Agent-based water resources management in complex decision-making contexts

The presence of multiple, institutionally independent but physically interconnected actors is a distinctive feature of the complexity characterizing most of the decision-making problems in environmental contexts. As dealing with many conflicting stakeholders requires to replace the concept of optimality by that of Pareto efficiency, the presence of many decision makers requires some kind of coordination and a cooperative attitude of the involved parties, who agree on adopting a fully coordinated strategy to maximize the system-level performance. These assumptions are often unpracticable in real world contexts, where the decision makers generally belong to different institutions or countries. In these situations, they independently pursue local interests and produce negative externalities leading to a low system-wide efficiency. Game theory and simulation-based approaches are generally used to analyze these issues from a descriptive standpoint, while their prescriptive use in decision support systems to design coordination mechanisms between the originally self-interested decision-making actors remains a challenge. This thesis contributes a novel decision analytic framework based on multi-agent system (MAS) to study water resources planning and management problems in complex decision-making contexts. The aim of the proposed decision analytic framework is to combine descriptive and prescriptive methods, which provide informative tools to represent the actual decision-making context as well as decision support procedures to recommend proper coordination mechanisms. The adoption of an agent-based framework naturally allows the representation of a set of decision makers or stakeholders (agents), which act in the same environment and need to coordinate to maximize the system-wide efficiency in the use of the available water. This agent-based perspective aims to move beyond the traditional centralized approach to water resources management and to explore different levels of cooperation, from fully coordinated strategies and full information exchange to completely uncoordinated practices. Moreover, coupling the agent-based modeling scheme with state-of-the-art Control Theory techniques allows a better understanding of the feedbacks between agents objectives, agents decisions, and the environment they share, as well as the description of their co-evolution and co-adaptation under change. The proposed framework is demonstrated in different problems characterized by distinctive decision-making contexts, which require to adopt different tools and methodologies. The framework is first applied in a hypothetical water allocation planning problem to discuss the issue of balancing system-wide efficiency and solutions practicability. MAS methods based on distributed constraint optimization problems are used to support a watershed authority in evaluating different levels of coordination. Then, the advantages of coordination mechanisms based on the exchange of information are estimated in two real world case studies. The first one assesses the value of cooperation and information exchange in transboundary river basins. The second one shows the potential of co-adapting water demand and supply in agricultural water systems, under current and projected hydroclimatic conditions. Finally, in the last application, the framework combines tools to identify and refine the current operation of the Conowingo reservoir in the Lower Susquehanna system, for balancing evolving demands and system uncertainties. It also introduces a novel method based on input variable selection techniques to support the identification of effective policy mechanisms for environmental protection.

La presenza di diversi attori decisionali, istituzionalmente indipendenti ma fisicamente interconnessi, è uno degli aspetti che rendono i problemi decisionali in campo ambientale particolarmente complessi. La presenza di molti interessi conflittuali richiede infatti di sostituire al concetto di ottimalità quello di efficienza Paretiana. Inoltre, la presenza di molti decisori richiede di assumere un'attitudine cooperativa delle parti coinvolte al fine di massimizzare le performance a livello di sistema attraverso l'adozione di soluzioni completamente coordinate. Tuttavia, queste ipotesi risultano essere inapplicabili in molti contesti reali, dove i decisori spesso appartengono a istituzioni o Paesi diversi. In questi casi, le loro strategie spesso considerano solamente interessi locali, producendo esternalità negative che riducono i benefici a livello di sistema. Questa problematica viene solitamente studiata nel campo della teoria dei giochi con approcci di tipo descrittivo. Al contrario risulta generalmente più difficile adottare approcci prescrittivi di supporto alle decisioni che suggeriscano meccanismi di coordinamento tra gli attori decisionali originalmente indipendenti. La ricerca presentata in questa tesi introduce un nuovo framework analitico e decisionale basato sulla teoria dei sistemi multi-agente per studiare la pianificazione e gestione delle risorse idriche in contesti decisionali complessi. Tale framework si propone di combinare metodi descrittivi e prescrittivi con lo scopo di fornire strumenti informativi che rappresentino il reale contesto decisionale e, allo stesso tempo, procedure di supporto alle decisioni che suggeriscano efficaci meccanismi di coordinamento. L'utilizzo di un framework di tipo multi-agente permette infatti la rappresentazione di un insieme di agenti (decisori o portatori di interesse) che agiscono all'interno dello stesso ambiente e devono coordinarsi per massimizzare l'efficienza a livello di sistema nell'utilizzo delle risorse idriche disponibili. Questa prospettiva a livello di agente introduce inoltre la possibilità di esplorare diversi livelli di cooperazione tra gli agenti, superando le limitazioni dell'approccio tradizionale di tipo centralizzato. La combinazione di modelli multi-agente con tecniche di ottimizzazione sviluppate all'interno della teoria del controllo permette infine sia di analizzare i feedback esistenti tra obiettivi e decisioni degli agenti e il sistema nel quale agiscono, sia di simularne il co-adattamento e la co-evoluzione in condizioni socio-economiche e climatiche in rapida evoluzione. Le potenzialità dell'approccio proposto sono dimostrate applicando il framework a diversi problemi caratterizzati da contesti decisionali diversi, che quindi richiedono strumenti e metodologie differenti. La prima applicazione riguarda un ipotetico problema di allocazione delle risorse idriche in cui è necessario bilanciare l'efficienza delle soluzioni a livello di sistema e la loro applicabilità a livello di agente. L'utilizzo di metodi sviluppati all'interno della teoria dei sistemi multi-agente e basati sulla formalizzazione di problemi di ottimizzazione distribuita permette di supportare l'autorità di bacino nella valutazione di diversi livello di coordinamento. Il secondo e terzo caso di studio si concentrano sull'analisi dei benefici ottenibili attraverso metodi di coordinamento basati sullo scambio di informazione. Nel primo caso viene fornita una stima del valore economico della cooperazione e dello scambio di informazione in bacini internazionali. Nel secondo caso viene dimostrato il potenziale di strategie basate sul co-adattamento dei sistemi di water supply e di water demand nella gestione delle risorse idriche in campo agricolo, sia in condizioni climatiche attuali che future. Nell'ultima applicazione del framework, l'attuale gestione del serbatoio idrico di Conowingo, situato lungo il Susquehanna River, viene prima identificata e successivamente modificata attraverso la proposta di soluzioni in grado di bilanciare tutti gli interessi conflittuali coinvolti e che risultino robuste rispetto alle incertezze legate alle condizioni idroclimatiche. In questo contesto viene anche proposto un nuovo metodo basato su tecniche di input variable selection per l'identificazione di meccanismi di protezione ambientale.