مدل‌سازی دینامیکی امنیت پایدار آبی براساس هم‌بست آب، محیط زیست، غذا و انرژی (وِفِن) در گل‌خانه تاریک انرژتیک (گُتا)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگر، مرکز پژوهشی انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکدۀ علوم و فنون دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 دانشیار، مرکز پژوهشی انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22059/ses.2024.381384.1090

چکیده

آب، محیط ‏زیست، غذا و انرژی از عوامل مهم و درهم‏تنیده حال و آیندۀ بشری برای نیل به توسعۀ پایدار است. با روند رو به رشد جمعیت، حفظ و صیانت این منابع و استفادۀ صحیح از آن‏ها موضوعی مهم خواهد بود. اهمیت این امر موجب می‏شود تا اقدام‏های کلان و راهبردی برای چشم‏انداز مثبت در آینده در زمینه‏های مختلف پیشنهاد شود. رویکرد هم‏بست آب، محیط‏ زیست، غذا و انرژی (وِفِن) با نگرش حجمی، یک الگوی توسعه در جوامع بشری است که جهان را به ‏سمت پایداری سوق می‏دهد. رویکرد هم‏بست یک راه‏حل برای تجزیه‏و‏تحلیل رفتار درهم‏تنیدۀ پارامتر‏های حاکم در یک سامانه است. سامانه‏های مبتنی ‏بر هم‏بست می‏توانند اثر پارامتر‏های متقابل را در یک نگرش به‏هم‏پیوسته مورد بررسی قرار دهند. از طرف دیگر، به‏کارگیری مدل‏های ریاضی در هم‏بست‏ها می‏تواند اثر پارامتر‏های دیگر را بر مؤلفه‏های اصلی و تقابل مؤلفه‏ها را در یک سامانۀ پویا گسترش دهند و آن را قابل درک‏تر کنند. در این پژوهش، و براساس تعامل‏های بین متغیر‏های اصلی آب، محیط‏ زیست، غذا و انرژی راه‏حل مفهومی گل‏خانۀ تاریک انرژتیک (گُتا) برای ایجاد امنیت پایدار آبی، محیط‏ زیستی، غذایی و انرژی پیشنهاد شده است. تحلیل هر یک از این زیرسامانه‏ها به ‏‏دلیل اثر متقابلی که بر سایر پارامتر‏ها دارد، بسیار مهم خواهد بود. در این پژوهش، مدل‏سازی دینامیکی سامانۀ هوشمند آبیاری در گل‏خانۀ تاریک انرژتیک (گُتا) و در یک سامانۀ حلقه بسته با استفاده از نرم‏افزار Ple 10.2.0 ®Vensim انجام شده است. در این مدل‏سازی علاوه ‏بر حفظ ماهیت اصلی گل‏خانۀ تاریک انرژتیک (گُتا) در کاهش چشم‏گیر حجم آبیاری، با روش کندانس رطوبت محیط و بازیافت آب خروجی از سامانه، مصرف آب در این سامانه به حداقل می‏رسد. نتایج نشان می‏دهد با در نظر گرفتن این روش، ۱۳/۱۴ درصد آب از دوباره‏ مصرف کل شبکه تأمین می‏شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Dynamic Modeling of Sustainable Water Security Based on Water, Environment, Food, and Energy Nexus (WEFEN) in an Energetic Dark Greenhouse (EDG)

نویسندگان [English]

  • Yeganeh Ghandriz 1
  • Yazdan Alvari 1
  • Sara Mahmoodian Yonesi 1
  • Abolghasem Mosayyebi 1
  • Mohammad Mir Drikvand 2
  • Ali Jahangiri 3
  • Majid Zandi 3
1 Researcher, Energy Research Center (ERC), Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Science and Technology, University of Tehran
3 Associate Professor, Department of Energy Conversion, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
چکیده [English]

Water, environment, food, and energy security are intertwined challenges to achieve sustainable development. The significance of this matter necessitates strategic and large-scale action for an outlook in various fields. The Water-Environment-Food-Energy nexus (WEFEN) approach, with a volumetric perspective, is a development model that drives the world toward sustainability. This approach is a solution to analyze the behavior of intertwined WEFEN parameters. Employing mathematical models in nexuses unravels the effects of parameters on the main components and their interactions in a dynamic system. In this research, based on the interactions between the main variables of WEFEN, the conceptual solution of the Energetic Dark Greenhouse (EDG) is proposed to achieve sustainable development. The analysis of each subsystem is crucial due to their mutual effects on other parameters. In this study, the dynamic modeling of the smart irrigation system in the EDG was conducted in a closed-loop system using Vensim® PLE 10.2.0 software. This modeling not only preserves the core concept of the EDG by reducing irrigation volume but also minimizes water consumption through environmental moisture condensation and the recycling of system waste. The results show that considering this method, 14.13% of water is supplied from the reuse of the entire network.

کلیدواژه‌ها [English]

  • sustainable development
  • sustainable water security
  • WEFEN
  • energetic dark greenhouse (EDG)
  • dynamic modeling

مراجع

[1]        M. Gandomzadeh, S. M. Younesi, A. Mosayyebi, and M. Zandi, “Development scenarios for electrical energy storage in Iran with Cross-Impact Balance method,” J. Sustain. Energy Syst., vol. 1, 2022.
[2]        United Nations, World Population Prospects 2022: Summary of results.
[3]        É. C. Francisco, P. S. de A. Ignácio, A. L. Piolli, and M. E. S. Dal Poz, “Food-energy-water (FEW) nexus: Sustainable food production governance through system dynamics modelling journal of cleaner production,” J. Clean. Prod., vol. 386, no. December 2022, 2023, doi: 10.1016/j.jclepro.2022.135825.
[4]        D. C. Moreno Vargas, C. del P. Quiñones Hoyos, and O. L. Hernández Manrique, “The water-energy-food nexus in biodiversity conservation: A systematic review around sustainability transitions of agricultural systems,” Heliyon, vol. 9, no. 7, 2023, doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e17016.
[5]        M. B. Ledari, Y. Saboohi, and S. Azamian, “Water- food- energy- ecosystem nexus model development: Resource scarcity and regional development,” Energy Nexus, vol. 10, no. May 2022, p. 100207, 2023, doi: 10.1016/j.nexus.2023.100207.
[6]        L. Hao, P. Wang, J. Yu, and H. Ruan, “An integrative analytical framework of water-energy-food security for sustainable development at the country scale: A case study of five Central Asian countries,” J. Hydrol., vol. 607, no. June 2021, p. 127530, 2022, doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.127530.
[7]        International Renewable Energy Agancy (IRENA), “RENEWABLE ENERGY IN THE WATER, ENERGY & FOOD NEXUS,” 2015.
[8]        P. Rajput, S. Singh, T. B. Singh, and R. K. Mall, “The nexus between climate change and public health: a global overview with perspectives for Indian cities,” Arab. J. Geosci., vol. 16, no. 1, pp. 1–19, 2023, doi: 10.1007/s12517-022-11099-x.
[9]        M. Zandi, M. Allaedini, Y. Alvari, and S. mahmudian yunesi, “Solar energy nexus of water, environment, food and energy (WEFEN),” 2021.
[10]      H. Hoff, “Understanding the Nexus. Background paper for the Bonn2011 Nexus Conference: The Water, Energy and Food Security Nexus,” 2011.
[11]      R. Ferroukhi et al., “Renewable energy in the water, energy and food nexus,” Int. Renew. Energy Agency, no. January, pp. 1–125, 2015.,” Int. Renew. Energy Agency, pp. 1–125, 2015.
[12]      World Economic Forum, “Global Risks 2015: 10th Edition,” p. 69, 2015, doi: http://www3.weforum.org/docs/WEF_Global_Risks_2015_Report15.pdf.
[13]      World Economic Forum, “Global Risks 2016: 11th Edition,” 2016.
[14]      L. L. B. Lazaro, L. L. Giatti, L. S. V. de Macedo, and J. A. P. de Oliveira, Water-Energy-Food Nexus and Climate Change in Cities. 2022.
[15]      S. Pirebabi, A. Mosayebi, and M. Zandi, “Development scenarios for electric vehicles in Iran with Dynamic System method,” J. Sustain. Energy Syst., vol. 2, 2023.
[16]      M. Ling, T. Qi, W. Li, L. Yu, and Q. Xia, “Simulating and predicting the development trends of the water–energy–food–ecology system in Henan Province, China,” Ecol. Indic., vol. 158, no. January, 2024, doi: 10.1016/j.ecolind.2023.111513.
[17]      H. Gao, X. Liu, L. Wei, X. Li, and J. Li, “Dynamic simulation of the water-energy-food nexus (WEFN) based on a new nexus in arid zone: A case study in Ningxia, China,” Sci. Total Environ., vol. 898, no. March, p. 165593, 2023, doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.165593.
[18]      X. Wang, Z. Dong, and J. Sušnik, “System dynamics modelling to simulate regional water-energy-food nexus combined with the society-economy-environment system in Hunan Province, China,” Sci. Total Environ., vol. 863, no. December 2022, pp. 1–15, 2023, doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.160993.
[19]      R. A. Bellezoni, D. Sharma, A. A. Villela, and A. O. Pereira Junior, “Water-energy-food nexus of sugarcane ethanol production in the state of Goiás, Brazil: An analysis with regional input-output matrix,” Biomass and Bioenergy, vol. 115, pp. 108–119, 2018.
[20]      T. Shah, “Water-energy-food-environment nexus in action: Global review of precepts and practice,” Cambridge Prism. Water, vol. 1, 2023, doi: 10.1017/wat.2023.6.
[21]      Y. Ghandriz, “Control of Irrigation and Injection of CO2 systems to the Energetic Dark Greenhouse (EDG) based on volumetric overview of Water, Environment,Food & Energy Nexus (WEFEN),” 2019.
[22]      T. Kozai, “Sustainable plant factory: Closed plant production systems with artificial light for high resource use efficiencies and quality produce,” Acta Hortic., vol. 1004, pp. 27–40, 2013.
[23]      V. S. Saji, A. A. Meroufel, and A. A. Sorour, Corrosion and fouling control in desalination industry. 2020. doi: 10.1007/978-3-030-34284-5.
فصلنامه سیستم های انرژی پایدار
دوره 3، شماره 4
مهر 1403
صفحه 361-379

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار