Modelling the water-food-energy nexus in the Dorodzen dam basin using system dynamics for sustainable agriculture

mohsen alizadeh ¹ ( miau )
سید نعمت اله Mpusavi ² ( department )
abbas aminifard ³ ( shiraz )

Submited date : 2023-12-15 Accepted date : 2023-12-25

Keywords: Water, System Dynamics, energy, Nexuse,

Abstract :

The water, energy and food sectors are facing increasing demand, which will put pressure on these sectors in the future. The water-food-energy link is becoming more and more important due to this demand. To address this issue, a conceptual model of the water-food-energy link was developed and a growing literature on this link at the basin level in Iran was explored. The system dynamics method was used to design an integrated water-food-energy model in the Dorodzan basin in Fars province. A mental model was designed to review and analyze resource management policies after reviewing the existing literature in the field of water-food-energy connection and examining the socio-economic and hydrological features of Dorodzan Basin. The designed model showed acceptable validity in examining the behavioural test. Consequently, the integrated model was used to simulate the behaviour of key system variables in the future. The results indicate an increase in the demand for water, food, and energy due to population growth, causing a rise in withdrawal from surface and underground water sources. The simulation period showed a decreas

Full-Text:



کاربرد سیستم دینامیک در مدلسازی همبست آب-غذا و انرژی در راستای کشاورزی پایدار در حوضه آبریز سد درودزن

 

چکیده

با افزایش تقاضا برای آب، انرژی و غذا در آینده، فشار بر این سه بخش افزایش یافته و اهمیت پیوند آب-غذا-انرژی بیش از پیش آشکارتر خواهد شد. با توجه به اهمیت این موضوع، پژوهش حاضر با هدف ارائه مدلی مفهومی از پیوند آب-غذا-انرژی و تلاشی برای توسعه ادبیات رو به رشد پیوند WFE در سطح حوضه در ایران است. در این تحقیق از روش دینامیک سیستم برای طراحی مدل تلفیقی آب – غذا – انرژی در حوضه درودزن در استان فارس استفاده شد. در گام اول، ضمن بررسی ادبیات موجود در زمینه پیوند آب- غذا- انرژی و بررسی ویژگی‌های اجتماعی-اقتصادی و هیدرولوژیکی حوضه درودزن، مدلی ذهنی برای بررسی و تحلیل سیاست‌های مدیریت منابع طراحی شد. بررسی آزمون رفتاری نشان داد که مدل طراحی شده از روایی قابل قبولی برخوردار است. بنابراین به منظور شبیه سازی رفتار متغیرهای کلیدی سیستم در آینده، از این مدل یکپارچه استفاده شد. نتایج نشان داد که تقاضا برای آب، غذا و انرژی به دلیل افزایش جمعیت رو به افزایش است. بنابراین برداشت از منابع آب سطحی و زیرزمینی در طول دوره شبیه سازی روند صعودی داشته و متغیرهای ذخیره آب سطحی و زیرزمینی در حال کاهش است. همچنین نتایج نشان داد که با توجه به نرخ رشد مثبت جمعیت در این منطقه، متغیر جمعیت در طول دوره شبیه‌سازی روند صعودی داشته و در سال 2040 به 575 هزار نفر می‌رسد. رشد جمعیت تقاضا برای آب، غذا و انرژی را افزایش می‌دهد. نتایج نشان داد که تقاضا برای غذا و انرژی در سال 2040 به ترتیب به 21637 تن و 38/55 میلیون بشکه نفت خام خواهد رسید. با افزایش تقاضا برای مواد غذایی، شاخص امنیت غذایی حوضه درودزن روند نزولی داشته و از 56 در سال 2022 به 46 در سال 2040 کاهش می­یابد. به عبارت دیگر، توانایی سیستم در پاسخگویی به تقاضای روزافزون غذا در آینده کاهش خواهد یافت. شاخص امنیت آب نیز در طول دوره شبیه سازی روند نزولی را تجربه می­کند.

کلیدواژه: سیستم دینامیک، همبست، آب، انرژی، غذا، پایداری

مقدمه:

تامین غذا و امنیت غذایی از جمله مسائلی است که امروزه مورد توجه بسیاری از کشورهای در حال توسعه می­باشد لذا ایجاد امنیت غذایی علاوه بر عرضه کافی مواد غذایی به توزیع عادلانه غذا و درآمد به منظور دست­یابی همه افراد جامعه به غذای کافی، وابسته است (بیگز و همکاران، 2015). با وجود پیشرفت چشمگیر در کشاورزی و توسعه اقتصادی، در طی دهه­های گذشته همچنان مسئله ناامنی غذایی در بسیاری از کشورها ادامه دارد. تخمین زده شده است که جمعیت جهان در سال 2050 به بیش از 9 میلیارد نفر برسد (موباو و همکاران، 2020). در واقع افزایش قابل توجه در تعداد جمعیت منجر به مصرف بیشتر آب و زمین می­شود و به نوبه خود بر ظرفیت بهره­وری کشاورزی تأثیر می­گذارد. در واقع تمایل به رشد بیشتر جمعیت در مقایسه با تولید مواد غذایی و محصولات مبتنی بر کشاورزی باعث افزایش تقاضا برای غذا می شود و منجر به تشدید ناامنی غذایی در طولانی­­مدت می­شود (کول و همکاران، 2020).

رویکرد پیوند آب، انرژی و غذا یک چشم انداز کلی از پایداری است که تلاش می­کند تا تعادل میان اهداف مختلف، منافع و نیازهای مردم و محیط زیست را بر اساس کمی سازی و روابط آب، انرژی و غذا از طریق مدلسازی­های کیفی و کمی و همچنین پیشبرد تحقیقات برای مدلسازی یکپارچه و مدیریت برای ارائه استراتژی­های مهم توسعه پایدار در جهان پویا و پیچیده امروز را برقرار سازد (ژانگ و همکاران، 2020). رویکرد همبست، رویکردی نوین و مبتنی بر تفکر سیستمی بوده که پویایی­ها و بر هم کنش­های درونی سیستم را با هدف مدیریت یکپارچه آن­ها در نظر گرفته و در سال­های احیر برای پاسخگویی به نیاز مدیران و تصمیم گیران جوامع ایجاد شده است. پیوند آب، غذا و انرژی (WFEN) یک سیستم پیچیده است که نقش مهمی در دستیابی به توسعه پایدار دارد. این پیوند شامل وابستگی­های متقابل و تعاملات بین منابع آب، غذا و انرژی است. مفهوم WFEN هنوز در حال تکامل است و امروزه مطالعات مختلفی در راستای مدلسازی همبست آب، غذا و انرژی در حال انجام است (لین، 2023). WFEN با در نظر گرفتن تلاقی علم طبیعی و علوم اجتماعی نیازمند رویکردی جامع و سیستمی است (پاپادوپلو و ملیوس، 2023). تعداد مقالات تحقیقاتی در مورد WFEN در سال(های اخیر با تمرکز بر علوم محیطی، علوم غذایی و علوم تغذیه به طور قابل توجهی افزایش یافته است (ژانگ و همکاران، 2018). با این حال، تحقیقات موجود فاقد درک کمی از بازخورد متقابل در بین اجزای WFEN و تکامل آن است (آلبرچت و همکاران، 2018). اجرای موفقیت آمیز WFEN مستلزم ادغام رشته­ها، ابزارها و مدل­های مختلف و همچنین در نظر گرفتن ابعاد فضایی و نیازهای محلی است. آب، غذا و انرژی ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند (میرزا و همکاران، 2023). در دسترس بودن و استفاده از این منابع تاثیرات قابل توجهی بر یکدیگر دارند. آب برای تولید کشاورزی و تولید انرژی ضروری است (پاییز و سالازار، 2022)، در حالی که انرژی برای استخراج، تصفیه و توزیع آب مورد نیاز است. تولید غذا هم نیاز به آب و هم انرژی دارد (بیگز و همکاران، 2015). رابطه بین این منابع پیچیده است و تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند مدل­های توسعه، شدت استفاده از منابع و تخریب محیطی است. مفهوم پیوند آب-انرژی-غذا پیوندهای متقابل و وابستگی­های متقابل بین این منابع را تشخیص می­دهد و بر نیاز به سیاست­های یکپارچه و مدیریت پایدار برای رسیدگی به چالش­هایی مانند کمبود آب، ناامنی غذایی و تخریب محیط زیست تأکید می­کند (اندو و همکاران، 2017).

هدف اساسی از این طرح تحقیقاتی، ارائه یک مدل مفهومی از ارتباط متقابل بین آب-غدا و انرژی و بررسی سیاست­های مختلف در جهت توسعه پایدار در حوضه آبریز درود زن استان فارس است که در سال­های اخیر به دلیل تغییرات اقلیم و رشد جمعیت با چالش­هایی در زمینه مدیریت منابع آب روبرو بوده است.

مواد و روش:

مدلسازی سیستم دینامیک

سیستم دینامیک روشی برای مطالعه و مدیریت سیستم‌های پیچیده و دارای بازخورد است (کوتیر و همکاران، 2016). مفهوم بازخورد، نقش اساسی را در رویکرد سیستم دینامیک ایفا می‌کند. سیستم دینامیک قابلیت‌های زیادی دارد که شامل: الف) در نظر گرفتن تعاملات بین اجزای مختلف درون یک سیستم و درک اثرات متقابل زیرسیستم‌های متفاوت و درعین‌حال مرتبط، ب) در نظر گرفتن ساختاری درون‌زا از سیستم، ج) شناسایی تأخیرها و تأثیرات آن بر رفتار سیستم، د) ساخت مدلی نزدیک به دنیای واقعی و شبیه‌سازی ساختار و رفتار سیستم، ه) تحلیل رفتار ایجاد شده در سیستم، انعطاف‌پذیری و قابلیت استفاده از متغیرهای کمی و کیفی، است (فورستر، 1994؛ استرمن، 2000 و جرارد و همکاران، 2015). یک فرآیند چهار مرحله‌ای برای مدل‌سازی سیستم دینامیک توسط استرمن (2000) و فورد (1999) معرفی شد. این مراحل شامل؛ تعریف مسئله، فرمول‌بندی، ارزیابی و آزمون مدل، استفاده از مدل در تجزیه‌وتحلیل اثرات سناریوهای مختلف است. بیان مسئله مهم‌ترین مرحله مدل‌سازی سیستم دینامیک است و سه مرحله بعد مرتبط با تعریف مسئله می‌باشند. فرمول سازی مدل با هدف نشان دادن ساختار مسئله‌ای است که در قسمت اول تعریف‌شده است. نمودار حلقه علی-معلولی و نمودار ذخیره-جریان دو ابزار اساسی مورداستفاده در فرمول سازی ساختار سیستم است. (فورد، 1999). پس‌ازآنکه مدل سیستم دینامیک ایجاد شد و اصول مختلف در مورد آن مورد بازبینی قرار گرفت، باید آن را آزمایش و اعتبارسنجی کرد. در این فرآیند ممکن است، مدل مورد تجدیدنظر قرار گیرد و حتی بار دیگر صورت بندی شود. آزمون ساختاری و آزمون رفتاری ازجمله آزمون‌های اعتبارسنجی مدل سیستم دینامیک است. آزمون ساختاری با مقایسه ساختار مدل با دانش موجود در مورد سیستم واقعی ارائه‌شده در ادبیات موضوع، گزارش‌های سازمان‌ها و مطالعات بررسی شده انجام می‌شود. آزمون رفتاری نیز به بررسی و مقایسه رفتار یک سیستم با داده‌های تاریخی می‌پردازد (استرمن، 2000).

همبست آب-غذا و انرژی

مدل مفهومی توسعه یافته برای مسائل مربوط به مدیریت منابع آب در حوضه آبریز سد درود زن استان فارس دربرگیرنده سه زیرسیستم عرضه آب، جمعیت و تولید کشاورزی است. هر زیرسیستم دربرگیرنده متغیرهای کلیدی و روابط متقابل بین آن­هاست که درک صحیح رفتار سیستم همبست آب-غذا و انرژی را فراهم می‌آورد. در این مطالعه مرز زمانی مدل و یا بازه زمانی شبیه­سازی در حوضه آبریز سد درود زن یک دوره 40 ساله (2001-2040) در نظر گرفته شد. بخشی از بازه در نظر گرفته شده برای مقایسه نتایج مدل طراحی شده و داده­های مشاهداتی بکارگرفته می­شود. در این مطالعه داده‌های مشاهده شده در یک بازه زمانی 15 ساله (2001-2015) برای صحت سنجی مدل سیستم پویای طراحی شده استفاده شد. بخش دیگر آن نیز مربوط به شبیه سازی رفتار سیستم در آینده است.

زیرسیستم عرضه آب شامل روابط بازخوردی بین متغیرهای اقلیمی و منابع آب است. این زیرسیستم بر اساس معادله بیلان آب منابع سطحی و زیرزمینی یا به بیان دیگر، با در نظر گرفتن همه ورودی‌ها و خروجی‌ها در سطح منطقه مطالعاتی ساخته می‌شود. این زیرسیستم نمایانگر مقدار منابع آب در دسترس در محدوده مورد بررسی است. بخش عرضه آب در این مطالعه شامل منابع آب‌های سطحی و منابع آب زیرزمینی است. به گونه جزئی‌تر متغیرهای مورد نظر در این زیرسیستم شامل دما، بارش، تبخیر، رواناب، جریان‌های طبیعی و هم‌چنین تغذیه آب‌های زیرزمینی از راه آب‌های برگشتی در منطقه است. عوامل ورودی شامل جریان‌های ورودی سطحی و زیرسطحی، آب برگشتی و ریزش‌های جوی و عوامل خروجی شامل جریان خروجی سطحی، جریان خروجی زیرسطحی، تبخیر و تعرق، بهره‌برداری و مصارف می‌باشد. دما و بارش به‌عنوان متغیرهای اقلیمی بر مقدار آب در دسترس اثر گذاشته به گونه‌ای که افزایش بارش می‌تواند مقدار منابع آب در دسترس را افزایش دهد. بخشی از حجم بارش مؤثر با در نظر گرفتن ضریب رواناب گزارش شده در مطالعات بیلان آب محدوده‌های مطالعاتی، به‌صورت رواناب به سیستم آب وارد می‌شود (کوتیر و همکاران، 2017 و لیانی و همکاران، 2021). برخی از روابط مهم این زیرسیستم در ادامه ارائه شد.

(1)	حجم بارش در حوضه × ضریب رواناب = حجم رواناب
(2)	حجم بارش در حوضه × ضریب نفوذ = حجم نفوذ
(3)	حجم تبخیر = × حجم آب سطحی در دسترس نرخ تبخیر
(4)	حجم آب برگشتی= نرخ برگشت آب ×تقاضای بخش­های گوناگون
(5)	تقاضای کشاورزی + تقاضای صنعت + تقاضای شهری= تقاضای کل آب تقاضای محیط زیست+

جمعیت یکی از فاکتورهایی است که بر تقاضای آب-غذا و انرژی اثرگذار است. بر اساس مطالعه یانگ و همکاران (2008) افزایش جمعیت با توجه به مصرف سرانه، باعث افزایش تقاضای آب می‌شود. به گونه مستقیم جمعیت تقاضای خانگی آب را تعیین و به گونه غیرمستقیم بر دیگر تقاضاها و استفاده از منابع آب اثرگذار است (وو و همکاران، 2013). به طور مشابه می­توان چنین رابطه­ای را بین جمعیت و تقاضا برای مواد غذایی در نظر گرفت که افزایش تقاضا برای مواد غذایی افزایش تقاضا برای انرژی در تولید غذا را به دنبال خواهد داشت. جمعیت خود متأثر از نرخ رشد جمعیت است. به بیان دیگر، مقدار تولد و خالص مهاجران وارد شده بر کل جمعیت اثر مثبت و مقدار مرگ ‌و میر اثر منفی دارد (استرمن، 2000). سیاست‌های تغییرات جمعیت به‌عنوان یکی از محرک‌های مهم سیستم آب-غذا و انرژی می‌تواند در این زیرسیستم اعمال و اثرات آن بر رفتار متغیرها در طول زمان بررسی شود.

(6)	تقاضای آب در بخش خانگی = سرانه مصرف آب × جمعیت
(7)	تقاضای غذا = سرانه مصرف غذا × جمعیت
(8)	تقاضای انرژی = سرانه مصرف انرژی × جمعیت

به منظور محاسبه شاخص امنیت غذایی، در محاسبه تقاضای کل غذا در سطح حوضه، نرخ هدر رفت غذا در فرآیند مصرف غذا نیز در محاسبات لحاظ شد. به عبارت دیگر تقاضای واقعی غذا از رابطه زیر محاسبه شد.

(9)	تقاضای واقعی غذا = تقاضای غذا × (نرخ هدر رفت غذا در مصرف-1)

کل تقاضای انرژی از حاصلجمع تقاضای انرژی در بخش خانگی، تقاضای انرژی در بخش کشاورزی و صنعت بدست خواهد آمد.

زیرسیستم کشاورزی همبست تولید غذا، آب و انرژی را به صورت جزئی­تری در نظر می­گیرد. به عبارت دیگر بخش کشاورزی مصرف کننده عمده منابع آب است. تقاضای آب در بخش کشاورزی از حاصلضرب سطح زیرکشت محصولات بر نیاز آبی گیاهان محاسبه می­شود. البته راندمان آبیاری نیز در محاسبات در نظر گرفته می­شود. بخشی از مصرف آب در بخش کشاورزی به صورت برگشت آب به منابع آب سطحی و زیرزمینی بازمی­گردد. به نوعی پیوند بین آب و کشاورزی (یا تولید غذا) در این بخش در نظر گرفته می­شود. از سوی دیگر بخشی از تقاضای آب در سطح حوضه از طریق برداشت از منابع آب زیرزمینی پاسخ داده می­شود. این بخش نیازمند مصرف انرژی به منظور استخراج منابع آب زیرزمینی است.

(10)	(سطح زیرکشت × نیاز آبی) = تقاضای آب بخش کشاورزی / راندمان
(11)	تولید غذا = سطح زیرکشت × عملکرد محصولات
(12)	تقاضای انرژی در بخش کشاورزی = حجم آب زیرزمینی برداشتی × شدت انرژی

به منظور محاسبه شاخص امنیت غذایی در سطح حوضه، عرضه واقعی غذا از تقسیم تولید غذا بر هدر رفت محصولات کشاورزی در فرآیند تولید حاصل شد.

(13)	عرضه واقعی غذا = تولید غذا × (نرخ هدر رفت غذا در تولید-1)

به منظور محاسبه تقاضای انرژی در بخش کشاورزی نیز موتورهای دیزلی و الکتریکی برای استخراج منابع آب زیرزمینی مد نظر قرار گرفت. اطلاعات جمع آوری شده از منطقه نشان داد 55 درصد از موتورهای موجود در سطح مزرعه از نوع دیزلی است. بنابراین با در نظر گرفت این سهم و شدت انرژی دیزلی و الکتریکی در محاسبات، تقاضای واقعی انرژی در این بخش محاسبه شد.

ارتباط متقابل بین عرضه و تقاضای آب با استفاده از شاخص امنیت آب قابل ارائه است (لیانی و همکاران، 2021). در مطالعات گوناگون شاخص‌های گوناگونی برای لحاظ اثرات متقابل بین دو بخش در مدل‌سازی استفاده شده است.

 

جایی‌که WSI شاخص امنیت آب، SW منابع آب در دسترس و DW تقاضای قابل‌انتظار در محدوده مورد مطالعه است. با افزایش (کاهش) منابع آب در دسترس شاخص امنیت آب افزایش (کاهش) می‌یابد. زمانی که شاخص امنیت آب حتی پایین‌تر از 1 است، نشان می‌دهد که نیازمند گزینه‌های مدیریت عرضه و یا تقاضاست. سیاست‌های مدیریت تقاضا با کاهش تقاضای آب می‌تواند منجر به افزاش شاخص امنیت آب شود. گزینه‌های عرضه محور نیز، منابع آب در دسترس را از راه انتقال آب از حوضه‌های دیگر، تصفیه آب و مواردی دیگر افزایش داده و درنهایت، تعادل سیستم آب را افزایش می‌دهد (ژانگ، 2014).

به طور مشابه شاخص امنیت غذایی نیز در سطح حوضه به صورت زیر تعریف می­شود:

 

صورت کسر مقدار عرضه مواد غذایی و مخرج کسر مقدار تقاضا برای مواد غذایی است. در صورتی که حاصل این کسر بزرگتر از یک باشد نشان می­شود میزان عرضه مواد غذایی در سطح حوضه توانایی پاسخ به تقاضای مواد غذایی در این بخش را دارد.

در نهایت به منظور لحاظ پیوند آب-غذا-انرژی و بررسی رفتار سیستم در طول زمان شاخص پایداری بر اساس مطالعه یون و همکاران (2019) بصورت زیر تعریف شد:

 

شکل (1) نمودار ذخیره-جریان سیستم پیوند آب-غذا و انرژی در سطح حوضه آبریز سد درود زن را نشان می­دهد. جدول (1) بخش ضمیمه، در برگیرنده برخی متغیرهای مهم، واحدهای اندازه گیری و مقدار کمی برای آن­ها در مدلسازی سیستم دینامیک است.

 

شکل (1)- نمودار ذخیره-جریان پیوند آب-غذا و انرژی در سطح حوضه آبریز سد درودزن

 

        

نتایج

پیش از استفاده از مدل برای شبیه سازی رفتار سیستم، باید نسبت به عملکرد صحیح مدل اطمینان یافت. در این مطالعه به‌ منظور سنجش اعتبار رفتار سیستم دینامیک طراحی‌ شده، از آزمون ساختاری و آزمون رفتاری استفاده شد. آزمون ساختاری با مقایسه روابط علی و ریاضی بین متغیرها در سیستم طراحی‌ شده با دانش موجود در مورد سیستم واقعی انجام می­شود. در طراحی ساختار سیستم FEW NEXUS در حوضه آبریز سد درودزن سعی بر این بوده تا به ادبیات موضوع، توجه شود. مطالعات کیاهانپور و همکاران (2021) و سانسیک و همکاران (2021) ازجمله مطالعات سیستمی در زمینۀ همبست آب-غذا-انرژی می‌باشند که اجزای گوناگون سیستم آب، کشاورزی، غذا، جمعیت و انرژی را در مدل‌سازی لحاظ کردند. پس از نقشه‌برداری ساختار سیستم پیوندی WFE، رفتار شبیه‌سازی شده در دسترس بودن و جمعیت آب سطحی با داده‌های تاریخی آنها مقایسه شد. اعتبار مدل با استفاده از داده های مشاهده ای طی سال های 2001-2015 انجام شد. نتایج محاسبه ضریب تعیین برای متغیرهای مورد نظر نیز نشان می دهد که برای متغیر جمعیت، R2 برابر با 90/0 و برای حجم آب سطحی موجود برابر با 65/0 است که موید توانایی خوب مدل طراحی شده در بازسازی رفتار متغیرهای کلیدی در سیستم است همچنین MRE برای دو متغیر جمعیت و حجم آب های سطحی موجود به ترتیب 25/1 درصد و 10/6 درصد محاسبه شده است. بنابراین می توان از سیستم مورد نظر برای شبیه سازی رفتار سیستم WFE در آینده استفاده کرد.

نمودار (1) تغییرات جمعیتی در منطقه مورد مطالعه را نشان می­دهد. در سناریوی پایه، نرخ رشد سالانه جمعیت برابر با 08/1 درصد است که طی دوره 2022-2040 ثابت فرض شده است. نتایج شبیه سازی نشان داد که این متغیر 474028 نفر در سال 2022 است و در پایان دوره شبیه سازی به 575146 نفر می­رسد. انتظار می رود جمعیت بر تقاضای آب، غذا و انرژی در منطقه مورد مطالعه تأثیر بگذارد. 

 

 

نمودار (1)-نتایج شبیه سازی متغیر جمعیت در سطح حوضه

 

نتایج شبیه سازی متغیرهای حجم آب سطحی و زیرزمینی در حوضه آبریز سد درود زن در نمودار (4-2) نشان داده شد. طبق نمودار (2-4) حجم آب سطحی موجود در طول دوره روند کاهشی داشته و حداکثر مقدار خود را در ابتدای دوره شبیه سازی یعنی 787 میلیون مترمکعب تجربه می­کند. در پایان دوره مورد مطالعه، حجم آب سطحی معادل 548 میلیون مترمکعب پیش‌بینی می‌شود. میانگین تغییر سالانه این متغیر طی دوره 2022-2040 برابر 98/1- درصد برآورد شده است. افزایش جمعیت از طریق سرانه مصرف آب خانگی و صنعتی تقاضای آب در این بخش­ها را افزایش می­دهد که خود منجر به افزایش برداشت از منابع در دسترس خواهد شد. بخش کشاورزی نیز با توجه به الگوی کشت منطقه بخشی از منابع آب در دسترس را بخود اختصاص می­دهد. بنابراین با توجه به روند تغییرات ذخیره آب سطحی انتظار می­رود توانایی سیستم در پاسخگویی به تقاضای فزاینده در آینده کاهش یابد که خود زنگ خطری در راستای تعریف و اجرای سیاست­های مدیریت تقاضای آب است.

به همین ترتیب حجم آب زیرزمینی موجود در حوضه درودزن روند نزولی دارد به طوری که از 1449 میلیون مترمکعب در سال 2022 به 581 میلیون مترمکعب در سال 2040 کاهش می­یابد. میانگین تغییرات سالانه این متغیر معادل 94/4- درصد پیش بینی شد.

استفاده بهینه و اصولی از منابع طبیعی خصوصاً منابع آب در کشورهای مختلف ضامن طی مسیرهای توسعه تعریف و تلقی می شود. اتکای روزافزون به این منابع باارزش و ضامن توسعه، آنها را با خطراتی نیز مواجه کرده است. از جنبه­های اصلی رویارویی با بسیاری از این خطرات، بازنگری­های مؤثر در نظام های قانونی، حقوقی، سرمایه گذاری و بهره برداری از منابع آب در تمام جهان خصوصاً کشورهای با خطرپذیری بالاتر است. در سالیان اخیر بحث تغییرات اقلیمی و مباحث پیرامون آن، لزوم ارتباط سازنده با منابع آب و توقف رفتارهای مخرب در برخورد با این موهبت بی­مانند طبیعی را بیش از هر زمان دیگری برجسته کرده است. پدیده رو به رشد تغییرات اقلیمی و جوانب مخرب مرتبط با آن، در هر نقطه­ای از جهان به گونه­ای زندگی ساکنان و به طور کلی شرایط حیات را تحت تأثیر قرار می­دهد.

نمودار (2)- روند حجم آب سطحی در دسترس و منابع آب زیرزمینی در سطح حوضه

در ادامه نتایج شبیه سازی متغیر انرژی و تقاضای برای مواد غذایی در سطح حوضه دوردزن مورد بررسی قرار می­گیرد. نتایج نشان داد که تقاضا برای انرژی در سطح حوضه روندی صعودی دارد. بر اساس نمودار (3)، رشد جمعیت بر تقاضای انرژی تأثیر مثبت دارد. از طرفی پمپاژ آب زیرزمینی نیاز به انرژی دارد. با توجه به شدت انرژی پمپ­های الکتریکی و دیزلی، تقاضا برای انرژی نیز با برداشت از منابع آب زیرزمینی افزایش می­یابد. مطابق نمودار زیر تقاضا برای انرژی در سال 2022 معادل 31/55 میلیون بشکه نفت خام است که در سال 2040 به 55/38 میلیون بشکه نفت خام افزایش خواهد یافت. رشد جمعیت از یک سو به طور مستقیم بر تقاضای انرژی در بخش خانگی اثرگذار است و از سوی دیگر به طور غیر مستقیم از طریق رشد برداشت آب از منابع زیرزمینی منجر به افزایش تقاضای انرژی در سطح حوضه می­گردد.

نمودار (3). روند تقاضای انرژی در سطح حوضه (میلیون بشه نفت خام)

متغیر تقاضای غذا یکی از متغیرهای مهم تأثیرگذار بر رفتار سیستم WFE است. همانطور که در نمودار (4) نشان داده شده است، تقاضا برای غذا روندی افزایشی دارد. در شرایط پایه، با فرض ثابت بودن نرخ رشد جمعیت و تقاضای سرانه برای غذا در حوضه، تغییرات در تقاضای غذا تحت تأثیر تغییرات جمعیت قرار می­گیرد. در ابتدای دوره شبیه سازی تقاضا برای غذا 17832 تن در سال بود که با رشد 33/21 درصدی در سال 2040 به 21637 تن خواهد رسید.

نمودار (4). شبیه سازی تقاضا برای مواد غذایی در سطح حوضه

به منظور بررسی وضعیت سیستم از نظر شاخص پایداری، رفتار شاخص امنیت آب و امنیت غذایی در طول دوره شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نمودار (5) نشان می­دهد شاخص امنیت آبی در سطح حوضه روند نزولی داشته و از 40/2 واد در ابتدار دوره شبیه سازی به 18/1 واحد کاهش می­یابد. بنابراین می­توان انتظار داشت که توانایی سیستم در پاسخگویی به تقاضا در آینده کاهش می­یابد. لذا توجه به سیاست­های مدیریت تقاضا و عرضه آب در سطح حوضه از ضروریات خواهد بود. همان‌گونه که پیداست، با رشد تقاضای آب و افزایش برداشت از منابع آب سطحی و زیرزمینی شاخص امنیت در حال کاهش است. کاهشی بودن شاخص امنیت آب تاکیدی بر لزوم اجرای گزینه‌های مدیریت عرضه و یا تقاضای آب برای دست‌یابی به مدیریت پایدار آب در حوضه آبریز سد درود زن دارد.

نتایج مربوط به شاخص امنیت غذایی حاکی از کاهش توانایی سیستم در پاسخگویی به تقاضای مواد غذایی در آینده است. این شاخص از 13/56 واحد در ابتدای دوره شبیه سازی به 26/46 واحد در انتهای دوره شبیه سازی کاهش می­یابد.

 

Food security index		Water security index
نمودار (5). روند شاخص امنیت غذایی و امنیت آبی در سطح حوضه سد درود زن

در نهایت با محاسبه شاخص پایداری می­توان تاثیر سیاست­های مورد بررسی را بر سیستم WFE حوضه درودزن ارزیابی کرد. میانگین شاخص پایداری حوضه در بازه زمانی 2022-2040 برابر با 62/120 واحد است.

نتیجه گیری و پیشنهادات

با افزایش تقاضا برای آب، انرژی و غذا در آینده، فشار بر این سه بخش افزایش یافته و اهمیت پیوند آب-غذا-انرژی آشکارتر خواهد شد. با توجه به اهمیت این موضوع، پژوهش حاضر با هدف ارائه مدلی مفهومی از پیوند آب-غذا-انرژی و تلاشی برای توسعه ادبیات رو به رشد پیوند WFE در ایران است. با توجه به افزایش جمعیت، توسعه اقتصادی، توسعه شهرنشینی، پیشرفت تکنولوژی و تغییرات آب و هوایی، تقاضا برای آب، انرژی و غذا در آینده افزایش خواهد یافت. در نتیجه منجر به افزایش فشار بر این سه بخش و افزایش اهمیت پیوند آب-غذا-انرژی خواهد شد. در این تحقیق از روش دینامیک سیستم برای طراحی مدل تلفیقی آب – غذا – انرژی در حوضه درودزن در استان فارس استفاده شد. در گام اول، ضمن بررسی ادبیات موجود در زمینه پیوند آب- غذا- انرژی و بررسی ویژگی‌های اجتماعی-اقتصادی و هیدرولوژیکی حوضه درودزن، مدلی ذهنی برای بررسی و تحلیل سیاست‌های مدیریت منابع طراحی شد. سیستم پیوند آب-غذا-انرژی از زیر سیستم تامین آب، جمعیت، انرژی و تقاضای غذا شکل گرفت. بررسی آزمون رفتاری نشان داد که مدل طراحی شده از روایی قابل قبولی برخوردار است. بنابراین به منظور شبیه سازی رفتار متغیرهای کلیدی سیستم در آینده و ارزیابی اثرات سیاست های مختلف مدیریتی، از این مدل یکپارچه استفاده شد.  نتایج نشان داد که تقاضا برای آب، غذا و انرژی به دلیل افزایش جمعیت رو به افزایش است. بنابراین برداشت از منابع آب سطحی و زیرزمینی در طول دوره شبیه سازی روند صعودی داشته و متغیرهای ذخیره آب سطحی و زیرزمینی در حال کاهش است. بنابراین، سیستم منابع آب در برابر پاسخگویی به تقاضای رو به رشد در آینده نزدیک آسیب پذیر است. این نکته را می توان در روند شاخص امنیت آب محاسبه شده برای حوضه درودزن دنبال کرد. شاخص امنیت آب در شرایط پایه روند کاهشی دارد. بنابراین می توان انتظار داشت که سیستم WFE در آینده از نظر دسترسی به منابع آب در وضعیت نامطلوبی قرار گیرد. بنابراین کاهش منابع آب موجود چالشی بسیار جدی برای سیاستگذاران و برنامه ریزان منابع آب در این منطقه است. این موضوع بر لزوم مدیریت پایدار این منبع حیاتی تاکید دارد. این یافته توسط لیانی و همکاران (2021) و کوتیر و همکاران (2017) نیز گزارش شده است. همچنین نتایج نشان داد که با توجه به نرخ رشد مثبت جمعیت در این منطقه، متغیر جمعیت در طول دوره شبیه‌سازی روند صعودی داشته و در سال 2040 به 575 هزار نفر می‌رسد. رشد جمعیت تقاضا برای آب، غذا و انرژی را افزایش می‌دهد. نتایج نشان داد که تقاضا برای غذا و انرژی در سال 2040 به ترتیب به 21637 تن و 38/55 میلیون بشکه نفت خام خواهد رسید. با افزایش تقاضا برای مواد غذایی، شاخص امنیت غذایی حوضه درودزن روند نزولی داشته و از 56 در سال 2022 به 46 در سال 2040 کاهش می یابد. به عبارت دیگر، توانایی سیستم در پاسخگویی به تقاضای روزافزون غذا در آینده کاهش خواهد یافت. این یافته با یافته های کیهان پور و همکاران (2021) همخوانی دارد که نشان داد شاخص امنیت غذایی در استان خوزستان در حال کاهش است. با توجه به نتایج این مطالعه اجرای سیاست­های مدیریت آب، انرژی و غذا در سطح حوضه آبریز سد درود الزامی به نظر می­رسد. در راستای مدیریت منابع آب بهبود راندمان آبیاری و اصلاح الگوی کشت می­تواند مورد توجه قرار گیرد. با اعطاي وام و کمک هاي بلاعوض و برگزاري دوره هاي آموزشی، می­توان زمینه به کارگیري روش هاي جدید آبیاري توسط کشاورزانی که فاقد بضاعت مالی کافی براي تأمین هزینه هاي اجراي روش ها هستند، فراهم نمود. با توجه به اینکه افزایش راندمان آبیاری ممکن است از طریق ذخیره آب انگیزه ای برای افزایش سطح زیرکشت باشد، لذا نظارت در حین اجرای این سیاست حائز اهمیت است. همچنین پیشنهاد می شود در سطوح مختلف راندمان آبیاری این ارزیابی صورت گیرد تا سطح مطلوب راندمان در منطقه به جهت دستیابی به پایداری مشخص گردد. با تغییر الگوی کشت در مناطق با پتانسیل آب کمتر از محصولاتی که به آب زیاد در طول دوره رشد خود نیازمند هستند، به سمت محصولات با مقاومت بالاتر نسبت به کم آبی و محصولاتی که سازگاری بیشتری با شرایط اقلیمی و منطقه­ای دارند می­توان گامی در جهت مدیریت صحیح مصرف آب و افزایش بهره­وری برداشت. با توجه تأثیرات منفی انتظاری اتخاذ این استراتژی بر تولید و درآمد کشاورزان در حوضه مورد بررسی، توسعه فعالیت‌های غیر زراعی و صنایع کوچک تبدیلی در روستاها به‌منظور جبران آسیب‌های ناشی از تغییرپذیری‌های احتمالی شرایط آب و هوایی می­تواند موثر واقع شود. در نهایت کاهش شدت انرژی می­تواند نقش قابل توجهی در کاهش تقاضای انرژی در سطح حوضه داشته باشد که لازم است مورد توجه سیاست گذاران قرار گیرد.

منابع

 

Albrecht, T. R., Crootof, A., & Scott, C. A. (2018). The Water-Energy-Food Nexus: A systematic review of methods for nexus assessment. Environmental Research Letters, 13(4), 043002.

Biggs, E. M., Bruce, E., Boruff, B., Duncan, J. M., Horsley, J., Pauli, N., ... & Imanari, Y. (2015). Sustainable development and the water–energy–food nexus: A perspective on livelihoods. Environmental Science & Policy, 54, 389-397.

Biggs, E. M., Bruce, E., Boruff, B., Duncan, J. M., Horsley, J., Pauli, N., ... & Imanari, Y. (2015). Sustainable development and the water–energy–food nexus: A perspective on livelihoods. Environmental Science & Policy, 54, 389-397.

Cole, M. B., Augustin, M. A., Robertson, M. J., & Manners, J. M. (2018). The science of food security. npj Science of Food, 2(1), 14.

Endo, A., Tsurita, I., Burnett, K., & Orencio, P. M. (2017). A review of the current state of research on the water, energy, and food nexus. Journal of Hydrology: Regional Studies, 11, 20-30.

Ford, F. A. (1999). Modeling the environment: an introduction to system dynamics models of environmental systems. Island Press.

Forrester, J. W. (1994). Industrial dynamics. Journal of the Operational Research Society, 48: 1037-1041.

Keyhanpour, M. J., Jahromi, S. H. M., & Ebrahimi, H. (2021). System dynamics model of sustainable water resources management using the Nexus Water-Food-Energy approach. Ain Shams Engineering Journal, 12(2), 1267-1281.

Kotir, J. H., Smith, C., Brown, G., Marshall, N., & Johnstone, R. (2016). A system dynamics simulation model for sustainable water resources management and agricultural development in the Volta River Basin, Ghana. Science of the Total Environment, 573: 444-457.

Layani, G., Bakhshoodeh, M., & Zibaei, M. (2021). Water resources sustainability under climate variability and population growth in Iran: A system dynamics approach. Caspian Journal of Environmental Sciences, 19(3), 441-455.

Layani, G., Bakhshoodeh, M., Zibaei, M., & Viaggi, D. (2021). Sustainable water resources management under population growth and agricultural development in the Kheirabad river basin, Iran. Bio-based and Applied Economics, 10(4), 305-323.

Lin, Z. (2023). Water-food-energy nexus: Progress, challenges and prospect (No. EGU23-5313). Copernicus Meetings.

Mbow, C., Rosenzweig, C. E., Barioni, L. G., Benton, T. G., Herrero, M., Krishnapillai, M., ... & Diouf, A. A. (2020). Food security (No. GSFC-E-DAA-TN78913). IPCC.

Mirza, F. M., Qurat-ul-Ann, A. R., Rizvi, S. B. U. H., & Iqbal, N. (2023). An Assessment of Water-Energy-Food Nexus for Environmental Sustainability: The Case of Developing Economics. Pakistan Journal of Humanities and Social Sciences, 11(1), 692-700.

Páez, C. F. T., & Salazar, O. V. (2022). The Water–Energy–Food Nexus: An Analysis of Food Sustainability in Ecuador. Resources, 11(10), 90.

Papadopoulou, C. A., & Mellios, N. (2023). Integrating Water-Energy-Food-Ecosystems (WEFE) Nexus Indicators and SDGs (No. EGU23-6277). Copernicus Meetings.

Sterman, J.D. (2000). Business dynamics, systems thinking and modeling for a complex world (No. HD30. 2 S7835 2000). Boston.

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.

Wu, G., Li, L., Ahmad, S., Chen, X., & Pan, X. (2013). A dynamic model for vulnerability assessment of regional water resources in arid areas: a case study of Bayingolin, China. Water Resources Management, 27, 3085-3101.

Yang, C. C., Chang, L. C., & Ho, C. C. (2008). Application of system dynamics with impact analysis to solve the problem of water shortages in Taiwan. Water Resources Management, 22, 1561-1577.

Zhang, C., Chen, X., Li, Y., Ding, W., & Fu, G. (2018). Water-energy-food nexus: Concepts, questions and methodologies. Journal of Cleaner Production, 195, 625-639.

Zhang, T., Tan, Q., Yu, X., & Zhang, S. (2020). Synergy assessment and optimization for water-energy-food nexus: Modeling and application. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 134, 110059.

Zhuang, Y. (2014) A system dynamics approach to integrated water and energy resources management (Graduate Theses and Dissertations).

 

 

Modelling the water-food-energy nexus in the Dorodzen dam basin using system dynamics for sustainable agriculture

 

Abstract

 

The water, energy and food sectors are facing increasing demand, which will put pressure on these sectors in the future. The water-food-energy link is becoming more and more important due to this demand. To address this issue, a conceptual model of the water-food-energy link was developed and a growing literature on this link at the basin level in Iran was explored. The system dynamics method was used to design an integrated water-food-energy model in the Dorodzan basin in Fars province. A mental model was designed to review and analyze resource management policies after reviewing the existing literature in the field of water-food-energy connection and examining the socio-economic and hydrological features of Dorodzan Basin. The designed model showed acceptable validity in examining the behavioural test. Consequently, the integrated model was used to simulate the behaviour of key system variables in the future. The results indicate an increase in the demand for water, food, and energy due to population growth, causing a rise in withdrawal from surface and underground water sources. The simulation period showed a decrease in surface and underground water storage variables. Besides, the population variable has an upward trend during the simulation period, reaching 575 thousand people in 2040. The demand for food and energy is also expected to increase, reaching 21637 tons and 55.38 million barrels of crude oil in 2040, respectively. With the increase in demand for food, the food security index of the Dorodzan basin is expected to decrease from 56 in 2022 to 46 in 2040. The water security index will also experience a downward trend during the simulation period.

Keywords: System Dynamics, Nexuse, Water, Energy, Food, Sustainable

---

Related articles