ΚΩΔΙΚΟΣ ΕΡΓΟΥ: 1272 ΥΔΡΟΠΟΛΗ

Transcript

1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΘΑΛΗΣ ΚΩΔΙΚΟΣ ΕΡΓΟΥ: 1272 ΥΔΡΟΠΟΛΗ Τίτλος ερευνητικού προγράμματος: Διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της Αστικής Ανάπτυξης και των Υποδομών Νερού στην πόλη με έμφαση σε καινοτόμες παρεμβάσεις κατανεμημένης διαχείρισης Παραδοτέο Πιλοτική εφαρμογή σε νέα αστική περιοχή Έκδοση 0.1 Ημερομηνία υποβολής Παραδοτέου:

2 Το παρόν κείμενο αποτελεί Παραδοτέο του έργου που υλοποιείται στο πλαίσιο της Πράξης «ΘΑΛΗΣ ΕΜΠ Υδρόπολις: Διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της Αστικής Ανάπτυξης και των Υποδομών Νερού στην πόλη με έμφαση σε καινοτόμες παρεμβάσεις κατανεμημένης διαχείρισης».

3 Ταυτότητα εγγράφου Τίτλος Σχετική Ε.Ε. Σχετική Δράση Συντάχθηκε από Πιλοτική εφαρμογή σε νέα αστική περιοχή 6: Ολοκληρωµένο πλαίσιο προσοµοίωσης 6.2: Ανάπτυξη ενοποιημένου μοντέλου δυναμικών συστημάτων Ευάγγελο Ρόζο και Χρήστο Μακρόπουλο Ελέγχθηκε από Είδος Επίπεδο Σύντομη περιγραφή Τεχνική Έκθεση Δημόσιο Η δράση αυτή έχει ως σκοπό την εξέταση και ποσοτικοποίηση της επίδρασης διαφόρων ετερογενών παραγόντων όπως οικονομικών και κοινωνικών, οι οποίοι μελετήθηκαν στα προηγούμενα πακέτα εργασίας, στο σύστημα οικιστικής ανάπτυξης και υποδομών αστικού νερού. Οι σχέσεις αιτίας-αιτιατού αναπτύσσονται για τον εντοπισμό αλληλεπιδράσεων μεταξύ των παραμέτρων των επιμέρους συστημάτων και αποτυπώνονται με τη μορφή των διαγραμμάτων σχέσεων αιτίας-αιτιατού. Με βάση τα διαγράμματα αυτά αναπτύχθηκε ένα ενοποιημένο μοντέλο δυναμικής συστημάτων το οποίο εφαρμόστηκε σε μια επεκτεινόμενη (το νέα περιοχή έχει το νόημα της εν εξελίξει ) αστική περιοχή. Έκδοση Ημερομηνία Αναθεωρήθηκε από Παρατηρήσεις Σεπτεμβρίου 2015

4 Περιεχόμενα Περίληψη... 1 Extended abstract Πιλοτική εφαρμογή στην Νότια Αττική Η Νότια Αττική Προσομοίωση με UWOT των εναλλακτικών τεχνολογιών/πρακτικών Η εξέλιξη της ζήτησης νερού στην επεκτεινόμενη Νότια Αττική Ρύθμιση παραμέτρων μοντέλου ΔΣ Αποτελέσματα προσομοίωσης ΔΣ Συμπεράσματα Αναφορές Κατάλογος Πινάκων No table of figures entries found. Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1-1. Συμβατικό σενάριο και Τεχνολογία 1 (εξοικονόμηση με συσκευές χαμηλής κατανάλωσης) Σχήμα 1-2. Τεχνολογία 2, εξοικονόμηση με ανακύκλωση γκρι νερού Σχήμα 1-3. Εκτιμώμενη κατανάλωση νερού (m 3 /d) στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης σε σχέση με τον ρυθμό εγκατάστασης και το έτος έναρξης Σχήμα 1-4. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης Σχήμα 1-5. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με βελτίωση των οικονομικών συνθηκών Σχήμα 1-6. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με επιδείνωση των οικονομικών συνθηκών Σχήμα 1-7. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με αύξηση του κόστους νερού κατά 100% Σχήμα 1-8. Ποσοστά μείωσης νερού για διάφορες κοινωνικοοικονομικές συνθήκες. Οι ζώνες δίνουν το εύρος μεταβολής λόγω διαφορετικών οικονομικών συνθηκών Παραδοτέο Σελίδα i

5 Περίληψη Τα μοντέλα Δυναμικής Συστημάτων (ΔΣ) είναι μια μεθοδολογία και μαθηματική τεχνική μοντελοποίησης για τη σχηματοποίηση, την κατανόηση, και τη συζήτηση πολύπλοκων ζητημάτων και προβλημάτων. Αρχικά αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1950 για να βοηθήσει τα στελέχη επιχειρήσεων να βελτιώσουν την κατανόησή τους στις βιομηχανικές διαδικασίες. Τα ΔΣ χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή σε όλο τον δημόσιο και τον ιδιωτικό τομέα για την ανάλυση πολιτικών σχεδιασμού. Τα ΔΣ είναι μια πτυχή της Θεωρίας Συστημάτων ως μέθοδο για την κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς πολύπλοκων συστημάτων. Η βάση της μεθόδου είναι η αναγνώριση ότι η δομή του οποιουδήποτε συστήματος με πολλές κλειστού τύπου, αλληλοεξαρτώμενες, και μερικές φορές με χρονική υστέρηση σχέσεις μεταξύ των συστατικών του, είναι συχνά εξίσου σημαντική για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς του όσο και τα ίδια τα μεμονωμένα συστατικά. Σε αυτή την εργασία μελετάται η εφαρμογή ενός ΔΣ στην επεκτεινόμενη αστική περιοχή της Νότιας Αττικής με σκοπό να εκτιμηθεί ο ρυθμός διείσδυσης νέων τεχνολογιών σε σχέση με διάφορα κοινωνικοοικονομικά σενάρια. Παραδοτέο Σελίδα 1

6 Extended abstract System dynamics (SD) is a methodology and mathematical modeling technique for framing, understanding, and discussing complex issues and problems. Originally developed in the 1950s to help corporate managers improve their understanding of industrial processes, system dynamics is currently being used throughout the public and private sector for policy analysis and design. System dynamics is an aspect of systems theory as a method for understanding the dynamic behavior of complex systems. The basis of the method is the recognition that the structure of any system the many circular, interlocking, sometimes time-delayed relationships among its components is often just as important in determining its behavior as the individual components themselves. In this study an SD model was applied in the extending South Attica area in order to estimate the penetration rate of new water-saving technologies under various socioeconomic scenarios. Παραδοτέο Σελίδα 2

7 1 Πιλοτική εφαρμογή στην Νότια Αττική 1.1 Η Νότια Αττική Η Νότια Αττική χαρακτηρίζεται ως νέα περιοχή με το σκεπτικό ότι εξελίσσεται χρονικά σε αντιδιαστολή με μια αστική περιοχή που όταν φτάσει στην ωριμότητα δεν μεταβάλλεται πλέον. Οι προσομοίωση που έγινε στο έδειξε ότι για τα επόμενα 20 χρόνια αναμένεται να υπάρξει σημαντική εισροή πληθυσμού στην περιοχή αυτή. Οι ανάγκες αυτές στο τέλος της εικοσαετίας υπολογίζονται για το συμβατικό σενάριο και το σενάριο που ενσωματώνει τεχνολογίες εξοικονόμησης. Για να γίνει αυτό, προσομοιώνεται η αντιπροσωπευτική οικία της περιοχής με το UWOT για τις δύο περιπτώσεις (συμβατικό δίκτυο και με τεχνολογίες) και πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό των οικιών (παλαιών και νέων) όπως αυτές εκτιμήθηκαν στο Προσομοίωση με UWOT των εναλλακτικών τεχνολογιών/πρακτικών Για να εκτιμηθούν οι ανάγκες συμβατικής οικίας και οικίας που ενσωματώνει τις τεχνολογίες εξοικονόμησης νερού, οι αντιπροσωπευτικές οικίες που φαίνονται στις παρακάτω δύο εικόνες προσομοιώθηκαν με το UWOT για να προκύψουν οι ανάγκες σε πόσιμο νερό της κάθε μια σχηματοποίησης (συμπεριλαμβανομένης και της συμβατικής). Η προσομοίωση έγινε με ημερήσιο βήμα από 1 Ιανουαρίου 1980 έως 31 Δεκεμβρίου του Τα μετεωρολογικά δεδομένα ελήφθησαν από τη διαδικτυακή βάση FreeMeteo (2011). Σχήμα 1-1. Συμβατικό σενάριο και Τεχνολογία 1 (εξοικονόμηση με συσκευές χαμηλής κατανάλωσης). Παραδοτέο Σελίδα 3

8 Σχήμα 1-2. Τεχνολογία 2, εξοικονόμηση με ανακύκλωση γκρι νερού. 1.3 Η εξέλιξη της ζήτησης νερού στην επεκτεινόμενη Νότια Αττική Με τον συνδυασμό των αποτελεσμάτων του UWOT με αυτά του μοντέλου κυτταρικών αυτομάτων (παραδοτέο και Rozos et al. 2015) προέκυψαν οι εικόνες ζήτησης που αντιστοιχούν στο συμβατικό σενάριο και στα δύο σενάρια υιοθέτησης τεχνολογιών εξοικονόμησης νερού απ όλες τις οικίες της περιοχής μελέτης, καινούργιες και υφιστάμενες. Όμως, η παραδοχή ακαριαίας και καθολικής εγκατάστασης τεχνολογιών σε όλες τις οικίες δεν είναι ρεαλιστικό σενάριο. Στην πραγματικότητα οι τεχνολογίες θα εγκατασταθούν σταδιακά και σε ένα ποσοστό των οικιών, το οποίο εξαρτάται από τη χρονιά που ξεκινάει η εκστρατεία εξοικονόμησης (και άρα η εγκατάσταση τεχνολογιών) και τον ρυθμό (ποσοστό του συνόλου των οικιών που εγκαθιστούν τεχνολογίες ανά έτος) με τον οποίον εγκαθίστανται οι τεχνολογίες. Το ακόλουθο σχήμα αναπαριστά την επίδραση των δύο αυτών παραγόντων στην τελική ζήτηση της περιοχής. Δηλαδή δίνει την κατανάλωση που αντιστοιχεί στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης σε σχέση με το έτος που ξεκινάνε να εγκαθίστανται οι τεχνολογίες (κατακόρυφος άξονας) και τον ρυθμό εγκατάστασης (οριζόντιος άξονας). Για παράδειγμα, στο βάθος εικοσαετίας το καλύτερο δυνατό σενάριο είναι να έχουμε ρυθμό εγκατάσταση 5% και άμεση έναρξη της εκστρατείας οπότε και μετά από 20 χρόνια οι τεχνολογίες θα έχουν εγκατασταθεί σε όλες τις οικίες. Αυτή η περίπτωση αντιστοιχεί στην κάτω δεξιά γωνία του πιο κάτω σχήματος όπου η κατανάλωση νερού για την Νότια Αττική το 2030 προβλέπεται να είναι της τάξης των m 3 /d. Παραδοτέο Σελίδα 4

9 2030 Έτος έναρξης εγκατάστασης τεχνολογιών e+04 6e e e e Ρυθμός διείσδυσης (%) Σχήμα 1-3. Εκτιμώμενη κατανάλωση νερού (m 3 /d) στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης σε σχέση με τον ρυθμό εγκατάστασης και το έτος έναρξης. Βάσει του πιο πάνω σχήματος και με γνωστό τον χρόνο έναρξης της εκστρατείας μπορεί να εκτιμηθεί η κατανάλωση στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης αν είναι γνωστός ο ρυθμός διείσδυσης. Εναλλακτικά μπορεί να υπολογιστεί ο ρυθμός διείσδυσης που απαιτείται έτσι ώστε η κατανάλωση να μην ξεπεράσει ένα άνω όριο που τίθεται από την παροχετευτικότητα του δικτύου. Επειδή ο ρυθμός διείσδυσης εξαρτάται από διάφορους κοινωνικοοικονομικούς παράγοντες, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο Δυναμικής Συστημάτων (ΔΣ) για την εκτίμηση του. 1.4 Ρύθμιση παραμέτρων μοντέλου ΔΣ Οι παράμετροι πρωτοβουλίας (p1, p2 και p3) του απλού μοντέλου ΔΣ που περιγράφεται στο ρυθμίστηκαν έτσι ώστε να αναπαραχθούν τα ευρήματα της έρευνας που διεξήχθη στα πλαίσια της Δράσης 4.1. Συγκεκριμένα θεωρήθηκε ότι εφαρμόζεται μια καμπάνια ευαισθητοποίησης της οποίας η επιρροή ολοκληρώνεται σε βάθος δεκαετίας. Η καμπάνια αυτή επιφέρει εγκατάσταση στο 40% των κατοικιών τεχνολογιών εξοικονόμησης νερού. Αυτό το 40% αναλύεται σε 32% τεχνολογίες χαμηλής κατανάλωσης νερού και 8% τεχνολογίες ανακύκλωσης γκρι νερού. Παραδοτέο Σελίδα 5

10 Όσον αφορά την την επιρροή του οικονομικού κλίματος υιοθετήθηκε απλοποιημένη σχέση Carroll et al. (1994) στην οποία αντικαταστάθηκε η ο δείκτης καταναλωτή με το ΑΕΠ (συμβολίζεται με G). Δ log(g) = b (S 1 S 0 ) ή S 1 = ( Δ log(g)/b ) + S 0 Αν θεωρηθεί ότι ( Δ log(g)/b ) ίσο με β τότε προκύπτει ότι το ποσοστό αύξησης α (αυτόπου δίνει S 1 = S 0 + α S 0 ) του S είναι α = β /S 0. Όσον αφορά την επίδραση του κόστους του νερού, χρησιμοποιήθηκε η καταγραφή της πτώσης της κατανάλωσης στην Ουγγαρία κατά 30% όταν η αυξήθηκε η τιμή του νερού κατά 150% (EEA, 2013). Οι παραδοχές για την αξιοποίηση αυτής της πληροφορίας στην παρούσα εφαρμογή είναι ότι: η απόκριση του κοινού σε Νότια Αττική θα είναι παρόμοια, η μείωση της κατανάλωσης οφείλεται αποκλειστικά στην υιοθέτηση των δύο τεχνολογιών/πρακτικών εξοικονόμησης νερού, η σχέση μεταξύ της αύξησης του ρυθμού υιοθέτησης τεχνολογιών χαμηλής κατανάλωσης και της τιμής του νερού είναι γραμμική. Η γραμμική σχέση που δίνει αυτήν την αύξηση του ρυθμού εγκατάστασης τεχνολογιών είναι: ρ = ρ 0 (1 + α c) Η δε μείωση του ρυθμού απόρριψης εγκατάστασης τεχνολογιών είναι (η αύξηση της τιμής βαραίνει υπέρ του να εγκατασταθεί κάποια τεχνολογία): ρ = ρ 0 / (1 + α c) όπου ρ 0 και ρ είναι ο ρυθμός πριν τη μεταβολή και μετά τη μεταβολή της τιμής του νερού κατά ποσοστό c. Το α είναι μια παράμετρος που ρυθμίστηκε έτσι ώστε να αναπαραχθεί η μείωση που παρουσιάστηκε στην Ουγγαρία. 1.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης ΔΣ Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα ακόλουθα σχήματα. Παραδοτέο Σελίδα 6

11 Συμβατικό Tεχνολογία 1 Tεχνολογία 2 ( ) years Σχήμα 1-4. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης Συμβατικό Tεχνολογία 1 Tεχνολογία 2 ( ) years Σχήμα 1-5. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με βελτίωση των οικονομικών συνθηκών. Παραδοτέο Σελίδα 7

12 Συμβατικό Tεχνολογία 1 Tεχνολογία 2 ( ) years Σχήμα 1-6. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με επιδείνωση των οικονομικών συνθηκών Συμβατικό Tεχνολογία 1 Tεχνολογία 2 ( ) years Σχήμα 1-7. Ποσοστά εγκατάστασης τεχνολογιών στο τέλος της περιόδου πρόγνωσης με αύξηση του κόστους νερού κατά 100%. Για την χρήση του διαγράμματος 1-3 χρειάζεται η μέση τιμή της δεκαετίας που μπορεί να ληφθεί από το κατάλληλο παραπάνω διάγραμμα ως η εφαπτομένη της ευθείας που ενώνει την αρχή και το πέρας της εκάστοτε γραμμής. Παραδοτέο Σελίδα 8

13 Στην περίπτωση που δεν υπήρχε επέκταση του αστικού ιστού τότε η εξέλιξη της κατανάλωσης στην περιοχή μελέτης θα ήταν αυτή που φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα. Μείωση ζήτησης (%) Βελτίωση κλίματος Αύξηση κόστους νερού 100% Επιδείνωση κλίματος Βελτίωση κλίματος Καμία κοινωνικοοικονομική αλλαγή Επιδείνωση κλίματος year Σχήμα 1-8. Ποσοστά μείωσης νερού για διάφορες κοινωνικοοικονομικές συνθήκες. Οι ζώνες δίνουν το εύρος μεταβολής λόγω διαφορετικών οικονομικών συνθηκών. 2 Συμπεράσματα Το μοντέλο αστικού κύκλου νερού UWOT προσομοίωσε την αντιπροσωπευτική οικία της Νότιας Αττικής για δύο τεχνολογίες εξοικονόμησης και για συμβατικό δίκτυο. Τα αποτελέσματα του UWOT συνδυάστηκαν με την έξοδο του μοντέλου κυτταρικού αυτομάτου που παρουσιάστηκε στο παραδοτέο και ένα μοντέλο ΔΣ για να εκτιμηθεί η ζήτηση του νερού στο τέλος της περιόδου προσομοίωσης. Το ΔΣ χρησιμοποιήθηκε για να εκτιμηθεί η διείσδυση των τεχνολογιών εξοικονόμησης νερού στο τέλος της περιόδου. Με το μοντέλο αυτό δόθηκε η δυνατότητα να εξεταστεί η επιρροή διαφόρων κοινωνικοοικονομικών παραμέτρων στον ρυθμό εγκατάστασης των τεχνολογιών. Το οικονομικό κλίμα και η τιμή του νερού ήταν οι δύο εξωγενείς μεταβλητές που εξετάστηκαν. Από αυτές τις δύο, η δεύτερη εμφανίζεται να έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην εξέλιξη του φαινομένου. Η εφαρμογή μιας εκστρατείας εξοικονόμησης μπορεί να επιφέρει μια πολύ σημαντική μείωση της μελλοντικής ζήτησης, περίπου 27% (με ιδανικές κοινωνικοοικονομικές συνθήκες) σε σχέση με τη μελλοντική ζήτηση του συμβατικού σεναρίου, αν συνδυαστεί με αύξηση του κόστους του νερού κατά 100%. Αν μείνει σταθερό το κόστος του νερού, τότε η μείωση της μελλοντικής ζήτησης περιορίζεται στο 13% και πέφτει στο 6% αν οι οικονομικές συνθήκες επιδεινωθούν. Παραδοτέο Σελίδα 9

14 Ο μέσος ρυθμός διείσδυσης που αναμένεται στην καλύτερη περίπτωση είναι 6% για την τεχνολογία 1 και 2.2% για την τεχνολογία 2. Στη χειρότερη περίπτωση αυτοί οι ρυθμοί είναι 1.8% και 0.7% αντίστοιχα. Το μοντέλο ΔΣ που αναπτύχθηκε μπορεί να εφαρμοστεί είτε ως εργαλείο πρόγνωσης (για να εκτιμηθεί η μελλοντική ζήτηση) είτε ως εργαλείο χάραξης πολιτικής. Για παράδειγμα αν το δίκτυο ύδρευσης μιας περιοχής έχει παροχετευτικότητα της οποίας αναμένεται υπέρβαση λόγω πύκνωσης και επέκτασης του αστικού ιστού, τότε με το μοντέλο ΔΣ μπορεί να εκτιμηθεί ποια αύξηση πρέπει επιβληθεί στην τιμή του νερού για να περιοριστεί η αύξηση της ζήτησης εντός της δυναμικότητας του συστήματος. Ο σχεδιασμός αυτός γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα των οικονομικών συνθηκών προσφέροντας ένα εύρος διακύμανσης των τιμών αντί για μοναδικές τιμές. 3 Αναφορές European Environment Agency, Indicator factsheet: (WQ05) Water prices, FreeMeteo. Daily weather history for ATHINAI (AIRPORT), E.Rozos, Y. Photis, and C.Makropoulos, Water Demand Management In The Expanding Urban Areas Of South Attica, CEST2015 Rhodes, Greece, Ref no: 128, Παραδοτέο Σελίδα 10