优化南高平原含水层可持续抽水的经济成本

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Optimizing the economic cost of sustainable pumping in the Southern High Plains aquifer

地下水超采威胁干旱区农业和城市可持续发展，本研究构建整合水经济学优化模型，评估东新墨西哥州五县奥加利亚含水层四种政策策略：交易配额制、比例缺水分配、农业优先和城市优先。结果显示交易配额制在实现部分含水层恢复的同时保留89%以上基准经济价值，实现经济效率与资源可持续的协同。创新点在于将经济绩效评估、制度结构和动态含水层响应统一于优化框架，为全球地下水治理提供可迁移建模方法。

　　地下水枯竭是干旱地区农业和城市可持续发展面临的主要威胁之一。本研究开发了一个综合的水文经济优化模型，用于识别在美国内布拉斯加州东部五个县内维持高平原奥加拉拉含水层的成本效益政策方案。该模型通过模拟在历史和替代管理方式下的经济行为，评估了四种政策策略：配额交易制度、比例性短缺分摊、农业用水优先和城市用水优先。研究结果表明，配额交易制度能够在保持约89%的基准水资源价值的同时实现部分含水层的恢复，展现出经济效率与资源可持续性的良好结合。与以往研究不同，本研究在一个统一的优化框架中，将经济绩效评估、制度结构和动态含水层响应联系起来。这些发现展示了如何通过精心设计的市场机制来协调经济目标与环境保护，为全球地下水治理提供了一种可转移的建模方法。

地下水作为支持人类健康、农业生产和生态系统可持续性的关键资源，其管理在全球范围内变得尤为重要。特别是在干旱和半干旱地区，地下水枯竭已成为水资源管理中最紧迫的挑战之一。奥加拉拉含水层支撑着美国高平原地区大部分的农业生产力，但由于持续的过度开采，该含水层正面临严重的压力。全球范围内的含水层正因过度开采、污染和气候变化而承受日益加剧的压力。在美国西部干旱地区，含水层枯竭已成为紧急问题，主要受到农业集约化、城市扩张和薄弱的制度保障的影响。保护这些资源需要采取积极、成本效益高的策略，以在长期可持续性和经济可行性之间取得平衡。

奥加拉拉含水层是北美最大的淡水含水层之一，自二战后中心旋转灌溉技术的推广以来，它一直支持着美国八个州的灌溉农业。该含水层供应了全国约30%的灌溉用水，并为高平原地区超过200万居民提供饮用水。尽管其在经济上具有重要意义，但该含水层正以超过补给的速度被消耗，尤其是在其南部地区，自然补给量非常有限。东部新墨西哥州位于奥加拉拉含水层的中央和南部区域，是棉花、玉米、小麦和畜牧业的重要产区，但该地区降水量不足，无法支持旱地农业。因此，地下水抽水成为农业生产的必要手段。然而，近年来抽水量持续超过补给量，导致地下水位下降和能源成本上升。这些水文趋势引发了关于如何在不给农场和城市带来过大负担的前提下管理地下水开采的迫切问题。

含水层保护的经济成本受到多种因素的影响，包括含水层的物理特性、水的高运输成本、法律取水规则以及公共资源困境，如外部性问题和不完全市场（Larson和Bromley，1990；Aylward，2016）。以往的研究已经评估了这些挑战的一些方面，包括地下水处理成本（Graham等，2015a）、补给（Ward等，2019）和污染风险（O'Neil和Raucher，1990），但很少有研究将这些因素整合到一个理论上连贯的经济框架中，以指导政策设计。新墨西哥州的奥加拉拉含水层部分已经从水文（Fleming等，2012b；Rawling，2013）以及制度视角进行了研究。然而，在评估能够延长含水层寿命且在不同用户之间平衡经济权衡的管理策略的成本效益方面仍存在不足。近年来的研究强调了在评估含水层使用时，需要考虑农业生产力、气候变化、水权和制度可行性（Rachid等，2021；Chilaka等，2024）。

已提出多种管理方法，包括地下水市场（Debaere等，2014）、抽水限制（Sahin等，2015）、许可制度（Kellner等，2012）以及管理性含水层补给（Perrone和Jasechko，2017b）。这些工具在成本和政治可接受性方面存在差异，其有效性取决于当地水文和经济条件。本研究通过建模不同抽水分配规则下的含水层保护成本，应对这些复杂性，量化配额交易、比例性短缺分摊和行业优先政策所涉及的权衡。

通过整合水文、经济和制度维度，本研究旨在为政策设计提供指导，以在不损害农村经济的前提下保持含水层的完整性。随着依赖含水层的地区面临气候变化和人口增长带来的叠加压力，这种整合性方法正变得越来越重要。

奥加拉拉含水层由于其在区域和国家层面的重要性，作为农业和城市供水的关键资源，已被广泛研究。基础研究包括同行评审的期刊文章（Rosenberg等，1999；Colaizzi等，2009；DeAngelis等，2010；Sakamoto等，2013；Gong等，2014）以及广泛阅读的政府和非期刊报告，如1982年的综合报告（High Plains Associates等，1982）。近年来，大量实证研究为含水层行为、补给变化和管理方法提供了新的见解（Anandhi等，2023；Rhodes等，2023；Szabo等，2023；Khorchani等，2024；Thapa等，2024）。

许多这些研究探讨了气候变化、污染、城市发展和制度挑战对含水层可持续性的影响（Perez-Quesada和Hendricks，2021）。这一文献体系共同强调了含水层衰退的多方面性质，以及应用科学严谨的方法来识别可行的长期解决方案的重要性。

一些水文地质研究集中于奥加拉拉系统的物理特性。例如（Sakiyan和Yazicigil，2004；Prathap和Chakraborty，2019）强调了准确的含水层特征化对于防止饮用水和非饮用水混合的重要性。其他研究（Cehrs，1979；Weissmann和Fogg，1999）探讨了长期枯竭的后果，并研究了地形和冲积扇沉积物如何影响地下水流动和化学特性。另一项研究（Fleming等，2012a）强调了借鉴过去的水文研究以确保科学决策的重要性。研究（Kelly等，2014）则描述了分隔含水层层的限制单位，限制了垂直流动和含水层之间的交换。这些研究共同为理解含水层的水文地质环境和持续枯竭带来的风险提供了技术基础。

一些研究还探讨了含水层使用的经济和制度维度。一项研究（Nativ和Smith，1987）强调了含水层地图和化学剖面在保护水质中的重要性。另一项研究（Fleming等，2012a）指出，历史知识对于长期含水层管理的价值。另一项研究（Bartos等，2015）则探讨了影响水流和补给的地质和水文地质条件，特别是关注新墨西哥州的奥加拉拉段。

此外，许多研究评估了地下水过度使用的经济驱动因素以及高效监管的障碍。水的水文行为——其空间和时间上的变化、高运输成本以及对市场失败的易感性——使得成本效益高的政策设计变得困难（Larson和Bromley，1990）。经济机制如可转让水权已被提出作为制度解决方案（Oehninger和Lawell，2021），而其他研究则评估了技术和社会人口因素对成本的影响（Abramson等，2014），强调了技术方法、水资源目标、水文参数和人口密度的关键作用。一项2019年的研究（Ward等，2019）表明，气候变化导致的补给下降会显著提高含水层保护的长期成本。

互补性研究（Graham等，2015b）详细说明了水质、预处理要求、能源成本和储水基础设施如何影响地下水使用的经济结果。另一项研究（O'Neil和Raucher，1990）强调了含水层污染的隐藏成本——从公共健康风险到修复和处理支出。这些研究进一步强调了在评估保护策略时整合水文地质、经济和政策视角的必要性。

任何含水层保护法规的实施都应具备成本效益，并且能够与当前的许可系统兼容（Benson等，2021）。近年来，大量努力已投入到解决与地下水可持续性相关的水文挑战，这体现在大量的研究中（Leduc等，2017；Elshall等，2020；Mundetia等，2023；Abd El Ghany等，2024；Chemeri等，2024；Jaramillo等，2024）。一项在堪萨斯州进行的最新研究也强调了这些努力的重要性（Butler等，2023）。一些研究表明，气候变化加剧了全球干旱和沙漠环境中地下水的下降（Tweed等，2009；Radcliffe和Page，2020；An等，2021）。未经管制的开采导致含水层快速枯竭，并带来诸如地面沉降等额外后果（Galloway等，1998；Galloway和Burbey，2011；Chaussard等，2014；Motagh等，2017）。为缓解这些问题，管理性地下水干预措施，包括抽水限制，已被广泛分析为有效控制含水层枯竭的手段（Sahin等，2015；Malmir等，2022）。这些方法对于可持续性至关重要，并具有重要的经济影响，需要在监测、监管和执行方面进行投资，以确保有效实施和长期可行性。

《水文学杂志》在推进关于含水层可持续性、地下水压力和适应性水资源管理的科学讨论中发挥了核心作用，发表了系列有影响力的论文，以解决这些紧迫问题（Aloui等，2023；Bresinsky等，2023；Chen等，2023；Collenteur等，2023；Crosbie等，2023；Guo等，2023；Marti等，2023；Martín-Rodríguez等，2023；Kassem等，2024；Meles等，2024；Xiao等，2024）。这些贡献反映了该期刊在塑造基于证据的地下水治理策略方面的领导地位，尤其是在不断变化的气候和社会经济背景下。此外，其他领先的同行评审期刊也广泛探讨了水文弹性、水资源使用效率和含水层枯竭的相关维度（Ahamed等，2024；Allaoua等，2024；Baye等，2024；Díaz-Gutiérrez等，2024；Hurtado-Pulido等，2024；Ibrahim等，2024；Netzer等，2024；Peely等，2024；Pérez等，2024；Rempel等，2024；Tong等，2024）。

尽管这些研究取得了显著进展，但关于含水层保护的许多经济维度仍存在明显的文献空白。大多数已发表的研究尚未将各种独立因素整合到一个统一的结构中，以传达基于科学和经济原理的持久含水层监管规划。这一差距随着气候变化以及国际人口增长进一步复杂化，使得管理可耗竭含水层变得更加困难。解决这些问题需要整合研究，将这些特征纳入考虑，并包括对含水层保护成本的详细分析。这样一个框架应具备在不同地点复制的能力，利用当地可获取的数据，确保对可持续含水层管理的全面方法。

本研究的原创贡献在于通过整合潜在改进的含水层保护措施，应对上述空白，重点研究奥加拉拉含水层的中央和南部高平原地区（图1、图2），特别是东部新墨西哥州的五个县。研究发现了有效的地下水保护机制，提供了关于保护这一资源所需控制措施的见解。本研究通过开发一个综合的科学框架，整合了水文、经济、制度和政策分析，为文献做出了贡献。这一贡献为可持续地下水抽水策略的政策选择提供了信息。该框架在控制含水层保护成本与维持农业和城市用水行业的经济活动之间取得平衡，确保长期水资源可持续性与经济可行性的结合。该经济优化框架应用于东部新墨西哥州覆盖奥加拉拉含水层的五个县地区，允许对各种措施进行比较，以部分保护含水层。它还考虑了替代经济条件、含水层特性以及制度需求，提供了全面的分析，以指导有效的地下水管理策略（图3）。