本研究使用动态系统模型评估了国家层面的水、食物和能源关系之间的反馈，同时考虑了定性和定量的环境用水需求。在这个动态系统的水资源子系统中，地表水资源和地下水资源被共同考虑。开发的模型考虑了减少人均用水和能源对其系统组成部分的影响。结果表明，由于反馈，人均水和能源使用量的变化具有间接和直接影响。人均变革政策实现的总节水量中，约有40%与节能有关，即间接节水。人均使用量减少的实施弥补了伊朗9%的下降在五年研究期间出现的地下水库(短期内不可再生资源)。节水节能对应的可管理和可利用可再生水资源压力指数(MRWI)为214.5%，优于现状值(235.1%)。
世界上很大一部分人口无法获得足够的水、食物和能源资源(WFE)。尽管实现联合国千年发展目标和后来的可持续发展目标(SDG)的努力增加了对稀缺资源的获取，但2019年仍有25.9%的人口受到中度或重度粮食不安全的影响，22亿人无法获得饮用水2017年缺水，2018年7.89亿人缺电1.随着世界人口从2016年的74亿增长到2050年的97亿，对WFE资源的压力将越来越大2.WFENexus是一个概念，其中决策者必须理解互惠和反馈，以达成最佳管理决策。WFENexus的概念在不同的尺度和不同的目的下进行了研究，其中涉及多种因素，例如环境、气候变化和政府3。了解三种重要资源(WFE)之间存在的相互关系在寻求平衡资源的供需方面发挥着主导作用。有许多关于水和食物关系的研究，突出了农业在大多数流域中作为用水者的突出地位4。相比之下，关于水和能源关系的研究较少5。戴等人。6确定了研究水和能源关系的五种方法。水和能源关系的重点是能源用于水的提取、分配、海水淡化、输送和处理，以及水力发电厂的发电、生物燃料以及勘探、提取和使用化石燃料7,8,9,10.戴等人。6确定了15种考虑环境在水和能源关系中的作用的方法。这15种方法中的大多数通过考虑气候变化和温室气体等环境因素来量化水和能源之间的反馈。一些方法(GLEW和WATER)侧重于水和能源对环境所需水的质量和数量的影响。正如这些方法和当前研究方法的比较所示，这两种方法中一个被忽视的方面是提取、净化、转移和分配水资源所需的能量。此外，WATER和GLEW方法分别集中在生物能源和电力上，而本研究考虑了不同类型的能量载体11、12、13。
斯坎伦等人。2认为，研究WFENexus及其对陆地系统的影响对于实现可持续环境至关重要。对环境的危害危害了所有三个WFE资源的可持续性，从WEF关系的角度审视一个部门管理不善对其他部门的影响对于改进资源管理和环境保护14是必要的。水、食物和能源在水库管理中被共同考虑15。Hoff16引入了WFENexus的概念。随后，提出了几种框架和方法。在全国范围内审查的几个概念性WFENexus框架17,18列在表1中，并报告了它们相对于本文模型的优缺点。使用建模场景在宏观(国家)层面评估管理WFE政策是一项及时的工作。通过避免高复杂性、海量数据使用，并考虑区域特异性/WFE模型可以应用于不同领域，只需稍作改动。对相关文献的回顾表明，从WFENexus国家的角度来看，可管理和可开发的可再生水资源的概念尚未得到足够深入的解决。只有两项研究，一项在全球范围内，另一项在多瑙河流域进行，在WFENexus框架19、20中涉及可再生水资源。
通过估计环境用水需求(同时从定性和定量的角度)来提高WFE组件安全性的研究还不够全面。考虑到用水的定性和定量方面，这项工作在WFENexus的水资源子系统中应用了水足迹的概念。我们对水资源子系统的分析包括以集总模型(即使用全国平均投入和产出)的形式在全国范围内水文循环的组成部分，其中考虑了地表水和地下水资源。对WFE关系的水资源子系统的这种全面表征提高了在国家层面评估WFE相互作用的准确性，并能够计算可管理和可开发的可再生水资源。此外，能量子系统考虑了产生的所有类型的能量载体。这项工作对WFE关系的模拟研究是在Anylogic软件环境中进行的，这构成了关于WFENexus评估的新颖性，并且当与OptQuest工具结合使用时，该软件作为优化工具的能力在此得到证明21.这是Anylogic软件首次应用于WFENexus建模。该软件在组合不同类型建模(离散事件、基于代理和系统动态建模)的能力、构建场景的可能性以及在互联网。
这项工作介绍了一个在全国范围内处理WFENexus的模型。该模式适用于干旱半干旱国家，能源生产大国伊朗。只有少数基于Nexus的综合工具被开发用于伊朗，它们在流域范围内运行(参见Ravar等人5;Bakhshianlamouki等人22)甚至更小规模(参见例如,Naderi等人23)。
提议的方法和模型结构
这项工作在国家层面制定了WFENexus的总体框架，其中包括水、食物、能源和需求之间的所有相关相互作用。图1描述了涉及资源可用性和消耗的反馈。所开发的国家级评估模型的因果循环如图2所示。图2中描述的模型建议减少消耗以尽可能减少水危机。通过减少用水和污染，可以减少环境用水需求，从而缓解水危机。本文的目标是通过减少人均用水量(在住宅部分)和人均能源使用量(在家庭、公共和商业部分)来实现可持续管理。WFE关系被建模为一个动态系统，用于对能源、地表水和地下水资源的存量进行需求管理，以计算其在国家层面的输入和输出速率(流量)，同时提供环境流量要求(图3)。国家建模方法是集中型的，这意味着对水和能源存量的投入和产出代表了整个国家(在案例研究中，伊朗)的总量;因此，模型不考虑国家内部的区域差异。水资源和能源的单位分别以立方米和兆瓦时表示。
