Agent based modelling of domestic water demand for adaptive urban water management

Abstract

The subject of the Doctoral Thesis is the creation of a new simulation method of the domestic waterdemand behaviour of urban households, utilising Agent Based Modelling (ABM). Up until now, the mostcommon approach was to include within water management tools the time series of water demand thatwere produced either by following the historical trends or by projecting future demands. However, inthis research the created modelling platform gives an alternative method of creating water demand timeseries by simulating domestic water demand behaviour as it is shaped by social, political, economicand technological conditions. One of the main drivers of this research was the need to create rulessimulating water demand behaviour of urban households. In this work an ABM was developed, termedthe Urban Water Agents’ Behaviour Model (UWAB), which simulates the urban household’s waterdemand behaviour based on: (a) complex network theory (Albert and Barabasi, 2000) representing thelinks among the domestic water users of a city; (b) social impact theory (Latane, 1981) addressing theeffects of society, policies and other external forces on the domestic users’ behaviour; (c) the theory ofplanned behaviour (Ajzen, 1991) deconstructing the domestic water user’s behaviour into componentsfor modelling behavioural intention; and (d) statistical mechanics (Shell, 2014) employed to deal withthe inherently stochastic nature of human behaviour.The domestic water demand behaviour of urban households and its influence by water policies andenvironmental pressures is simulated by the UWAB model. Following, this water demand behaviour istranslated into specific water volume through the simulation of water consumption appliances of ahousehold utilising the Urban Water Optioneering Tool (UWOT) (Makropoulos et al., 2008). Theimplementation of the proposed methodology was realised via the connection of the UWAB model withthe UWOT tool, creating the modelling platform UWAB-UWOT.For the verification of the proposed methodology, the urban water system of Athens was simulated withthe UWAB-UWAT platform. More specifically, the evolution of the domestic water demand was studiedduring the extended drought period of Athens between years 1988 and 1994. Initially, the model wascalibrated and verified using monthly data of domestic water demand for the above period. Following,alternative strategies of water demand were developed and studied based on alternative future waterdemand scenarios. The results have shown that the connection of an ABM model, for the simulation ofthe domestic water demand behaviour of urban households, with a simulating model of the urban watercycle, allows the creation of modelling experiments aiming to the evaluation of alternative waterdemand management strategies, by water service providers and policy makers.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία μιας νέας μεθόδου προσομοίωσης της συμπεριφοράς της ζήτησης νερού των αστικών νοικοκυριών, χρησιμοποιώντας μοντέλα παραγόντων –ευφυών πρακτόρων (Agent Based Modelling - ΑΒΜ). Μέχρι τώρα, η πιο κοινή προσέγγιση ήταν να συμπεριλαμβάνονται στα εργαλεία διαχείρισης των υδατικών πόρων, χρονοσειρές οικιακής ζήτησης νερού παραγόμενες είτε ακολουθώντας τις ιστορικές τάσεις ή προβάλλοντας μελλοντικές απαιτήσεις.Ωστόσο, σε αυτή την έρευνα, προτείνεται μια εναλλακτική μέθοδος για τη παραγωγή χρονοσειρών οικιακής ζήτησης νερού, προσομοιώνοντας τη συμπεριφορά των νοικοκυριών όπως αυτή διαμορφώνεται από τις κοινωνικές, πολιτικές, οικονομικές και τεχνολογικές συνθήκες.Το βασικό κίνητρο της έρευνας αυτής, ήταν η ανάγκη για τη δημιουργία κανόνων που προσομοιώνουν τη συμπεριφορά των νοικοκυριών. Προς την κατεύθυνση αυτή, αναπτύχθηκε ένα εργαλείο ΑΒΜ, που ονομάζεται Urban Water Agents’ Behaviour (UWAB), το οποίο προσομοιώνει τη συμπεριφορά της ζήτησης νερού ενός νοικοκυριού με βάση: (α) τη θεωρία σύνθετων δικτύων (Albert and Barabasi, 2000)που αντιπροσωπεύει τους κοινωνικούς δεσμούς που δύναται να επηρεάσουν την οικιακή ζήτηση νερού, (β) τη θεωρία της κοινωνικής επιρροής (social impact theory) (Latane, 1981) για την προσομοίωση της επιρροής που ασκούν πολιτικές και άλλοι εξωτερικοί παράγοντες στη συμπεριφορά των οικιακών χρηστών νερού, (γ) τη θεωρία της σχεδιασμένης συμπεριφοράς (theory of plannedbehaviour) (Ajzen, 1991) η οποία εξυπηρετεί την αποδόμηση της συμπεριφοράς του οικιακού χρήστη νερού στα συστατικά της με σκοπό τη μοντελοποίηση της πρόθεσης του και (δ) τη στατιστική μηχανική(Shell, 2014) η οποία χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της στοχαστικής φύσης της ανθρώπινης συμπεριφοράς. Η συμπεριφορά της ζήτησης νερού των νοικοκυριών και η επιρροή της από τις πολιτικές διαχείρισης και από τις περιβαλλοντικές πιέσεις προσομοιώνεται στο μοντέλο UWAB. Στη συνέχεια, η συμπεριφορά αυτή μεταφράζεται σε συγκεκριμένο όγκο νερού μέσω της προσομοίωσης των συσκευών κατανάλωσης νερού ενός νοικοκυριού χρησιμοποιώντας το εργαλείο Urban Water Optionneering Tool(UWOT) (Makropoulos et al., 2008). Η υλοποίηση της παραπάνω προτεινόμενης μεθοδολογίας πραγματοποιήθηκε με τη σύνδεση του μοντέλου UWAB με το εργαλείο UWOT, δημιουργώντας την πλατφόρμα μοντελοποίησης UWAB-UWOT. Για την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας χρησιμοποιήθηκε το αστικό σύστημα ύδρευσης της Αθήνας, το οποίο και προσομοιώθηκε στην πλατφόρμα UWAB-UWAT. Πιο συγκεκριμένα,μελετήθηκε η εξέλιξη της οικιακής ζήτησης νερού κατά την περίοδο εκτεταμένης ξηρασίας που σημειώθηκε στην Αθήνα, κατά την περίοδο 1988 – 1994. Αρχικά, το μοντέλο βαθμονομήθηκε και επαληθεύτηκε χρησιμοποιώντας μηνιαία δεδομένα οικιακής ζήτησης νερού για την παραπάνω περίοδο.Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές διαχείρισης της ζήτησης νερού βάσει των εναλλακτικών μελλοντικών σεναρίων ζήτησης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η σύνδεση ενός μοντέλου ABM, για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των νοικοκυριών, με ένα μοντέλο προσομοίωσης του αστικού κύκλου νερού, δίνει τη δυνατότητα σύνθεσης υπολογιστικών πειραμάτων με στόχο την αξιολόγηση εναλλακτικών στρατηγικών διαχείρισης της οικιακής ζήτησης νερού από τις ρυθμιστικές αρχές.