合成

社会水文学:多层次世界中设计和自组织的相互作用

• 摘要
• 简介
• Robustness-Fragility权衡
• 文化进化与文化多层次选择
• 孟加拉国西南部的圩田
  • 背景
  • RFTO分析
  • cml分析
• 佛罗里达基西米河流域的渠化与修复
  • 背景
  • RFTO分析
  • cml分析
• 讨论:RFTO与cml的互补性
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 数据可用性
• 文献引用

介绍

研究环境和可持续性问题的跨学科系统方法的持续激增，尤其是社会-生态系统的弹性，突出了将自然和社会视为相互依赖的系统以及紧密反馈连接它们的重要性(Folke 2016)。一种类似的系统方法——社会水文或耦合人-水系统，最近才在水文和水资源学科中出现，其驱动因素是越来越多的人认识到，许多严重的、反复出现的水资源使用问题源于缺乏考虑水文和社会系统之间的双向反馈(Sivapalan et al. 2012)。社会水文学是一个快速发展的研究领域，有可能推动水文学领域超越只关注水文系统和过程的传统边界(Konar等人2019年)。社会水文学的一个核心问题是，是否可以在不同的案例中识别常见现象，以及如何用双向反馈来解释它们，从而创造出超越特定实例的一般性见解(Troy等人2015年，Di Baldassarre等人2019年)。一些研究探索了这种现象，包括短期和长期洪水脆弱性之间的权衡(Di Baldassarre等人2013年，Merz等人2015年)，社会对水分配的偏好从经济生产向环境保护的转变(Van Emmerik等人2014年，Chen等人2016年)，提高灌溉效率的意外后果(Scott 2011, Grafton等人2018年)，欠发达地区的城市供水问题(Srinivasan 2015年)，以及水库扩张和过度依赖的意外后果(Di Baldassarre et al. 2018)。

社会水文研究建立在社会生态学的基础上，有三个明显的特征。第一，分析的空间和时间尺度往往在可以观察和检查水文循环变化的水平上。例如，在相对较长的时间尺度上分析区域空间范围，如流域、流域、含水层和城市供水网络，以跟踪水文循环的变化(Zhang et al. 2014, Gunderson et al. 2017)。其次，在强调水循环演变的同时，该领域还关注与水及其背后的机制和调节因素有关的人类文化特征的演变，如社会规范、实践等(Sanderson et al. 2017, Roobavannan et al. 2018)。第三，已经建成的基础设施的作用经常被明确地识别并纳入分析中，特别是基础设施设计对人-水交互轨迹的影响(Di Baldassarre et al. 2013, Yu et al. 2015, 2017)。鉴于这些特点，研究社会水文学的系统方法需要考虑设计(基础设施或政策设计)和自组织(水文变化或社会变化)之间的相互作用，并产生紧急动态。此外，耦合的人-水系统往往包含嵌入在嵌套层次结构中的多个社会单位(Gunderson et al. 2017)。例如，小农家庭被嵌入到灌溉社区中，而灌溉社区又被嵌入到地方、区域和联邦级别组织的管辖等级中。鉴于这种多层次的性质，社会水文学也需要理解社会组织中的多层次动态如何塑造结果。因此，把人-水耦合系统看作一部分是设计的，一部分是自组织的系统是有用的。 In other words, infrastructure or policy designs may be imposed to achieve particular goals, but actual outcomes depend on how the hydrologic cycle shifts or how social processes within and between levels in a nested hierarchy evolve in response to such designs, often in unexpected ways.

然而，对影响设计和自组织之间相互作用的因果机制以及社会变化的多层次性质的一般性见解在社会水文领域一直是难以捉摸的。这样的见解对于增进理解耦合的人-水系统如何以及为什么沿着某些轨迹共同进化，以及为什么它们在某些情况下是可持续的而在其他情况下是不可持续的至关重要。因此，我们的目的是研究如何通过应用一个总体理论框架来检验和联系社会水文学的共同进化模式。具体来说，我们借鉴了稳健-脆弱性权衡(RFTO)和文化多层次选择(CMLS)理论，这两种独立的方法结合在一起，有助于理解部分设计和部分自组织系统所展示的广泛动态。RFTO理论起源于社会-生态系统文献和控制理论，提出了关于系统设计如何改变以增强某一领域的鲁棒性可能导致在其他方面放大脆弱性的一般性见解(Csete和Doyle 2002, Anderies 2015)。CMLS理论起源于人类学和可持续性科学，通过识别在不同层次的组织层次上运作的文化传播和选择过程，以及这些多层次选择压力对文化特质出现和持久性的后果，解释了人类社会的文化变化(Boyd和Richerson 1985, Waring等人2015)。为了说明这两个理论透镜的效用，我们将它们应用于两个案例区观察到的社会水文现象:孟加拉国西南部社区管理的防洪系统(圩田)和佛罗里达州基西米河流域。

我们研究了RFTO和CMLS的理论镜头如何通过将它们应用于“堤坝效应”(White 1945, Montz和Tobin 2008)和“钟摆摆动”(Kandasamy et al. 2014)这两种社会水文标志性模式的现象来促进推广。堤防效应已经成为多个社会水文研究的主题(Di Baldassarre等人2013,Viglione等人2014,Yu等人2017,Sung等人2018)。根据堤防效应，从长远来看，修建更高的堤防最终会增加而不是减少洪水的脆弱性，因为修建堤防带来的短期稳定可能会导致更多的做法，从而增加罕见的长期灾害的成本和风险。与堤防效应相反的是适应效应，这意味着允许适度暴露于洪水事件可以提高社会长期应对罕见洪水灾害的能力(Di Baldassarre et al. 2015)。总之，这两种影响都涉及在两个时间尺度(频繁和罕见)之间的系统脆弱性权衡，而这些权衡的产生是因为设计选择(基础设施或政策设计)对洪水记忆、人类住区模式或洪水水文的自组织的影响。

多个社会水文研究也对“钟摆摆动”现象进行了研究(Elshafei et al. 2014, Van Emmerik et al. 2014, Mostert 2018)。这一现象涉及人们对水资源分配的集体偏好从经济发展转向环境健康。目前的社会水文文献只在人口水平上对这一现象提供了一种机械性的描述。例如，它依赖于集体记忆和社区敏感性等隐喻，这些隐喻确定了一个社会的共同记忆、态度或对某些水文或环境条件的偏好。其基本思想是，集体记忆或社区敏感性的状态受到水文事件(如洪水)的影响，这些事件反过来通过社会反应(如建设更多的堤坝)影响水文，导致未来水文过程的改变。虽然简单明了，但这些都是“集中”的概念，它们抽象掉了社会变化的许多潜在因果机制。换句话说，有必要解释一种文化特征是如何在一个社会中传播和广泛共享的，尽管最初可能存在于个人层面的各种特征是不同的，以及这种共享的规范是如何变得稳定或崩溃并被另一种文化特征所取代的。

因此，要对多种社会水文现象产生一般性的见解，就需要理论来解决(1)由于设计选择和社会或水文成分的自组织响应而产生的系统脆弱性的权衡，以及(2)包括个体层面的文化变异和选择以及人口层面的文化动态的多层次分析。RFTO和CMLS这两种越来越多地用于可持续发展研究的理论方法(Reyes-García等人2016年，Ishtiaque等人2017年，Brooks等人2018年，Ellis等人2018年，Tellman等人2018年)可以满足这些各自的要求，表明这些理论在解决社会水文现象方面的好处。我们认为，无论是单独的还是综合的，这两种理论都为历史上由物理科学和工程观点主导的社会水文文献带来了丰富的社会科学知识。

ROBUSTNESS-FRAGILITY权衡

根据RFTO，对复杂反馈系统进行结构修改或微调控制，以增加其对一组扰动的鲁棒性，必然会导致该集合之外的扰动的脆弱性增加(Anderies 2015)。这种稳健性或脆弱性的权衡，是反馈系统的基本属性(Bode 1945)，并在其他地方被贴上了“脆弱性守恒”的标签(Csete和Doyle 2002)。基本的观点是，增强健壮性的努力往往仅仅是为了将脆弱性转移到不同的领域，而不是消除它们。这种权衡是危险的，因为人们往往会产生一种错误的安全感，因为改变系统设计所产生的紧急脆弱性通常是隐藏的，只有在灾难性的故障中才会暴露出来(Anderies 2015)。从线性反馈系统到复杂的工程系统和社会生态系统，RFTOs已被广泛应用于各种控制系统中。在社会-生态系统文献中，RFTO理论主要用于理解人类如何通过使用已建成的基础设施、政策行动或两者共同应对环境变化，从而导致脆弱性在不同尺度或同一尺度内的不同水平上转移(例如，Ishtiaque等人2017年，Tellman等人2018年)。在最近的一项研究中，RFTO理论也在社会水文背景下进行了讨论(Yu et al. 2017)。本研究将堤防效应作为rfto引发的现象的一个例子，揭示了由于修建更多的洪水基础设施而出现的隐藏的社会问题。RFTO的类型学(图1)已被提出，以帮助概念化这种权衡如何在社会-生态系统背景下发生(Anderies 2015)。根据这种类型可以存在四种基本类型的RFTO:结构化RFTO、网络型RFTO、反馈型RFTO和反馈与结构化RFTO。 Structural RFTO represents a direct modification to the system structure, e.g., converting a natural floodplain to a semiengineered environment by the construction of levees (Fig. 1A). Such modifications help to suppress short-term environmental variability, e.g., daily tidal inundation, but also tend to be associated with increased fragilities at a different level of the time scale, such as catastrophic outcomes when a 500-year flood occurs, or on altogether different scale, such as free-riding behaviors of people regarding infrastructure maintenance. By contrast, network RFTO represents an insertion of an exchange network among multiple “source” systems, whose outputs or benefit flows respond differently (or do not co-vary in time) to a disturbance, and a “sink” system that taps into these benefit flows. Such an exchange network helps to reduce the effects of short-term fluctuations in the source side on the sink side because of an insurance effect, i.e., even if one of the source systems cannot withstand a disturbance and fails to perform, other source systems that have the same function may withstand it and still allow the sink system to receive benefit flows (Fig. 1B). However, the connection to the larger network and the resultant interdependencies (where outputs of one node become inputs to another node) may exacerbate the risk of cascading failures triggered by a node failure in the network.

反馈RFTO表示引入反馈“控制”来响应系统状态的变化，以实现稳定(图1C)。这种反馈控制通常由一些现有的管理政策或法规协议规定。例如，大坝或水库的运行可以由基于历史流量趋势的预先存在的运行规则来指导。然而，当水流模式明显偏离历史趋势时，遵循这些现有的运行规则可能会使结果恶化。最后，当基础设施修改(如改变防洪基础设施的设计)和反馈控制(如动态调整水库水位)以实现稳定时，会发生结构性和反馈RFTO(图1D)。这种形式的系统控制非常强大，由于工程设计和反馈驱动的调节控制的综合作用，系统看起来具有高度的鲁棒性。然而，这也是问题最多的地方，因为脆弱性被结构变化和反馈控制的强大力量所隐藏，只有在罕见的灾难性故障时才会暴露出来。自组织是大多数这些脆弱性表现背后的原因:从人们产生错误的安全感以及由此导致的集体记忆和土地使用模式的转变，到自然系统状态和过程的逐步转变。

最后，读者应该注意到RFTO起源于鲁棒控制理论，该理论的证明和经典例子都集中在时域，即如何严格控制某些时间频率的可变性，导致其他频率的脆弱性(Csete和Doyle 2002, Martins et al. 2005)。然而，重要的是要注意到，这种脆弱性可以显示在不同的领域，而不是不同的时间频率。在水系统的背景下，系统的哪些特征导致脆弱性出现在不同的领域而不是不同的频率?我们认为，当两个域并置或物理上连接而与人眼没有明显联系时，脆弱可以表现在不同的域中。澳大利亚Goulburn-Broken集水区的地表水灌溉导致地下水水位上升、土壤盐碱化和下游水质退化的案例就是一个相关的例子(Walker and Salt, 2006)。这是两个领域之间脆弱性权衡的一个案例:水量领域(灌溉以应对降水变化的脆弱性)和水相关质量领域(土壤盐渍化和水质问题的出现)。在该地区，地下水和地表水系统在水文上相互联系，但当早期定居者开始开发该地区的农业时，这种联系的可见度很低。相比之下，两种频率之间的脆弱性权衡似乎与社会自组织关系更密切，即人们通过结构修改或调控反馈，使他们的活动适应在一个水平的时域中创造的稳定条件(短期稳定)。一个例子是2013年，澳大利亚布里斯班在多年干旱后发生了严重的洪水损失。在干旱之前，布里斯班的水库主要用于防洪。 However, adaptation to the drought, e.g., more water storage in the reservoirs and thus less room for flood storage, made the system more fragile to flooding when a wetter period followed immediately after the years of drought (Di Baldassarre et al. 2017).

文化演进与文化多层次选择

社会变化，或种群内文化特征频率的变化，是社会水文学的组成部分，被认为是人-水耦合系统动力学的内生因素(Sivapalan et al. 2012, Montanari et al. 2013)。如何将社会变化及其与水文过程的双向联系理论化和建模的问题，最近在水文学者和水资源研究人员中引起了极大的兴趣和争论(Gober and Wheater 2015, Loucks 2015, Yu等人2017,Roobavannan等人2018)。我们认为，更广泛的文化进化和文化多层次选择理论(Boyd和Richerson 1985, Brooks等人2018)已经为理解这方面的社会变化提供了很好的概念工具。

根据文化进化的双遗传理论(Richerson和Boyd 2004)，个体通过文化上的社会学习继承特征，此外，通过遗传，通过繁殖。这种文化形式的遗传产生了一种独特的、非遗传的达尔文选择(文化选择)过程，它可以根据生物学家用来跟踪随时间推移的遗传性状的相对频率的相同原则建模。在这种方法中，文化特征被定义为个人通过社会学习获得的信息、价值观、技能或实践。正如功能的复杂性在遗传性状中随着时间的推移而积累一样，它也在文化性状中积累，正如我们在科学和技术知识的积累中看到的那样，在涉及管理和使用自然资源的社会规则、规范和实践的复杂性中看到的那样(例如，Ostrom 1990)。理解文化进化的动力对社会水文学很重要，因为文化特征强烈地塑造了人类彼此之间以及与环境的互动，从而形成了长期的人-水相互作用的结果。无论如何，任何能够跟踪和解释社会变化的理论都必须解决潜在的文化过程，这些过程在个人的文化特征中产生规律。

文化选择(Mesoudi et al. 2006)是达尔文自然选择的文化等效物，当某一特定文化特质在一个种群中传播时，由于其对在特定环境中使用该特质的个体的影响而以牺牲他人为代价(Mesoudi et al. 2006)。例如，一种个人成本高昂的节水措施，比如将草坪改造成草木景观，可能会在社会中被选择并坚持下去，这可能是因为正式的激励和法规，也可能是因为同辈压力、声誉和社会比较的非正式制裁，也可能是因为个人已经内化了节水规范。但是，无论特定的文化选择压力的性质是什么，它们都将取决于特定的文化背景，或者共同的信仰和价值观的偶然历史，这些信仰和价值观要么促进要么阻碍对各种实践的吸收。因此，例如，当一个城市现有的规则和规范支持结构性防洪措施时，非结构性防洪形式的替代规范就不能轻易入侵和传播。

正如这些例子所表明的那样，文化特征可以在垂直方向上代代相传，因为孩子们继承了遗传父母的文化，也可以在同年龄或同代的同龄人中横向传播(图2A)。在水平传播的情况下，学习策略包括从众学习偏差(个体不比例地复制大多数行为)和成功学习偏差(个体优先复制其他成功个体)。当许多个人使用的这种学习策略在社会规则、信仰、价值观或社会群体的实践中产生规律时，就形成了共同的文化特征。文化特质一旦建立，就会通过同辈压力和群体选择等社会效应进一步加强和稳定(图2C;Chudek et al. 2013)。另外，诸如创新或文化突变等扰动可能会破坏现有的平衡(图2B)。因此，文化进化理论提供了一套强有力的思想，解释了文化特征随着时间的推移的出现和稳定，包括那些影响水资源使用和管理的文化特征。

需要注意的是，文化选择可以发生在社会组织的多个层面(Richerson et al. 2016)。正如文化特征可以通过社会学习在个体之间传播一样，如果选择的主导水平是在群体层面，它们也可以在个体群体中传播。这种多层次的文化选择过程被称为文化多级选择(cml;Wilson和Kniffin 1999, Wilson et al. 2013)。Waring等人(2015)最近将CMLS应用于集体行动问题背景下的社会-生态系统，以研究社会群体内部合作文化特质的进化。文化选择在焦点文化特质上的力量可以在不同的社会组织层面上变化(个人vs.团体;Richerson et al. 2016)。例如，如果采取节水措施的群体比不采取节水措施的群体更成功，节水规范可能会取代浪费规范，以实现水的可持续发展的共同目标。然而，这种情况是否会发生，很可能取决于文化选择最强烈的社会组织规模的水平(图3)。当水充足，因此执法较弱，文化选择将在个人层面上占主导地位，自愿节水的集体行动可能会失败。然而，当水稀缺、水费高、政府为节水程度较高的群体提供经济激励时，群体层面的文化选择将占主导地位，即群体选择。在这种情况下，一种有利于群体的文化特征将通过诸如同辈压力和群体竞争等机制而扩散。在现实中，选择压力在几个有联系的社会群体中出现在多个层面:一种个人主义特征可能在一些群体中盛行，因为他们独特的身体或社会环境，而其他群体中的个体可能更多地受到同辈压力和群体竞争的驱动，并采用一种有利于群体的特征。

孟加拉国西南部的圩田

水文变化和相关事件如河流洪水对人类生计产生不利影响。因此，在许多人洪系统中，修建堤坝等基础设施和上游大坝是为了遏制和平滑水文变化。因此，洪水发生的频率大大降低，脆弱地区现有的开发和生产活动得到了更好的保护，水文动力学在很大程度上被人们忽视了。然而，这些可能会导致长期变化，增加遭受损害的总风险和洪水的脆弱性。受到损害的总风险增加了，因为加强实物保护往往会鼓励脆弱地区进行更大的发展和经济活动(Di Baldassarre等，2013)。也就是说，虽然堤防建设确实降低了每年的洪水风险，但开发的增加可能超过风险的减少，并最终增加了遭受损失的总风险，从而增加了罕见洪水事件(Georgic 2019)的预期损失。与此同时，每一次被防护性基础设施所遏制的洪水，都是社会学习洪水危害的机会的丧失。如果人们没有更早地接触到这种实际的洪水经验和学习机会，可能会导致当地有效应对罕见洪水事件的能力严重降低或丧失(Liao 2012, Yu et al. 2017)。这种现象被称为堤防效应(White 1945, Tobin 1995)，在世界范围内越来越多地被观察到(Di Baldassarre et al. 2015)。本文以孟加拉国西南部圩区为例，阐述了RFTO和CMLS如何用于解释堤防及其适应效应。

然而，在进一步讨论之前，我们希望引导读者注意堤防效应的另一面。这是因为，通过更好地保护现有的开发项目，并诱导洪泛区进一步的开发和生产活动，堤坝的建设具有潜在的强大的积极影响(Stavins和Jaffe 1990, Ishtiaque等人2017,Georgic 2019, Hutton等人2019)。这可能意味着创造更多的财富和社会福利，而这些在没有大堤的情况下根本不可能存在。与此同时，这些积极的影响可能使个人和团体拥有更大的经济能力，以承受比没有堤防时更小的长期后果，并具有习惯性抗洪能力的知识和实践。在这种观点下，可以推测堤防建设可以增强总体弹性或减少整体系统的脆弱性。然而，考虑到我们在本文中对RFTO的广泛关注，我们更关注特定的弹性(或健壮性)方面，而不是一般的弹性。请注意，弹性思维领域将一般弹性和特定弹性区分开来(Folke et al. 2010)。总体恢复力是指应对各种各样的干扰，包括意想不到的干扰。相反，指定的弹性是关于“什么对什么的弹性”(Carpenter et al. 2001)，它的应用需要明确定义什么包括在系统边界中，什么是需要维护的感兴趣的系统性能，以及系统性能应该对哪组干扰发展弹性。具有鲁棒性和RFTO的情况与指定的弹性完全相同(Anderies et al. 2013)。 The application of RFTO to the levee effect requires us to (1) be specific about its system boundary (e.g., a polder and communities within it), system performance of interest (e.g., economic outputs), and the disturbances of interest (e.g., flood hazards with different return periods) and (2) focus on how vulnerabilities shift from one frequency range of flood hazard to another range instead of overall system vulnerability to all forms of disturbances.

背景

孟加拉国西南部沿海地区的特点是恒河和雅鲁藏布江的三角洲泛滥平原。该地区经常遭受洪水相关的自然灾害(Brammer 2010, Auerbach et al. 2015)。在18世纪英国殖民之前，该地区的大部分地区都被森林覆盖，几乎没有人为干预。人们依靠森林资源、近海渔业和小规模农业生活。由于该地区的低洼地区每天两次被海水淹没，大规模的农业生产是不可能的。然而，随着英国的殖民，土地使用和生计发生了重大变化(Ishtiaque et al. 2017)。地主们清除了大片林地，租给农民耕种。人口数量增加了，农民在地主的支持下建造了小块的土堤。尽管土质堤坝对盐水入侵提供了一些保护，但该地区和社区仍然暴露在由重大天气事件(如热带气旋)引起的罕见洪水中。在此期间，很少或根本没有采取重大集体行动保护洪水，例如自愿捐款支持大规模基础设施建设。

然而，在20世纪60年代和70年代，孟加拉国政府发起了海岸堤防项目，以抑制洪水风险，提高该地区的农业生产力。多边机构支持该项目。该项目导致在该国西南地区建设了37个圩田，包括1556公里的堤防(或堤防)，旨在保护低洼地区免受河流洪水和风暴潮的影响(Dewan等人，2015)。圩田是一个工程水文单元，它围绕着由堤防和闸门围起来的河漫滩(图4A)。堤防保护着里面的区域从洪水。水闸用来与周围的水体交换水。由于该项目，发生了两大变化。首先，随着洪水保护的加强，广泛的农业和水产养殖变得广泛(Swapan和Gavin 2011, Amoako Johnson et al. 2016)。这导致了人口的增加和经济生产用地的增加。第二，共享圩区基础设施的存在需要当地社区的参与或集体行动来维护基础设施(Sultana和Thompson 2010, 2017)。由于中央政府的支持不足或滞后，当地居民不得不主动参与维修活动。集体行动往往以两种形式发生:在正常情况下，人们需要定期共同努力，以对抗堤防的自然侵蚀;在紧急情况下，人们必须共同努力，解决风暴潮袭击海岸时堤防随机崩溃的问题。事实上，当地社区往往有强大的社会规范，这有效地抑制了搭便车，以集体维护圩田(Afroz等人，2016)。

圩田的建设提高了抵御洪水的能力。然而，1970年的波拉大气旋造成25万多人死亡，造成巨大损失，这表明该地区仍然容易遭受罕见但严重的洪水(Hossain等人，2008年)。事实上，由于圩田人口规模和经济活动的增加，加上圩田基础设施质量的恶化，该地区可能已变得越来越脆弱，难以抵御罕见的洪水。

RFTO分析

我们使用Yu等人(2017)开发的孟加拉国西南部圩田集体管理程式化模型来说明RFTO如何用于解释堤防和适应效应。开发该模型是为了了解影响该地区沿海社区长期恢复力的关键一般特征。洼地基础设施和维护洼地的集体行动是影响洼地人-水相互作用的两个关键因素。圩田基础设施保护居民免受洪水侵袭。然而，由于自然侵蚀或风暴潮造成的决口，堤防高度提供的防洪水平会随着时间的推移而下降。该模型假设居民有一个共同的目标，即通过定期维护来保持预先确定的防洪水平。关于这个社会目标，个体可以从两种行为策略中选择:参与社区组织的维护工作(合作者)和免费搭车(叛逃者)。在每一个时间步骤中，个体都会选择能够带来更高预期收益的策略。策略收益包括货币部分和非货币部分。货币收益由洪水损失、农业产量和圩田维护成本决定。 Nonmonetary payoff is determined by the penalty accruing to defectors in the form of social ostracism and the cost of sanctioning borne by cooperators.

这里有两个模型过程特别重要。首先，更多的洪水保护与昂贵的基础设施维护和减少洪水暴露有关。其次，缺乏对洪水的接触会减少叛逃者的排斥，因为他们对洪水风险的意识较少。本研究中使用的概念模型捕捉了这些社会和水文过程，并显示了诸如农业产量和集体行动水平(合作者的百分比)等结果如何随时间变化。模型结果表明，允许一些水文变异性进入圩区可以通过维护集体行动的社会规范来增加社区的恢复力。在Yu et al.(2017)的工作中可以找到对该模型更详细的描述。

一组模型输出说明了我们的模型模拟中的堤坝效应。在模拟的早期阶段，加强防洪可以减少洪水的发生(当水位高于堤防水位时发生)(图3D)。这意味着对频繁、定期洪水的鲁棒性增强。然而，这一成功导致了基础设施维护集体行动问题的脆弱性增加，因为由于缺乏洪水暴露和更高的维护成本，叛逃者策略更容易传播(图4E)。因此，当一场需要更大集体行动的罕见洪水发生时，模型系统就会崩溃。总之，在频繁洪水和罕见洪水这两种时间频率之间存在稳健性或脆弱性守恒的权衡。该案例符合RFTO理论所描述的条件。更具体地说，基于图1所示的RFTO类型，堤效应可以被解释为一个结构性和反馈RFTO的案例(图1D)，因为存在结构性修改(堤防)和相关的反馈驱动的社会行动，以保持堤防水平到预定水平。值得一提的是，堤坝效应也与弹性思维中的“特定弹性”(specific resilience)概念相一致，这与RFTO类似。指定恢复力是关于“什么对什么、为谁的恢复力”(Carpenter et al. 2001, Lebel et al. 2006)。 Just as trade-offs in robustness are predicted by RFTO theory, resilience theorists have suggested that enhancing specified resilience to one kind of disturbance regime may often come at the expense of reducing specified resilience to other disturbance regimes (Folke 2016).

RFTO也为适应效应提供了理论依据。适度的防洪措施(偶尔会导致洪水)似乎对洪水事件的稳定期较低，在模拟的早期阶段对农业产量更敏感(图4B)。然而，这种对洪水的故意容许有助于保持模型社区对洪水风险的共同意识和集体行动的社会规范，从而提高对罕见洪水的稳定期(图4C)。因此，脆弱性保护的概念也适用于这种模式。因为在这种情况下，频繁的、有规律的洪水没有被过度抑制，脆弱度的总量通过不扩大对另一种扰动(即罕见的洪水)的脆弱性而保持不变。综上所述，RFTO为理解堤防及其适应性影响提供了一个广义的观点，而不管这些影响发生在何处，或涉及何种特定形式的脆弱性。

cml分析

cml理论提供了另一种视角来理解孟加拉国西南部的人洪交互作用。在该地区，社会组织的等级一般分为三个层次:个体、社区(圩区)和政府。在海岸堤防工程之前，根本没有显著的群体层面的防洪实践组织，因此相关文化性状的选择只能发生在个体层面。在那个时候，选择的主导水平可能是个体(图5的第一列)。在维护自己农田的小规模堤坝方面做得更好的农民可能会更成功，而有效的个体层面应对洪水的策略可能会通过文化进化在农民中传播，例如，如果农民模仿其他成功的农民。这是适应效应在个体层面发生的一个实例。即使在英国殖民之后，主要的选择水平仍然保持不变，因为地主和农民仍然需要为自己的农田管理和建造小规模的堤坝。群体利益或集体行为并不会立即跟随殖民。然而，持续不断的洪水对想要大规模种植农作物的地主和农民来说是一个严重的问题。个人层面的洪水应对活动不足以支持低洼洪泛区的大规模、广泛的农业生产。

为了更大规模地鼓励生产力，并提高整个国家的文化适应性，孟加拉国政府实施了海岸堤防项目，在河漫滩的低洼地带周围建造堤防(圩田)(图5中的第二列)。然而，由于缺乏政府对圩田维护的支持，导致社区层面的选择发生了(图5中的第三列)。居民们面临着维护圩田的集体行动问题。那些原本可以把时间花在耕作上，或从事其他对他们来说更有利可图的活动的个人，开始为集体的利益而行动，参与圩田维护。在其他情况下，文化选择从个体特征之间的竞争转移到群体特征之间的竞争，文化学习规范强加的基于声誉的成本抵消了自私行为的好处(图5中的第四列)。这使得孟加拉国沿海的居民为了社区的利益与邻居合作，尽管他们倾向于为自己的个人利益行事。同时，有效的圩田维护规范很可能通过知识转移在社区中传播，以一种群体层面的、有成功倾向的社会学习的形式。这两种机制都提供了一种合理的途径，通过这种途径，有助于防洪的文化遗传特征得以形成。这是群体层面发生适应效应的一个实例，因为社区的适应能力通过经常暴露于圩田维护的集体行动问题而得到加强，如果这个问题得不到解决，就会威胁到人们的生计。

如果没有有效的政府激励或强制措施来约束个人的行为选择，社会学习和每个家庭的圩田维护成本可能会成为社区可持续发展和广泛农业的关键特征。此外，该地区正在并将越来越多地面临人为导致的三角洲地区下沉和极端天气事件带来的洪水风险。因此，该地区的人水耦合系统正处于寻求更多以技术为中心的解决方案与学习与洪水共存的十字路口。以技术为中心的不断加高堤坝的方法可能会导致洪水记忆的更大衰退(因为人们缺乏经常接触洪水的机会，失去了社会学习的机会)，并增加每个家庭维护圩田的成本。在这种情况下，选择的主导水平可能会从群体转移到个人，从而使集体行动变得困难。这一假设场景是堤防效应的一个实例，即过度依赖圩田基础设施导致社区适应能力的侵蚀。

佛罗里达基西米河流域的渠化与恢复

在社会水文学中，摆动的钟摆的比喻被用来概念化一个社会对水资源分配偏好的变化，一方面强调发展和经济收益，另一方面强调环境保护和恢复。用于模拟这种波动的一个关键构造是对环境健康的“社区敏感性”(Elshafei等人2015年，Mostert 2018年)。群落敏感性状态被认为受到一些水文事件的影响，例如洪水破坏，这些事件反过来又影响行为响应，例如修建更高的堤坝。当洪水发生时，社区对环境问题的敏感性会降低，随着敏感性的逐渐降低，一个社会更倾向于开发和控制水资源，以获得稳定和经济利益。相反，当由于开发和控制水资源而发生环境退化时，社区对环境健康的敏感性就会增加。在这里，我们使用基西米河流域的渠化和恢复的案例来说明RFTO和CMLS如何帮助我们解释这种社会偏好的波动。

背景

基西米河流域位于佛罗里达州中部，从奥兰多南部一直延伸到奥基乔比湖。20世纪60年代，随着钟摆向经济发展的方向摆动，该流域被渠化，但在90年代，钟摆向另一个方向摆动，渠化被逆转。在这里，上下游区域具有不同的社会环境和自然环境特征。城市社区位于上游地区，由于大多数城市居民远离河流走廊，洪水不是主要问题。相比之下，大多数下游居民以农业为生，由于他们的大部分农田位于洪泛区，他们的生计对洪水很敏感。在过去的几十年里，上游地区的种群数量大幅增加，而下游地区的种群数量仅略有增加(Chen et al. 2016)。飓风周期性地给下游地区的农业造成更多的破坏。例如，1947年连续两次飓风事件摧毁了下游地区的大部分农业(Koebel 1995)。事实上，这种农业脆弱性为居民向政府请愿进行水文干预提供了最初的动力(Chen et al. 2016)。

应居民的要求，美国政府委托美国陆军工兵部队启动了基西米河开凿工程，该工程于1962年至1971年实施。这个工程把自然蜿蜒的河流改造成一条人造的90公里长的运河。正如预期的那样，渠化通过抑制径流波动有效地减少了下游地区的洪水。然而，这一成功带来了一个新问题:下游地区的湿地流失(Toth et al. 1995)。由于河道化的河流减少了径流量，该地区的湿地逐渐干涸。该地区的湿地面积减少了约120平方公里，相当于原来湿地面积的70%左右。这导致了该地区生物多样性的严重丧失(Koebel和Bousquin, 2014)。湿地生态系统的破坏对上游地区的城市居民产生了极大的影响，他们比下游地区的居民拥有更大的人口规模，从而具有更大的政治影响力。上游居民积极向政府表达了他们的担忧，并试图扭转湿地的流失，最终导致联邦和州政府授权《基西米河恢复法案》(Chen et al. 2016)。

修复工程于1999年开始，预计将于2020-2021年完成。为尽量减少河道对防洪造成的损失，只拆除河道的中游段，恢复其原有的自然状态。同时，政府买下了河流附近的土地，恢复为泛滥平原，为河流提供“空间”。由于泛滥平原储存了大量的水，这种绿色基础设施在对洪水进行缓冲的同时，也恢复了湿地生态系统。归根结底，修复工程增加了下游洪水的风险，但据估计，这种增加的风险在农业用途上是可以接受的(Bousquin et al. 2009)。

RFTO分析

当基西米河流域的人-水耦合系统从渠化到恢复时，我们可以使用RFTO透镜来识别系统脆弱性的变化。Chen等人(2016)设计了一个案例的程式化模型，以捕捉已建基础设施的变化及其影响，指出疏导项目和恢复项目针对不同的干扰域。根据RFTO理论，耦合系统不能对不同区域的所有干扰都具有完全鲁棒性。渠化主要是为了提高农业对洪水的抵御能力，而恢复工程主要是为了降低生物多样性和湿地生态系统健康对水文状况变化的脆弱性。这两种结构变化都可以被解释为结构性RFTO(图1A)，其主要驱动因素是上下游居民相互冲突的文化关切。但由此产生的水文和自然系统的变化会反馈到影响居民的文化关注，导致人类系统和水系统之间的反馈是双向的。

以增强对洪水的鲁棒性为目标的信道化在初始阶段表现良好。洪水强度和方差的降低限制了下游农民对作物的损害。然而，这种对硬基础设施的改进并没有消除脆弱性，而是将脆弱性转移到了另一个领域(从洪水到生物多样性的丧失)。尽管对洪水有了强有力的保护，但湿地健康问题还是出现了，这对该地区人-水耦合系统的可持续性造成了新的威胁。渠化对防洪是一个充分的解决方案，但对湿地生物多样性产生了不利影响。换句话说，这是洪水和环境健康这两个领域之间的脆弱性权衡。政府和社会只有在湿地退化之后才意识到这种紧急的脆弱性，因此在基西米河流域启动了一项恢复项目，以恢复已经减少的湿地。修复工程虽然仍在进行中，但已恢复了大量被河道化破坏的湿地栖息地。然而，在恢复过程中，政府考虑了洪水保护和该地区的生态健康。虽然目前下游地区一定程度的洪水风险是不可避免的，但仍局限在可接受的水平。 The wetlands, meanwhile, have improved substantially, recovering almost back to the original level. In summary, application of RFTO to the case helps an analyst to think about potential fragility trade-offs across entirely different domains or scales (floods vs. biodiversity), as opposed to across different levels of a scale (frequent vs. rare floods), that arise as a result of structural changes.

cml分析

文化演变和CMLS理论帮助我们解释了基西米河流域可能发生的多层次社会变化，这主要是由于下游居民不太关心环境保护，而上游居民更关心环境保护，在文化价值观上的区域性冲突。Chen等人(2016)利用社区敏感性的集中变量捕获了这些随时间变化的规范，但CMLS允许我们理解在多个社会组织层面(包括个人、社区(上游和下游)和联邦层面)驱动社区敏感性的详细动态。

历史上，下游居民一直试图保护他们的农田免受洪水的侵袭，因为他们的农作物产量是洪水破坏的直接函数。因此，洪水成为一个强大的选择来源，影响农民对防洪的偏好。1947年，毁灭性的飓风摧毁了庄稼，人们对洪水的担忧迅速传遍了下游居民。这些区域性洪水有效地将选择转移到了群体层面，因为下游居民个体如果不组织集体行动，不发出自己的声音，政府就无法进行干预(图6第一列)。然而在更高的组织层面上，下游居民群体也不得不与上游居民群体竞争，因为上游居民对洪水并不太在意。最初，下游居民赢得了这场竞赛，因为他们对湿地保护的偏好尚未形成。因此，总体上，联合人群的偏好频率倾向于增加防洪措施，在联邦层面，该群体采取行动疏导河流(图6中的第二列)。

渠化通过减少洪水的强度和变化，成功地保护了农田，但由此导致的湿地减少可能引发了上游居民中出现的一套新的偏好，这种偏好通过文化进化传播到整个人口中，这得益于20世纪70年代和80年代在美国广泛流行的有利于环境保护的文化规范。在上游社区，这种基于规范的偏好不受农业防洪现实的约束。与此同时，下游的农民仍然担心洪水对他们的农田造成破坏。选择的层次仍然是群体层面，因为下游和上游居民都无法影响重大的基础设施决策，除非组织集体行动并让政府听到他们的声音。然而，由于上游地区人口的快速增长，在总体人口中，上游居民对湿地保护的偏好比洪水保护的偏好更占主导地位(图6中的第三列)。因此，下游群体失去了与上游群体的竞争，钟摆回到了群落对环境的敏感性的方向。和政府介入，扭转了之前的渠化项目(图6中第四栏)。

综上所述，文化演变和CMLS理论通过阐明社区敏感性基础上的多层次过程，帮助分析人员解释基西米河流域文化规范随时间的变化。与其依赖社区敏感性本身的概念来描述一个重要的社会变化(例如，Chen等人2016)，并因此从个人偏好的相关频率为什么以及如何发生变化的过程中抽象化，基于CMLS的分析能够提供这些频率变化的因果路径，就文化选择的基本原则而言，这些原则作用于在社会组织的不同层次产生的群体内的不同类型的偏好。图5说明了我们的分析，再次使用了个人、社区(上游vs.下游)和联邦的组织级别。

讨论:rfto与cml的互补性

社会水文学，即人-水耦合系统的研究，是一个快速发展的研究领域，有很多需要澄清。因此，该领域仍有从更多理论角度进一步改进的空间。特别是，我们认为耦合的人-水系统在本质上是部分设计和部分自组织的，因此，需要理论视角来帮助我们理解设计和自组织之间的相互作用如何塑造涌现的动态。缺乏统一的理论框架阻碍了案例之间结果的泛化，这在可持续发展科学的相关领域已经令人遗憾(Levin和Clark 2010)。

我们已经证明，在孟加拉国西南部和佛罗里达州基西米河流域的人-水耦合系统中，理论上的交叉施肥可以克服推广问题。具体来说，我们已经证明RFTO和cml理论已经为连接和理解这两个案例区的堤防效应和钟摆摆动现象提供了很好的概念工具。这种泛化练习产生了一些有趣的比较。这两个地区都显示出重大的基础设施建设:孟加拉国沿海的超大规模堤防和基西米河渠化。这两个地区还出现了后一种变化，即已建成的基础设施被拆除(基西米河流域)或面临维护问题(孟加拉国沿海)。而且，随着时间的推移，两个区域的社会决策水平都呈现出变化。

更重要的是，RFTO和cml在帮助我们理解这一现象方面是互补的，而不是竞争的。RFTO理论解释了整个系统的变化，包括结构性调整，如堤防或渠道的建设，可以产生隐藏的内生风险。已建成的基础设施在人与水的关系中尤其突出(Di Baldassarre et al. 2015)，因此在社会水文学中也很重要。这一理论暴露了硬基础设施改善带来的健壮性错觉，有助于识别系统可持续性的潜在危险。与此同时，CMLS理论关注人类文化动力如何成为系统变化的内生驱动力(Waring et al. 2015)，这是可持续性理论的一个主要挑战(Caldas et al. 2015)。这一观点可以加强我们对人类水管理系统如何演变的理解。CMLS理论的关键预测机制是，在一个分层组织的社会中，环境适应将出现的社会组织水平是经历环境管理最强大的进化压力的水平。因为现代社会有一个嵌套的社会组织结构(高迪和克劳2016)，这一见解是全球适用的。此外，这两套理论还有一个重要的共同点:cls和RFTO都提出了内源性因素来帮助解释耦合的人-水系统动力学。CMLS解释了由于社会和环境压力而产生的内源性文化对环境的适应，RFTO解释了由于系统设计的微调而产生的内源性系统弱点。 We believe that this endogeneity gives each theory extra value in understanding the socio-hydrological phenomena.

应用两个理论给我们带来了一些关键的好处。从RFTO的角度来看，结构修改似乎增强了当前耦合人-水系统的鲁棒性，但也可能在其他领域产生隐藏的脆弱性。当这些脆弱性暴露在人们面前时，它们会突然带来系统的故障。在RFTO概念中将基础设施改造与人-水相互作用联系起来，该理论有助于我们解释堤防和适应效应。另一方面，CMLS理论提供了一种方法来识别驱动系统管理变化的社会因素，通过关注使个人能够在个人或集体利益中行动的力量。例如，当文化选择的主导水平发生变化时，我们观察到，主要的基础设施项目要么被实施，要么被放弃。在此基础上，我们建议将理论结合到特定的案例研究中，可能是研究和解释人-水耦合系统的有效方法。例如，在孟加拉国的案例中，RFTO理论没有充分考虑形成基础设施设计选择的多层次社会过程，但CMLS理论阐明了社会过程，如集体行动和社会学习，如何影响工程设计选择和设计实现后的系统稳定性。以基西米河流域为例，通过描述嵌套层次结构中各层次之间的社会过程如何随着环境的变化而演变，CMLS为人们对水资源分配的集体偏好的转移以及随之而来的工程设计社会决策提供了更令人满意的解释。然而，CMLS并没有清楚地描述这些多层次的社会过程如何可能将脆弱性转移到其他尺度或一个尺度内的层次，这是RFTO很好地解决的一个方面。

把这些碎片放在一起，我们阐明了当前论文对社会水文学领域的贡献。已经有许多研究详细描述和讨论了孟加拉国沿海地区的情况和复杂性(Nicholls等人2018年)以及基西米和大沼泽地的恢复(Gunderson and Light 2006, Walker and Salt 2006)。因此，关于这些案例已经有了丰富的信息，目前的论文在这方面没有添加任何新的东西。我们工作的价值在于，以往关于这一主题的社会水文研究缺乏理论基础，无法解释这些案例中特定的社会变化为何以及如何发生，这是社会科学视角的一个明显差距。在Ishtiaque等人(2017)中，他们对孟加拉国西南部社会变化的处理在很大程度上是描述性的。Chen等人(2016)使用一个名为社区敏感性的社会变量来描述和解释基西米地区发生的社会变化。不幸的是，尽管其概念简单，社区敏感性是一个“集中”的概念，几乎没有提供关于驱动社会变化的个体层面因果机制的细节。一个社区内的文化特征，如规范、信仰、价值观等，被认为会因外界刺激而机械地改变，并与基于其当前状态的确定性行为反应相关联。事实上，其他现有的社会水文研究也采用了类似的方法(例如，Di Baldassarre et al. 2013, Van Emmerik et al. 2014)。因此，我们的工作贡献如下。 It formally introduces CMLS to the socio-hydrology literature, a solid conceptual tool based on the broader theory of cultural evolution capable of explaining social change (Richerson and Boyd 2004). It then applies CMLS to the two cases to illustrate the general mechanisms of causation that can explain the observed social changes. It then goes further by highlighting RFTO and illustrating how CMLS and RFTO can be used in tandem to interpret changes in coupled human-water systems. This combined use of RFTO and CMLS adds a value because social change usually occurs in response to internal stresses and pressures from outside (e.g., Ostrom 2014). RFTO provides a way to think about how such stresses and pressures play out and cause trade-offs in fragility as human systems make efforts to enhance robustness and performance in particular ways. In this way, RFTO and CMLS are complementary and their combined use helps us examine how multiple socio-hydrologic phenomena can be tied together and explained using an overarching theoretical framework.

最后，在欣赏上述见解的同时，我们不应忽视这样一个事实，即社会水文学的关键目标之一是成为一门“受使用启发”的科学。换句话说，社区的目标是发展基本的理解，以便应用于水资源系统的设计或管理。如何使RTFO和cml的应用朝着这个方向迈出好的一步?如何使用RFTO和CMLS来解释产生诸如钟摆摆动或堤防效应等现象的机制，从而促进由使用激发的社会水文学的愿望?我们的答案是，结合使用RFTO和CMLS有助于将水资源系统理解为一个复杂的自适应系统，这种观点强调整体(而不是简化)的方法来解决问题(Levin 1998，荷兰2006)。这对水资源系统的设计或管理非常重要，因为人们认为，在参与决策的关键角色的心智模型中，复杂的自适应系统思维通常会降低短视决策的概率，从而在长期内减少意外后果(Biggs等人2012,Yu等人2020)。RFTO和CMLS在这方面有所帮助，它们迫使分析师关注缓慢的变量和反馈、系统修改导致的脆弱性的潜在权衡，以及社会学习和社会等级内的跨层次互动产生的长期社会变化。因此，RFTO和cml的结合使用可以影响管理选择，考虑到这些复杂性。

结论

社会水文学是社会生态系统研究的一个特例，它明确关注水和人-水系统耦合动力学。尽管耦合的人-水系统往往包含设计和自组织的组件，但帮助我们理解设计和自组织之间相互作用的理论框架一直难以捉摸。我们认为，这尤其适用于系统脆弱性中的紧急权衡，因为设计选择以及组织层次内部和之间的社会过程如何影响这些设计选择，并受到这些设计选择的影响。因此，我们的目标是通过应用和发展关于稳健-脆弱性权衡(RFTO)和文化多层次选择(CMLS)的理论框架如何在这方面有效的见解，来帮助解决这一差距。我们通过展示RFTO和cml如何分别应用于孟加拉国西南部和佛罗里达州中部的堤坝效应和钟摆摆动情况来做到这一点。这些理论为历史上由物理科学和工程观点主导的社会水文文献带来了亟需的社会科学丰富内容。的确，社会生态文学和社会水文文学有许多共同的目标，直到最近这两个领域才开始有实质性的交流。因此，本文的另一个目标就是在填补这一空白方面发挥作用。

单一的理论在展示人-水耦合系统的复杂性方面是有限的，但结合起来，RFTO和CMLS等理论可以相互补充，连接不连续的故事，并以广义的解释丰富社会水文领域。这样，我们将能够更好地识别和分析与水问题有关的历史事件的因果关系。这并不是说以地方为基础的研究不那么重要。通过反映一个地方及其水历史的独特背景，基于地方的人-水耦合系统研究可以产生丰富的背景特定理解。然而，从长期的系统思维的角度来看，我们认为这种基于地点的研究经常表现出需要泛化的重复特征。结合解决人-水耦合系统部分设计和部分自组织性质的一般理论，可以有效地在不同的基于地方的研究中阐明这些共同的方面。此外，从综合理论中总结出的信息不仅可以拓宽我们对过去人-水共同进化的认识，也可以帮助我们应对未来的水可持续性危机。结合理论进行归纳，有利于从长期系统的角度对水资源管理的未来进行更全面的分析。也就是说，政策制定者将有可能掌握人类行为、水资源、治理安排和已建基础设施之间的复杂相互关系，以综合理论的协同见解为指导。这将有助于他们实施有利于水安全和长期可持续性的政策和工程设计。

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