AQUACOAST:模拟工具探索沿海地下水和灌溉农业的相互作用

文摘

框架的沿海groundwater-dependent灌溉农业,造型成为不可或缺的知道这可再生资源响应复杂(通常不是概念化和监控)生物物理,社会和经济互动。友好用户界面至关重要涉及nonmodeling专家利用和改进模型。决策支持系统(DSS)是软件系统集成模型、数据库或其他决定艾滋病和打包,决策者可以使用。本文解决这两个问题:首先,系统动力学(SD)模型的实现在Vensim软件考虑的集成水文、农艺、经济驱动和第二Venapp的设计,自动化的接口,允许用户访问Vensim模型不经过Vensim建模环境。原型设计,AQUACOAST工具,给出了一个这种类型的可能性的模型来识别和分析显然无关的因素的影响,如种植产品,价格补贴或开发成本的盐水入侵,和伟大的威胁沿海groundwater-dependent灌溉农业系统。

1。介绍

世界人口的一大部分取决于地下水资源(1]。地下水占33%的全球淡水需求和增加2]。这个资源尤为重要地区地表水网络不包括至少淡水需求的一小部分,如在许多沿海旱地(3]。在这些领域,含水层发挥重要作用在维持经济和环境4),但缺水导致供应增加城市地下水抽象率高,旅游、工业、和农业的要求,从而增加了地下水压力的身体(5,6]。令人担忧的迹象:地下水的情况下消耗数量和质量退化不停止增加(7]。

地下水退化在沿海旱地通常是全球驱动力之间复杂的相互作用的结果和人为操作(8,9]。全球气候情景预测高蒸发率和较低的盐碱地含水层补给率(10]。一些人为操作可能导致这个初始地下水盐度“气候”,如泵诱导盐水入侵和动员的卤水4,11)、高效灌溉系统生产高矿化度、低灌溉回归率(12),滥用化肥和农药,等等。例如,由此产生的地下水盐度在许多欧洲南部沿海旱地超过饮用水质量的标准,欧洲指令(13)建议供人类消费和健康,作物生产和生存的生态系统的生物多样性12]。

在这种背景下,农业总是最高的淡水需求14,15),在当地社会的日益增长的贡献,但占取款的70% (16,17]。博览会的沿海含水层破坏后盐水入侵(瑞士)自然条件(18,19)降低了作物表面,因此利润在许多地区,戏剧性的影响粮食生产和社会不平等。用户经常忘记,海水是另一个水平衡组件。计划外开发背后的原因变更freshwater-saltwater脆弱的平衡与典型的后果,比如freshwater-saltwater混合区位移内陆,减少作物生产。这些预期的负面指标可能会放弃土地用于灌溉农作物。

了解沿海地下水和灌溉农业的相互作用是一个挑战,因为平衡可持续的泵和农业利润受到脆弱的阈值由crop-limiting盐度。本文旨在对这一主题的一个用户友好的编程工具,结合水文、农艺、经济系统的组件(20.,21]。这个多学科工具必须处理变量的复杂网络符合反馈循环受到延误和非线性关系。为此,SD模型是一种非常合适的方法。当研究的范围超出了学术领域,旨在涉及利益相关者和土地使用规划,这些模型与DSS是至关重要的。这些软件系统集成模型、数据库或其他决定艾滋病和打包,决策者可以使用[22]。

感知之间的复杂的相互作用的社会文化、经济和生物物理组件的系统越来越感兴趣的原因是环境DSSs (22- - - - - -24]。摘要Vensim应用程序(Venapp) AQUACOAST仿真模型,旨在评估沿海groundwater-dependent农业的可持续发展。所述,威胁沿海含水层是盐水入侵引发的过度的淡水注入。分析在什么情况下这样的灾难可能发生这个的目的是模拟工具。

2。材料和方法

2.1。系统动力学建模

SD模型(25)是一个理想的框架集成变量来自不同的学科,因为它是基于一个系统的整体视图下学习和考虑模型结构作为一个整体。SD模型体现了系统思考微分方程系统的实现。基于非线性动力学理论和反馈控制开发的数学、物理和工程学。

SD模型是一个存量和流量结构的一阶微分方程,这是常见的确定性和用于生成时间轨迹模型的变量在不同仿真场景。模型的结构是由因果反馈回路,包括非线性关系和延迟,构成一个整体,容易被忽视,因为它的行为(26]。

强烈的SD可能点总结如下(27]:(i) SD模型是有用的学习工具,有助于提高系统的理解和培养系统思维能力和知识集成建模者和最终用户。这是真的,甚至对于他们的第一个发展阶段,即。概念模型。(2)进步发展的高层动态建模软件平台进行了计算SD模型更容易。(3)SD文学做出了丰富贡献方法通知在造型过程中,包括数据收集方法、知识抽取/映射技术和政策分析。

的集成模型,允许实现SD在解决环境问题方面起着至关重要的作用[28- - - - - -30.]。环境的恶化是伪造的之间的不平衡了自然资源的再生速度和他们的剥削,这是由于社会经济因素。为了理解经济系统与自然,寻求可持续的解决方案,有必要分析经济和自然生物物理系统之间的动态交互21,31日]。

进步发展的高水平动态建模软件平台,比如我想(系统。http://www.iseesystems.com),Vensim (Ventana系统,http://www.vensim.com)和Powersim工作室(Powersim软件,http://www.powersim.com),使电脑SD模型很容易理解(甚至以最少的技术背景)。这些应用程序通常设计为通信层:用户界面、浆流,数学方程,编程代码27]。

这些造型工具的重要特征是,它们允许用户编写一个模型,即使是复杂的,不需要编写任何方程。模型图的优点是集中在不同变量之间的关系和过程的系统,可以被理解为,一个人有良好的背景问题域的模型,但由于小的数学知识。模型设计的“视觉”通过连接块和聚合他们以不同层次的分辨率22)是什么使这些工具非常有用的模型中原型阶段,用于教育目的。

从所有可用的选项,我们选择Vensim [32]。虽然软件缺乏一定的可能性,例如,不支持空间治疗及其图形界面是可利用的33),非常适合我们的目标的目的,了解沿海groundwater-dependent农业系统的典型功能复杂性受到不同water-competing部门和土地使用政策。复杂性离开缺乏许多地下水系统中的数据(34),从而使数值模拟。可能有未知的基本信息,如存储在一个实际的地下水含水层。此外,因果之间在时间和空间概念化基本水文过程增加困难。例如,含水层补给可能发生数十到数百公里的放电区域和可能发生几个月到几年前这水被泵(4,8]。

2.2。Vensim应用程序:Venapps

交互仿真模型近年来有了较大的改善。然而,它仍然可以非专家用户很难直接处理Vensim等项目。友好用户界面至关重要涉及nonmodeling专家利用和改进模型。的VensimDSS®软件(35)包括的可能性发展Venapps可视化模型结构简单,检查其因果关系,行为模拟模型,可视化结果(36- - - - - -38]。

Venapps简化,按钮接口,允许用户访问Vensim模型不经过Vensim建模环境。Venapp使用模型和一组规则与模型进行交互来给用户简化访问模型。用户,Venapp表现为一系列的按钮,菜单,或者一系列的屏幕允许他或她使用和分析模型在简单和有意义的方式。

这些互动的目标模拟器是为用户提供以下任务:检查模型结构,建立模拟场景,模拟模型,分析系统的行为决策的影响研究。VensimDSS环境包含一个名为Vensim应用程序(Venapp的扩展^TM),允许创建图形用户界面的文件格式“vpa”(Vensim打包的应用程序)。模型和Venapp可以运行的软件“Vensim模式”读者可以下载从Vensim®主页免费(http://www.vensim.com/freedownload.html)。

3所示。AQUACOAST模型

3.1。总体描述

AQUACOAST模型实现了二维saltwater-freshwater接口(SFI)分析解决方案提出了(39一个理想化的无侧限(即)。,its upper boundary is the fluctuating water table) coastal aquifer, which is horizontal, enough thick, and overlying an impervious bedrock, isotropic, and hydraulically homogeneous with steady inflow (aquifer recharge) and outflow (aquifer discharge) rates (Figure1)。AQUACOAST模型的变量和参数关于灌溉方式,地下水水文地质和地下水分配增加了对农业的图式化Verruijt [39]。的稳定模式Verruijt [39),你的位置达到自动根据新鲜的地下水。AQUACOAST修改这一假设通过引入延迟为了达到Verruijt描述的平衡,不同大小,不同入侵阶段(小延迟)和淡化阶段(时间延迟)40]。地下水农业利用分配是主要的流组件。模型集中在确定临界距离海岸线的农艺的兴趣,如当前和平衡淡水和盐渍化边界或灌溉农业废弃边界(图1)。

AQUACOAST是一个集中的空间模型(27),因此,它的变量代表总数或平均在整个区域模型。为了说明,仿真周期是50年,一个适当的时间学习环境恶化时,只能检测到当观察到“慢变量”的进化41]。变量和参数使用国际标准单位,大写字母的变量,而小写字母表示参数。表1和2包括符号、单位,采用变量和参数的值,分别后的数据(4,8,20.,21,40,42,43)和引用。AQUACOAST模型使用26个简单公式分为七个部分如下。

3.2。净含水层放电

AQUACOAST模型的一个主要的假设是,新鲜的地下水流动走向海洋和海岸线的自然放电机制。净含水层放电(TDFW)表示为不同的流入和流出水平衡组件和单位的含水层厚度测量。不安的政权,模型假定TDFW减少由于地下水抽水和SFI取代内陆。的深度和广度SFI确定可用的一部分新鲜的地下水。在时刻0 TDFW响应初始泵。这个初始TDFW可用于设置其他AQUACOAST模型中初始状态。TDFW表示为 TDFW =净含水层放电,泵=地下水抽水,appt =年降水量,cfro =径流系数,aaet =年度实际蒸散,cfrf =返回流量系数,沿海含水层的长度,长度= lttf =横向从其他含水层地下水迁移,宽度=沿海含水层宽度,t=系统在给定的时间,状态,0 = 0。

3.3。海水和淡水动态边界

Verruijt [39)到达公式给SFI低于海平面的深度(h_年代)和地下水的高度自由表面(投篮:水位)(h_F),沿着海岸线距离的函数x设在、TDFW和三个常量:渗透系数(cfpm)、淡水密度(dtfw)和盐水密度(dtsw)。请注意,x,h_年代,h_F,因此,不是AQUACOAST模型的变量,尽管它们包括在图中1为了便于说明。

作为一个方便的简化,模型假定所有抽水井的深度低于海平面(dpwl)(图是一样的1)。在现实含水层中,抽水井的深度可能显示很大差异。在这种情况下,dpwl将采取的深度最深的一个或其它的深度最浅的SFI上升由于进步的泵。

让我们叫盐渍化边界(某人),理论上平行于各向同性的海岸线和液压均质含水层(其投影图1是一个点),SFI相交的水平面连接抽水井的底部(谁的投影图1是一条线)。也许认为某人从海岸线的距离可以获得相当于Verruijth_年代dpwl和解决x。然而,这需要假设SFI瞬间移动,这并不是在真正的地下蓄水层。因此,假定所获得的表达式给出了平衡距离海岸线,某人将达到鉴于TDFW (EDSB)如图1。这个表达式包含一个最小值函数,避免了EDSB大于沿海含水层长度,如下: EDSB =平衡距离海岸线的某人,TDFW =净含水层放电长度=沿海含水层长度,dpwl =抽水井深度低于海平面,cfpm =水力传导率,dtcp =密度对比参数,dtsw =盐水密度,dtfw =淡水密度、t =系统在给定的时间,状态,0 = 0。

AQUACOAST模型假定某人一个指数拟合后走向平衡。因此,当前的距离海岸线的某人(CDSB)是由一个一阶线性负面反馈。推断,没有抽水井的海岸线的距离小于CDSB盐水(图1)。最初,假设系统的平衡与初始TDFW如下: CDSB =当前距离海岸线的某人,EDSB =平衡距离海岸线的某人,某人和FB TMBE =时间达到平衡,t =系统在给定的时间状态,0 = 0,和s =时间步。

AQUACOAST模型表示混合区(MZ)之间的接口和接口的淡水的身体(左在图1)。MZ有一个恒定的垂直厚度(vtmz)(图1)。让我们叫淡水边界(神奇动物),理论上平行于各向同性的海岸线和液压均质含水层,其中upper-inland MZ表面相交的水平面连接抽水井(图的底部1)。FB的距离海岸线的平衡与当前TDFW (EDFB)的结果替换dpwl dpwl + vtmz方程(2)- (2摄氏度)如下: EDFB =平衡距离FB的海岸线,TDFW =净含水层放电长度=沿海含水层长度,dpwl =抽水井深度低于海平面,vtmz =垂直厚度MZ, cfpm =水力传导率,dtcp =密度对比参数,t =系统在给定的时间,状态,0 = 0。

再次,AQUACOAST模型假定FB指数拟合后走向平衡。因此,当前距离海岸线的FB (CDFB)是由一个一阶线性负面反馈。这两个表面限制MZ将以同样的速度,所以方程(3)和(3 bCDSB)和方程(5)和(5 b)CDFB使用相同的平均调整时间。推断,没有抽水井的海岸线的距离大于CDFB淡水(图1)。最初,假设系统的平衡与当前TDFW如下: CDFB =当前距离FB的海岸线,EDFB = FB的平衡距离海岸线,TMBE =时间科幻和某人来实现平衡,t =系统在给定的时间状态,0 = 0,和s =时间步。

某人和FB达到平衡所需的时间(TMBE)不同盐水侵蚀(入侵阶段)时,当淡水冲洗盐渍含水层(淡化阶段)(40]。在现实含水层中,淡化阶段很长于侵入阶段。这就是为什么盐水了过去全球海平面最大可能仍然在一些沿海含水层(4,44]。TMBE表达式包含一个条件函数来反映这种差异 某人和FB TMBE =时间达到平衡,EDSB =平衡距离海岸线的某人,CDSB =当前距离海岸线的某人,tmbi =当前边界达到平衡的时间,入侵阶段,当前边界tmbf =时间达到平衡,淡化阶段,和t =状态的系统在给定的时间。

3.4。水的盐度

Verruijt解析解的假设水盐度FB(距海岸线距离CDFB) =淡水盐度(slfw),而水盐度某人(在距海岸线距离CDSB) =盐水盐度(slsw)。AQUACOAST模型定义水盐度的总溶解固体质量分数相对于样品重量:原始沿海新鲜的地下水大约是0.2公斤米⁻³(10,45),新鲜的地下水产生沿海含水层通常在0.2 - -0.5公斤米⁻³范围(46),盐水是35公斤米⁻³(47],crop-limiting灌溉用水是2公斤米⁻³(43]。让我们假设混合水盐度(S)沿x设在距离海岸线(CDSB≤x≤CDFB)连接某人和FB(图1)是由slsw和slfw S =混合水盐度在哪里x设在距离海岸线(CDSB≤x≤CDFB), slfw =淡水含盐量,slsw =盐水盐度、CDFB =当前距离FB的海岸线,CDSB =当前距离海岸线的某人,和cdap =校准参数来表示非线性盐度的变化。

一旦定义和slfw,放弃边界的距离(AB) (CDAB)从海岸线(图1)是等于方程得到的7crop-limiting盐度(slcl),即。,the maximum water salinity for crop production, and then solving forx。请注意,没有抽油井的海岸线的距离小于CDAB(即。,slfw˃slcl)可以使用地下水灌溉(图1)。CDAB表示为 CDAB =当前距离AB的海岸线,CDFB =当前距离海岸线的某人,CDSB =当前距离海岸线的某人,slcl = crop-limiting盐度、slfw =淡水含盐量,slsw =盐水盐度、cdap =校准参数来表示非线性盐度的变化,和t =状态的系统在给定的时间。

3.5。免费的地下水表面

的投篮(水位)不是一个水平面Verruijt概念化(图1)。然而,AQUACOAST模型仅利用其平均海拔高度。表达式给出这样一个平均的投篮在平衡与当前TDFW (EHFW)结果整合水位海拔高度0和沿海含水层之间长度(长度),然后将结果除以长度 EHFW =均衡平均身高的投篮海拔TDFW =净含水层放电长度=沿海含水层长度,cfpm =水力传导率,t =系统在给定的时间,状态,0 = 0。

再次强调,当前的平均身高的投篮(CHFW)假定走向平衡指数拟合后 CHFW =当前平均身高的投篮海拔EHFW =均衡平均海拔高度的投篮,投篮tmhe =时间达到平衡,t =系统在给定的时间状态,0 = 0,和s =时间步。

3.6。灌溉面积

潜在的灌溉面积(ARPI)的土地面积在沿海含水层抽水井与深度dpwl低于海平面将新鲜的地下水盐度不超过crop-limiting盐度,即。,距离lgth-CDAB所覆盖的区域(图1)。ARPI表示为 ARPI =潜在的灌溉面积,CDAB =当前距离AB的海岸线,宽度=沿海含水层宽度、长度=沿海含水层长度,hekm = hectare-to-square-kilometer转换参数,和t =状态的系统在给定的时间。

让我们假设一个人自己的同样大小的块农田的沿海含水层。这些人考虑进出灌溉农业通过比较每个灌溉农场的平均预期利润(EXPF)返回从其他经济活动,即。,各自的机会成本。然而,它需要一些时间来决定和执行他们的计划。此外,假设的机会成本是一个广义瑞利分布各地的农民,这是通常用于分析倾斜的数据(48]。该分布的累积分布函数是一般表示为

在方程(12),X是一个农民的机会成本和a和C均值和变异系数在农民的机会成本,分别。请注意,P,X,x和C,如不是AQUACOAST模型的变量。通过这种方式,P (X≤EXPF)是所有者的一部分的机会成本小于每灌溉农场,平均预期利润。所有者的一部分,作为灌溉有利可图。但是,鉴于农场是同样大小的,P (X的分数≤EXPF)也是潜在的灌溉灌溉领域被认为是有利可图的。这个分数乘以潜在的灌溉面积、灌溉面积的目标(ARTI)获得 ARTI =目标灌溉面积,ARPI =潜在的灌溉面积,EXPF =每灌溉农场,预期利润ocfm =平均一个农民的机会成本,ocfv =变异系数的机会成本的一个农民,和t =状态的系统在给定的时间。

如果灌溉农场是均匀分布在沿海含水层(不包括沿海边缘CDAB slfw˃slcl),放弃的灌溉面积(RAIA),因为抽水井的地下水盐度超过crop-limiting盐度、等于盐水入侵的速度。因此,RAIA结果的表达某人的速度位移内陆除以潜在的灌溉区域的长度。在淡化阶段RAIA将等于零,即。,当EDSB < CDSB。RAIA表达式是 RAIA =放弃灌溉面积,EDSB =平衡距离海岸线的某人,CDSB =当前距离海岸线的某人,某人和FB TMBE =时间达到平衡,CDAB =当前的AB海岸线的距离,长度=沿海含水层长度,和t =状态的系统在给定的时间。

当前灌溉区域(ARIR)方法对目标指数拟合后的灌溉面积(ARTI)虽然有些灌溉面积同时放弃当盐水侵蚀,即。,当RAIA > 0。AQUACOAST模型假定只有一个从含水层抽水灌溉农场在时间为零。ARIR表示为 ARIR =当前灌溉面积、灌溉ARTI =目标区域,RAIA =放弃耕地,农民tefx =时间调整预期,arfr =一个农场面积,t =系统在给定的时间,状态,0 = 0。

3.7。利润/灌溉农业

参数oaag允许用户定义是否AQUACOAST模型代表一个露天(oaag = 1)或一个塑料农业系统(oaag≠1)。在前一种情况中,降水对灌溉,而后者,它不。降水的贡献灌溉(PPIR)表示 在PPIR =降水灌溉的贡献;oaag =如果1,那么其他露天农业在塑料农业;appt =年降水量;cfro =径流系数;mmhe = cubic-meter-to-millimeter-per-hectare转换参数;和t =状态的系统在给定的时间。

作物产量每公顷(YLDH)与从地下水灌溉量的总和(ird)和降水灌溉的贡献(PPIR)通过物流或抛物线函数。措施的功能包括盐度因素的负面影响水盐度对作物产量和范围在0和1之间。它可以证明,对于任何一个null值的盐度因素,作物产量最大化当ird + PPIR =水农艺要求最佳收益率(wrao) YLDH =作物产量每公顷,SLFT =盐度因素,ird =从地下水灌溉量,PPIR =贡献降水灌溉,pycm =潜在的边际收益率每立方米的水,wrao =水农艺要求最优产量,和t =状态的系统在给定的时间。

盐度的表达因子(SLFT)结合了两个值的另一个盐度的因素,给出了一个(49]。这个因素是一般表示为 SLFT =盐度因素一般表示,年代=混合水的盐度x设在距离海岸线(CDSB≤x≤CDFB)方程7slcl = crop-limiting盐度、slfp =另一个独特的校准参数,t=系统在给定的时间。

SLFT的第一个值是1,它的长度是lgth-CDFB(图1),它对应于淡水区域抽水井取新鲜的地下水。SLFT第二值对应的内陆部分MZ抽水井把咸地下水对作物生产仍然有用(slcl≥slfw),和它的长度是CDFB-CDAB(图1)。积分方程7CDAB和CDFB之间,然后将结果除以CDFB-CDAB给出了实际平均盐度在线段连接facebook和AB (slmz)。因此,SLFT的价值在第二区(sfmz)结果使用slmz代替S方程(19)。最后,SLFT是SLFT两个提到的值的加权平均,权重在哪里的长度相应的区域。注意,在这一过程中,(1)作物产量每公顷(YLDH)也是一个加权平均作物产量对应于这两个区域,和(2)如果盐度增加线性线段CDAB和CDFB之间,即。如果cdap = 1, slmz将简单的平均产量的限制(slcl)和淡水(slfw)盐度。SLFT表示为 YLDH =盐度因素,CDFB =当前距离FB的海岸线,CDAB =当前距离AB的海岸线,沿海含水层的长度,长度= sfmz =平均盐度因素在一条线段连接facebook和AB, slmz =实际水盐度在线段连接facebook和AB (CDAB≤x≤CDFB), slfp =校准参数来表示非线性盐度变化,slcl = crop-limiting盐度、slfw =淡水含盐量和t =状态的系统在给定的时间。

水的成本每立方米(CSTW)结合泵地下水所需要的能量的成本,这取决于投篮(水位)深度和能源价格和其他成本 CSTW =每立方米水成本,CHFW =当前平均身高的投篮海拔egcm =能量所需泵一立方米一计,hght =平均地表海拔高度,怀孕的=能源价格,cwot =水以外的能源成本,和t =状态的系统在给定的时间。

利润每公顷(PFTH)是每公顷收入和成本的差异。来自农业生产和销售收入补贴。水的成本每公顷是成本和其他成本。前者的结果乘以每立方米水成本(CSTW)和实际从地下水灌溉剂量(ird)。本产品试图达到所需的灌溉量对灌溉系统的效率。其他成本是每公顷聚合到单个模型参数(octh)。PFTH表示为 PFTH =利润每公顷,YLDH =每公顷作物产量,CSTW =每立方米水成本,ird =从地下水灌溉量,遥控配电盘=农作物价格、subh =补贴每公顷,efir =灌溉系统效率,每公顷octh =其他成本,和t =状态的系统在给定的时间。

每灌溉农场(EXPF)预期的利润结果乘以每公顷的利润(PFTH)和一个农场的面积(arfr)。AQUACOAST模型实现了期望这种利润是观察过去的移动平均利润,权重随时间呈指数下降。这是著名的指数平滑法,它可以表示为一个一阶线性消极反馈(26] EXPF =每灌溉农场,预期利润PFTH =利润每公顷,arfr =区域的一个农场,农民tfex =时间调整预期,EXPF =初始预期利润/灌溉农场,t =系统在给定的时间状态,0 = 0,和s =时间步。

3.8。地下水抽

AQUACOAST模型包括允许用户定义的参数pxys农民是否寻求利润最大化每个灌溉农场(pxys = 1)或作物产量(pxys≠1)。注意,需水量为每个这些目标是不同的。在后一种情况下,水的需求是由参数wrao如方程(17)。预期的表达水要求利润最大化(EXWX)稍后将给出。不管怎样,从地下水灌溉剂量(ird)的区别是在降水灌溉需水量和贡献。合成灌溉剂量不能大于灌溉定额,如果任何。ird的初始值的表达式简单地认为EXWX = wrao。ird表示为 ird =从地下水灌溉量;PPIR =降水灌溉的贡献;EXWX =预期水要求利润最大化;idqt =灌溉定额;pxys =如果1,那么农民寻求经济最优他们寻求其他农艺最佳;wrao =水农艺要求最优产量;t =状态的系统在给定的时间;,0 = 0。

水要求利润最大化(WRXP)结果计算偏导数的方程(21每公顷)来推断出利润的灌溉量,等于零,然后解决灌溉量的 WRXP =水要求利润最大化,CSTW =每立方米水成本,SLFT =盐度因素,wrao =水农艺要求最优产量,efir =灌溉系统效率、遥控配电盘=农作物价格、pycm =潜在的边际收益率每立方米的水,和t =状态的系统在给定的时间。

当前,农民不知道水要求利润最大化,因为许多未知的先天因素,例如,作物和能源价格,或盐渍化的发病率。然而,农民可以形成一个近似的水要求今年(EXWX)从过去的经验中学习。这个学习过程遵循指数拟合真实的水要求利润最大化。在AQUACOAST模型中,EXWX的初始值是被水农艺要求最优产量,技术参数由农民易于理解。EXWX表示为 EXWX =预期水要求利润最大化,WRXP =水要求利润最大化,tfex =时间农民调整预期,wrao =水农艺要求最优产量、t =系统在给定的时间状态,0 = 0,和s =时间步。

地下水泵(泵)的结果乘以当前灌溉面积(ARIR)和实际灌溉剂量(ird),然后除以沿海含水层地区 泵=地下水分配用于灌溉,ARIR =当前灌溉面积,ird =从地下水灌溉量,宽度=沿海含水层宽度、长度=沿海含水层长度,efir =灌溉系统效率、t =系统在给定的时间,状态,0 = 0。

4所示。AQUACOAST Venapp

4.1。总体描述

的Vensim®DSS扩展Venapps™是利用项目上面的公式描述的用户友好的界面。使用AQUACOAST,有必要安装Vensim读者的文件夹和所有必要的文件(表3在电脑上)。

打开AQUACOAST文件之后,会出现欢迎屏幕(图2(一个))。这是简单的模型及其作者的信息。单击“继续”按钮会向用户显示主菜单(图2 (b))。从这一点上,它是可能的(i)评审模型结构,(2)访问的屏幕模拟场景执行配置模型,和(3)分析结果Vensim使用不同的工具。屏幕底部的一部分给选择探索Vensim提供的可能性(按钮“找到更多关于Vensim”),这是支持的介绍。vmf模型文件(表3),是Vensim示例的一部分,或离开模拟器(按钮“退出模式读者”)。

4.2。探索的结构模型

SD的主要目的之一是理解系统是如何工作的。要做到这一点,Vensim提供了多个工具。第一个允许研究模型结构。这是实际的模型必须分成不同的屏幕或通过单击“视图”按钮“审查”模型结构如图2 (b)这样用户就可以逐渐同化相关变量之间的关系。图3作为一个例子显示一个屏幕。按钮标题本身解释可用的工具。

4.3。运行模型

按钮“仿真模型”如图2 (b)使模型能够被执行。在这部分Venapp(图4),仿真场景设置。对于前者,“新场景…”按钮会打开一个对话框中选择现有的模拟或创建一个新的。之后,“做出改变…”按钮将显示所有模型参数及其默认值;通过修改它们,选择场景将被创建。

这些变化并不持久,它将需要访问该模型通过商业许可证Vensim®DSS和改变他们。因此,如果模型模拟没有任何修改,用户将获得结果包含在默认。氟乙烯仿真文件(表3)。设置场景后,模型可以模拟。在点击按钮之后执行Vensim“模拟的模型,”一个空白的屏幕将出现在用户点击进入下一个阶段,包括观察和分析结果。

4.4。分析结果

在点击按钮之后分析仿真结果如图2 (b),这一阶段提供了三个街区的可能性:分析控制,结果,因果跟踪(图5(a))。“分析控制”块允许用户管理模拟,选择变量,比较场景。这是一个有用的选项,当开始积累模拟。在这种情况下,很难记住变化从一个场景到另一个。使用“加载,卸载…”按钮时,这个选项的细节参数改变(多少)之间的两个先前选定的模拟。

“结果”块显示预先设计图表显示的时间演化的模型(图最重要的变量5(a))。点击“显示一个预定义的……,” a list will appear with the available graphics (Figure5(b))。在所有的结果将包含默认的场景,以及仿真的结果出现在列表的第一个位置加载模拟,管理从“加载、卸载或重新排序…”按钮,如图5(c)。

“因果跟踪”块(图5(一))使Vensim自己的分析工具的使用,如图6- - - - - -8。树形图工具创建一个图形表示的结构模型与变量选择的工作台;当前活动变量显示在屏幕的左上角。树形图工具提供了一个易于阅读,图形表示原因和使用的变量。这是一个方便的方式显示结构关系,因此一个复杂的信息结构在一个相对较小的空间。

的因果结构模型可以探索使用树木或图表,而每个变量的使用只能使用树通过显示树分析的变量选择的影响。图6点击按钮后显示了出现的屏幕“追踪根本原因使用树木。”顶部的因果树是当前活动变量。可以选择其他变量使用“选择一个新的变量…”按钮,或者交互,通过点击任何变量在同一因果树。此外,用户可以(我)访问模型方程通过按钮”定义……”,(2)根据最后看到它的时间轨迹模拟或加载场景。其余的按钮允许用户滚动到其他屏幕,作为自己的标题显示。通过这种方式,所有的选项使用树形图的工具是相互联系的。

点击按钮“使用图表追踪根本原因”(图5(一)),图形选项研究因果变量可以使用树(图7)。在这种情况下,只有一阶变量,即。,those directly affected by the selected variable, are shown. On the right side of the screen, the temporal trajectories of the variables included in the performance equation can be observed, as well as the value of the parameters involved. The definition of the variable is also presented in the box on the left. The rest of the options allow the user to navigate between the screens related to the diagram tool.

第三分析这个Venapp(图提供的选项5(一))是“跟踪变量的使用”(图8)。再一次,可以看到它的定义和其他分析屏幕滚动。最后,重要的是要突出树图的互动工具。它生成任何输出允许用户选择一个新变量通过点击它。这个选项是为了便于探索和研究模型,Vensim的标志之一。

5。讨论和结论

5.1。全球沿海地下水资源的重要性

地下水是战略的可再生资源之一,尤其是在沿海旱地(4]。超过二十亿人依赖地下水作为他们的主要饮用淡水来源(50),而一半以上的灌溉用水用于粮食生产也这源17]。地下水也充当关键战略储备在干旱时期(51)和设置在旱地人口稀疏的经济选项除了农业(8,20.]。

飙升水撤军加剧水资源短缺已经普遍在那些沿海旱地有限的地表水资源。含水层过度开发的结果应对水需求是盐水入侵,威胁可持续的粮食生产和经济的发展,越来越多的国家(15,52,53]。

使用SD模型在水管理有着悠久的传统由于复杂的本质问题解决(54]。然而,一些模型考虑陆地水通量和人类活动之间的相互作用和相关用途,和更少的模型旨在沿海groundwater-dependent灌溉农业(15]。AQUACOAST工具是一个贡献的知识来填补这个空白。

AQUACOAST是全球应用程序工具尽管地中海地区作为主要场景,在该场景中,假设适用。沿海含水层在这方面支持强大的地下水作物生产的抽水率,和盐水入侵在他们中的大多数(图扩展9)。比如,在西班牙,这个问题影响的大多数地中海沿海含水层,因此他们被认为是一个“荒漠化景观”在全国项目的防治荒漠化(56,57]。我们的直接目的是AQUACOAST适用于沿海含水层的地中海弧旅游和农业压力引发了海洋入侵等问题Campo de dalia Campo de Nijar维河和佛得角河在西班牙,Martil-Alila和摩洛哥Smir Nador Argelia Tipaza。

5.2。使用SD模型沿海Groundwater-Dependent灌溉系统

SD模型用数学语言表达(最精确的方式存在)的动态过程,发生在一个给定的研究领域。理解的学术和科学价值多少变量关系,确定什么是因,什么是果,明确系统的反馈循环,,最后,将其转化为一组的微分方程是非常高的。

然而,重要的是要让一个额外的努力,这些信息不专业达到公众参与决策过程。为了做到这一点,使用DSSs是至关重要的。一个例子来自AQUACOAST可以帮助我们理解编程应用程序的价值,旨在更多的观众。图10显示了纯学术的因果图拟定使用作为一个无法解释的汞合金比modeler在别人的眼中。变量是由首字母缩略词,很难遵循因果关系的道路错综复杂的因果关系。然而,仔细版的模型,明确每个变量的全称,把图分成五个屏幕(图3显示了其中一个),允许用户创建一个更加友好的版本。

数学语言的精度不应混淆了SD模型的性质。在现实中,当面对socioecological系统,我们缺乏普遍的物理或化学法,允许我们谈论的预测。Socioecological系统需要输入从一个广泛的知识来源和类型(58]。这包括定性和定量上的信息从不同的利益相关者群体如科学家、决策者和社区成员。收集、综合和以有用的方式使用这些数据集,综合评估和造型需要利用和结合不同的方法(即。,conceptual, numerical, and participatory) in appropriate methodological designs that best fit the project’s context, objective, and constraints, in the latter case including resource availability [27,33]。

AQUACOAST模型用于预测或预报,尽管他们提供输出变量时间。这是因为没有足够的数据来验证模型等目的;记住,例如,缺乏一些基本的信息,如初始地下水储存或类似的其他类似过去的天气数据或前土地用途。因此,目标是定性而不是定量输出,回答“如果”的问题,这有助于比较不同假设仿真场景的地址。

系统理解和实验也构成重要目标的模型,以及社会学习,但这仅限于那些情况的评估显示一个特殊的风险下降。因为退化通常收入缓慢,利益相关者不充分意识到它的后果,不管他们如何退化的水和土地使用价值(59]。因此,AQUACOAST模型是一个“勘探”(60,61年]因为帮助他们更好地了解沿海groundwater-dependent农业系统可能的行为。

5.3。的AQUACOAST Venapp

就像有几个SD模型平台,DSS可使用范围广泛的可能性。当软件选择VensimDSS Venapps提供明显的优势。建设非常快,因为有模板,一些修改允许用户实现DSS的主要选项:配置场景,模拟和可视化的结果及其分析。工具的使用很简单,因为它只需要安装的免费版本VensimDSS (Vensim读者)和复制Vensim modeler中提供的文件。

主要问题是图形Vensim限制,禁止使用图像或数字或选项的实现如全局灵敏度分析或风险评估。更复杂的基于Vensim DSS可使用各种编程语言(如Visual Basic)和平台(如Excel),如应用程序由作者设计研究沙漠化风险在西班牙,相结合等热点地区土壤侵蚀,草原过度放牧和含水层过度开采57]。然而,DSS的类型的选择取决于模型的建筑一样,它的目的。

自从AQUACOAST工具旨在(1)促进沿海groundwater-dependent灌溉农业的研究和理解系统和(2)创建一个应用程序的安装和使用都很简单,Venapp是一个完美的盟友,因为它让用户可用,在一个非常简单的方法,所有Vensim的分析工具。

因为草地等。62年]提出了革命性的畅销书“增长的极限”,他们用系统思维和SD概念来解释如何短期发展政策可能导致socioecological系统的“过火和崩溃”的行为,SD显示其潜在作为一种工具来帮助理解复杂socioecological系统和仍然被认为是一种宝贵的资源思考可持续期货(33,63年]。AQUACOAST工具符合这些原则,旨在突出等战略可再生资源的脆弱性地下水。只要模型描述现实有一定准确性,建模过程及其结果可以用来改善我们对问题的理解增加粮食产量下的过度抽水需要一个必要的一步影响可持续发展和有效的改变(64年]。

数据可用性

标签数据集用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由欧洲研究理事会资助协议。647038 (BIODESERT)。

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