Methods for modelling the water - energy - food nexus and other environmental systems towards resilience and sustainability
Authors: Ιωάννου Αλεξάνδρα 
Published: July 2023

Αυτή η διατριβή διερευνά τις δυνατότητες ανάλυσης της διασύνδεσης (nexus) των πόρων στο πλαίσιο προηγμένων αλγορίθμων ομαδοποίησης και μοντελοποίησης δυναμικών συστημάτων, στοχεύοντας στη διασφάλιση του νερού σε όλα τα επίπεδα (οικιακό, πόλης και εθνικό επίπεδο) συμβάλλοντας έτσι στην περιβαλλοντική ασφάλεια. Εξετάζοντας τη διασύνδεση Νερού-Ενέργειας-Τροφής (Water-Energy-Food Nexus—WEF Nexus) και σε μια προσπάθεια να προσδιορίσουμε ποιος τομέας επηρεάζει περισσότερο τους άλλους τομείς (αυτός με τη μεγαλύτερη επιρροή) και ποιος τομέας επηρεάζεται περισσότερο (ο πιο ευάλωτος), άλλες μελέτες (Laspidou et al., 2019) καταδεικνύουν ότι ο τομέας του Νερού είναι ο πιο ευάλωτος. Για τον σκοπό αυτό —αποδοτική χρήση νερού μέσω επιστήμης δεδομένων, τεχνολογιών και ευφυών συστημάτων— αλγόριθμοι ομαδοποίησης και συγκεκριμένα Χάρτες Αυτό-οργάνωσης (Self-Organizing Maps), K-means (KM) και Hierarchical Agglomerative Clustering (HAC) εφαρμόζονται στη matlab και το RStudio για τον εντοπισμό προτύπων κατανάλωσης νερού σε επίπεδο νοικοκυριού και καταναλωτή, χρησιμοποιώντας διαφορετικά χαρακτηριστικά του πληθυσμού κάθε φορά για την τροφοδότηση των αλγορίθμων. Επιπλέον, διεξάγεται μια ανάλυση διασύνδεσης νερού-ενέργειας ποσοτικοποιώντας τη διασύνδεση νερού και ενέργειας σε επίπεδο πόλης. Στη συνέχεια το ελληνικό σύστημα WEF Nexus υπό την κλιματική αλλαγή προσομοιώνεται σε δυναμικό μοντέλο συστημάτων χρησιμοποιώντας το Stella Architect. Ακολουθεί μια συστημική ανάλυση ανθεκτικότητας (system resilience analysis) που εφαρμόστηκε στο ίδιο μοντέλο για να εξεταστεί ποια προτεινόμενη πολιτική καθιστά το σύστημα πιο ανθεκτικό όσον αφορά το μέγεθος της διαταραχής που μπορεί να απορροφήσει και το πόσο γρήγορα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Τέλος, πραγματοποιείται μια ανάλυση με σκοπό την ποσοτικοποίηση του αντίκτυπου του WEF Nexus ως πολυδιάστατης προσέγγισης στους 17 Στόχους Βιώσιμης Ανάπτυξης (ΣΒΑ), στοχεύοντας στην προώθηση της ολοκλήρωσης του σχεδιασμού και της χάραξης πολιτικής.Σε αυτή τη διατριβή, έχουν χρησιμοποιηθεί πολλά σύνολα δεδομένων που προέρχονται από διάφορα ερευνητικά έργα. Τα σύνολα δεδομένων είναι τα ακόλουθα:1)Κατανάλωση νερού από ένα μόνο νοικοκυριό στο Sosnowiec της Πολωνίας σε διάφορες τοποθεσίες, όπως κουζίνα, νεροχύτης μπάνιου, ντους/μπανιέρα, πλύσιμο τουαλέτας, πλυντήριο πιάτων και πλυντήριο ρούχων. Tα δεδομένα είχαν λεπτομερή καταγραφή 30 δευτερολέπτων. Αυτό το σύνολο δεδομένων προήλθε από το ευρωπαϊκό έργο ISS-EWATUS. 2)Συνολική κατανάλωση νερού οικιακής χρήσης για το Μίλφορντ, Οχάιο, ΗΠΑ, για 10 νοικοκυριά. Η ευαισθησία των χρονικών δεδομένων δεν είναι σταθερή εδώ, αφού υπήρχε καταγραφή κάθε φορά που συνέβαινε ένα «περιστατικό» χρήσης νερού, π.χ. κάθε φορά που χρησιμοποιήθηκε μια βρύση στο νοικοκυριό. Αυτό το σύνολο δεδομένων μας παρασχέθηκε μέσω μιας ερευνητικής συνεργασίας με τον καθηγητή Enrico Creaco (Buchberger et al., 2003).3)Συνολική κατανάλωση νερού για το νησί της Σκιάθου. Αυτό το σύνολο δεδομένων προήλθε από την Ύδρευση της Σκιάθου και αντιπροσωπεύει τις ημερήσιες ποσότητες επεξεργασμένου νερού που παρέχονται σε νοικοκυριά και επιχειρήσεις στη Σκιάθο, με ανάλυση μίας τιμής ανά ημέρα. Αυτό το σύνολο δεδομένων προήλθε από το έργο της ΕΕ ISS-EWATUS.4)Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για το νησί της Σκιάθου χωρίζεται σε 3 χρήσεις - οικιακή, αγροτική και εμπορική - σε μηνιαίο χρονικό βήμα για 6 χρόνια (2010 έως 2015). Αυτό το σύνολο δεδομένων προήλθε από τη Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού της Ελλάδος 5)Ένα εκτενές σύνολο δεδομένων σε εθνικό επίπεδο για την Ελλάδα χωρισμένη στις 14 Περιοχές Λεκάνης Απορροής Ποταμού για το νερό, την ενέργεια, τα τρόφιμα, τη χρήση γης και το κλίμα. Το χρονικό βήμα είναι μηνιαίο για το έτος 2010. Αυτό το σύνολο δεδομένων προέρχεται από το έργο SIM4NEXUS και είναι δημόσια διαθέσιμο (Mellios and Laspidou, 2020).Η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας περιγράφεται ως εξής:Το κεφάλαιο 2, εστιάζει στο πώς μπορούμε να δημιουργήσουμε ομάδες (clusters) χρησιμοποιώντας δεδομένα ημερήσιας κατανάλωσης νερού ενός νοικοκυριού με απώτερο σκοπό τη διασφάλιση του νερού σε οικιακό επίπεδο. Οι οικιακές καταναλώσεις νερού μπορεί να ομαδοποιηθούν σε ημέρες της εβδομάδας, μέσω ορισμένων χαρακτηριστικών του πληθυσμού. Τα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται για τη διακριτοποίηση των ημερών κατανάλωσης νερού είναι οι στατιστικές μετρήσεις και οι (ανά μισή ώρα) μετρήσεις κατανάλωσης σε διάφορες ζώνες ώρας. Η χρονική διακριτοποίηση της ζώνης ώρας πραγματοποιείται με δύο τρόπους, ο πρώτος είναι η τυπική πρωινή, μεσημεριανή, απογευματινή, και βραδινή ζώνη και ο δεύτερος λαμβάνοντας υπόψη τις τυπικές ζώνες εργάσιμων ωρών σε κάθε περιοχή. Για την ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος SOM, χρησιμοποιώντας ορισμένα από τα επιλεγμένα χαρακτηριστικά. Αποτέλεσμα της συγκεκριμένης ανάλυσης ήταν η αυτό-οργάνωση των δεδομένων σε ομάδες (clusters) με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που ουσιαστικά διακριτοποιούν τις καταναλώσεις νερού του νοικοκυριού σε καθημερινές και Σαββατοκύριακα. Ο αλγόριθμος δηλαδή καταφέρνει να αναγνωρίσει ξεκάθαρα μοτίβα κατανάλωσης, ομαδοποιώντας τα δεδομένα των καθημερινών (Δευτέρα έως Παρασκευή) σε ξεχωριστή ομάδα από αυτή των Σαββατοκύριακων.Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται μια ανάλυση των προτύπων αστικής κατανάλωσης νερού σε επίπεδο καταναλωτή και η εκτίμηση της αντίστοιχης ζήτησης νερού για την εταιρεία ύδρευσης. Αυτή η μελέτη προτείνει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για τους διαχειριστές νερού ώστε να επιτύχουν μια αποτελεσματική λειτουργία των δικτύων ύδρευσης, ανιχνεύοντας επιτυχώς πρότυπα κατανάλωσης νερού οικιακής χρήσης που αντιστοιχούν σε διαφορετικές οικιακές ανάγκες και συμπεριφορές. Η μεθοδολογία χρησιμοποιεί SOM ως τον κύριο αλγόριθμο ομαδοποίησης σε συνδυασμό με KM και HAC. Ο στόχος είναι να δημιουργηθούν ομάδες από ένα σύνολο δεδομένων που περιλαμβάνει την κατανάλωση νερού πελατών – χρηστών. Αρχικά, τα δεδομένα κατανάλωσης νερού καταγράφονταν για κάθε περιστατικό χρήσης νερού στο νοικοκυριό, ενώ για αυτήν την ανάλυση, οι πληροφορίες μετατρέπονται σε κατανάλωση νερού ανά μισή ώρα. Οι μεμονωμένοι πελάτες με παρόμοια συμπεριφορά κατανάλωσης ομαδοποιούνται και υπολογίζονται οι καμπύλες κατανάλωσης νερού για κάθε ομάδα. Αυτές οι καμπύλες μπορούν να χρησιμοποιηθούν από την εταιρεία ύδρευσης για να ληφθούν εκτιμήσεις της χώρο-χρονικής κατανομής της ζήτησης, δίνοντας έτσι πληροφορίες για τις απαιτήσεις αιχμής σε διαφορετικές τοποθεσίες μέσα στο δίκτυο. Οι στατιστικοί δείκτες χρησιμοποιούνται για να επιβεβαιώσουν την καλή συμφωνία μεταξύ της εκτιμώμενης και της πραγματικής χρήσης νερού, όταν χρησιμοποιείται ομαδοποίηση. Οι καμπύλες που προκύπτουν δείχνουν μια σαφή βελτίωση στην καταγραφή της συμπεριφοράς κατανάλωσης νερού σε επίπεδο νοικοκυριού, σε σύγκριση με αντίστοιχες καμπύλες που λαμβάνονται χωρίς ομαδοποίηση. Αυτή η ανάλυση προσφέρει στους κατοίκους, τους διαχειριστές ύδρευσης, τις επιχειρήσεις κοινής ωφελείας και τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής μια καινοτόμο λύση που βασίζεται σε δεδομένα πραγματικού χρόνου και χρησιμοποιεί αρχές της επιστήμης δεδομένων για τη βελτιστοποίηση της παροχής νερού και της λειτουργίας του δικτύου, ανιχνεύοντας επιτυχώς πρότυπα κατανάλωσης νερού οικιακής χρήσης που αντιστοιχούν σε διαφορετικές οικιστικές ανάγκες και συμπεριφορές. Στο κεφάλαιο 4, διεξάγεται μια ανάλυση της διασύνδεσης Νερού-Ενέργειας (Water–Energy Nexus analysis) προκειμένου να επιτευχθεί βιώσιμος εφοδιασμός και αποτελεσματική διαχείριση νερού και ενέργειας σε επίπεδο πόλης. Διαφορετικές χρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας, όπως οικιακή, γεωργική και εμπορική συγκρίνονται και ελέγχονται ως προς το πώς συσχετίζονται με τη χρήση του νερού. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται χρονοσειρές κατανάλωσης νερού και ενέργειας για το νησί της Σκιάθου χρησιμοποιώντας συγκεκριμένους δείκτες μέτρησης (distance metrics). Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι το νερό και η ενέργεια είναι άρρηκτα συνδεδεμένα. Παρόλα αυτά, ως εξαίρεση σε αυτή την περίπτωση μελέτης, συγκεκριμένα η οικιακή χρήση ηλεκτρικής ενέργειας δεν δείχνει να συσχετίζεται με τη χρήση νερού. Η μεμονωμένη αυτή περίπτωση οφείλεται στο γεγονός ότι στο νησί της Σκιάθου το νερό χαρακτηρίζεται από υψηλή περιεκτικότητα υδραργύρου, καθιστώντας έτσι το νερό μη κατάλληλο για πόση, οπότε η οικιακή του χρήση είναι περιορισμένη.Στο κεφάλαιο 5, υπογραμμίζεται ότι η κλιματική αλλαγή επηρεάζει την ασφάλεια νερού-ενέργειας-τροφής. Δεδομένης της πολυπλοκότητας των διασυνδέσεων σε ένα σύστημα Nexus, αυτό το φαινόμενο μπορεί να επιδεινωθεί όταν οι βρόχοι ανάδρασης μεγεθύνουν τα επιζήμια αποτελέσματα και δημιουργούν φαύλους κύκλους, όπου τα αρνητικά αποτελέσματα φαίνονται ταχύτατα. Στα συστήματα WEF Nexus, οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής θεωρούνται διαταραχές/σοκ και μπορεί να επηρεάσουν το σύστημα με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με την ανθεκτικότητά του. Οι μελλοντικές παγκόσμιες προκλήσεις θα επηρεάσουν σοβαρά όλους τους ζωτικούς πόρους και θα απειλήσουν την περιβαλλοντική ανθεκτικότητα. Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζεται ένα πλαίσιο ανάλυσης ανθεκτικότητας για ένα σύστημα WEF Nexus υπό την κλιματική αλλαγή και προσδιορίζουμε πώς τέτοια συστήματα μπορούν να γίνουν πιο ανθεκτικά με την εφαρμογή πολιτικών. Παρουσιάζουμε αποτελέσματα για την εθνική περίπτωση μελέτης της Ελλάδας. Μέρος της μεθοδολογίας αποτελεί η παραμετρική ανάλυση ευαισθησίας (parametric sensitivity analysis) για κοινωνικό-οικολογικά συστήματα ώστε να προσδιοριστεί ως προς ποια παράμετρο είναι πιο ευαίσθητο το μοντέλο. Η περίπτωση μελέτης βασίζεται στη δομή ενός μοντέλου δυναμικού συστήματος που χαρτογραφεί δεδομένα ανά τομέα από μεγάλες εθνικές και διεθνείς βάσεις δεδομένων, ενώ παρουσιάζονται Causal Loop Diagrams και Stock-and-Flow Diagrams. Μέσω των μετρήσεων μηχανικής και οικολογικής ανθεκτικότητας, ποσοτικοποιούμε την ανθεκτικότητα του συστήματος και προσδιορίζουμε ποια πολιτική καθιστά το σύστημα πιο ανθεκτικό όσον αφορά το μέγεθος των διαταραχών που μπορεί να απορροφήσει και πόσο γρήγορα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, αν επανέλθει καθόλου. Δοκιμάζονται δύο πολιτικές και εφαρμόζεται το πλαίσιο για να προσδιοριστεί ποια πολιτική είναι η πιο ωφέλιμη για τα διαστήματα ανθεκτικότητας του συστήματος.Τέλος, το κεφάλαιο 6 εστιάζει στη διασταυρούμενη χαρτογράφηση σημαντικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δεικτών διασύνδεσης Νερού-Ενέργειας-Τροφής και των ΣΒΑ. Οι χώρες παγκοσμίως καταβάλλουν προσπάθειες για να επιτύχουν βιωσιμότητα μέσω των 17 ΣΒΑ και ταυτόχρονα να συμβάλουν στην περιβαλλοντική ασφάλεια. Η διασύνδεση Νερού–Ενέργειας–Τροφής (WEF Nexus) στοχεύει να ενισχύσει αυτή την προσπάθεια μέσω μιας ολοκληρωμένης, πολυεπιστημονικής και πολυτομεακής προσέγγισης, που παρέχει καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των Στόχων, σε διαφορετικές κλίμακες, για την προώθηση της δίκαιης πρόσβασης σε πόρους, την ανθρώπινη ευημερία και την οικολογική ακεραιότητα. Η προσέγγιση Nexus θα υποστηρίξει την εφαρμογή των ΣΒΑ, ιδίως των ΣΒΑ 2 (Τροφή), ΣΒΑ 6 (Νερό) και ΣΒΑ 7 (Ενέργεια), αλλά και οι περισσότεροι ΣΒΑ έχουν στοιχεία που συνδέονται με την τροφή, το νερό και την ενέργεια με έναν ή περισσότερους τρόπους, και θα επωφεληθούν από μια προσέγγιση Nexus. Οι ΣΒΑ έχουν σχεδιαστεί για να είναι δια τομεακοί και να εφαρμόζονται μαζί, κάτι που αντικατοπτρίζεται επίσης σε μια προσέγγιση του WEF Nexus. Σε αυτό το άρθρο, διερευνούμε την επιρροή του WEF Nexus στους ΣΒΑ, αξιολογώντας τον αντίκτυπο του Νερού–Ενέργειας-Τροφής—των τριών συνιστωσών του WEF Nexus—σε συγκεκριμένους ΣΒΑ παρέχοντας βαθμολογίες μέσω ενός σχήματος αξιολόγησης 7 βαθμών. Ο στόχος είναι να βοηθηθούν οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής, ώστε να δημιουργήσουν συνεκτικές πολιτικές και στρατηγικές μέσω μιας συστημικής ανάλυσης των πολλών αλληλεπιδράσεων, εντοπίζοντας συνεργικές ή ανταγωνιστικές επιδράσεις των πολιτικών δεσμών του WEF Nexus με τους ΣΒΑ. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται μέσω προηγμένων εργαλείων οπτικοποίησης που αποτυπώνουν την επιρροή του WEF Nexus στους ΣΒΑ για να αποκαλύψουν τις περίπλοκες και πιθανώς σκοτεινές διασυνδέσεις του συνδέσμου πόρων με τους 17 ΣΒΑ. Τέλος, διεξάγεται μια Fuzzy Cognitive Map ανάλυση στις βαθμολογίες (scores) προκειμένου να εντοπιστούν οι ΣΒΑ που επηρεάζουν και επηρεάζονται περισσότερο, αναλύοντας την αιτιότητα σε αυτό το πολύπλοκο σύστημα θετικών και αρνητικών διασυνδέσεων. Μέσω αυτής της ανάλυσης, οι συγκεκριμένοι ΣΒΑ υποδεικνύονται ως οι πιο εξαρτημένοι από το WEF Nexus, αποκαλύπτοντας είτε συνέργειες είτε συμβιβασμούς, ενώ άλλοι ΣΒΑ αναγνωρίζονται ότι έχουν μικρή αλληλεπίδραση με το σύστημα WEF Nexus.Η καινοτομία αυτής της διατριβής βασίζεται πρώτα σε μια λεπτομερή ανάλυση προτύπων κατανάλωσης χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο SOM. Τα καθημερινά πρότυπα κατανάλωσης νερού σε επίπεδο νοικοκυριού προσδιορίζονται χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα πληθυσμιακά χαρακτηριστικά που οδηγούν στη δημιουργία συστάδων. Προτείνεται μια καινοτόμος λύση για τις επιχειρήσεις ύδρευσης, βασισμένη σε δεδομένα πραγματικού χρόνου και χρησιμοποιώντας αρχές της επιστήμης δεδομένων για τη βελτιστοποίηση της παροχής νερού στους πελάτες και τη λειτουργία του δικτύου. Δύο συνδυασμένοι αλγόριθμοι—Self-Organizing Maps (SOM) – K-Means (KM) and Self-Organizing Maps (SOM) – Hierarchical Agglomerative Clustering (HAC)—αναπτύχθηκαν για τη δημιουργία ομάδων που περιλαμβάνουν την κατανάλωση νερού από τους πελάτες. Στη συνέχεια πραγματοποιείται ανάλυση του δεσμού (nexus) Νερού-Ενέργειας σε επίπεδο πόλης προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η συσχέτισή τους και παρουσιάζεται επίσης μια WEF nexus προσέγγιση υπό την κλιματική αλλαγή σε συνδυασμό με ανάλυση συστημικής ανθεκτικότητας (systemic resilience analysis) και παραμετρικής ευαισθησίας (parametric sensitivity analysis) σε εθνικό επίπεδο. Για την προσομοίωση και τη μοντελοποίηση του Nexus για αυτήν την ανάλυση, χρησιμοποιείται το System Dynamics Modeling. Σε αυτή τη διατριβή, διερευνάται επίσης η επιρροή του WEF nexus στους ΣΒΑ, χρησιμοποιώντας την ανάλυση Fuzzy Cognitive Maps.