بهینه‌سازی چندهدفه سناریوهای بهره‌برداری گلخانه‌ها در چارچوب پیوند آب-انرژی-غذا-محیط‌زیست (WEFE) با الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تهران - پردیس ابوریحان

2 دانشیار، دانشگاه تهران، پردیس ابوریحان، گروه مهندسی آبیاری و زهکشی، تخصص: سازه های هیدرولیکی

3 دانشگاه صنعتی شریف

10.22059/jwim.2026.410122.1286

چکیده

مدیریت بهینه‌ی منابع در گلخانه‌ها نیازمند رویکردهای کمّی و یکپارچه‌نگر است. این پژوهش با هدف ارائه‌ی یک چارچوب مدلسازی-بهینه‌سازی برای شناسایی ترکیبات عملیاتی بهینه در چارچوب پیوند آب-انرژی-غذا-محیط‌زیست (WEFE) انجام شد. داده‌های میدانی ۱۰ گلخانه فعال در منطقه پاکدشت طی سال‌های ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۴ جمع‌آوری شد. ابتدا یک مدل پارامتریک نیمه‌تجربی توسعه و با استفاده از این داده‌ها کالیبره گردید تا روابط کمّی بین متغیرهای تصمیم کلیدی و پنج تابع هدف شامل کمینه‌سازی مصرف آب، انرژی، انتشار CO₂، هزینه کل و بیشینه‌سازی کیفیت آب برقرار شود. در گام بعد، الگوریتم ژنتیک چندهدفه (NSGA-II) بر روی این مدل کالیبره‌شده اجرا گردید تا جبهه‌های پارتو کامل راه‌حل‌های بهینه استخراج شوند. در نهایت، از روش تصمیم‌گیری چندمعیارهTOPSIS برای انتخاب نقطه عملیاتی نهایی از میان راه‌حل‌های پارتو استفاده شد. نتایج بهینه‌سازی نشان داد که یک ترکیب عملیاتی خاص شامل استفاده از RO برای حدود ۶۵ درصد جریان آب و تأمین ۲۵ درصد انرژی از منابع تجدیدپذیر بهترین تعادل (با امتیاز TOPSIS برابر ۰.۷۸۵۴) را بین اهداف متعارض ایجاد می‌کند. این نقطه بهینه در مقایسه با یک حالت پایه متعارف، منجر به کاهش ۲۴ درصد مصرف آب، ۲۰ درصد مصرف انرژی، ۳۳ درصد هزینه عملیاتی و بهبود ۳۰ درصد کیفیت آب گردید. این یافته‌ها اولویت راهبردی افزایش کارایی منابع از طریق فناوری‌هایی مانند RO را نسبت به گسترش صرف سبد انرژی پاک نشان می‌دهند و راهبرد «اول بهره‌وری، سپس تجدیدپذیر» را در شرایط منطقه‌ای مشابه توجیه می‌نمایند. مطالعه حاضر ابزار قدرتمندی برای مدیریت کمّی و تصمیم‌گیری مبتنی بر شواهد در بخش کشاورزی پایدار فراهم می‌آورد

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Multi-Objective Optimization of Greenhouse Operation Scenarios within the Water-Energy-Food-Ecosystem Nexus using a Genetic Algorithm

نویسندگان [English]

  • Zeynab Sojoodi 1
  • Mahmoud Mashal 2
  • Hossein Khajehpour 3
1 University of Tehran - Abu Raihan Campus
2
3 Sharif University of Technology
چکیده [English]

Optimal resource management in greenhouses requires quantitative and integrated approaches. This study presents a modeling-optimization framework to identify optimal operational configurations within the Water-Energy-Food-Ecosystem (WEFE) nexus. Field data from ten greenhouses in the Pakdasht region (40 annual observations from 2021-2024) were collected. First, a semi-empirical parametric model was developed and calibrated using this data to establish quantitative relationships between key decision variables (the share of water treated by Reverse Osmosis (RO) and the share of renewable energy) and five WEFE objective functions: minimizing water consumption, energy use, CO₂ emissions, and total cost, while maximizing a water quality index. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) was executed on this calibrated model to extract the full Pareto fronts of optimal solutions. Finally, the TOPSIS multi-criteria decision-making method was employed to select the ultimate operational point from among the Pareto solutions. The optimization results identified a specific operational configuration utilizing RO for approximately 65 percent of the water flow and supplying 25 percent of energy from renewable sources as achieving the best trade-off (TOPSIS score: 0.7854) among the conflicting objectives. Compared to a conventional baseline, This optimum point, compared to a conventional baseline, resulted in a 24 percent reduction in water consumption, 20 percent in energy consumption, 33 percent in operating costs, and a 30 percent improvement in water quality. These findings demonstrate the strategic priority of increasing resource efficiency through technologies such as RO over simply expanding the clean energy portfolio and justify the “efficiency first, renewables then” strategy in similar regional conditions. This study provides a powerful tool for evidence-based, quantitative decision-making in sustainable agricultural management.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Integrated Resource Management
  • Multi-Objective Optimization
  • Multi-Criteria Decision Making
  • Reverse Osmosis