Su kaynakları yönetiminde gıda-enerji-su bağlantısının optimizasyonu

Abstract

Tarım, toplam su kullanımın yaklaşık %70'ini oluşturarak tatlı su kaynaklarının tüketiminde önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca, tarımın ve gıda tedarik zincirinin çeşitli aşamalarında enerji gereksinimi de büyük önem taşımaktadır. Küresel ölçekte, tarım ve gıda endüstrileri toplam enerji tüketiminin yaklaşık %30'unu oluşturmaktadır ve bu tüketimin önemli bir kısmı fosil yakıt kaynaklarından elde edilmektedir. Bu durum, gıda talebinin yeterli düzeyde karşılanması sırasında su ve enerji kaynaklarının verimli kullanımı için giderek artan bir baskı oluşturmakta ve gıda, enerji ve su kaynakları arasındaki karmaşık bağlantının altını çizmektedir. Dolayısıyla gıda, enerji ve su kaynakları arasındaki karmaşık etkileşimin daha iyi anlaşılması büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, tarımsal ürün planlamasında optimum ürün desenini belirlemek için hem doğrusal programlama hem de çok amaçlı doğrusal programlama modelleri kullanılmaktadır. Çalışmanın temel yeniliği, sadece bu optimizasyon yöntemlerini kullanarak seçilen bir amaç fonksiyonu için en uygun ekim desenlerini belirlemekle kalmayıp, aynı zamanda bu ekim desenlerini gıda, enerji ve su bağlantısını dikkate alarak bütüncül bir şekilde analiz etmesidir. Bu tez çalışmasında, ilk olarak, tarımda su kullanımını en aza indirirken en uygun ekim desenini belirlemek için bir doğrusal programlama modeli kullanılmıştır. Doğrusal programlamada uygulanan kısıtlar, neredeyse aynı tarımsal geliri sürdürmeyi, toplam ekim alanını korumayı ve ekim alanındaki değişim aralıklarını %5 ile sınırlamayı içermektedir. İkinci olarak ise, tarımda su kullanımını en aza indiren ve tarımsal geliri en üst düzeye çıkaran optimum ekim alanlarına yönelik alternatif senaryoları belirlemek için çok amaçlı bir doğrusal programlama modeli kullanılmıştır. Çeşitli ekim senaryoları oluşturmak için bu amaç fonksiyonlarına farklı ağırlık katsayıları atanmıştır. Ayrıca, mahsul ekim alanlarında farklı oranlarda değişime müsaade edilmesi durumları da ayrı senaryolarda incelenmiştir. Hem doğrusal programlama hem de çok amaçlı doğrusal programlama yaklaşımları kullanılarak 2017, 2025-2050, 2050-2075 ve 2075-2100 dönemleri için ürün desenleri belirlenmiştir. Her bir senaryo için en uygun ekim desenleri belirlendikten sonra, su kullanımı, enerji gereksinimleri, tarımsal gelir ve karbondioksit emisyonları gibi parametreler gıda-enerji-su bağlantısına dayalı olarak hesaplanmıştır. Daha sonra, her bir alternatif ürün deseni senaryosu için ulaşılan sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Doğrusal programlama modeli ile incelenen tüm senaryolar; daha düşük su kullanımı, daha az enerji gereksinimi ve daha az karbondioksit emisyonu ile sonuçlanmıştır. Tüm zaman dilimlerinde, toplam ekim alanı kısıtlaması olmaksızın ekim alanlarında %5'lik bir değişikliğe izin veren senaryo 6 en iyi seçenek olarak ortaya çıkmıştır. Bu senaryo, baz senaryoya kıyasla su kullanımında ortalama % 3,94, enerji ihtiyacında %2,95 ve karbondioksit emisyonlarında %1,62 azalma sağlamıştır. Toplam ekim alanı kısıtlamasına bağlı kalarak ekim alanlarında %5'lik bir değişikliğe izin veren Senaryo 11 ise, su tasarrufu açısından en etkili ikinci senaryo olmuştur. Tüm zaman dilimlerinde su kullanımında ortalama %3,45'lik bir azalma, enerji gereksinimlerinde ortalama %1,85'lik bir azalma ve karbondioksit emisyonlarında %0,11'lik az seviyede azalma sağlamıştır. Çok amaçlı doğrusal programlama modeli ile elde edilen sonuçlara göre, amaçlara farklı ağırlık katsayılarının atandığı tüm ürün deseni değişikliği senaryolarında su kullanımı ve enerji gereksinimlerinde azalma, tarımsal gelirde ise artış gözlemlenmiştir. Ancak karbondioksit emisyonları, tarımsal gelirin maksimize edilmesine daha fazla ağırlık verilen senaryolarda artarken, su kullanımının minimize edilmesine daha fazla ağırlık verilen senaryolarda azalmıştır. Tüm zaman dilimleri için elde edilen sonuçlar incelendiğinde, baz senaryoya kıyasla su kullanımında ortalama %3,35 azalma, enerji talebinde ortalama %1,78 azalma, karbondioksit emisyonlarında ortalama %0,26 azalma ve tarımsal gelirde ortalama %1 artış sağlayan senaryo 16, su kullanımını en aza indirme hedefi ön planda tutulduğunda en iyi senaryo olarak belirlenmiştir. Ancak, tarımsal gelirin maksimize edilmesi önceliklendirildiğinde, tüm zaman dilimlerinde tarımsal gelirde ortalama %2,05'lik bir artış sağlayan Senaryo 14 en uygun senaryo olarak değerlendirilmektedir. Ekim alanlarında farklı izin verilen değişim oranlarını inceleyen çok amaçlı doğrusal programlama senaryolarının sonuçları, önerilen tüm senaryoların daha düşük su tüketimi ve enerji ihtiyacı, daha yüksek tarımsal gelir elde ettiğini ortaya koymaktadır. Su kullanımı ve gelir sonuçlarının daha ayrıntılı incelenmesi, ekim alanlarının ayarlanmasında daha fazla esnekliğin su kullanımında daha büyük azalmalara ve daha yüksek gelir artışlarına yol açtığını göstermektedir. Bunlar arasında, Senaryo 21 en etkili senaryo olarak ortaya çıkmaktadır. Bu senaryo, baz senaryoya kıyasla su tüketiminde ortalama %5,30 azalma, enerji kullanımında %1,74 azalma ve tarımsal gelirde %2,81 artış sağlamaktadır. Bu da, su tasarrufu ve gelir artışı eşit öneme sahip olduğunda Senaryo 21'i en uygun seçenek haline getirmektedir. Elde edilen bulgular, bu çalışmada önerilen modelin tarımsal yönetimde sürdürülebilirliğin geliştirilmesine önemli ölçüde katkıda bulunabileceğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlara göre, sadece ürün deseninin değiştirilmesiyle su kullanımı, enerji gereksinimi ve karbondioksit emisyonlarında kayda değer azalmalar sağlanabilmektedir. Çalışmanın bulgularının, Gediz Havzası'nda tarımın yaygın olduğu bölgelerde tarımsal üretim planlamasının sürdürülebilirliğini artırmak için karar vericilere değerli bilgiler sunacağı düşünülmektedir. Bu çalışmanın sonuçları belirli bir bölge için elde edilmiş olsa da, uygulanan metodoloji farklı uygulamalarda kullanılmak üzere kolaylıkla uyarlanabilecek niteliktedir.