ارائه مدلی جهت مدیریت مصارف آبی کشاورزی، صنعتی و خانگی ایران با ترکیب پویایی‌شناسی سیستم‌ها و الگوریتم ژنتیک
الموضوعات :مریم موثقی گیلانی 1 , محمد علی افشار کاظمی 2 , محمدعلی کرامتی 3
1 - دانشجوی دکتری مدیریت صنعتی، دانشکده مدیریت، دانشگاه آزاد اسلامی تهران مرکز
2 - دانشیار، دانشکده مدیریت، دانشگاه آزاد اسلامی تهران مرکز
3 - دانشیار، دانشکده مدیریت، دانشگاه آزاد اسلامی تهران مرکز
الکلمات المفتاحية: مدیریت منابع آبی, پویایی‌شناسی سیستم‌ها, الگوریتم ژنتیک,
ملخص المقالة :
مقدمه: در این تحقیق سیستم مدیریت منابع آبی کشور با رویکرد پویایی‌شناسی سیستم‌ها مدلسازی شده و پس از شبیه‌سازی به تعیین میزان بهینه منابع آبی، قدرت اجتماعی حاکمیت، منابع مالی دولت و میزان مهاجرت‌های آبی با توجه به متغیرهای تصمیم تعرفه آب خانگی، کشاورزی و صنعتی پرداخته شده است. نتایج ترکیب بهینه، افزایش تعرفه آب در بخش خانگی، کشاورزی و صنعتی جهت بهینه‌سازی تابع هدف را به ترتیب 11، 200 و 200 درصد در طی 5 سال آینده پیشنهاد می‌نماید.
روش: این تحقیق در ابتدا با استفاده از ابزار پویایی‌شناسی سیستم‌ها متغیرها و حلقههای بازخوری دخیل در مدیریت منابع آبی را مدلسازی و شبیه‌سازی کرده است. به‌منظور بهینه‌سازی از دو روش الگوریتم ژنتیک و قابلیت Simulation-optimization در نرم‌افزار ونسیم استفاده شده است. در الگوریتم ژنتیک جمعیت اولیه 30 عدد و احتمال تقاطع و جهش به ترتیب 83 درصد و 17 درصد جمعیت در نظر گرفته شده است. معیار انتخاب هر کروموزوم با روش roulet wheel می‌باشد.
یافته ها: نتایج نشان داد بهینه‌سازی با الگورتیم ژنتیک نسبت به ادامه شرایط پایه، منابع آبی پشت سدها را 89 درصد افزایش داده در صورتی که خروجی نرم‌افزار ونسیم 84 درصد بهبود می‌دهد و در کل خروجی الگورتیم ژنتیک نسبت به خروجی بهینه‌سازی نرم‌افزار ونسیم، تابع هدف را 2 درصد بالاتر بهبود می‌دهد.
نتیجه گیری: نتایج نشان داد بهینه‌سازی با الگوریتم ژنتیک در قیاس با نرم‌افزار ونسیم نتایج قابل قبول‌تری ارائه می‌دهد. همچنین پس از بهینه‌سازی، بهترین سیاست تعرفه‌ای جهت بهبود تابع هدف افزایش بیشتر در تعرفه آب کشاورزی و صنعتی نسبت به تعرفه خانگی است.
1- Dalin C, Qiu H, Hanasaki N, Mauzerall DL, Rodriguez-Iturbe I. Balancing water resource conservation and food security in China. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015 Apr 14;112(15):4588–93.
2- Grizzetti B, Pistocchi A, Liquete C, Udias A, Bouraoui F, van de Bund W. Human pressures and ecological status of European rivers. Sci Rep. 2017 Mar 16;7(1):205.
3- Haddeland I, Heinke J, Biemans H, Eisner S, Flörke M, Hanasaki N, et al. Global water resources affected by human interventions and climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014 Mar 4;111(9):3251–6.
4- Liu X, Pan Y, Zhang W, Ying L, Huang W. Achieve Sustainable development of rivers with water resource management - economic model of river chief system in China. Science of The Total Environment. 2020 Mar;708:134657.
5- Keshavarz A, Sadeghzadeh K. Water Consumption Management in the Agricultural Sector, Forecasting Demand for the Future. Ministry of Agricultural Jihad Agricultural Research, Education & Extension Organization (in-Persian). 2000;
6- Shafaghati M. Studying the country’s comprehensive water cycle management system and structure. Deputy of Forests, Range and Watershed Management Organization (in-Persian). 2008;
7- Statistical Center of Iran. Iran statistical year book 2018. 2018.
8- Yousefi S, Mirdamadi SM, Hosseini SJ f arajoallah, Lashgarara F. Designing Scenario for Changing the Cultivation Pattern for the Sustainability of Water Resources in West Azerbaijan Province using a Dynamic System. Water Resources Engineering (in-Persian). 2023;16(57):75–90.
9- Dehghani B, Farahani M, Aminnejad B. Investigating sustainable water resources management challenges in Varamin Plain and proposing managerial scenarios for integrated water resources management. In: on the New Horizons in the Agricultural Sciences, Natural Resources and Environment. 2019.
10- Zarei b. An investigation of factors influencing the sustainable development of water resources management in agriculture (case study: Sarvestan). [Arsanjan ]: Islamic Azad University; 2018.
11- Khiabani N, Bagheri S, Bashiripour A. Economic requirements of water resources management. Journal of Water and Wastewater; Ab va Fazilab (in persian). 2017;28(1):42–56.
12- Ram SA, Irfan ZB. Application of System Thinking Causal Loop Modelling in understanding water Crisis in India: A case for sustainable Integrated Water resources management across sectors. HydroResearch. 2021;4:1–10.
13- Keyhanpour MJ, Musavi Jahromi SH, Ebrahimi H. System dynamics model of sustainable water resources management using the Nexus Water-Food-Energy approach. Ain Shams Engineering Journal. 2021 Jun;12(2):1267–81.
14- Qin H, Cha-tien Sun A, Liu J, Zheng C. System dynamics analysis of water supply and demand in the North China Plain. Water Policy. 2012 Apr 1;14(2):214–31.
15- Cabrera E, Pardo MA, Cobacho R, Cabrera E. Energy Audit of Water Networks. J Water Resour Plan Manag. 2010 Nov;136(6):669–77.
16- Ahmad S, Simonovic SP. System Dynamics Modeling of Reservoir Operations for Flood Management. Journal of Computing in Civil Engineering. 2000 Jul;14(3):190–8.
17- Simonovic SP, Li L. Methodology for Assessment of Climate Change Impacts on Large-Scale Flood Protection System. J Water Resour Plan Manag. 2003 Sep;129(5):361–71.
18- Stave KA. A system dynamics model to facilitate public understanding of water management options in Las Vegas, Nevada. J Environ Manage. 2003 Apr;67(4):303–13.
19- Madani K, Mariño MA. System dynamics analysis for managing Iran’s Zayandeh-rud river basin. Water Resources Management. 2009;23(11):2163–87.
20- Bagheri A, Darijani M, Asgary A, Morid S. Crisis in Urban Water Systems during the Reconstruction Period: A System Dynamics Analysis of Alternative Policies after the 2003 Earthquake in Bam-Iran. Water Resources Management. 2010 Sep 30;24(11):2567–96.
21- Venkatesan AK, Ahmad S, Johnson W, Batista JR. Salinity reduction and energy conservation in direct and indirect potable water reuse. Desalination. 2011 May;272(1–3):120–7.
22- Xu ZX, Takeuchi K, Ishidaira H, Zhang XW. Sustainability Analysis for Yellow River Water Resources Using the System Dynamics Approach. Water Resources Management. 2002;16(3):239–61.
23- Qaiser K, Ahmad S, Johnson W, Batista J. Evaluating the impact of water conservation on fate of outdoor water use: A study in an arid region. J Environ Manage. 2011 Aug;92(8):2061–8.
24- Chen YT, Tu YM, Jeng B. A Machine Learning Approach to Policy Optimization in System Dynamics Models. Syst Res Behav Sci. 2011 Jul;28(4):369–90.
25- Chen Z, Wei S. Application of System Dynamics to Water Security Research. Water Resources Management. 2014 Jan 29;28(2):287–300.
26- Chang YT, Liu HL, Bao AM, Chen X, Wang L. Evaluation of urban water resource security under urban expansion using a system dynamics model. Water Supply. 2015 Dec 1;15(6):1259–74.
27- Alifujiang Y, Abuduwaili J, Ma L, Samat A, Groll M. System Dynamics Modeling of Water Level Variations of Lake Issyk-Kul, Kyrgyzstan. Water (Basel). 2017 Dec 19;9(12):989.
28- Chen C, Ahmad S, Kalra A, Xu Z xia. A dynamic model for exploring water-resource management scenarios in an inland arid area: Shanshan County, Northwestern China. J Mt Sci. 2017 Jun 18;14(6):1039–57.
29- Gastelum JR, Krishnamurthy G, Ochoa N, Sibbett S, Armstrong M, Kalaria P. The Use of System Dynamics Model to Enhance Integrated Resources Planning Implementation. Water Resources Management. 2018 May 23;32(7):2247–60.
30- Ahmadi MH, Zarghami M. Should water supply for megacities depend on outside resources? A Monte-Carlo system dynamics simulation for Shiraz, Iran. Sustain Cities Soc. 2019 Jan;44:163–70.
31- Barati AA, Azadi H, Scheffran J. A system dynamics model of smart groundwater governance. Agric Water Manag. 2019 Jul;221:502–18.
32- Bates, Beruvides, Fedler. System Dynamics Approach to Groundwater Storage Modeling for Basin-Scale Planning. Water (Basel). 2019 Sep 12;11(9):1907.
33- Babamiri AS, Pishvaee MS, Mirzamohammadi S. The analysis of financially sustainable management strategies of urban water distribution network under increasing block tariff structure: A system dynamics approach. Sustain Cities Soc. 2020 Sep;60:102193.
34- Bakhshianlamouki E, Masia S, Karimi P, van der Zaag P, Sušnik J. A system dynamics model to quantify the impacts of restoration measures on the water-energy-food nexus in the Urmia lake Basin, Iran. Science of The Total Environment. 2020 Mar;708:134874.
35- Phan TD, Bertone E, Stewart RA. Critical review of system dynamics modelling applications for water resources planning and management. Cleaner Environmental Systems. 2021 Jun;2:100031.
36- Demirel DF, Gönül-Sezer ED, Pehlivan SA. Analyzing the wastewater treatment facility location/network design problem via system dynamics: Antalya, Turkey case. J Environ Manage. 2022 Oct;320:115814.
37- Gohari A, Savari P, Eslamian S, Etemadi N, Keilmann-Gondhalekar D. Developing a system dynamic plus framework for water-land-society nexus modeling within urban socio-hydrologic systems. Technol Forecast Soc Change. 2022 Dec;185:122092.
38- Shiu HY, Lee M, Lin ZE, Chiueh PT. Dynamic life cycle assessment for water treatment implications. Science of The Total Environment. 2023 Feb;860:160224.
39- Yazdanparast M, Ghorbani M, Salajegheh A, Kerachian R. Development of a Water Security Conceptual Model by Combining Human-Environmental System (HES) and System Dynamic Approach. Water Resources Management. 2023 Mar 1;37(4):1695–709.
40- Senge PM. The fifth discipline fieldbook: Strategies and tools for building a learning organization. Currency; 1994.
41- Coyle RG. System Dynamics Modelling: A Practical Approach. Journal of the Operational Research Society. 1997 May 20;48(5):544–544.
42- Badakhshan E, Humphreys P, Maguire L, McIvor R. Using simulation-based system dynamics and genetic algorithms to reduce the cash flow bullwhip in the supply chain. Int J Prod Res. 2020 Sep 1;58(17):5253–79.
43- Alborzi M. Augmenting system dynamics with genetic algorithm and TOPSIS multivariate ranking module for multi-criteria optimization. Islamic Azad University, Sience and Research Branch, Atisaz, Evin, Tehran, Iran. 2008;1–11.
44- Martínez-Espiñeira * R, Nauges C. Is all domestic water consumption sensitive to price control? Appl Econ. 2004 Sep;36(15):1697–703.
