Integrated and Participatory Water Resources Management: Theory

556 Pages·2007·6.747 MB·1-556\556

by  R. Soncini-Sessa (Eds.)

DEVELOPMENTS IN INTEGRATED ENVIRONMENTAL
ASSESSMENT
VOLUME 1A
INTEGRATED AND PARTICIPATORY WATER
RESOURCES MANAGEMENT: THEORY
by
Rodolfo Soncini-Sessa
with
AndreaCastelletti
EnricoWeber
DipartimentodiElettronicaeInformazione
PolitecnicodiMilano
Milano,Italy
2007
Amsterdam•Boston•Heidelberg•London•NewYork•Oxford
Paris•SanDiego•SanFrancisco•Singapore•Sydney•Tokyo
Elsevier
Radarweg29,POBox211,1000AEAmsterdam,TheNetherlands
TheBoulevard,LangfordLane,Kidlington,OxfordOX51GB,UK
Firstedition2007
Copyright©2007ElsevierB.V.Allrightsreserved
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07 08 09 10 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Contents
Introduction xv
A GLOBALVIEW 1
1 Makingdecisions:adifficultproblem 3
1.1 Interventions,actionsanddecisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Afirstexample:theEgyptianWaterPlan . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Asecondexample:controllinghydraulicrisk . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Actionsanddecisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.4 Classifyingactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Difficultiesandkeystotheirsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Participation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3 Rationalization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Planning:thePIPprocedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Thephases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.3 TheProjectscheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.4 EvaluatingAlternativeZero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5 Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2 Fromthedecision-makingproceduretoMODSS 37
2.1 Planningandmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Planningthemanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Designingthemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1.3 Generalizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2 Decisionmakingunderfullrationalityconditions . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1 Inadeterministicworld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.2 Inanuncertainworld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Decisionmakingunderpartialrationalityconditions . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.1 Negotiations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2 TheMODSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.3 Manyobjectives,oneDecisionMaker . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4 Managing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5 Thesteady-stateparadigm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6 Thedecision-makinglevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7 FunctionsandarchitectureofaMODSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
v
vi CONTENTS
2.7.1 ThelevelsoftheMODSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.7.2 Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.7.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.8 Organizationofthebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
B THEELEMENTSOFTHEPROBLEM 71
3 Actions,criteriaandindicators 73
3.1 FromReconnaissancetoactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 Criteriaandindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.1 Indexandindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.2 Propertiesofthecriteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.3 Factorsinfluencingindicatorchoice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.4 Validationoftheindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3 Anexample:theEgyptianWaterPlan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 Projectandsectorindices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 Systems,modelsandindicators 95
4.1 Fromthewatersystemtoitsmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.1.1 Fromthesystemtoitscomponents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 Fromthecomponenttoitsmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 BayesianBeliefNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3 Mechanisticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.1 Stochasticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4 Empiricalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5 Data-BasedMechanisticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6 Modelsofthedisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7 Markovchains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.8 Thetimestep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.9 Themodellingprocess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.9.1 Conceptualizationofthesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.9.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.9.3 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.10 Theindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.10.1 Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.10.2 Randomindicators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.10.3 Identificationoftheindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.11 Stationaryornon-stationary? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.12 Realizationandstateestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5 Modellingthecomponents 137
5.1 Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1.1 Thecausalnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.2 Themechanisticmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1.3 Thesetoffeasiblecontrols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.1.4 Thetimestepandthetimeconstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.1.5 Themodelofthereservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
CONTENTS vii
5.2 Catchments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.1 Theblockdiagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.2 Mechanisticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.2.3 EmpiricalandData-BasedMechanisticmodels . . . . . . . . . . . . 156
5.3 Canals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.1 Thecausalnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.3.2 Mechanisticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.3.3 EmpiricalandData-BasedMechanisticmodels . . . . . . . . . . . . 166
5.3.4 Thestepindicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.4 Diversiondams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.4.1 Thecausalnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.4.2 Mechanisticmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.5 Confluencepoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.6 Stakeholders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.6.1 Hydropowerplants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.6.2 Irrigationdistricts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.7 Disturbance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.7.1 Empiricalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6 Aggregatedmodels 185
6.1 Identificationprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.1.1 Decomposingthesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.1.2 Choosingthetimestep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.1.3 Identifyingthemodelsofthecomponents . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.1.4 Aggregatingthecomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.1.5 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.2 Theglobalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.2.1 Verifyingthetimestep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.3 Thedistributionnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.4 Moreaboutdisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.4.1 Generatingsyntheticseries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.4.2 Areversiblehydropowerplant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.4.3 Randomdisturbancesper-period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
C DECISIONMAKINGINFULLRATIONALITYCONDITIONS 217
7 Identifyingtheoptimalalternative 219
7.1 WhytheProblemisdifficult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.1.1 Infinitealternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.1.2 Uncertaintyoftheeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.1.3 Recursivedecisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.2 OrganizationofPartC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8 Choosingamonginfinitealternatives 223
8.1 TheelementsofthePlanningProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.1.1 Thesystemmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.1.2 Thedesignindicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.1.3 Thedesignscenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
viii CONTENTS
8.2 FormulatingtheProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.3 Example:theSinaiPlan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.1 Reconnaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.2 Phase1:DefiningActions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.3 Phase2:DefiningCriteriaandIndicators . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.3.4 Phase3:IdentifyingtheModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.3.5 Phase4:DesigningAlternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9 Dealingwithriskanduncertainty 243
9.1 Riskanduncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.1.1 TheLaplacecriterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.1.2 TheWaldcriterion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9.1.3 Riskaversionandutilityfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.2 Chanceconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.3 ThePurePlanningProblemunderriskoruncertainty . . . . . . . . . . . . . 249
9.4 Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10 Planningthemanagement 253
10.1 Thepolicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.1.1 Point-valued(PV)andset-valued(SV)policies . . . . . . . . . . 254
10.1.2 On-lineandoff-linepolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.1.3 Whenisapolicyuseful? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.2 TheelementsoftheDesignProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.2.1 Thetimestep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.2.2 Theindicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.2.3 Theobjective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.2.4 Thedesignscenario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.3 TheDesignProblemwithPVpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.3.1 Characteristicsofthesolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.3.2 Approachestothesolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.4 ALawofDuality:fromLaplacetoWald . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.5 Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.5.1 Classesofstate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.5.2 Classesofcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.5.3 Classesofdeterministicdisturbance. . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.5.4 Classesofrandomdisturbance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.5.5 Thediscretizedmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.5.6 Thecontrollawasamatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11 TheDesignProblemwithSVpolicies 277
11.1 Markovchains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.1.1 Stochasticdisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.1.2 Uncertaindisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.2 TheDesignProblemwithSVpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.2.1 FromthePVtotheSVDesignProblem . . . . . . . . . . . . . . 280
11.2.2 FormulatingtheSVDesignProblem . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.3 Cascadecriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
CONTENTS ix
12 Off-linenon-learning-basedpolicies 287
12.1 PVpolicies:FunctionalDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.1.1 Theoptimalcost-to-go . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.1.2 StochasticDynamicProgramming . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
12.1.3 Computationalcomplexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.1.4 Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.1.5 PolicyandBellmanfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.1.6 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.2 PVpolicies:ParametricDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.2.1 Thecurseofdimensionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.2.2 LinearQuadraticGaussian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
12.2.3 Fixed-classcosts-to-go:NeuralStochasticDynamicProgramming 312
12.2.4 Fixed-classpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.3 SVpolicies:FunctionalDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.3.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13 Off-linelearningpolicies 323
13.1 ReinforcementLearning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.2 FromSDPtoQ-learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13.2.1 TheQ-factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13.3 Model-freeQ-learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13.3.1 Thelearningrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
13.4 Partiallymodel-freeQ-learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13.4.1 On-linelearning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.5 SVpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14 On-linepolicies 341
14.1 On-linedesignandreducedstate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.1.1 Statereduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
14.2 Adaptivepolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
14.3 FormsofOn-lineProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.3.1 NaiveFeedbackControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.3.2 Open-LoopFeedbackControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
14.3.3 PartialOpen-LoopFeedbackControl . . . . . . . . . . . . . . . . 351
14.3.4 Anexample:applicationtotheVerbanoProject . . . . . . . . . . 352
14.4 SVpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.5 Variable-frequencyregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
15 Distributionpolicies 361
15.1 ControlProblemfordistributionpolicies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
15.2 Solutionalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
D DECISIONMAKINGINPARTIALRATIONALITYCONDITIONS 371
16 Thedecision-makingprocess 373
16.1 Multipleobjectives:fromDesigningAlternativestoEvaluation . . . . . . 375
16.2 MultipleDecisionMakers:ComparisonandFinalDecision . . . . . . . . 376
16.3 MitigationandCompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
x CONTENTS
16.4 OrganizationofPartD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
17 Choosingthedecision-makingmethod 379
17.1 Rankingsandordinalscales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
17.1.1 Arrow’sTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
17.1.2 Absoluteandintervalscales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
17.2 Preferenceaxioms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
17.3 Multi-AttributeValueTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
17.4 AnalyticHierarchyProcess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
17.5 ELECTREmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
17.6 Choiceofthemethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
18 Identifyingefficientalternatives 395
18.1 Multi-ObjectiveDesignProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
18.2 ParetoEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
18.3 DeterminingthePareto-efficientdecisions . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
18.3.1 LexicographicMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
18.3.2 WeightingMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
18.3.3 ReferencePointMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
18.3.4 ConstraintMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
18.3.5 Choosingthemethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
18.4 Preferencesamongtheobjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.5 Anexample:theSinaiPlan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.5.1 Phase2:DefiningCriteriaandIndicators . . . . . . . . . . . . . . 411
18.5.2 Phase4:DesigningAlternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
18.6 Choosingtheobjectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
18.7 Discretizingthealternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
19 EstimatingEffects 419
19.1 Markovsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
19.1.1 TheRegulator’sbehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
19.1.2 Uncertaindisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
19.1.3 Stochasticdisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
19.2 DeterministicandMonteCarlosimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
19.2.1 Choosingthesimulationseries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
19.2.2 TheRegulator’sModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
19.3 Theevaluationscenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
19.4 Validatingtheindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
19.5 MatrixoftheEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
20 Evaluation 433
20.1 MAVT:basicassumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
20.2 MAVT:utilityfunctionsandvaluefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . 434
20.2.1 Theglobalvaluefunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
20.2.2 Indifferencecurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
20.2.3 Identifyingthepreferencestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
20.3 Mutualpreferentialindependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
20.3.1 Twoindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
CONTENTS xi
20.3.2 Manyindicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
20.4 Identifyingpartialvaluefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.4.1 Themidvaluesplittingmethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
20.4.2 Thesignificantpointsmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
20.4.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
20.5 Excludingdominatedalternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
20.6 Identifyingtheglobalvaluefunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
20.6.1 Two-dimensionalvaluefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
20.6.2 Multidimensionalvaluefunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
20.6.3 Pairwisecomparisonandhierarchies . . . . . . . . . . . . . . . . 448
20.7 UncertaintyintheEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
20.7.1 Sensitivityanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
20.8 BeyondMAVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
21 Comparison,negotiationsandtheFinalDecision 453
21.1 Howtonegotiate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
21.2 Whattonegotiate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
21.3 Step-by-stepnegotiationsvsnegotiationsonrankings . . . . . . . . . . . 458
21.4 Negotiationsonweights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
21.4.1 Definitionofdistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
21.5 Negotiationsonthresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
21.5.1 TheElementaryNegotiationProcedure . . . . . . . . . . . . . . . 465
21.6 Votingonrankings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
21.7 Mediationsuggestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
21.7.1 Maimonidespoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
21.7.2 Equipoppoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
21.7.3 Balanced-Incrementpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
21.7.4 Nashpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
21.7.5 SolutionsfromGameTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
21.8 Organizingthemeetings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
22 MitigationandCompensation 479
22.1 Mitigationmeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
22.2 Compensationmeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
22.3 MitigationandCompensationinthedecision-makingprocess. . . . . . . 481
23 Howtocopewithuncertainty:recapitulation 483
23.1 Decision-makingproblems:aclassification . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
23.1.1 Sourcesofuncertaintyindecision-makingproblemsforwaterre-
sourcesplanningandmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
23.1.2 Sourcesofuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
23.2 Classifyingandmodellinguncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
23.2.1 Quantifiableuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
23.2.2 Non-quantifiableuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
23.3 Handlinguncertaintyinthedecision-makingprocess . . . . . . . . . . . 493
23.3.1 Single-DMSingle-ObjectiveProblem. . . . . . . . . . . . . . . . 494
23.3.2 Single-DMMulti-ObjectiveProblem . . . . . . . . . . . . . . . . 494
23.3.3 Multi-DMMulti-ObjectiveProblem. . . . . . . . . . . . . . . . . 495
xii CONTENTS
E MODSS 499
24 SoftwarearchitectureofMODSSs 501
24.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
24.1.1 Planninglevelrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
24.1.2 Managementlevelrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
24.1.3 Reviewoftheaboverequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
24.1.4 Contentmanagementrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
24.1.5 Distributedaccessrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
24.1.6 Architecturalrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
24.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
24.2.1 Objectsandclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
24.2.2 Softwarecomponents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
24.2.3 Ontologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
24.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
24.3.1 ExternalDataSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
24.3.2 TheKnowledgeBase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
24.3.3 TheControlUnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
24.3.4 TheGraphicUserInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
24.4 Someprospectsondistributedarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . 522
24.4.1 ModelintegrationontheWEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
24.4.2 Distributedcomputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
24.4.3 Distributedparticipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
24.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
References 527
INDEX 547
ONTHECD
APPENDICES
A1 AlternativeZeroandWFD
A2 Randomvariablesandprocesses
A3 Systems
A4 Stateandparameterestimation
A5 Mechanisticcatchmentmodel
A6 Linearempiricalmodels
A7 Data-BasedMechanisticmodels
A8 NeuralNetworks