysiou, D. D. 2021. Opportunities for treatment and reuse of agricultural drainage in the United States. ACS ES&T Engineering, 2(3), 292-305. https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00277
26.   Klobucista, C., & Robinson, K. 2023. Water Stress: A Global Problem That’s Getting Worse. Council on Foreign Relations.
27.   MWRI (Ministry of Water Resources and Irrigation), 2002. Survey of Nile System Pollution Sources. Agricultural Policy Reform Program. Report No.64.
28.   Nindwani, B. A., Lashari, B. K., Memon, A. A., Laghari, K. Q., Hammad, H. M., & Farhad, W. 2014. Impact of drainage water use for crop irrigation. Sci. Int, 26, 273-278.
29.   Othman, A. A., Rabeh, S. A., Fayez, M., Monib, M., & Hegazi, N. A. 2012. El-Salam canal is a potential project reusing the Nile Delta drainage water for Sinai desert agriculture: Microbial and chemical water quality. Journal of Advanced Research, 3(2), 99-108. https://doi.org/10.1016/j.jare.2011.04.003
30.   Reinhart, B., and Frankenberger, J. 2020. “Potential Benefits of Drainage Water Recycling: A case study from Indiana”, National Institute of Food and Agriculture U.S. Department of Agriculture. https://www.extension.purdue.edu/extmedia/ABE/ABE-165-W.pdf. Accessed on June 1, 2024.
31.   Shao, D., Tan, X., Liu, H., Yang, H., Xiao, C., & Yang, F. 2013. Performance analysis of on-farm irrigation tanks on agricultural drainage water reuse and treatment. Resources, conservation and recycling, 75, 1-13. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2013.03.011.
32.   Soltan, M., Hassaan, M., & Khattaby, A. 2016. Agricultural drainage water as a source of water for fish farming in Egypt. Ecology and Evolutionary Biology, 1(3), 68-75. doi: 10.11648/j.eeb.20160103.15
33.   Stuber, M. D. (2016). Optimal design of fossil-solar hybrid thermal desalination for saline agricultural drainage water reuse. Renewable Energy, 89, 552-563. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.12.025
34.   Thompson, J., Rahardianto, A., Gu, H., Uchymiak, M., Bartman, A., Hedrick, M., ... & Cohen, Y. 2013. Rapid field assessment of RO desalination of brackish agricultural drainage water. Water research, 47(8), 2649-2660. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.02.013
35.   Yimer, E. A., Riakhi, F. E., Bailey, R. T., Nossent, J., & van Griensven, A. 2023. The impact of extensive agricultural water drainage on the hydrology of the Kleine Nete watershed, Belgium. Science of The Total Environment, 885, 163903. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163903.