《Agricultural Water Management》：Assessing structural uncertainty in water–human systems: A multi-model ensemble approach for agricultural water management
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耦合水—经济模型日益被用于支撑农业水资源管理，但其结果对水系统与人文系统中结构（模型形式）选择高度敏感。研究人员通过构建西班牙杜罗河流域托尔梅斯灌区的水文多模型集合，分析了结构不确定性在模块化耦合人—水系统模型中的跨模块传播机制。该集合将替代性水文模型[美国陆
耦合水—经济模型日益被用于支撑农业水资源管理，但其结果对水系统与人文系统中结构（模型形式）选择高度敏感。研究人员通过构建西班牙杜罗河流域托尔梅斯灌区的水文多模型集合，分析了结构不确定性在模块化耦合人—水系统模型中的跨模块传播机制。该集合将替代性水文模型[美国陆军工程师兵团水文工程中心的流域水文模拟系统（Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System, HEC-HMS）与两种土壤和水评估工具（Soil & Water Assessment Tool, SWAT）配置]与四种灌溉者行为数学规划表征[两种正数学规划（Positive Mathematical Programming, PMP）模型与两种多属性模型]通过标准化耦合协议进行组合，该协议将作物选择及灌溉需求转化为水系统输入。研究基于标准化异常值（z分数）评估了两种干旱情景与四级 volumetric 水价情景下的日水库蓄水量耦合性能及协调诊断指标。结果表明，模型结构不确定性在集合中逐级传递并于灌溉启动期集中显现，不同耦合配置间的蓄水量差异约为150–202百万m3，相当于 Santa Teresa 水库最大允许蓄水量的31–41%及年下游灌溉需水量的95–127%。水文模型选择解释了 most of this spread：族间中位数差异达1.88–2.12个z分数单位，意味着标准化月蓄水异常值的中心趋势随所选水文结构的不同偏移近两个标准差。经济模型结构主要通过异质性需水信号调节族内变异性。这些发现表明，单模型决策支持可能低估合理未来范围并使政策评估产生偏倚。研究人员主张，通过多模型集合系统评估模型结构不确定性可以强化干旱及水价干预条件下农业水资源管理的稳健决策。
人—水耦合系统日益成为农业水资源管理决策支持的重要工具，但其输出结果对模型结构选择高度敏感，由此产生的结构不确定性尚未得到充分评估。现有研究多集中于单一系统（水文或人文）内的多模型比较，而结构不确定性在耦合人—水系统中的跨系统传递机制仍属研究空白。忽视这一问题可能导致系统性低估未来情景范围，并滋生对管理干预措施的不当信心。基于此，Héctor González-López 等研究人员以西班牙杜罗河流域托尔梅斯灌区为研究区，构建了一个跨系统多模型集合框架，系统评估模型结构不确定性对耦合水—经济系统模拟结果的影响。该研究发表于《Agricultural Water Management》。
研究人员采用的关键技术方法包括：（1）模块化耦合框架构建：建立基于协议的标准化耦合流程，将人文模块（四种数学规划微观经济模型）与水系统模块（三种水文模型配置）相连；（2）多模型集合设计：人文模块包含两种正数学规划模型[PMP1（Howitt 校准法) 和PMP2 (Júdez 等校准法)]、一种正多属性效用规划模型（PMAUP）和一种加权目标规划模型（WGP）；水系统模块包含HEC-HMS、SWAT固定泄流（SWAT-FD）和SWAT月目标调蓄（SWAT-MT）三种配置；（3）标准化诊断方法：采用z分数（z-score）标准化月水库蓄水量异常值，实现跨模型、跨尺度的结构差异比较；（4）情景实验设计：设置1980–1981年强干旱与2001–2002年中等干旱两种干旱情景，以及基线、�0.01/m
3、�0.02/m
3和�0.03/m
3四种水价情景，共96组耦合模拟；（5）水库水量平衡分解：通过量化入库流量与出库流量的累积年际差异（ΔV
net=ΔV
in–ΔV
out），解析蓄水差异的水文驱动机制。研究区为西班牙杜罗河流域西南部的托尔梅斯灌区（7107 km
2），包含17个农业需水单元（AWDUs），其中 Santa Teresa 水库（库容496百万m
3）为下游灌区供水。
研究结果部分如下：
**3.1 水库蓄水、入库与出库响应**
日水库蓄水轨迹分析表明，模型结构不确定性集中于灌溉季节。强干旱情景下，M7–M9月离散度急剧增大：SWAT-FD产生最宽的蓄水包络线，HEC-HMS轨迹较窄且平滑，SWAT-MT因月目标调蓄规则而响应受限。强干旱基线情景下，M9月平均月蓄水量在66–216百万m
3间变化，幅度约150百万m
3；中等干旱情景下，SWAT-FD+PMP1的~226百万m
3至SWAT-MT+PMAUP的~428百万m
3，幅度达202百万m
3。水价情景的时间分异格局一致，但幅度因水文模型而异，SWAT-FD季末族内差异约48百万m
3。
水库出入库诊断揭示：入库变率主要由季节性水文信号主导，出库变率则更受调蓄规则与灌溉需求传播影响。HEC-HMS产生更平滑的出入库响应，SWAT-FD和SWAT-MT呈现更多事件驱动型入库模式。水价引起的经济信号在入库中可检测但效应较小，而出库响应更强，因其直接反映调蓄规则与灌溉泄放。年净入出流平衡（ΔV
net）在强干旱下为–63.9至+30.7百万m
3/年，中等干旱下为–162.7至+13.0百万m
3/年，显示水文结构传递或衰减水价诱导需求变化的方式存在显著差异。
**3.2 标准化模型结构不确定性诊断**
z分数 whisker 图显示，月水库蓄水异常值主要由水文模型族间差异驱动，经济模型效应表现为族内变异性。耦合中位数z分数的极值范围为1.99（强干旱）和2.21（中等干旱），水文族间中位分离度达1.88和2.12 z分数单位。SWAT-FD族内经济模型离散度最大（强干旱0.57、中等干旱0.77 z分数单位），HEC-HMS（0.28/0.02）和SWAT-MT（0.03/0.08）较紧。SWAT-FD倾向产生较高蓄水异常，HEC-HMS倾向较低异常，SWAT-MT提供中间态的月目标阻尼响应。
研究讨论部分指出，单模型评估可能提供虚假的精确感，排除对管理重要的合理未来。多模型集合能够界定可接受的蓄水量、入库量和出库量响应范围，而非将单一轨迹呈现为充分证据支持的结果。标准化诊断可识别不确定性主要由水文结构、经济模型表述还是耦合方式驱动，从而指导建模努力的优先方向。将不确定性表达为管理相关的范围（相对于库容、年灌溉需水量和地表供水量）使规划者可直接理解，支持更透明的流域机构与利益相关者沟通。这些发现适用于具有水库调蓄灌溉、多种可行调蓄规则、农民行为可通过替代经济模型表征、且灌溉季节形成作物需水与泄放调度关键互动的管理流域，尤其是地中海和半干旱地区的类似系统。
研究结论表明，模型结构不确定性是塑造耦合人—水系统结果的一阶因素，应作为水—经济政策评估的核心组成部分。模型结构选择使月水库蓄水异常值偏移约两个标准化单位，蓄水差异达150–202百万m
3，相当于库容的31–41%及年下游灌溉需水量的95–127%。水文结构解释族间的大部分分离，经济模型主要通过SWAT-FD的族内变异性贡献不确定性。单模型评估可能系统低估合理蓄水量轨迹范围并使干旱管理或水价评估产生偏倚，多模型水—经济集合为界定结构不确定性、识别主导不确定性路径并支持管理流域稳健决策提供了实用途径。
