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Doctoral Thesis
2010
Linking farm economics and hydrology: Model integration for watershed-level irrigation management applied to Chile
Linking farm economics and hydrology: Model integration for watershed-level irrigation management applied to Chile
Abstract (English)
As largest user of fresh water, the agricultural sector must resolve conflict of objectives ranging from economic goals of farmers to societal and environmental targets. Research must deliver tools to manage these objectives simultaneously. Single disciplines have resolved numerous problems with disciplinary solutions. However, problems emerging from interactions and feedbacks between disciplines can only be assessed with interdisciplinary tools and managed by institutions that coordinate across departments. Such complex problems are becoming an epochal task for Natural Resource Management (NRM).
A number of modeling tools exist for irrigation management at watershed level that quantify biophysical processes and water quality. Simultaneously, agricultural economics developed production planning methods for allocating water resources optimally. However, integrated planning support tools are not available that take into account both domains and their interactions. Within a larger research project, it was the objective of this Ph.D. project to develop and test methods that integrate two complex modelling softwares for irrigation management. The distributed runoff model WaSiM-ETH quantifies water flows and evapotranspiration. The dynamic land use model MP-MAS is a multi-agent system in which farmers use economic reasoning to derive cropping decisions under given environmental conditions. Furthermore, the MP-MAS software contains the bucket model EDIC, which parameterizes the distribution of water from rivers to individual farmers through the canal system. Finally, the MP-MAS software was extended with a crop yield model with complementary irrigation.
Model integration is understood as service provided within a research context. This context is defined by the study region, the project setting and by the strategic decisions within the research project - such as the choice of partner institutions and disciplines. Within the Maule River watershed in Chile (Linares Province, Region VII), the project ?Integrating Governance and Modeling? assessed the use of water in agriculture. Empirical research questions as well as modeling software were also part of this research context.
Integration requires the conceptual, the technical and the procedural level. Conceptual integration describes processes and interactions between farmers, the canal system as distribution infrastructure and the natural system. It also describes how farmers plan and produce within this environment. Here, scale-dependent processes like irrigation efficiency or access to water by individuals were scrutinized. Technical integration is the implementation of the conceptual system into source code, e.g. by adapting legacy software, and by creating a software layer for hierarchical coupling of all software components. Procedural integration is the calibration, analysis, error eradication and validation of these models within the research context.
Calibration and analysis of integrated model components is a step-by-step procedure. For all relevant processes and interactions, empirical data was first compiled and cross-evaluated. Then, standalone model components were calibrated so that interactions were parameterized as boundary conditions that are consistent across all disciplines. Empirical data pinpointed conceptual inconsistencies in the description of interactions, and standalone models were improved together with project partners. Ultimately, model components were coupled in such ways that interactions can be analyzed dynamically at minimum model- and software complexity.
The calibration process along transdisciplinary cause-effect-chains resulted in the improvement of disciplinary models and model results. For example, the relevance of access to water beyond legalized water rights became apparent when empirical data and models were combined. Also, the calibration of the EDIC model required consistent use of data from all four disciplines and improved the calibration of the MP-MAS model. For the WaSiM-ETH model, an irrigation module was developed that is consistent across scales and reflects the needs of extension workers.
Finally, model integration and coupling is discussed as research process. The process of calibrating a model with four components is not only a technical challenge for modellers and data management, but also a procedural challenge with regards to cooperation beyond disciplinary institutions and cultures. The structure of the integration process should be robust against errors and equally facilitate knowledge transfer between disciplines, iterative calibration across disciplines. Success factors are suggested to reduce transaction cost during the integration process.
Abstract (German)
Als größter Nutzer von Süßwasser steht Bewässerungsmanagement in einem Zielkonflikt zwischen den ökonomischen Zielen von Landwirten und Nachhaltigkeitszielen für Gesellschaft und Umwelt. Zur Handhabung dieses Zielkonflikts werden von praxisnaher Forschung Werkzeuge erwartet. Während einzelne Disziplinen erfolgreich disziplinäre Lösungen für etliche Probleme entwickelten, können komplexere Wechselwirkungen nur durch diziplinenübergreifende Betrachtung verstanden werden. Auch die Umsetzung von komplexen Lösungen durch Institutionen bedarf einer Koordination über Fachbereiche hinweg. Solche komplexeren Probleme der Interaktion und Rückkopplung werden zu einer epochalen Aufgabe für das Management natürlicher Ressourcen.
Für Bewässerungsmanagement auf Einzugsbereichsebene stehen Modellierungswerkzeuge zur Verfügung, die biophysikalische Prozesse quantifizieren und Wasserqualität darstellen. Parallel werden agrar-ökonomische Methoden genutzt, um Wasserressourcen optimal einzusetzen. Integrierte Planungssysteme hingegen sind nicht erhältlich, die gleichzeitig beide Aspekte sowie Wechselwirkungen dieser Domänen berücksichtigen.
Innerhalb eines Rahmenprojektes war es Ziel dieser Dissertation, eine Methode zu entwickeln und zu testen, mit der zwei komplexe Modellierungsprogramme für das Bewässerungsmanagement integriert werden. Als dynamisches Landnutzungsmodell stellt das Multiagentensystem MP-MAS die Produktionsentscheidungen von Landwirten unter gegebenen Umweltbedingungen dar. Gleichzeitig wird das hydrologisches Standort- und Einzugsgebietsmodell WaSiM-ETH verwendet, um Wasserflüsse zu quantifizieren. Zusätzlich beschreibt das Brückenmodell EDIC vereinfacht die Wasserlieferung von Flüssen zu Farmern, und die MP-MAS Software wurde um ein Pflanzenertragsmodell für komplementäre Bewässerung erweitert.
Modellintegration wird als Dienstleistung innerhalb eines Forschungskontextes verstanden. Forschungsgebiet, Projektarchitektur und richtungsweisende Projektentscheidungen (z.B. die Wahl von Partnerinstitutionen und -disziplinen) stellen den Rahmen einer Modellintegration dar und werden im Methodenteil beschrieben. Das Einzugsgebiet des Chilenischen Flusses Maule (Linares Province, Region VII) und die darin stattfindende Bewässerungslandwirtschaft wird durch das Projekt ?Integrating Governance and Modeling? betrachtet. Sowohl empirische Fragestellungen als auch Modelierungssoftware werden durch diesen Forschungskontext festgelegt.
Der konzeptionelle Teil der Integration beschreibt Prozesse und Wechselwirkungen zwischen Landwirten, dem Kanalsystem sowie den natürlichen Gegebenheiten. Landwirte planen und wirtschaften innerhalb dieses Rahmens. Skalenabhängige Prozessbeschreibungen wie Bewässererungseffizienz und Zugang zu Wasser werden dabei hinterfragt. Technische Integration beschreibt dann die Implementierung des konzeptionellen Systems in Computermodelle bzw. in die existierende Modellsoftware, sowie die Programmierung einer zusätlichen Softwareebene für die hierarchische Kopplung der Modellkomponenten.
Die Kalibrierung und Analyse der integrierten Modellkomponenten erfolgte schrittweise. Zuerst wurden empirische Daten zur Beschreibung aller Prozesse undWechselwirkungen gesammelt und ausgewertet. Dann wurden Einzelmodelle so kalibriert, dass in Einzelmodellen die Wechselwirkungen als Randbedingungen konsistent definiert und parametrisiert sind. Hier deuteten empirische Daten auf Inkonsistenzen der konzeptionellen Systembeschreibung hin, so dass Einzelmodelle mit Projektpartnern verbessert werden mussten. Danach wurden Einzelmodelle so gekoppelt, dass Wechselwirkungen bei minimaler Modell- und Softwarekomplexität dynamisch analysiert werden konnten. Ein Kalibrierungsprozess mit disziplinenübergreifenden Ursache-Wirkungs-Ketten resultierte in Verbesserungen disziplinärer Modelle und Ergebnisse.
Die Relevanz von Zugang zu Wasser jenseits des legalen Regelwerks wurde durch die Kombination empirischer Daten und Modelle deutlich. Die Kalibrierung des EDIC Modells konnte nur mit konsistenten Nutzung von Daten aus allen Disziplinen erfolgen. Dies verbesserte die Kalibrierung der MP-MAS Modelkomponente. Für das Modell WaSiM-ETH wurde ein Bewässerungsmodel entwickelt, das skalenkonsistent ist und praktischen Ansprüchen entspricht. Zuletzt wird Modellintegration und -kopplung als ein Forschungsprozess diskutiert. Der Kalibrierungsprozess eines Vier-Komponenten-Modells ist nicht nur eine technische Herausforderung für Modell- und Datenmanagement, sondern auch eine prozedurale für die Zusammenarbeit jenseits disziplinärer Institutionen und Kulturen. Die Struktur des Integrationsprozesses sollte gleichzeitig Wissenstransfer zwischen Disziplinen erleichtern, iterative Kalibrierungs- und rekursive Lernprozesse ermöglichen sowie fehlerfreundlich sein. Abschließend werden Erfolgsfaktoren vorgeschlagen welche Transaktionskosten in Integrationsprozessen reduzieren.
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Notes
Publication license
Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Examination date
2009-09-24
Supervisor
Edition / version
Citation
Identification
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Arnold2010,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5382},
author = {Arnold, Thorsten},
title = {Linking farm economics and hydrology: Model integration for watershed-level irrigation management applied to Chile},
year = {2010},
school = {Universität Hohenheim},
}