Dynamic Modeling of Urban Water Consumption and Management of Supply and Demand in Kerman Province

فصلنامه آب و توسعه پایدار

Article 10, Volume 11, Issue 3 - Serial Number 33, December 2024, Pages 99-114   

Document Type: Applied Article

DOI: 10.22067/jwsd.v11i3.2405-1329

Authors

Seyed Hamed Moosavirad^{* 1}; Amir Reza Torabi¹; Seyed Morteza Moosavirad²

¹Department of Industrial Engineering, Faculty of Technology and Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran

²Environmental Research Department, Research Institute of Advanced Science and Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran

Abstract

Kerman Province is located in the arid region category. The volume of its groundwater aquifers has been declining in recent years, and the continuation of this situation will have unfortunate consequences. This study aims to model urban water consumption in Kerman Province using System Dynamics (SD) in the Vensim PLE+ software and investigate the impact of supply and demand management on water resource preservation. For SD modeling, the model variables, their types, and the relationships between them were first identified, and mathematical formulas for each were derived. The modeling results indicate that the difference between urban water supply and demand reached a maximum of 61 million m3 in the years 2011 to 2021. Subsequently, water consumption management policies were examined, including “artificial groundwater recharge,” “separation of drinking water from non-potable water,” “managing network losses,” “controlling subsidized water prices,” and “managing household consumption patterns.” Simulation results reveal that “artificial groundwater recharge” as the most effective solution, can increase the water resources of Kerman to more than 100 million m3 per year. Additionally, this research demonstrates that modeling a complex system like urban water consumption using SD simplifies understanding of the model, identifies critical variables, tests solutions, and can serve as a useful management tool for decision-makers.

Keywords

Kerman Province; Water Crisis; System Dynamics; Urban Water Consumption; Vensim Software

References

الهی، مهدی، وکیل‌پور، محمدحسن، نجفی علمدارلو، حامد، و اسعدی، محمدعلی. (1400). بررسی اثرات سیاست‌های مالیاتی و یارانه‌ای در راستای حفظ و پایداری منابع آب دشت کبودرآهنگ. فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط‏زیست، 23(3)، 237-252. https://sanad.iau.ir/Journal/jest/Article/833419
امینی، یاسر، علی‌پور، عباس، هاشمی، سید مصطفی، و باقری، سجاد. (1396). برآورد آب معادل برف در استان کرمان جهت مدیریت منابع آب با استفاده از داده‌های سنجش از دور مایکروویو غیرفعال به روش شبکه‌های عصبی مصنوعی و تکنیک‌های رگرسیون چندگانه. فصلنامه اطلاعات جغرافیایی (سپـهر)، 26(102)، 67-80. https://doi.org/10.22131/sepehr.2017.27457
بنی‌اسدی، مصطفی، زارع مهرجردی، محمدرضا، مهرابی بشرآبادی، حسین، میرزایی خلیل‌آبادی, حمیدرضا، رضایی استخروئیه، عباس، و حسن‌وند، مریم. (1396). بررسی تغییرات الگوی کشت و میزان استخراج منابع آب زیرزمینی با اعمال سیاست‌های کاهش مصرف آب در دشت ارزوئیه استان کرمان. اقتصاد کشاورزی، 11(3)، 111-129. https://doi.org/10.22034/iaes.2017.28112
بهادر، صادق. (1396). شبیه‌سازی بحران کمبود آب در شهر رفسنجان با استفاده از پویایی‌های سیستم. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مدیریت و حسابداری، دانشگاه ولی‌عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران. https://ganj.irandoc.ac.ir/#/articles/c90b443414b370c6301ffdecc416986d
پارسا، شیما، ضیاءآبادی، مریم، و زارع مهرجردی، محمدرضا. (1397). بررسی تأثیر خشکسالی بر افت سطح آب‌های زیرزمینی و پیش‌بینی مقدار افت آب با استفاده از الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی: شهرستان کرمان). اولین همایش بین‌المللی و سومین همایش ملی مدیریت پایدار منابع خاک و محیط‌زیست. دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران. https://civilica.com/doc/808675
حلبیان، امیرحسین، و مجاوری، نسرین. (1395). بررسی افت آب‌های زیرزمینی دشت کرمان با استفاده از نرم‏افزارهای GIS و SURFER. کنفرانس ملی دیده‌بانی آینده زمین با محوریت آب‏وهوا، کشاورزی و محیط‌زیست. مرکز توسعۀ آموزش‌های نوین ایران (متانا)، شیراز، ایران. https://civilica.com/doc/522411
جمشیدی، شروین. (1393). کاهش تلفات شبکه توزیع آب شهری با استفاده از مدیریت فشار. اولین کنفرانس بین المللی مهندسی محیط‏زیست. مرکز راهکارهای دستیابی به توسعه پایدار. مؤسسه آموزش عالی مهر اروند، تهران، ایران. https://civilica.com/doc/347572/
شرکت سهامی آب منطقه‌ای کرمان. (1393). خلاصه وضعیت منابع آب استان، https://www.krrw.ir/old/SC.php?type=static&id=58. تاریخ به روزرسانی: 21/6/1399.
مرکز آمار ایران. (1400). سالنامه آماری استان کرمان. https://nnt.sci.org.ir/sites/Apps/yearbook/Lists/year_book_req/Item/newifs.aspx
سلطانی، سارا. (1400). ۶۰ درصد جمعیت استان کرمان در تنش آبی به سر می‌برند. خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا). تهران، ایران. http://isna.ir/xdJmdg
شاهرخی ساردو، مهدی، و جلال کمالی، نوید. (1400). مدل پویایی سیستم مدیریت بهره‌برداری از آب‌های زیرزمینی و عملکرد تغذیه مصنوعی (مطالعه موردی دشت نسا بم، کرمان). مجله پژوهش آب ایران، 15(2)، 109-118. https://iwrj.sku.ac.ir/article_10772.html?lang=fa
عسکری‌نیا، محمدرضا. (1398). بررسی عوامل مؤثر بر پایداری منابع آب: مطالعه موردی گندم‏کاران شهرستان فاریاب (استان کرمان). پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران. https://ganj.irandoc.ac.ir/#/articles/d5cc9003b7fde9c922e133029f3b586c
غفاریان بهرمان، محمد، و کرمی، تاج‌الدین. (1396). آینده‌پژوهی بحران آب و چالش‌های امنیتی آن (مورد مطالعه: شهرستان رفسنجان). فصلنامه دانش انتظامی کرمان، 49-80. http://kerman.jrl.police.ir/article_19667.html
فتوحی فیروزآباد، فرزانه، اختصاصی، محمدرضا، سفید، محمد، و مروتی شریف‌آبادی، علی. (1398). بررسی فنی و مقایسۀ اقتصادی روش‌های جداسازی آب آشامیدنی از آب غیرآشامیدنی در شهرستان یزد (مطالعه نمونه‌ای: منطقه صفائیه یزد). مهندسی منابع آب، 76-86. https://wej.marvdasht.iau.ir/article_3921.html?lang=fa
فدایی، محمدرضا، و مهدوی، افسون. (1395). ارزیابی وضعیت منابع آب زیرزمینی و خشکسالی جنوب‌شرق کشور با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) (مطالعه موردی: استان کرمان). چهارمین کنفرانس علمی پژوهشی افق‌های نوین در علوم جغرافیا و برنامه‌ریزی معماری و شهرسازی ایران، تهران، ایران. https://civilica.com/doc/617304
Agarwal, S., Araral, E., Fan, M., Qin, Y., & Zheng, H. (2023). The effects of policy announcement, prices, and subsidies on water consumption. Nat Water, 1, 176–186. https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4318217
Carbon, D. (2024). Linking water stress and measures of crisis management - A systematic review of emergency drinking water management in Germany. Journal of Environmental Management, 359. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120901
The Global Environment Facility (GEF). (2015). The importance of water sustainability. https://www.thegef.org/news/importance-water-sustainability. Update: 1/11/2024
Ghosh, A., & Bera, B. (2024). Identification of potential dam sites for severe water crisis management in semi-arid fluoride contaminated region, India. Cleaner Water, 1, 100011. https://doi.org/10.1016/j.clwat.2024.100011
Li, Q., Wang, W., Jiang, X., Lu, D., Zhang, Y., & Li, J. (2020). Analysis of the potential of reclaimed water utilization in typical inland cities in northwest China via system dynamics. Journal of Environmental Management, 270. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110878
Maani, K., & Cavana, R. (2000). Systems thinking and modelling: Understanding change and complexity. Pearson Education, New Zealand. 
Mehryar, S., Sliuzas, R., Sharifi, M., and Van Maarseveen, M. (2015). The water crisis and socio-ecological development profile of Rafsanjan Township, Iran. WIT Transactions on Ecology and the Environment, 199, 271-285. https://doi.org/10.2495/RAV150231
Moosavirad, S. H., Torabi, A., and Mirhosseini, M. (2024). Transdisciplinary approach to reduce electricity consumption using system dynamics. Transdisciplinary Journal of Engineering & Science, 15. https://doi.org/10.22545/2024/00249
Naeem, K., Aloui, S., Zghibi, A., Mazzoni, A., Triki, C., and Elomri, A. (2024). A system dynamics approach to management of water resources in Qatar. Sustainable Production and Consumption, 46, 733-753. https://doi.org/10.1016/j.spc.2024.03.024
Pluchinotta, I., Pagano, A., Vilcan, T., Ahilan, S., Kapetas, L., Maskrey, S., Krivtsov, V., Thorne, C., & O’Donnell, E. (2021). A participatory system dynamics model to investigate sustainable urban water management in Ebbsfleet Garden City. Sustainable Cities and Society, 67, 102709. https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.102709
Rahim, F., Hawari, N., and Zainal Abidin, N. (2017). Supply and demand of rice in Malaysia: A system dynamics approach. International Journal of Supply Chain Management, 6(4), 234-240. https://ojs.excelingtech.co.uk/index.php/IJSCM/article/view/1945
Wang, X., Chen, Y., Fang, G., Li, Z., and Liu, Y. (2022). The growing water crisis in central Asia and the driving forces behind It. Journal of Cleaner Production, 378, 134574. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134574
Xu, Z., Yao, L. and Chen, X. (2020). Urban water supply system optimization and planning: Bi-objective optimization and system dynamics methods. Computers & Industrial Engineering, 142, 106373. https://doi.org/10.1016/j.cie.2020.106373
Zainal Abidin, N., Mamat, M., Dangerfield, B., Haji Zulkepli, J., Baten, M., and Wibowo, A. (2014). Combating obesity through healthy eating behavior: A call for system dynamics optimization. PLOS ONE, 9(12), 1-17. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114135
Zehtabian, E., Masoudi, R., Yazdandoost, F., Sedghi-Asl, M., and Loáiciga, H. A. (2023). Investigation of water allocation using integrated water resource management approaches in the Zayandehroud river basin, Iran. Journal of Cleaner Production, 395, 136339. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136339