地球科学进展

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (9): 899 -910. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.089

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多主体建模在水资源管理中的应用：进展与展望
原世伟 1, 4( ),李新 2, 3, 4( ),杜二虎 5   
  1. 1.中国科学院西北生态环境资源研究院 甘肃省遥感重点实验室，甘肃 兰州 730000
    2.中国科学院 青藏高原研究所 青藏高原地球系统科学国家重点实验室，北京 100101
    3.中国科学院 青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101
    4.中国科学院大学，北京 100049
    5.南方科技大学 环境科学与工程学院，深圳 518055
  • 收稿日期:2021-06-30 修回日期:2021-08-13 出版日期:2021-09-10
  • 通讯作者: 李新 E-mail:yuansw@lzb.ac.cn;xinli@itpcas.ac.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目“黄河源冻土区生态水文过程对气候变化的响应”(41630856);国家自然科学基金青年科学基金项目“干旱地区农业水资源管理对水文过程的影响机理研究”(51909118)

Progress and Prospect of Agent-Based Modeling for Water Resources Management

Shiwei YUAN 1, 4( ),Xin LI 2, 3, 4( ),Erhu DU 5   

  1. 1.Key Laboratory of Remote Sensing of Gansu Province，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
    2.Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System Science，Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China
    3.Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China
    4.University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
    5.School of Environmental Science and Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China
  • Received:2021-06-30 Revised:2021-08-13 Online:2021-09-10 Published:2021-10-15
  • Contact: Xin LI E-mail:yuansw@lzb.ac.cn;xinli@itpcas.ac.cn
  • About author:YUAN Shiwei (1992- ), male, Jiaozuo City, Henan Province, Ph.D student. Research areas include watershed resources management. E-mail: yuansw@lzb.ac.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China "Responses of eco-hydrological processes to climate change in the permafrost region of the source of the Yellow River"(41630856);"Study on the influence mechanism of agricultural water resources management on hydrological process in arid region"(51909118)
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多主体建模作为研究“人类与自然耦合系统”等复杂适应性系统的重要工具，已经被广泛地应用于水资源管理领域。在调研国内外重要研究的基础上，回顾了多主体建模的基础理论、建模工具和框架，并对多主体建模在城市水资源管理、农业水资源管理和流域水资源综合管理3个方面的研究和应用进行了阶段性总结。针对当前研究的不足和难点，结合我国水资源管理的研究现状，提出以下4个研究重点：①加强主体行为决策规则刻画；②加强模型验证和评估研究；③开展代表性流域多主体建模研究；④推动学科交叉和综合集成研究。多主体建模能够揭示人类活动—水文循环的互馈机制，为水资源及水环境的可持续利用和管理提供政策建议，加强多主体建模在水资源管理领域的研究可为水资源管理提供新的思路，推动我国水资源的可持续发展。

关键词: 多主体建模, 复杂适应性系统, 人类与自然耦合系统, 人水耦合系统, 水资源管理

Agent-Based Modeling （ABM） has proved to be an efficient and powerful tool to study coupled human and natural systems. In recent years， the use of ABM to track water resources management issues is increasingly popular. Based on the review at the interface of ABM and water resources management studies， the techniques， progresses， advantages and limitations are summarized. Three topic areas are identified， addressing different research issues in the field： urban water resources management， agricultural water resources management and integrated watershed water resources management. Overall， with ABM， human decisions and behaviors are linked with water systems. The underlying feedback mechanisms between human and water systems can be revealed and used for policy and strategy planning. However， there still exist some limitations that need to be improved through the following ways. Firstly， more realistic human decision rules are certainly needed. Machine learning and big data techniques can be applied for this purpose. Additionally， the validation and evaluation methods suitable for ABM should be developed and enhanced. Furthermore， it is recommended to continuously conduct researches at a representative basin to advance the application of ABM for water resources management. More importantly， multi-disciplines collaborations such as involving more social and psychological sciences in ABM should be promoted. In conclusion， ABM provides a new insight to deal with water resources management issues. Strengthening the application of ABM in water resources management could promote the sustainable management and development of water resources around the world.

Key words: Agent-based modeling, Complex adaptive systems, Coupled human and natural system, Coupled human-water system, Water resources management

中图分类号: 

图1 多主体建模在水资源管理中的应用
Fig. 1 Application of agent-based modeling in water resources management
图2 多主体模型组成（a）和层次结构（b）
Fig. 2 Composition （a） and hierarchy （b） of an agent-based model
表1 常用多主体建模工具比较
Table 1 Comparisons of common tools used for Agent-Based Modeling
Swarm NetLogo RePast
开发机构 圣塔菲研究所 西北大学 芝加哥大学
开发语言 Java/Objective-C NetLogo Java/C#/Python
用户基数 小 大 大
模型示例 少 多 多
入门难度 难 易 较难
支持和维护 低 高 高
扩展性 差 差 强
GIS支持 否 是 是
应用领域 社会科学、生物学、供应链和社交网络等 社会科学、自然科学和教育等 社会科学、供应链、地理信息系统和社交网络等
图3 ODD（Overview-Design concepts-Details）框架（据参考文献［ 34 ］修改）
Fig. 3 ODD （Overview-Design concepts-Details） protocol （modified after reference［ 34 ］）
图4 城市水资源管理多主体模型框架
Fig. 4 Agent-based modeling framework for urban water resources management
图5 农业水资源管理多主体模型框架
Fig. 5 Agent-based modeling framework for agricultural water resources management
图6 流域水资源综合管理多主体模型框架
Fig. 6 Agent-based modeling framework for integrated watershed water resources management
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