环境变化下的可持续农业水资源管理
Sustainable Agricultural Water Management Under Changing Environment
· 第二篇 ·
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Cite this article :
Sayed-Ali OHAB-YAZDI, Azadeh AHMADI. Assessing the impacts of groundwater management policies on farmer cooperation using agent-based modeling. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 527‒543 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024582
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本研究构建了一个综合框架，采用自上而下和自下而上的方法模拟农民决策。通过三个子系统评估地下水管理政策变化对农民决策和利润的影响：水平衡模拟、农民行为模拟和利润评估。研究设计了两种场景：场景I对地下水超采实施罚款，场景II通过提升意识和培训推广现代灌溉系统。结果表明，不同罚款额度下，超采请求分别减少了8%、45%和68%，净利润相应下降了1.3%、8.0%和11.6%。模拟期间，农民在地下水管理方面的合作程度在20%到50%之间波动。场景II中，扩大宣传半径从0.5千米增至2千米，显著提升了现代灌溉系统的使用，用户数从1457增至2057。本研究揭示了不同政策措施对具有不同特征和偏好农民的影响。
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5. 加强培训、提高意识可增加600名采用现代灌溉系统的用户。
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代理建模的概念起源于20世纪40年代，但由于计算成本高，直到1990年才快速发展。从StarLogo的引入到Swarm、NetLogo、RePast、AnyLogic和GAMA等软件的出现，代理建模在多个领域得到应用，不仅模拟社会互动，还涉及组织行为和决策。在水资源系统中，农业、家庭和工业用户作为人类代理被纳入模型中。
本研究整合了人类行为和水资源系统，探讨了由于人类行为复杂性导致的系统变异性、反馈循环和非线性问题。通过基于代理的建模技术，模拟了个体农民的决策过程，这种方法适用于分析社会问题和人类互动，尤其是在模拟多样化群体的决策时。研究还涉及了水资源管理中用户行为和决策的多个方面，如激励策略、用户网络、地下水市场以及家庭水管理的优化模型。研究重点在于模拟农民如何响应政策和场景变化，以及这些变化如何影响水资源管理。通过定义不同的管理场景，评估了激励计划、上限和交易系统等政策对水消费和质量的影响，以及提高用户意识和培训的举措。研究强调了公众舆论在水资源管理中的重要性，并探讨了农民之间关系对管理策略接受度的影响。
本研究采用了自上而下和自下而上的方法，提出了一个新颖的方法论框架。以往的研究多从自上而下的视角出发，运用博弈论或优化模型模拟农民行为并展示决策结果。但并非所有消费者都按照理性或最优的方式行动。本研究的关键在于对代理进行了细致建模，能够检验不同情景对每位农民个体的影响。所提出的模型分析了水政策和情景对每位农民的影响，评估了各情景在促进农民合作方面的成效。模型明确模拟了农民行为的差异，包括合作与非合作行为，以及农民间的合作程度。研究结果展示了不同农民的决策和影响如何因情景而异。
图1展示了为实现研究目标而设计和执行的研究步骤。
研究中开发的三个子系统包括：模拟人类代理行为的子系统、模拟水资源系统的子系统，以及捕捉农民基于活动利润的子系统。这些子系统通过共享变量直接集成，并在AnyLogic软件中模拟了农民行为和水资源系统的互动。研究区域Lenjanat是Gavkhooni盆地的子盆地，面临水资源短缺的挑战。选择该区域作为案例研究，是因为它提供了详细的农业数据。
本节首先介绍了校准水资源系统和行为模型的方法，然后将校准后的模型应用于水资源管理者开发的场景中。
为在不同场景和水文条件下应用水资源模型，我们首先确定了影响含水层水平衡的关键参数，如渗透率和回归流率。优化模型在96个月的周期内运行，目标是减少观测值与预测值之间地下水位差异。表1展示了优化模型的结果，而图2则显示了地下水位的历史与模拟值。
表1 水资源模型的校准 (96个月) 和验证 (24个月) 结果
图2 校准 (96个月) 和验证 (24个月) 期间地下水位的历史值和模拟值。
由于地下水和行为模型的复杂性，对两者都进行了校准和验证。行为模型校准后与水资源模型相结合，基于模型结果与历史地下水波动数据的一致性，确定了系数a、b、c 和ć 的最佳值，分别为10、5、0.3和0.7。
本节还探讨了两种不同管理场景的结果。第一种场景是对超量用水行为实施处罚，以解决农民对水资源价值认识不足和过度开采井水的问题。第二种场景评估了提高意识活动对促进现代灌溉系统采用的影响，专家认为领先农民的采用可能会带动其他农民效仿。
本节探讨了两种不同场景对农民行为、水资源管理决策以及含水层水位变化的影响。
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本研究通过基于代理的模型和系统动力学方法，探讨了农民行为、水资源管理决策对含水层水位变化的影响。研究提出了两种管理地下水资源的场景：场景I通过处罚过量用水来调控水资源消耗，而场景II则通过推广现代灌溉系统来减少地下水开采。两种场景虽旨在减少地下水的过度使用，但采取了不同的策略并带来了不同的成本。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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