25165

طراحي و توسعة يك ابزار پشتيبان تصميم مبتني بر WebGIS به‌منظور ارزيابي پايداري همبست آب-انرژي-غذا

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران گرايش مهندسي محيط زيست

1397

1400/06/02

مطهره سعادت پور - ماريو جيامپيترو

مهندسي عمران

در راستاي تكامل رويكردهاي چندجانبه گرايانه در مديريت محيط‌زيست، نظير تفكر آب-غذا-تجارت (آب مجازي)، مديريت يكپارچه منابع آب (IWRM) يا مديريت يكپارچه منابع طبيعي (INRM)، و تحقق اهداف توسعه پايدار، رويكرد همبست آب-انرژي-غذا، به ‌عنوان جايگزيني جامع، در سال هاي اخير معرفي، به طور گسترده در پژوهش ها استفاده شده و پشتوانه فكري تحليل سامانه هاي پيچيده و درهم تنيده آب، انرژي و غذا را فراهم كرده است. رويكرد (تفكر) همبست، به بياني ساده، به پيوند متقابل هر يك از اين سه منبع با لحاظ هم افزايي ها و بده بستان ها، ارتباط اين منابع با كاربري اراضي و تأثيرات تغييرات اقليمي بر اين سامانه ها و برهم كنششان با يكديگر، مي پردازد. منابع عدم قطعيت بي‌شمار، پيچيدگي ذاتي و مشكلات مربوط به جمع آوري و استفاده از داده ها، عدم اجماع جهاني بر سر چارچوبي معين براي تحليل همبست و همچنين فقدان يك پلتفرم (ابزار آنلاين) قابل‌دسترسي (همگاني) با قابليت تحليل توأمان كمي، كيفي و مكاني، دشواري تصميم گيري در اين حوزه را دوچندان كرده است. يكي از روش هاي متداول و پركاربرد در تحليل سامانه هاي همبست آب، انرژي و غذا، روش تحليل يكپارچه چند مقايسه متابوليسم اكوسيستمي و اجتماعي يا به‌اختصار MuSIASEM است كه از ابتداي سدة (ميلادي) جاري تاكنون در حال تكامل و پوست‌اندازي بوده و در سال 2014 نسخه شماره دو آن تحت عنوان MuSIASEM 2.0 معرفي و در پژوهش هاي همبست، به طور فزاينده، بكار گرفته شده است. نخستين كاربري اين روش در سال 1999 و براي تحليل سامانه هاي كشاورزي با تمركز بر جريان هاي انرژي بوده اما به‌مرور زمان، توانايي تحليل جريان هاي مالي و داده هاي كاربري اراضي، جمعيتي، آب و غذا به اين چارچوب حسابداري افزوده شده است و آن را به يكي از پرطرف‌دارترين چارچوب هاي ارزيابي پايداري به‌ويژه در مسائل پيرامون سامانه هاي همبستي، تبديل كرده است. در اين روش، تحليل پايداري در دو حالت تشخيصي (وضع موجود) و شبيه سازي (سناريوها) قابل انجام است. طبق مرور ادبيات انجام شده در اين پژوهش، تاكنون بيش از صد مقاله، كتاب و گزارش علمي، در بيش از شصت كشور جهان، براي مطالعات پايداري و پروژه هاي زيست‌محيطي خود، از اين روش بهره برده اند. متأسفانه، تا اين لحظه، تنها يك ابزار پشتيبان تصميم بر اساس چارچوب حسابداري MuSIASEM طراحي شده است كه آن ابزار اولاً در دسترس عموم نبوده و ثانياً اختصاصاً براي مديريت پسماند جامد شهري (و نه سامانه همبست آب-انرژي-غذا) طراحي شده و ثالثاً محدود به يكي از استان هاي كشور ايتاليا مي باشد. همچنين، پژوهشگران براي انجام تحليل هاي مكاني مرتبط با مطالعه همبست، مجبور به نصب و يادگيري نرم افزارهايي بدون قابليت مصورسازي و به اشتراك گذاري داده ها و نتايج، هستند. براي غلبه بر اين محدوديت ها، اين پژوهش، به طراحي و توسعه يك ابزار پشتيبان تصميم گيري مكاني تحت وب، با نقشه هاي تعاملي، پرداخته كه در آن، كاربر، مي‌تواند سامانه همبست مورد مطالعه را در چارچوب حسابداري MuSIASEM 2.0 تحليل كرده، سناريوهاي مختلف را شبيه سازي نمايد و به كمك نتايج مصور و نقشه هاي مكاني، بررسي هاي لازم را بر روي امكان سنجي، دوام و مطلوبيت سناريوهاي مختلف، براي رسيدن به بهترين تصميم ممكن، به عمل آورَد. ابزار تحت وبِ بر خط توسعه داده شده اين تحقيق تحت نام NexuSustain مي باشد كه به منظور ارزيابي كارايي اين ابزار، از داده هاي يك مطالعه ي موردي مربوط به سال 2013 در منطقه جزيره موريس استفاده شده كه مشابهت خروجي كار، با خروجي هاي آن مطالعه نشان دهنده صحت قابليت و توانايي اين ابزار مي باشد. بر اساس نتايج تحليلهاي ارائه شده توسط NexuSustain بيشترين مصرف آب، انرژي و غذا به ترتيب در بخشهاي انرژي و معدن، دستمزدي (صنعت و خدمات) و خانگي به ميزان 260 ميليون مترمكعب، 35 پتاژول و 5 پتاژول در سال گزارش گرديده است. با توجه به ويژگيهاي جغرافيايي منطقه موريس و وضعيت منابع آب و خاك آن و نيز نوع فعاليتهاي منطقه، شاخص ارزش افزوده ناخالص به ازاي مصرف يك واحد از جريانات آب، انرژي و غذا، در بخش دستمزدي (صنعت و خدمات) بيش از ساير بخشهاي انرژي و معدن، كشاورزي و خانگي است.

1400/06/11

Designing and Developing a WebGIS-Based Decision Support Tool for Sustainability Assessment of Water-Energy-Food Nexus

1/1/1900 12:00:00 AM

Following the evolution of integrated approaches for environmental management, such as water-food-trade (virtual water) thinking, Integrated Water Resources Management (IWRM), and Integrated Natural Resources Management (INRM), and towards accomplishing the Sustainable Development Goals, the Water-Energy-Food (WEF) Nexus was introduced in the recent years as a comprehensive alternative and was used wildly in research which provided the thinking background of the analysis of complicated, intertwined, water, energy, and food systems. The nexus approach (thinking), in simple terms, deals with the interlinkage within these three recourses by considering their synergies, trade-offs, interactions, relationship with land use, and effects of climate change on each of them. Numerous sources of uncertainties, the inherent complexity, and problems associated with gathering and utilizing data, lack of global consensus on a specific accounting framework, as well as the absence of a (globally) accessible platform capable of simultaneous quantitative, qualitative, and spatial analysis have increased the difficulties of research in this field. One of the most common methods in analyzing WEF nexus systems is the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM), which has been evolving since the beginning of the current century. In 2014, the second version, named MuSIASEM 2.0, was introduced and has been increasingly used in nexus studies. The debut of the framework goes back to 1999 for analyzing energy flows in agricultural systems. However, over time, the capability of analyzing monetary flows, land use, demographic, water, and food data was added to the framework and made it one of the most popular sustainability assessment methods, especially in the nexus field. Based on the literature review conducted on this research, more than one hundred scientific articles, books, and reports have benefited from this method in their sustainability studies and environmental projects in more than sixty countries worldwide. Regrettably, so far, no specialized software or platform, neither for diagnostic/simulation analysis nor for decision support, is designed. Researchers must learn how to use various geospatial analysis software to conduct resource accounting studies, even without data visualization or sharing capability. To overcome these limitations, this study aims to design and develop a web-based spatial decision support tool with interactive maps where the user can analyze a nexus system within the MuSIASEM 2.0 framework, simulate various scenarios, and with the help of visualized results and spatial maps, conduct feasibility, viability, and desirability checks for different strategies to reach the best and most sustainable decision. An introduction to this research's subject, goals, and novelties is presented in the first chapter. The subsequent chapter addresses the concepts of sustainability assessment and water-energy-food nexus and a literature review on applications of WebGIS technology in environmental studies. The third chapter deals with designing the application, first by discussing the jargon and mechanism of the MuSIASEM framework. This study's core lies in the fourth chapter, which details the step-by-step development procedure, technology stack, and system architecture. Since evaluation is an inseparable part of any application (desktop or web-based), this chapter's final discussion is dedicated to this aim. In the last chapter, a summary of the research, a discussion on the results, and suggestions for future development are discussed. To better understand the context, abbreviated and technical words are linked to the abbreviation list and technical dictionary presented respectively at the beginning and end of this thesis.