1.2　国内外相关研究动态

1.2.1　水土资源合理配置研究

1.2.1.1　水资源合理配置

1.国外研究动态

国外对水资源优化配置的研究较早，取得了不少成果，较早的研究多是单纯研究水资源量合理分配。20世纪50年代中期，随着系统分析理论与优化技术的发展，水资源合理配置模型开始出现。1955年，美国哈佛大学“哈佛水资源规划组”提出将水资源与环境系统统一考虑的设想，探索政府决策、经济目标和水资源工程之间的关系。20世纪60—70年代，系统工程学和数学规划与模拟技术的发展推动了水资源优化配置研究进程，水资源配置中开始出现线性和非线性规划、动态规划等系统工程理论和方法。1962年，哈佛水资源规划组出版了《水资源系统分析》一书，将系统分析引入水资源配置[7]。70—80年代，随着优化技术在水资源领域的广泛应用和计算机技术的发展，国外水资源优化配置的研究成果也不断增多。1978年，国际水文规划委员会以水文学作为水资源规划和管理的基础，从经济、社会、生态等多方面研究水资源综合利用与保护[8]。1982年，P.D.Walsh和D.Pearson用二次规划方法研究区域用水量优化分配问题[9]。1983年，N.Buras在其所著的《水资源科学分配》中[10]，对系统规划理论和方法在水资源配置中的应用进行了详细分析和研究。

20世纪80年代起，随着水资源配置研究的深入，单目标水资源优化配置模式已不能适应实际需求，考虑多种因素综合效益的多目标水资源配置逐渐兴起。1981年，H.Watanabe等人运用动态规划方法，构建了多目标动态水资源配置模型[11]。1982年，M.Tamiga和E.Romjin考虑水资源配置与决策的关系，建立了水资源量多目标多层次模型[12]。20世纪90年代以来，由于全球范围内水资源危机日益突出，水污染不断加剧，对水资源配置合理性的实践需求不断提高。随着可持续理念的普及，国外在水资源优化配置中，开始考虑水生态因素，如水质、水资源可持续利用等。1992年，Afzal等人建立了灌溉系统线性规划模型，在水量分配问题中考虑了水质因素[13]。1997年，N.Z.Sun和H.S.Wong在多水源联合调度模型中考虑了地下水恶化的防治措施，提出地表-地下水联合调用的水资源多目标多阶段优化配置原理与方法[14]。同时，随着系统科学理论和计算技术的发展，基于可持续发展理论，针对水资源多目标、复杂大系统的特点，系统动力学、地理信息系统、模糊数学、遗传算法、模拟退火算法等理论和进化方法被广泛应用于水资源配置中。2008年，P.E.Georgiou等人开发了农田灌溉非线性规划模型，使用模拟退火和随机梯度下降相结合的算法进行全局优化搜索，最终确定不同气候条件下的最佳农田灌溉模式[15]。2011年，Fei Ding等人运用模糊多属性决策技术，构建了以投资、日供水量、污水处理费、节约用水程度和经济发展等为准则的水资源优化配置评价指标体系，并应用层次分析法进行指标赋权[16]。同年，Mohamed Hedi Louati等人将双目标遗传算法模型应用到复杂水资源系统配置中，针对Tunisia地区区域特点生成五种水资源分配方案，为区域发展提供决策支持[17]。2014年，Maryam Ghashghaie等人考虑水资源系统各因素的复杂作用关系，从区域、农业、工业和环境需求四个方面应用系统动力学方法进行水资源分配[18]。同年，Mehmet Kucukmehmetoglu和Abdurrahman Geymen将GIS技术运用到跨流域水资源配置中，通过卫星图片提取河湖单元，从全局角度配置河湖供水范围，进而进行水资源空间分配[19]。

2.国内研究动态

国内水资源优化配置研究兴起于20世纪80年代，最初始于以水库调度为先导的水资源分配研究，并随着系统工程理论的发展应用和经济社会发展对水资源的需求特点变化而逐渐拓展。1980年，全国开展水资源调查评价及水资源利用调查分析工作，在水资源优化配置概念、优化目标、供需水管理、经济决策机制等方面均有新的进展。20世纪90年代以来，水资源科学配置研究迅速发展，国内水资源优化配置研究以多目标和大系统优化技术为主要研究手段，在可供水量和需水量确定的条件下，研究区域有限水资源量在各区域和用水部门间的优化配置。1988年，贺北方从区域水资源开发系统的特性出发，提出区域可供水资源优化分配的大系统逐级优化模型[20]。1989年，吴泽宁等人以经济社会效益为目标，考虑生态效益，构建了水资源大系统多目标模型及二阶分解协调模型[21]。1994年，唐德善以黄河流域为研究对象，构建水资源多目标模型，并运用大系统理论，提出递阶动态规划求解方法[22]。1997年，中国水科院翁文斌、蔡喜明等人将水资源配置与经济分析相结合，提出了基于宏观经济的水资源优化配置理论，为大系统水资源配置研究开辟了新思路[23]。随着可持续发展和生态环境保护理念的加强，如何实现社会、经济和生态环境三方面综合效益最大，成为区域水资源利用优化配置模型的研究热点。1998年，王忠静、翁文斌等人提出交互式决策支持规划理论和方法，并开发出相应的规划决策支持系统[24]。

21世纪以来，随着系统科学和计算机技术的发展，水资源配置研究内容更加丰富，水资源系统及水资源与经济社会发展的关系研究成为热点，基于耗散结构理论、灰色系统理论、熵理论、协同学、信息论、系统动力学等复杂系统理论，模糊优化、遗传算法、粒子群算法、神经网络方法等新型人工智能算法被应用于水资源配置中。2002年，畅建霞等人把灰色关联度与熵结合，构建基于灰色关联熵的水资源系统演化判别模型[25]。2003年，左其亭等人以概率统计、模糊数学和灰数等为理论基础，定义了水资源不确定性系统，并建立不确定性水资源风险计算模型[26]。2007年，张明、金菊良等人论述了信息论在水资源系统建模、优化、决策中的应用[27]。2010年，陈南祥等人分析总结了系统动力学研究方法和数学模型在水资源系统分析中的应用[28]。2014年，刘溶剑、牛文娟在耗散结构理论和灰色系统理论的基础上，运用灰色关联熵模型，结合跨界水资源系统的有序性分析，建立跨界水资源系统演化方向判别模型，分析跨界水资源系统演化的方向[29]。

1.2.1.2　土地利用合理配置

1.国外研究动态

土地利用配置起源于15世纪欧洲的土地利用区位布局理论。到20世纪50—90年代，随着城市化和工业化的发展，各国土地利用布局产生较大变化，价值土地资源调查、评价研究的广泛开展以及遥感技术、计算机技术的应用，积累了丰富的土地资源信息，促使各国广泛开展土地利用规划，这段时间，土地资源配置研究开始重视生态学理论的应用。1975年，Deepak Bammi等人在增长模式中引入多目标和多约束，使10类土地利用面积最优化，为土地资源配置建立了合理模型[30]。20世纪90年代以来，土地利用优化配置作为区域可持续发展的重要途径和手段受到广泛的重视。线性规划、多目标规划等数学规划方法以及系统动力学方法被广泛运用于土地利用优化配置建模研究，计算机技术和地理信息系统迅速发展，提高了土地资源配置的准确性和实时性，为空间数据分析提供了重要的技术支撑，增强了土地资源优化配置和决策的科学性，推动了土地资源优化配置科学研究的发展。如1990年，Shakya Keshab M.等人在尼泊尔丘陵农场用多目标线性规划方法计算土地分配，得出各规划的机会成本[31]。1993年，Chucieco E.应用线性规划模型进行土地适宜性分析，并将模型与GIS相结合，实现土地资源的科学配置[32]。1997年，Fuhu Ren在LRA模型中加入基于GIS的决策运行模块，使得土地资源管理和决策更加科学有效[33]。1998年，J.Ronald Eastman等人提出了基于GIS的多参数、多目标决策土地合理配置模型[34]。2003年，Vincenzina Messina等人将不确定性方法和期权价值引入离散化土地资源配置模型中，考虑资源环境和经济社会发展中存在的不确定性因素，结合期权定价理论确定不同类型土地分配的优劣顺序，为土地分配决策提供技术支持[35]。2007年，Aalders I.H.等人应用线性规划用地分配模型在多种约束下进行土地资源合理配置，实现农业效益最优化[36]。2011年，Bijaybaran Pal等人将模糊目标规划方法应用于含有机会约束的季节性农作物最优生产土地分配问题的建模和求解过程[37]。

2.国内研究动态

国内土地资源配置研究始于20世纪50年代，20世纪50—70年代中期是土地资源配置研究的起始阶段，这段时期土地资源配置在研究形式上，主要根据综合考察开展区域土地利用调查研究，研究具有特定目的，但分布分散；在研究方法上，尚缺少系统性的理论总结，仅停留在定性、经验性研究阶段。如1953年，宋汉洲对黄河沿岸的土地类型及对应的土地信息的调查研究[38]。20世纪70年代后期至80年代后期，我国土地资源利用调查研究工作得以加强，研究内容更加丰富全面，“3S”技术和计算机技术得以应用。1983年，曾开泉提出了一种将航空相片的调绘界线转绘到统一底图上的简易方法，推进了国家土地资源利用规划工作的开展[39]。20世纪90年代以来，我国土地资源研究进入深入研究阶段。土地分类、土地规划与利用、土地资源配置与评价以及土地利用系统工程等方面的研究专著不断问世，研究领域大大拓宽，土地利用优化配置研究受到重视。1992年，倪绍祥对长期以来的土地类型和土地评价研究进行了系统总结[40]；1994年，吴传钧、郭焕成在《中国1∶100万土地利用图》的基础上出版《中国土地利用》一书，书中对全国土地利用现状进行总结和详细分析[41]；同年，由国家土地管理局土地利用规划司编制的《全国土地利用总体规划研究》一书，对我国土地利用总体规划理论和实践均进行了分析，总结出一套符合我国发展的国家土地利用总体规划发展战略[42]；1996年，王万茂出版的《土地利用规划学》对土地利用规划涵义、内容、体系和程序等研究成果进行了系统总结[43]；同年，刘彦随、倪绍祥对我国城市土地优化配置的模式、目标和实现途径进行了探讨[44]。

21世纪以来，随着数学规划方法、计算机软件和“3S”技术的广泛运用，土地资源优化配置的方法和技术上都有了进一步的提高，区域土地调查、土地资源合理配置以及土地适宜性评价等方面的研究均取得了显著成效，同时，人们对生态环境的重视程度日益加强，以可持续利用为准则的土地配置模型和评价指标体系逐渐成为研究热点。2002年，王思远等人应用遥感和GIS技术，对湖北省土地利用的时空特征进行了定量分析[45]。同年，赖彦斌等人构建了土地利用/覆盖格局分析指标体系，并对我国东部南部样带不同自然带的土地利用/覆盖格局进行了评价[46]。2009年，邵绘春等人基于资源优化配置理论和经济学稀缺理论，对土地资源可持续利用条件下的配置状况和配置目标进行分析[47]。2012年，曾伟对3S技术在土地利用可持续发展中的应用趋势进行了分析，明确了3S技术对推进土地利用研究的重要性[48]。

1.2.1.3　水土资源合理配置

1.国外研究动态

国外对水土资源优化配置的研究主要集中于对水土资源优化配置模型的研究。水土资源优化配置模型以系统工程理论、系统动力学（System Dynamics，SD）和多目标决策技术等理论和技术为研究基础。主要研究方向如下：

（1）基于系统工程的水土资源优化配置模型。如1992年，Frank Van Steenbergen在传统水土资源配置的基础上，考虑供水的预期变化对土地分配和水权的影响[49]。1998年，A.J.M.Evers等人利用经济模型、动态规划模型、水分逻辑模型、作物生长仿真模型（Executive-Process/Interactive Control，EPIC）模拟仿真灌区生产[50]。2006年，Laxmi Narayan Sethi等人将确定和非确定性线性规划模型应用在季节性水土资源合理配置中，调整作物种植结构和水资源使用配比，获得最大化的区域年净效益[51]。同年，A.R.Sepaskhah等人求解最佳施肥方案，以水土资源作为约束，以期获得最大产量与经济效益[52]。

（2）基于系统动力学的水土资源优化配置模型。如2005年，Jiang Leiwen等人采用统计分析和系统动力学的方法，探究人口、经济、水资源和土地资源之间的相互关系，量化水资源开发利用和土地退化对人口增长的影响[53]。2007年，Amgad Elmahdi等人应用系统动力学建模方法，构建经济重分配水资源模型，并在灌区水资源配置与管理中得到良好应用[54]。2014年，QingXu Huang等人将系统动力学和元胞自动机（Cellular Automata，CA）相结合，构建土地利用情景动态模型，并设计了三种干燥趋势场景对我国北方地区进行气候预测[55]。

（3）基于信息处理技术的区域水土资源优化配置的决策支持系统等。如2006年，S.D.Gorantiwar等人构建了基于效率、公平和适应性等权重指标的阶段性水土资源分配仿真优化模型[56]。2014年，Dimitris Fotakis等人构建了以经济和生态效益为目标的水土资源优化配置与管理决策系统总体框架[57]。

2.国内研究动态

国内水土资源优化配置的起步较晚，20世纪90年代，我国水土资源利用研究才逐渐开展起来。近年来，我国的水土资源优化配置在理论和研究方法上不断创新和发展，取得了不少研究成果。2004年，姚华荣、吴绍洪等人研究了利用灰色线性规划模型对水土资源进行合理配置，同时将GIS软件应用于优选方案的空间地块上，实现区域水土资源的空间合理配置[58]。2007年，李亚平、董增川等人构建了多级递阶结构的水土资源合理配置大系统模型，并对句容市进行了模型实例验证[59]。同年，田冰、贾金生分析了河北省栾城县的农业水土资源相互作用关系，构建了水资源约束下的农业土地结构优化模型，研究不同水土资源关系作用下的区域农业土地利用方式[60]。现有研究成果大多是将水资源和土地资源分别进行研究，少量研究成果是将水资源看成是区域土地利用的一个制约因素，而以用地总产出效益最大为目标，重点研究农业内部用地在水资源约束条件下的规划。

随着水土资源研究的深入，人们逐渐认识到水土资源相互依赖、相互影响、相互制约，与人类社会、经济、生态环境相结合，构成了一个复杂大系统。撇开水资源单独研究土地利用合理配置，或者不考虑土地利用合理配置单独研究水资源合理配置都不能实现真正意义上的合理配置。因此，将水土资源耦合起来进行综合研究被越来越多的学者所接受。区域水土资源合理优化配置方法和技术手段日趋先进，逐步由定性研究向定量研究发展，配置方案由人为设定对比选择向多方案数学模型优化求解发展。如2007年，李亚平、董增川等人利用大系统多级递阶结构分解协调方法，构建了城市水土资源联合优化配置模型[59]。田冰、贾金生基于多目标分析方法，建立了水资源约束下的土地结构优化数学模型[60]。2008年，郑重、张凤荣运用系统耦合理论，深入剖析系统耦合与水土资源优化配置的关系，总结提出合理配置耦合模式、耦合技术和耦合模型[61]等。

1.2.2　复杂性与复杂系统理论研究

复杂性与复杂系统理论研究作为当前科学研究的热点，是系统科学发展的新阶段，是跨学科的新兴领域的研究。

1.2.2.1　复杂性科学研究

复杂性科学是现代系统科学发展的新阶段，是非线性系统动力学、耗散结构理论、博弈论、还原论、协同学、混沌理论、分形理论、人工生命、复杂适应系统理论等现代科学发展前沿理论融合的产物，它强调从智能性和自适应性等系统生命特征出发研究系统的复杂性行为、特征和形成的原因。目前国内外对复杂性科学的研究已经拓展到物理、化学、生物、经济、生态、地理、环境、气象、神经科学、管理等多个科学研究领域[62]。基于复杂性科学的前沿性、应用性和对系统科学方法的重大改革，复杂性科学被誉为“21世纪的科学”。

1.国外研究动态

20世纪60年代，耗散结构、协同学、超循环理论、突变论、混沌学等系统理论相继涌现，为复杂性科学的出现奠定了理论基础。国外复杂性作为学术思想首先由Edgar Morin在1973年出版的《迷失的范式：人性研究》一书中提出[63]，后在《复杂性思想导论》一书中又对复杂性进行了详细研究，其复杂性思想的核心内容是“来自噪声的有序”原则，揭示了动态有序现象的本质。Edgar Morin提出复杂性科学中无序性是一个必要非充分条件，无序性必须与已有的有序性配合才能产生更高层级的有序性，这打破了无序性与有序性相互排斥的旧观点[64]。一般认为复杂性科学起源于20世纪80年代中期，1984年，在M.Gellmann，P.W.Anderson和K.J.Arrow三位诺贝尔奖获得者的带领下，美国建立圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI），致力于研究复杂性科学，标志着有组织、系统性研究有主动型的个体组成的系统的复杂性的开始。圣塔菲研究所主要研究内容包括混沌边缘、经济复杂适应系统、人工生命及系统进化等。在此后不到30年的时间里，复杂性科学快速发展，成为一种新的科学思潮，在教育、医疗、工程、环境等多个领域得到广泛应用。1992年，Waldrop M.出版了《诞生于秩序与混沌边缘的科学》一书，探讨了美国SFI关于复杂性的研究经历[65]。1998年，Simon Shackley等人研究了不确定性和复杂性科学在气候变化建模中的应用，提高了大气环流模式（Global Climate Model，GCM）的实际应用性[66]。2008年，Janc Schmidt运用自组织和非线性动力学理论，分析了相空间对称性、相变与复杂性的关系[67]。2011年，Juval Portugali出版了《复杂性、认知和城市》一书，提出了“复杂性科学”的概念及耗散结构理论[68]。2012年，M.A.Cerdà-Uguet和M.P.Schellekens等人基于改进的Baire局部度量方法，分别对快速排序、归并排序和最大化排序方法进行算法收敛复杂性分析[69]。2014年，E-.Colebunders等人构建复杂性空间，基于不动点定量提出递归复杂算法[70]。

2.国内研究动态

我国学者对复杂性的研究几乎与国外同步。国内关于复杂性科学研究以钱学森先生在1989年提出的“开放的复杂巨系统理论”为开端，该理论认为复杂性问题实际上是开放复杂巨系统的动力学特性问题。钱学森先生在1992年提出了从定性到定量综合集成研讨厅体系，实现人机结合的大成智慧，其理论主要应用于宏观经济领域。1994年顾基发提出以东方哲学观为指导，被称为东方系统方法论的物理-事理-人理（Wuli-Shili-Renli，WSR）系统方法论，其遵循的原则是综合原则、集成原则、参与原则、可操作性原则、反复迭代原则和整体优化原则[72-73]。1999年，魏一鸣提出洪水灾害研究的复杂性理论，讨论了分形、混沌、人工神经网络等非线性理论在自然灾害复杂性研究中的应用[74]；2002年，中国科学院自动化研究所系统复杂性研究中心成立，研究工作从经济与社会系统延伸到互联网这一开放的复杂巨系统[75]。2003年，金菊良、丁晶将水科学中的优化问题作为复杂问题，提出用遗传算法及改进的遗传算法来解决水科学的复杂优化问题[76]。与国外复杂性研究在现实中的应用相比，我国的复杂性研究主要集中在理论分析方面，缺乏复杂性理论在现实实践中的应用。

1.2.2.2　复杂系统理论研究

复杂系统理论（Complex System Theory，CST）是复杂性科学的主要研究内容，是系统科学中的前沿方向。与传统还原论不同，复杂系统理论强调用整体论和还原论相结合的方法去分析系统，用非线性理论观察和分析系统的动力学特征，克服了对立统一规律观察和分析事物简单的两元结构思维。复杂系统理论属于多学科理论，其主要包括“老三论”（一般系统论、控制论和信息论）和“新三论”（耗散结构理论、协同论和突变论）等系统论，混沌学、熵理论、分形学等非线性科学，以及多种人工智能进化方法（如遗传算法、神经网络、粒子群优化、进化策略及元胞自动机等）。系统动力学是联系各复杂系统理论的纽带，在对复杂系统的研究过程中，复杂性主要来自于系统本身和系统演化过程两个方面，复杂性度量主要通过图论对系统动力学统计特性进行分析。

1.国外研究动态

国外复杂系统的研究始于20世纪30年代，以“老三论”和“新三论”为研究基础。1937年，美籍理论生物学家Bertalanffy L.Von在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论（General System Theory，GST）的概念，后于1968年正式出版《一般系统论》一书，研究基于生物和人的系统的共性和一般性原则问题[77]，并于1975年在哲学和人类行为学方面得到应用[78-79]。1990年，N.Wiener在法国南希S.Mandebrojt主持的关于谐波分析的会议上首次提出控制论（Cybernetics）的概念[80]，并于次年出版了著名的《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书。1948—1949年，Shannon C.发表了论文《通信的数学理论》，宣告了信息论（Information theory）的诞生[81-82]。

20世纪60年代末期，在“老三论”研究的基础上，“新三论”开始出现，复杂系统理论研究步入一个新的阶段。1969年，I.Prigogine提出耗散结构理论（Dissipative Structure Theory，DST），认为一个系统在开放的远离平衡态的情况下，通过与外部环境进行物质、能量和信息交换，一旦某参量变化达到一定阈值，系统就有可能从原来的无序状态自发转变为在时间、空间和功能上的有序状态[83]。同年，H.Haken提出协同学（Synergetics）理论，指出一个系统从无序状态转变为有序状态的关键，不在于系统是否处于非平衡态，也不在于系统离平衡态有多远，而是取决于系统内部各子系统之间的非线性作用（即竞争和协同作用），使得系统在一定条件下，能自发地产生在时间、空间和功能上的稳定有序结构[84-85]。耗散结构理论和协同学理论从宏观和微观两方面论述了系统自发走向有序结构的基本问题。1972年，R.Thom发表了《结构稳定性与形态发生学》，创立了突变论（Catastrope theory），认为突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，且即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会产生不同的结果，可能达到若干不同的新稳态，各种状态按一定的概率呈现[86]。耗散结构理论、协同论和突变论这“新三论”都属于自组织理论（Self-organizing theory），自组织理论是L.Von Bertalanffy的一般系统论的发展和延伸，其研究对象主要是复杂自组织系统的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自发地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序。自组织理论的理论体系框架除“新三论”的内容外，还包含M.Eigen等人于1979年提出的超循环理论（Hypercycle）[87]。自组织理论以新的概念和理论方法探索复杂现象形成和演化的基本规律，从整体视角出发，研究复杂系统（社会系统、生命系统）的自组织演化过程。

美国圣塔菲研究所（SFI）建立以来，在复杂系统理论研究中取得了丰硕的成果，复杂适应系统（Complex Adaptive System，CAS）的提出是其中的一项重要研究成果。SFI的学者把经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统和计算机网络等的集合体称为复杂适应系统，认为事物的复杂性是从简单性发展而来，在适应环境的过程中产生的[88]。复杂适应系统是对复杂性产生机制的研究，它以进化的观点认识复杂系统，形成了一套比较完整的理论体系，对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。CAS理论最初是由美国J.H.Holland于1994年在SFI成立十周年的专题讲座中提出的。1995年，J.H.Holland出版了《隐秩序：适应性造就复杂性》一书，对复杂适应系统理论进行了详细说明[89]。后又在1998年出版了《涌现——从混沌到有序》一书，对复杂适应系统中存在的涌现现象进行了详细论述[90]。1999年，SFI出版了《复杂性》杂志，建立了公用的为复杂系统建模设计的软件平台SWARM。同年，美国《科学》（Science）期刊出版了“复杂系统”专辑，分别讨论了物理学、化学、地理学、气象学、生命科学及经济管理等领域的复杂性问题，两位编辑Richard Gallagher和Tim Appenzeller在以“超越还原论”为标题的导言中，对“复杂系统”的概念作了如下简单描述：复杂系统是指仅通过对系统要素（子系统）性能的了解，不能对系统性能做出完全解释的系统，即整体性不等于部分性质之和的系统。

CAS理论自创立以来，应用于多种学科领域，大大拓展了复杂系统理论的适用范围。主要研究领域有以下几个方面：

（1）社会经济领域。不少研究中心及实验室均构建了适用于社会经济复杂系统建模和分析的软件平台，如美国SANDIA国家实验室的ASPEN系统[91]，美国SFI的SWARM仿真平台[92]，芝加哥大学社会科学计算研究中心的Repast仿真软件平台、社会与经济动态性研究中心的Ascape软件平台，美国OHIO大学的TNG-lab软件平台等。CAS理论自上而下、从个别到整体、从微观到宏观的理论方法在社会经济系统复杂性研究和社会经济决策管理方面得到广泛应用。

（2）军事领域。如美国国防建模和仿真办公室在CAS综合仿真平台上开展的计算机作战模拟，美国海军分析中心研制了陆战模拟工具EINSTein[93]，军队电子信息装备系统构建等[94]。CAS理论为军队信息化建设提供了更为有效的研究手段。

（3）信息与控制领域。如基于CAS理论的多主体（Agent）系统和分布式信息系统的开发、电子信息体系构建等[95]。信息与控制系统是一种多主体分布式自适应复杂系统，整个系统分不同层次，且各主体具有自适应性，CAS理论中多Agent的建模仿真方法在信息与控制领域具有较好的适应度。

（4）水土资源配置与管理领域。CAS理论在水土资源领域的应用研究发端于国外，始于20世纪90年代中期，主要应用于水土资源的开发、利用、配置与管理等方面。代表性的工作，如1995年，Govert D.和Geldof应用复杂适应系统理论研究城市地下水管理，提出了集成化水资源管理的非平衡方法（Non-equilibrium Approach）和外部方法（External Approach），即适应性水资源管理（Adaptive Water Management）的概念[96-97]。1997年，P.Jeffrey和R.Seaton提出了设计和管理适应性公用技术基础设施的理论框架，并将其应用到城市供水系统中，提出了城市适应性供水系统的设计评价标准[98]。2001年，Roger S.Pulwarty和Theodore S.Melis在对科罗拉多河大峡谷地区的极端气候事件管理的研究中，也引入了适应性管理（Adaptive Management）的概念[99]。

在CAS之后，广义系统和复杂网络理论也相继得到应用。

广义系统的概念最初由Rosenbrock于1974年在《一般动态系统的结构性质》一文中提出[100]。广义系统又分为线性广义系统和非线性广义系统两类，典型研究方法主要有三种：状态空间法（时域法）、频域法和几何方法。

（1）线性广义系统的代表性研究成果有：1977年，Luenberger D.G.和Arbel探讨了线性广义系统解的存在性和唯一性问题[101]。1979年，Verghese G.揭示了动力系统脉冲行为及结构，定义了脉冲可控性和可观性等概念[102]，为广义系统的脉冲行为研究奠定了理论基础。1984年，Cobb D.提出了广义系统的能控性、能观性及对偶原理[103]。1986年，Fletcher等人研究了广义系统的干扰解耦及系统特征结构等问题[104]。1992年，Lewis F.将Wonham针对线性系统提出的几何方法应用到广义系统中，提出广义系统几何方法等[105]。

（2）非线性广义系统的研究成果较少，代表性研究成果主要有：1989年，Brenan K.E.等人对非线性广义系统的可解性和数值解进行了讨论[106]。1994年，Wu H.S.等人将传统的Lyapunov稳定性理论应用到非线性广义系统中，得出非线性广义系统的Lyapunov稳定性定义和镇定准则[107]。1994年，Kawaji S.利用非奇异变换将非线性广义系统转换为线性广义系统[108]。1999年，Taniguchi T.等人将T-S模糊模型应用于广义系统研究，提出T-S模糊广义系统模型，模型将非线性广义系统模型用多个局域线性系统模型模拟，通过局部解决全局非线性广义系统控制问题[109]。

复杂网络理论是复杂系统理论中的前沿内容，复杂网络利用网络的视角和基本理论，描述与研究系统构件如何相互作用，导致系统形成什么样的宏观特性与行为。1998年，Watts D.J.在Nature杂志上发表了《小世界网络的集体动力学》一文，描述了复杂网络的小世界现象[110]。1999年，Barabasi和Albert在Science杂志上发表的《随机网络中标度的涌现》一文，揭示了复杂网络的无标度特征[111]。2001年，Ginestra Barabasi等人在之前无标度网络模型研究的基础上，对复杂网络模型作了扩展，提出适应度模型[112]。2009年，R.Hanel等人提出了基于熵理论的复杂网络理论[113]。2011年，Stefan Thurner将进化动力学理论中的平均场方法应用到复杂网络[114]。2014年，Sergio Davis等人提出了基于相变和最大熵理论的复杂网络模型[115]。

2.国内研究动态

我国复杂系统理论研究以钱学森先生发起的系统科学研究为开端。1978年，钱学森、许国志和王寿云发表了《组织管理的技术——系统工程》，用系统思想把运筹学和管理科学统一起来，开创了国内复杂系统理论研究的新局面。1981年，钱学森将博弈论和系统科学相结合，构建了复杂结构的对阵集团[116]。后又于1990年，提出开放的复杂巨系统概念，并强调在解决复杂系统问题时，要采取定性和定量相结合的综合集成法，复杂巨系统理论的提出成为我国开展复杂系统理论研究与应用的里程碑。1995年，田玉楚等人从内部结构、外部行为及与环境相关关系等方面来解释系统复杂性，将系统复杂性分为结构复杂性、动态特性复杂性和环境不确定性复杂性[117]。

进入21世纪，国内复杂系统理论正式形成理论构架，涌现出CAS理论、复杂网络等多种新理论，并在数学、物理、经济、管理、金融、生物、环境、人工生命等多个领域实现应用。水土资源配置方面，复杂系统理论为水土资源优化配置研究开辟了一条崭新的道路，将复杂系统理论与经济学、生态环境科学和管理学等学科和人工智能算法相结合，建立水土资源复杂系统整体模型已经成为当前水土资源配置与管理研究领域中的前沿和热点问题。

2001年，徐小群提出流域可持续发展系统水资源综合集成研讨厅体系[118]。CAS理论是复杂系统理论研究的重要内容，其在水资源配置领域的研究成果主要有：2002年，赵建世、王忠静等人提出水资源复杂适应系统配置模型，对系统的动力机制、主体行为特征和系统状态的评价方法进行了描述[119]。2003年，国防科技大学构建了民意模型[120]，海军工程大学、航天总公司北京信息与控制研究所等单位也在积极跟踪，应用CAS于复杂军事系统的仿真。2004年，张玲玲等人将CAS范式引入南水北调东线水资源供应链管理，研究其复杂性、动态性和整体性，从管理学和经济学角度分析了水资源优化配置与调度[121]。2005年，中国人民大学现代经济实验室利用SWARM仿真平台和其他软件，建立了一批基于我国实际的宏观经济模型，将SFI的复杂适应系统理论应用到经济复杂性研究之中，取得了一定的成果[122]。同年，王慧敏等人针对传统水资源配置与管理理论和方法的局限性，依据复杂适应系统理论进行了水资源配置与管理的研究，并在SWARM平台上进行了建模仿真等[123]。CAS理论在土地资源优化配置当中的应用目前较少，还没有学者发展出一般框架以产生、测算和分类各种可能的土地利用空间结构。但这种极具新意的思想大大开拓了土地资源优化配置研究的视野。2005年，郭鹏从复杂适应系统的基本思想出发，建立了适应性元胞自动机模型和基于遗传算法的土地利用优化模型[124]。

复杂网络的研究也在这段时期逐渐兴起。2004—2005年，李琦、金鸿章等人将突变理论引入复杂系统，构建了复杂系统的脆性理论体系[125-126]。2005年，方锦清、汪小帆等人对非线性复杂网络研究进展进行了总结归纳，提出了复杂网络的网络拓扑特性和模型[127]。2007年，陶少华等人根据信息维数理论，设计了复杂网络自相似性的研究方法，对复杂网络的分形性进行了验证等[128]。2010年，王凯等人研究了复杂适应系统理论在水土资源优化配置中的应用[129]。

1.2.3　存在问题

纵观国内外研究现状，水土资源配置的研究还是以水资源或土地资源单项的资源为主，将水土资源作为一个整体研究的不多，将水土资源作为复杂系统进行系统性研究的成果更少。随着相关研究的深入和技术手段的发展，水土资源配置研究正从单目标、简单算法、简单决策向着综合性、多目标、复杂性、智能化方向发展。在这一科学研究发展背景下，国内外对于水土资源合理配置的研究主要存在以下几方面问题：

（1）复杂系统理论自身存在着不足。复杂系统理论现在还处于研究初期，尚未形成公认的理论体系，部分理论和方法的研究成果还不够丰富和成熟，复杂系统理论的适用领域及与其他学科的关系还需要进一步研究。

（2）水土资源优化配置全局性和整体性不足。水土资源优化配置的单项研究较多，将水资源和土地资源放在一个复杂系统中的整体性研究较少，缺乏全局观念和整体性。而且，现有研究大多没有联系区域粮食安全等实际问题，较少涉及工业、生活、生态等方面内容。

（3）水土资源复杂系统的研究理论和方法尚不完善。水土资源系统作为一类开放的复杂巨系统，其资源系统内部运行机制较为复杂，缺乏科学合理的复杂系统演变模式和运行机制，各子系统间的信息传递和系统整体的控制较困难。

（4）数学的制约。数学的制约也是进行水土资源合理配置的一个巨大障碍，高维度、非线性、多目标模型的构建和求解仍然是个难题。

针对上述存在的问题，水土资源配置研究应该着重从以下几个方面入手：

（1）建立坚实清晰的基础理论背景。深入研究适用于水土资源系统的一般性复杂系统，逐步完善复杂系统理论体系。全面分析水土资源复杂系统内部特征和运行机制，并同区域粮食安全、水安全等现实问题相联系，不但注重区域水土资源的研究，更要将工业、生活和生态等其他方面的水土资源利用与效益相结合。

（2）探讨水土资源复杂系统定量分析方法。进一步明确水土资源内在各子系统的相互作用和制约关系，探究各子系统之间的信息传递和系统整体耦合的机理。

（3）关注数学领域的发展。借助数学工具，跟踪多目标优化问题的求解方法，着力研究解决高维度、非线性优化模型的求解问题。