بهینهسازی پیوند آب، انرژی و غذا در حوزه آبخیز پیشکوه، استان یزد
الموضوعات :ساناز پورفلاح اسدآبادی 1 , سيدحميدرضا صادقي 2 , مهدي وفاخواه 3 , مجید دلاور 4
1 - دانشجوي دکتري علوم و مهندسي آبخيزداري، دانشگاه تربيت مدرس نور، ايران
2 - استاد، گروه مهندسي آبخيزداري، دانشکده منابع طبيعي، دانشگاه تربيت مدرس نور، ايران
3 - استاد، گروه مهندسي آبخيزداري، دانشکده منابع طبيعي، دانشگاه تربيت مدرس نور، ايران
4 - دانشيار، گروه مهندسي و مديريت آب، دانشکده کشاورزي، دانشگاه تربيت مدرس تهران، ايران
الکلمات المفتاحية: امنيت آبخيز, توليد پايدار, مديريت جامع, مديريت سازگار آب‌‌وخاک,
ملخص المقالة :
زمينه و هدف: رشد جمعيت و لزوم تأمين نيازهاي زيستي انسان به‌ويژه در کشورهاي درحال‌توسعه، منجر به استفاده‌هاي غيراصولي از منابع آب‌‌وخاک شده است. به‌طوري‌که راهبرد افزايش توليد با بهره‌برداري بيش‌ازحد از منابع، امروزه کشور را با بحران جدي، به‌ويژه درزمينه آب و محيط‌زيست، مواجه کرده است. از طرفي مديريت ناصحيح منابع آب وخاک، امنيت آبي و غذايي کشور بهعنوان يکي از اصلي‌ترين اهداف کلان ملي را در معرض تهديد قرار داده است. امروزه عليرغم اهميت پيوند آب-انرژي و غذا بهعنوان يک رويکرد مديريتي سازگار منابع، از اين رويکرد کمتر در مديريت جامع آبخيز استفاده شده است. لذا در پژوهش حاضر رويکرد جديد بهينهسازي پيوند آب، انرژي و غذا در مديريت سازگار حوزه آبخيز پيشکوه استفاده شد.
روش پژوهش: در اين پژوهش براي بهينهسازي پيوند WEF شاخصهاي مصرف آب و انرژي، بهرهوري و بهرهوري اقتصادي آب و انرژي و سرانه موجوديت غذا در نه گروه زارعي اول (شامل محصولات سيب، گلابي، به، آلبالو، گيلاس، آلو، هلو، زردآلو، گوجهسبز، بادام و گردو)، دوم (شامل انگور، سنجد، زرشک، توت، انجير و عناب)، سوم (شامل عدس، نخود و لوبيا)، چهارم (آفتابگردان)، پنجم (شامل گوجهفرنگي، بادمجان، هويج، کدو و کلم)، ششم (هندوانه)، هفتم (شامل يونجه، شلغم و چغندر علوفهاي)، هشتم (شامل گندم، جو و ذرت)، و نهم (شامل سيبزميني و پياز) در نظر گرفته شد. براي بهينهسازي پيوند آب-انرژي و غذا در سطح حوزه آبخيز پيشکوه از برنامهريزي خطي و از طريق مدل چند متغيره بهينه سازي پيوند آب-انرژي-غذا و محدوديتهاي بر منابع آب و انرژي حوزه آبخيز در محيط نرمافزار Lingo 18.0 استفاده شد.
يافته‌ها: پژوهش حاضر نشان داد که در حوزه آبخيز پيشکوه گروه زارعي سوم (عدس، نخود و لوبيا) و گروه زراعي هفتم (يونجه، شلغم و چغندر علوفهاي) به ترتيب با مصرف 93/4727 و 93/9787 مترمکعب بر هکتار بر سال کمترين و بيشترين شاخص مصرف آب بوده است و بالاعکس گروههاي زراعي چهارم (آفتابگردان) و پنجم (گوجهفرنگي، بادمجان، هويج، کدو و کلم) با مقدار 87/7226 و 99/42888 مگاژول بر هکتار بر سال داراي حداقل و حداکثر مقدار انرژي مصرفي بوده است. با اين وجود شاخص بهرهوري آب با بررسي ميزان عملکرد گروههاي زراعي نسبت به ميزان آب مصرفي نشان داد که گروههاي زراعي پنجم (گوجهفرنگي، بادمجان، هويج، کدو و کلم) و سوم (عدس، نخود و لوبيا) با مقدار 66/2 و 28/0 کيلوگرم بر مترمکعب، داراي بيشترين و کمترين مقدار شاخص مذکور است. گروههاي زراعي سوم (عدس، نخود و لوبيا) و هفتم (يونجه، شلغم و چغندر علوفهاي) با مقدار 66/20 و 94/0 کيلوگرم بر مگاژول بيشترين و کمترين مقدار شاخص بهرهوري انرژي را داشته است. گروه زراعي دوم (انگور، سنجد، زرشک، توت، انجير و عناب) در حوزه آبخيز پيشکوه نيز داراي بيشترين مقدار بهرهوري اقتصادي آب (56/0 ميليون ريال بر مترمکعب) و انرژي (266/0 ميليون ريال بر مگاژول) است. نهايتاً گروه زراعي هشتم (گندم، جو و ذرت) بيشترين نقش در شاخص سرانه موجوديت غذا را ايفا ميکند.
نتايج: پژوهش پيشرو باهدف بهينهسازي پيوند آب-انرژي و غذا در حوزه آبخيز پيشکوه انجام گرفت. پس از بررسي هفت شاخص مصرف آب و انرژي، بهرهوري و بهرهوري اقتصادي آب و انرژي و سرانه موجوديت غذا در منطقه موردمطالعه نتايج نشان داد که مقدار شاخص WEF براي گروههاي مختلف زراعي از 18/0 (بدترين) تا 48/0 (بهترين) به ترتيب مربوط به گروه زراعي پنجم (گوجهفرنگي، بادمجان، هويج، کدو و کلم) و دوم (سنجد، زرشک، توت، انجير و عناب) بوده است. با اجراي مدل بهينهسازي WEF در حوزه آبخيز پيشکوه ميتوان با اندازهگيري شاخصهاي مربوطه، هرساله نسبت به افزايش بهرهوري و کاهش مصرف منابع قدم مثبتي را برداشت. اين رويکرد نه‌تنها منجر به کاهش فشار بر منابع موجود خواهد شد بلکه پايداري و حفاظت از بومسازگان را در پي خواهد داشت. از طرفي بهبود وضعيت اقتصادي کشاورزان با تغيير الگوي کشت باعث پايداري زنجيره تأمين محصولات کشاورزي و افزايش امنيت غذايي در حوزه آبخيز پيشکوه خواهد شد. به عبارتي ديگر مديريت ابعاد مختلف شاخص WEF ميتواند راه‌کارهاي مناسب براي دستيابي به پايداري اقتصادي کشاورزي در منطقه را فراهم کند.
Amini, A. Parhamat, J. Sedari, A. 2019. Investigating the physical and economic efficiency of water in major agricultural crops in the Talwar basin of Kurdistan province. Watershed Engineering and Management, 12(2), 481-491. [in Persian].
Bizikova, L., Roy, D., Swanson, D., Venema, H.D. McCandless, M. 2013. The water-energy-food security nexus: Towards a practical planning and decision-support framework for landscape investment and risk management, Winnipeg: International Institute for Sustainable Development, 16-20.
Cansino-Loeza, B., & Ponce-Ortega, J. M. 2021. Sustainable assessment of Water-Energy-Food Nexus at regional level through a multi-stakeholder optimization approach. Journal of Cleaner Production, 290: 125194. doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125194.
Cansino-Loeza, B., Tovar-Facio, J., Ponce-Ortega, J. M. 2021. Stochastic optimization of the water-energy-food nexus in disadvantaged rural communities to achieve the sustainable development goals. Sustainable Production and Consumption, 28:249-1261. doi.orgن/10.1016/j.spc.2021.08.005.
El-Gafy, I. 2017. Water–food–energy nexus index: analysis of water–energy–food nexus of crop’s production system applying the indicators approach. Applied Water Science, 7(6):2857-2868.
Ekhtesasi, M.R. 2020. Executive studies of the Pishkooh Watershed, Yazd University, Yazd, Iran.
Hazbavi, Z., Keesstra, S.D., Nunes, J.P., Baartman, J.E.M., and Gholamalifard, M., Sadeghi, S.H.R. 2018b. Health comparative comprehensive assessment of watersheds with different climates, Ecological Indicators, 93:781-790.
Hizbavi, Z. Sadeghi, S.H.R. Gholam Alifard, M. 2017. Comparative analysis of the variability of health assessment indicators of pressure, state and response in Shazand watershed. The 13th National Conference of Iran's Watershed Science and Engineering and the 3rd National Conference on Protection of Natural Resources and Environment, October 10 and 11, 2017, Mohaghegh Ardabili University. [in Persian].
Hussien, W.A., Memon, F.A., Savic, D.A., 2017. An integrated model to evaluate water-energy-food nexus at a household scale. Environmental Modelling & Software, 93: 366–380.
Jalili, Kh. Sadeghi, S.H.R., Nikkami, D. 2015. Optimizing land use in watersheds for soil erosion using linear programming (case study of Brimond Watershed, Kermanshah province). Agricultural sciences and techniques and natural resources. 10, 15-26. [in Persian].
Juwana, I., Muttil, N., & Perera, B. J. C. (2012). Indicator-based water sustainability assessment—A review. Science of the Total Environment, 438, 357-371.
Karimi, M. Jalini, M. 2016. Investigating agricultural water productivity indicators in important crops, case study: Mashhad plain (technical note). Water and sustainable development, 4(1), 133-138. [in Persian].
Kitani, O. 1999. CIGR Handbook of Agricultural Engineering, Volume V Energy and Biomass Engineering, Asae Publication, ST Joseph, MI 323 pp.a.
Li Z., Xu D., Guo X., 2014. Remote Sensing of Ecosystem Health: Opportunities, Challenges, and Future Perspectives. Sensors, 14: 21117-21139.
Mahmoudi M., Chizari, M., Kalantari, Kh., Ruknuddin Eftekhari, A.R. 2021. Designing a model of sustainable agricultural development from the organizational components of the study: Caspian Sea marginal provinces. Research and Development, 10(4), 159-173. [in Persian].
Manem, M.J. Hosseini, S.M. Delaware, 2019. Application and evaluation of water, food and energy link (NEXUS) in the management of irrigation networks, a case study of Zayandehroud irrigation network. Iran Irrigation and Drainage, 14(1): 275-285. [in Persian].
Mirzaei, Sh. Hero, b. Mosaedi, A. Zarghami, M. 2016. Policy solutions in the face of the water crisis with the water-energy-food link approach, the first consensus meeting with experts in water and environmental sciences, Ministry of Energy. [in Persian].
Mismi, M.A. Jalali, A. 2019. Evaluation of input-output energy in wheat cultivation in Iranian Modern Farms (Aq Qala, Golestan). Agricultural Knowledge and Sustainable Production (Agricultural Knowledge), 30(2), 333-346. [in Persian].
Moghadam, E. S., Sadeghi, S.H.R., Zarghami, M., & Delavar, M. 2023. Developing sustainable land-use patterns at watershed scale using nexus of soil, water, energy, and food. Science of The Total Environment, 856, 158935.
Mohammadi, A., Omid, M. 2010. Economical analysis and relation between energy inputs and yield of greenhouse cucumber production in Iran. Applied Energy, 87(1): 191-196.
Montealegre, A. L., García-Pérez, S., Guillén-Lambea, S., Monzón-Chavarrías, M., Sierra-Pérez, J. 2022. GIS-based assessment for the potential of implementation of food-energy-water systems on building rooftops at the urban level. Science of The Total Environment,755: 149963. doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149963.
Parhizkari A., Mozaffari Mohammad.M., Khaki M., & Taghizadeh Ranjbari H. 2015. Optimal allocation of water and land resources in Rudbar Almut region using FGFP model. [in Persian].
Saadati, Delbari, Panahi, Amiri, & Ibrahim. (2018). Simulation of sugar beet growth under water stress using AquaCrop model. Protection of water and soil resources (scientific-research), 7(3), 1-19. [in Persian].
Sadeghi, S.H.R., Moghadam, E. S., Delavar, M., Zarghami, M. 2020. Application of water-energy-food nexus approach for designating optimal agricultural management pattern at a watershed scale. Agricultural Water Management, 233: 106071. doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106071
Sadeghi, S.H.R. Sadoddin, A. Asadniilvan, A. Hizbavi, Z. Zare Karizi, A. Hadi Meiri, M.H. 2019b. Watershed health and sustainability (fundamentals, approaches and assessment methods) Tarbiat Modares University Publications, 217 p. [in Persian].
Sadeghi, S.H.R. Sharifi Moghadam, A. Mohseni Saravi, M. 2018. New approaches in applied watershed management. Publications of Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, 251. [in Persian].
Sadeghi, S.H.R. Sharifi Moghadam, A. Pourfalah Asadabadi, S. 2019 J. The necessity of applying the water-food-energy approach in comprehensive watershed management. The 8th National Conference on Water Resources Management of Iran, 29 and 30 February 2019, Ferdowsi University of Mashhad. 8 p. [in Persian].
Sayer, J.A. and Campbell, B.M. 2001. Research to integrate productivity enhancement, environmental protection and human development. Conservation Ecology, 5, 32- 43.
Schlemm, A., Mulligan, M., Tang, T., Agramont, A., Namugize, J., Malambala, E., & van Griensven, A. 2024. Developing meaningful water-energy-food-environment (WEFE) nexus indicators with stakeholders: An Upper White Nile case study. Science of the Total Environment, 931, 172839.
Smajgl, A., Ward, J., Pluschke, L. 2016. The water–food–energy Nexus–Realising a new paradigm. Journal of Hydrology, 533: 533-540.
Sušnik, J., Masia, S., Indriksone, D., Brēmere, I., Vamvakeridou-Lydroudia, L. 2021. System dynamics modelling to explore the impacts of policies on the water-energy-food-land-climate nexus in Latvia. Science of The Total Environment, 775: 145827. doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145827.
Xia, J., Zhang, Y., Zhao, Ch., and Bunn, S.E. 2014. A bio indicator assessment framework of river ecosystem health and the detection of factors influencing the health of the Huai River Basin, China. Journal of Hydrologic Engineering, 19(8): 1-34.
Zhang, X., Xu, F., Liu, L., Feng, L., Wu, X., Shen, Y., Xu, Q. 2017. Borneol improves the efficacy of edaravone against DSS-induced colitis by promoting M2 macrophages polarization via JAK2-STAT3 signaling pathway. International Immunopharmacology, 53: 1-10.
