论文标题：Assessing the impacts of groundwater management policies on farmer cooperation using agent-based modeling

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Sayed-Ali OHAB-YAZDI, Azadeh AHMADI

发表时间：15 Dec 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024582

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环境变化下的可持续农业水资源管理

Sustainable Agricultural Water Management Under Changing Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第二篇 ·

▎论文ID

Assessing the impacts of groundwater management policies on farmer cooperation using agent-based modeling

基于代理建模评估地下水管理政策对农民合作的影响

文章类型：Research Article

发表年份：2024年

第一作者：Sayed-Ali OHAB-YAZDI1

通讯作者：Azadeh AHMADI2

Email: az_ahmadi@sbu.ac.ir

作者单位：1. 伊朗伊斯法罕理工大学土木工程系；2. 伊朗沙希德·贝赫什提大学土木、水和环境工程学院。

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

· 文 章 摘 要 ·

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。

· 文 章 亮 点 ·

1. 开发了基于代理的耦合人类-自然模型。

2. 评估了不同农民合作水平对区域可持续性的影响。

3. 根据不同农民特征和行为设定了多种情景。

4. 地下水过度开采的罚款促进了农民合作。

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。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

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。

▎材料与方法

图1展示了为实现研究目标而设计和执行的研究步骤。

图1 行为模型与水资源模型的开发阶段。

1. 数据收集：收集了包括水资源开采、降水、蒸发、地下水与地表水流动、渗透率和回归流等数据，这些数据源自伊朗能源部。利用系统动力学模型模拟地下水动态，并与AnyLogic环境中的代理模型结合。

2. 行为模型开发：基于农民特征和资源条件 (如耕种面积、作物类型、水资源)，在软件环境中构建了代理行为模型，并开发优化模型以减少预测与实际观测值之间的偏差，优化水资源平衡方程的参数。

3. 模型整合与验证：将行为模型与水资源系统模型整合，并校准验证，确保模型预测的准确性。

4. 场景分析：在整合模型中引入不同管理场景，分析其对水资源和农民行为的影响。

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。

▎结果

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) 结果图片

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? 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。

▎讨论

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。

场景I：实施超量用水处罚

在这一场景中，我们假设农民可以选择在规定限额内减少用水或因超量用水而支付罚款。我们模拟了不同罚款额度对农民行为和含水层水位的影响。结果显示，较低的罚款 (如100 伊朗里亚尔/立方米) 对农民行为影响不大，而提高罚款额度 (如10,000伊朗里亚尔/立方米) 则显著提高了农民的合作水平，并导致含水层水位上升。尽管如此，水位仍未达到目标水平，表明实现目标水位需要更高的罚款。

场景II：推广现代灌溉系统

这一场景考察了知识传播和倡导对现代灌溉系统采用的影响。我们假设一部分农民接受了现代灌溉技术的培训，并在随后的年份中向其他农民传播这些知识。结果表明，扩大知识传播的半径可以显著增加采用现代灌溉系统的农民数量，从而提高灌溉效率，减少水资源消耗。然而，超过一定半径后，增加的效果逐渐减弱，表明存在一个最佳的传播半径，超过该半径后，进一步扩大传播范围的效益递减。

两种场景都旨在减少地下水的开采，但采取了不同的策略并产生了不同的成本。场景I通过罚款有效限制了水资源消耗，但并未激励农民采用现代灌溉技术。场景II则通过教育和技术推广，鼓励农民采用节水技术，尽管这可能导致农民扩大种植面积，从而抵消了减少地下水开采的效果。研究强调了制定和实施水政策的重要性，这些政策应尽量减少对农民收入的负面影响，并确保不同农民群体之间公平分担负担。未来的研究可拓展至将水文分布模型整合入现有模型，并扩大研究范围以涵盖工业和家庭用户，同时探讨不同信息传播策略在提高农民接受和采纳节水措施方面的有效性。

· 结 论 ·

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。

场景I通过罚款有效限制了水资源消耗，但并未激励农民采用节水技术。相比之下，场景II通过教育和技术推广，鼓励农民采用节水技术，虽可能会增加农民的初始投资，却能带来长期效益。研究强调了制定和实施水资源管理政策的重要性，这些政策应尽量减少对农民收入的负面影响，并确保不同农民群体之间公平分担责任。

未来研究可以进一步整合水文分布模型，扩大研究范围以涵盖工业和家庭用户，以及探索不同信息传播方法对农民接受和采用节水措施的有效性。研究结果表明，综合考虑人类行为和水资源管理的复杂性，对于制定有效的水资源政策至关重要。

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