بخشی از مقاله
رویکرد پویایی شناسی سیستم براي مدلسازي مساله آلودگی هوا: مطالعه موردي تهران
چکیده
مساله آلودگی هوا در کلانشهرها حاصل برهمکنش زیرسیستمهاي مختلفی است که شاید مهمترین آنها زیرسیستم حمل و نقل و ترافیک شهري باشد. علاوه بر پیچیدگی ذاتی هریک از این زیرسیستمها، ساختار ارتباطی بین آنها نیز پیچیده است به نحوي که نمیتوان با استفاده از ابزارهاي مرسوم مدلسازي ریاضی آنها را تحلیل کرد. در این مقاله با استفاده از رویکرد مدلسازي سیستمهاي پویا و با انتخاب شهر تهران به عنوان مطالعه موردي، یک مدل شامل دو زیرسیستم اصلی (1)) زیرسیستم آلایندگی صنایع حومه (2)زیرسیستم آلایندگی حمل و نقل شهري) به منظور تحلیل مساله آلودگی هوا در شهر تهران ارایه شده است. دادههاي موردنیاز به منظور ایجاد مدل عبارتند از دادههاي محیط زیستی و دادههاي ترافیکی که از سازمان محیط زیست و شهرداري تهران جمعآوري شدهاند. مدل پیشنهادي تحت سه سناریوي اصلی اجرا گردیده است و نشان داده شده است که تحت سناریوهاي خوشبینانه میتوان با اهرمهاي کنترلی شامل »کنترل فعالیت صنایع آلاینده حومهاي« و مهمتر از آن »توسعه حمل و نقل عمومی« زمینه کاهش آلودگی هواي شهر تهران در بلندمدت را فراهم آورد. این درحالیست که در سناریوي بدبینانه این اهرمها قادر به کاهش سطح آلودگی نیستند و صرفا میتوانند از افزایش بیشتر سطح آلودگی هواي شهر جلوگیري نمایند.
کلمات کلیدي: پویاییشناسی سیستم؛ آلودگی هوا؛ شهر تهران؛ سیستمهاي اقتصادي اجتماعی؛ ترافیک شهري؛ مدیریت شهري
1. مقدمه
آلودگی هواي شهرها در سالهاي اخیر به دلیل توسعه روزافزون شهرها و افزایش میزان ترافیک و توسعه صنایع در حاشیه شهرهاي بزرگ به یک چالش جدي در مدیریت شهري تبدیل شده است. ارتباط مستقیم کیفیت هواي شهر با زندگی و سلامت شهروندان باعث شده است که سطح آلودگی هواي شهر به عنوان یکی از معیارهاي اصلی کیفیت زندگی شهري شناخته شود. رویکردهاي متفاوتی به منظور بررسی و تحلیل روند آلودگی هوا به خصوص در کلانشهرها مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجاکه این مبحث در حوزه سیستمهاي اقتصادي-اجتماعی قرار میگیرد که فاکتورهاي بسیاري در آن نقش دارند و تاثیرات آنها نیز معمولا غیرخطی و پیچیده است در نتیجه میتوان گفت که مدیریت کیفیت هواي شهر در حوزه سیستمهاي پیچیده قرار دارد. در این بین، نیاز به ابزارهایی به منظور شبیهسازي چنین سیستمی و سنجش اثرات استراتژيهاي مختلف بر آن بسیار اهمیت مییابد. در این مقاله از ابزار پویاییشناسی سیستمها به منظور مدلسازي فاکتورهاي موثر بر آلودگی هواي شهر و سنجش پیامدهاي پیادهسازي استراتژيهاي مختلف حوزه مدیریت شهري بر تغییرات سطح آلودگی هوا، استفاده شده است. شهر تهران به عنوان یک کلانشهر که یکی از معضلات اصلی آن آلودگی هواست براي مطالعه موردي مدنظر قرار گرفته است و اثرات استراتژيهاي مختلف کاهش سطح آلودگی هوا در تهران با استفاده از مدل ایجاد شده، مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. ابزار پویاییشناسی سیستمها اولین بار در دههي 50 میلادي در دانشگاه صنعتی ماساچوست (MIT) پیشنهاد شد. این ابزار بر پایهي نظریهي کنترلی بازخورد در مطالعات کمی در حوزه تحقیقات اقتصادي-اجتماعی مورد استفاده قرار میگیرد. در روش پویاییشناسی سیستمها از حلقههاي بازخوردي، متغیرهاي درونزا و برونزا و معادلات سیستمی به منظور مدلسازي پدیدههاي پیچیده استفاده میشود. حلقههاي بازخوردي به عنوان زنجیرهي بستهاي از روابط علی و معلولی بین متغیرها تعریف میشود. متغیرها به طورکلی به سه دسته تقسیم میشوند: (1) متغیرهاي حالت که محل انباشته شدن جریانها در طول زمان هستند، (2) متغیرهاي نرخ که بیانگر جریانهاي ورودي یا خروجی به متغیرهاي حالت در هر دورهي زمانی هستند و (3) متغیرهاي کمکی که به وسیلهي آنها حلقههاي بازخوردي کامل میشوند. مدلسازي سیستمها با استفاده از ابزار پویاییشناسی سیستمها به نحو موثري میتواند به منظور تحلیل و بررسی مسایل پیچیده اقتصادي-اجتماعی به کار رود. رویکرد پویاییشناسی سیستمها به منظور تحلیل مسایلی همچون سنجش عملکرد ساختارهاي اقتصادي، مدلسازي سیستمهاي اجتماعی و همچنین درك روابط پیچیده در مسایل زیستمحیطی میتواند مورد استفاده قرار گیرد.
ایجاد یک مدل ریاضی از یک سیستم پیچیده اغلب منجر به ایجاد یک مدل غیرخطی با تعداد بسیار زیادي از متغیرها و محدودیتها خواهد شد که حل مدل را ناممکن میسازد. این درحالیست که رویکرد پویاییشناسی سیستم به دلیل استفاده از حلقه هاي علی و معلولی میتواند پیچیدگی بین متغیرها و همچنین تاثیرگذاري آنها در دورههاي زمانی مختلف بر روي یکدیگر را شبیهسازي کند و بنابراین ابزاري کارا براي مطالعه سیستمهایی با پیچیدگی روابط بالا و افق زمانی طولانی است. این ویژگی باعث برتري پویاییشناسی سیستمها بر دیگر ابزارهاي مدلسازي در مطالعه سیستمهاي پیچیده و خصوصا سیستمهاي اقتصادي-اجتماعی میشود.
در این مقاله، یک مدل بر پایه حلقههاي علت و معلولی به منظور مطالعه معضل آلودگی هواي شهر تهران ایجاد شده است و بر مبناي آن عوامل تاثیرگذار شناسایی شده و رفتار سیستم در نتیجه اتخاذ سیاستهاي مختلف کنترلی، شبیهسازي میشود. به منظور شبیهسازي رفتار این سیستم، ابتدا زیرسیستمهاي تاثیرگذار شناسایی میشوند و سپس با تعیین مرزهاي سیستم، متغیرهاي اصلی تاثیرگذار تعیین شده و معادلات ریاضی بر اساس دادههاي تاریخی استخراج میشوند. در چارچوب روابط علت و معلولی پیچیده این سیستم میتوان تاثیر سیاستهاي مختلف قابل اجرا را بر کاهش آلودگی هواي شهر تهران سنجید. دادههاي موردنیاز به منظور ایجاد و شبیهسازي چنین سیستمی از منابع گوناگونی همچون دادههاي محیط زیستی، دادههاي ترافیکی و ... استخراج شدهان د.
.2 اد مرور بیات
در این بخش، تحقیقاتی که مساله آلودگی هوا را با روشهاي مختلف مطالعه کردهاند، مرور میشوند. در ابتدا تحقیقاتی که با سایر تکنیکها (به جز پویاییشناسی سیستمها) این مساله را مورد بررسی قرار دادهاند مرور میشوند و سپس رویکردهاي پویاییشناسی سیستمها به این موضوع بررسی میشود.
اشمیت و شافر (1998) یک شبکه محاسباتی با عملکرد بالا را براي بررسی آلودگی هوا با استفاده از شبیهسازي ترافیک شهري ارائه کردند. تمرکز کار آنها بر تاثیرات آلودگی ناشی از حمل و نقل بر کل آلودگی هواي شهرهاي اروپایی بوده است.[1] سیواکومار و همکاران (2001) با استفاده از رویکرد مدلسازي ریاضی، آلودگی هواي شهر جامشدپور را پیشبینی کردند. بررسیهاي آنها نشان داد که 53 درصد از آلودگی مربوط به NOxها و 7 درصد مربوط به منابع داخلی و 40 درصد مربوط به وسایل حمل و نقل بوده است .[2] بکس و همکاران (2009) یک مدل به منظور سنجش تاثیر تغییرات جمعیت بر آلودگی هوا ارائه کردند و نشان دادند جمعیتی که در طول روز به مناطق شهري سفر میکنند، تاثیر بسزایی در میزان آلودگی هوا دارند .[3] ولاکاکاستاس و همکاران (2009) با استفاده از یک رویکرد مدلسازي ریاضی تلاش کردند پارامترهاي بهینه در سیاستهاي بلندمدت کاهش آلودگی هوا را در شهر تسالونیکی در یونان محاسبه کنند .[4]
آنه (2003) مسئله حمل و نقل شهر هانوي در تایوان که موتورسیکلت جزو وسایل اصلی حمل و نقل آن میباشد را با رویکرد پویاییشناسی سیستمها مدلسازي کرد. در این تحقیق سیاستهاي توسعه سیستم حمل و نقل عمومی، توسعه ظرفیت راهها و کنترل تقاضاي سفر به منظور کاهش ترافیک شهري مورد بررسی قرار گرفتند .[5] زارکا و همکاران (2008) رویکرد پویاییشناسی سیستمها را براي مدیریت آلودگیهاي زیست محیطی مطالعه کردند؛ در این تحقیق، آلودگیهاي ناشی از فعالیتهاي کشاورزي، صنعتی، خانگی، خدمات، حمل و نقل و جریانهاي ورودي از سایر مناطق به عنوان عوامل تشدیدکننده آلودگی و همچنین تجزیه طبیعی آلودگیها و جریان خروجی به سایر مناطق در مدلسازي لحاظ شدند .[6] وانگ و همکاران (2008) سیستم حمل و نقل شهر دالیان چین را با رویکرد پویاییشناسی سیستمها مورد مطالعه قرار دادند. مدل پیشنهادي آنها از هفت مدل کوچکتر شامل جمعیت، توسعه اقتصادي، تعداد وسایل نقلیه، تاثیرات زیست محیطی، تقاضاي سفر، عرضه حمل و نقل و حجم ترافیک تشکیل شده بود .[7] شاه قلیان و حاجیحسینی (2009) آلودگی هواي تهران را با در نظر گرفتن اثرات سلامتی و رشد جمعیت مورد بررسی قرار دادند. آنها ابتدا اثرات بازخوردي عوامل مختلف را با حلقههاي علت و معلولی نشان دادند و سپس با استفاده از نمودار حالت و جریان، سیستم را شبیهسازي کردند. متغیرهاي موثر در مدل آنها جمعیت شهري، جمعیت بیمار شهري و آلودگی هوا ناشی از صنعت و مصارف خانگی بوده است .[8] آرمه و همکاران (2010) آلودگی هواي ناشی از سیستم حمل و نقل شهر آکرا در غنا را با رویکرد پویاییشناسی سیستمها بررسی کردند که در آن حجم ترافیک به عنوان تنها عامل افزایش آلودگی هوا مدنظر قرار گرفته است. آنها عواملی همچون توسعه حمل و نقل عمومی، توسعه ظرفیت بزرگراهها و مدیریت تقاضاي سفر را در مدل خود به عنوان سیاستهاي کاهش آلودگی هوا مدنظر قرار دادند .[9] لیو و همکاران (2010) یک مدل قیمتگذاري تراکم را به منظور رفع مشکل حجم ترافیک ارائه کردند. سیاستهاي پیشنهاد شده در تحقیق مذکور بر توسعه حمل و نقل همگانی و افزایش درآمدهاي اتوبوسهاي شهري و تاثیرات آن بر الگوي سفر شهروندان بوده است .[10] وانگ و همکاران (2012) یک مدل پویاییشناس سیستمها به منظور رفع آلودگ هاي آبهاي سطح و تالابها توسعه دادند .[11] تراپی و همکاران (2012) انتشار گازهاي گلخانهاي و آلودگیهاي ناشی از آنها را در تایوان با رویکرد پویاییشناسی سیستمها مطالعه کردند. آنها سناریوهایی را بر اساس عرضه موتورسیکلتهاي الکتریکی و محدود کردن عرضه موتورسیکلتها با سوخت فسیلی ارائه کردند .[12] یو و وي (2012) یک مدل ترکیبی پویاییشناسی سیستمها-الگوریتم ژننتیک را به منظور مطالعه آلودگیهاي ناشی از تولید زغالسنگ در چین ارائه دادند. آنها از الگوریتم ژنتیک به منظور تنظیم پارامترهاي مدل پویایی شناسی سیستمها استفاده کردند .[13] فرتوكزاده و رجبی نهوجی (1391) مساله حمل و نقل شهري در تهران را در افق زمانی 15 ساله بررسی کردند؛ آنها آلودگی هوا را به عنوان یک متغیر کمکی تاثیرگذار در معضل ترافیک در نظر گرفتهاند. سیاستهاي پیشنهادي آنها براي کنترل حجم ترافیک و متعاقبا کاهش آلودگی هواي شهر تهران، کاهش تقاضاي سفر از طریق توسعه دولت الکترونیک و طراحی بهینه شهر، کاهش جذابیت استفاده از خودروي شخصی و افزایش جذابیت سیستم حمل و نقل عمومی از طریق کاهش زمان سفر بوده است .[14]
در تحقیق حاضر، ارتباط بین متغیرهاي حمل و نقلی، متغیرهاي صنایع خودروسازي، صنایع تولید سوخت و بخش خانگی با آلودگی هواي شهر تهران در قالب روابط علت و معلولی و در چارچوب مدلهاي سیستمهاي پویا مدلسازي میشوددو. زیرسیستم اصلی در مدل ارایه شده را میتوان زیرسیستم حمل و نقل شهري و زیرسیستم آلایندگی صنایع حومه دانست. مهمترین متغیرهاي این سیستم را میتوان حجم ترافیک، جذابیت رانندگی با خودروي شخصی و توسعه سامانههاي حمل و نقل عمومی دانست. سیاستهاي موثر به منظور کاهش سطح آلودگی هواي شهر تهران که در مدل ارایه شده مدنظر قرار گرفتهاند عبارتند از طرحهاي کنترل ترافیک، طرحهاي توسعه بزرگراهی، توسعه حمل و نقل عمومی و نهایتا محدودسازي سطح فعالیت صنایع آلاینده در اطراف شهر. مدل ارایه شده تاثیرات سیاستهاي مختلف مدیریت شهري در کنترل آلودگی هواي شهر تهران را مورد سنجش قرار داده و میتواند به عنوان یک ابزار پشتیبان تصمیم، مورد استفاده مدیران و تصمیمگیرندگان حوزه مدیریت شهري قرار گیرد.
3. تشریح مدل
در مدل ارایه شده، آلودگی هواي شهر تهران متاثر از سه زیرسیستم دانسته شده است: (1) آلایندگیآلایندگیصنایع (2) حمل و نقل شهري (3) آلایندگی ناشی از مصارف خانگی. به منظور محدودسازي مرز مدل، زیرسیستم آلایندگی ناشی از مصارف خانگی به عنوان یک متغیر برونزا خارج از مرزهاي مدل اصلی در نظر گرفته شده است چراکه تاثیرات آن تا حد زیادي قابل پیشبینی و از طرفی غیرقابل کنترل است. به منظور سادهسازي مدل، زیرسیستم آلایندگی صنایع صرفا به صنایع فعال در حوزه صنایع تولیدکننده انرژي و خودروسازي محدود شده است که در آلایندگی هواي شهر تهران نقش محسوستري دارند و آلایندگی ناشی از دیگر بخشهاي صنعتی به عنوان متغیرهاي برونزا در مدل وارد شدهاند. در ادامه هریک از زیرسیستمهاي اصلی به طور خلاصه تشریح میشوند.
.3.1 زیرسیستم آلایندگی صنایع
مقابل این زیرسیستم نشاندهنده تاثیرات آلودگی هوا از کارکرد صنایع در حاشیه شهر تهران است. خروجی این زیرسیستم میزان انرژي مصرفی بخش صنعت و آلودگی صنعتی می باشد که این متغیر اخیر به صورت مستقیمتاثیبر آلودگی هواي شهر رگذار است. متغیرها و نحوهي اثرگذاري آنها بر روي یکدیگر در این زیرسیستم در شکل (1) آورده شده اند.
انرژي مصرفی در بخش صنعت را تعیین میکنند. آلایندگی بخش خانگی در این مدل به صورت یک متغیر برونزا مدلسازي شده است.
.3.2 زیرسیستم آلایندگی حمل و نقل شهري
این زیرسیستم به خاطر گستردگی به دو زیرسیستم حمل و نقل عمومی و شخصی تقسیم شده است.
.3.2.1 زیرسیستم حمل و نقل عمومی
یک متغیر تاثیرگذار در زیرسیستمهاي حمل و نقل عمومی و شخصی را میتوان متغیر جذابیت رانندگی دانست. تغییرات این متغیر در این زیرسیستم از دو عامل تاثیر میپذیرد: (1) سرمایهگذاري در حمل و نقل عمومی و (2) کرایه حمل و نقل عمومی. افزایش سرمایهگذاري باعث بهبود کیفیت و در نتیجه باعث افزایش حس امنیت و راحتی سفر با وسایل حمل و نقل عمومی میشود که این مساله از جذابیت رانندگی میکاهد. در ، افزایش کرایهي حمل و نقل عمومی منجر به افزایش تعداد سفرها با استفاده از وسایل نقلیه شهري میشود. این درحالیست که درآمد حمل و نقل عمومی با افزایش کرایهها افزایش پیدا میکند، افزایش این درآمد باعث افزایش سرمایهگذاري در حمل و نقل عمومی میشود و این افزایش باعث کاهش جذابیت رانندگی میشود. جذابیت رانندگی بر متغیر جذابیت حمل و نقل عمومی تاثیر گذار است، به گونهاي که کاهش جذابیت رانندگی افزایش جذابیت حمل و نقل عمومی را در پی دارد. شکل (2) نشاندهنده حلقههاي تاثیرگذار بر جذابیت رانندگی در زیرسیستم حمل و نقل عمومی است.
آلودگی صنعتی که خروجی این زیرسیستم است تحت تاثیر ظرفیت تولید خودرو، ظرفیت تولید انرژي و حجم صنایع فعال است که تولیدکننده آلودگی در حومه شهر تهران میباشند. انرژي مصرفی در این صنایع و انرژي که در صنایع خودروسازي و تولید سوخت مصرف میشوند، میزان عمومی را در پی خواهد داشت که این خود باعث افزایش درآمـد سیسـتم حمل و نقل عمومی خواهد بود.
.3.2.2 زیرسیستم حمل و نقل شخصی
در این زیرسیستم دو متغیر زمان سفر و طرحهاي کنترل ترافیک بر روي جذابیت رانندگی با وسایل نقلیه شخصی تاثیرگذار دانسته شدهاند.
