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期刊

Estimating the benefits of stream water quality improvements in urbanizing watersheds: An ecological production function approach

流域城市化中河流水质改善的效益评估:生态生产函数方法

科学问题

（重要性）城市化流域的溪流受到经济发展的威胁，可能导致过度的泥沙侵蚀和地表径流。这些人为的压力因素削弱了宝贵的生态系统服务，导致普遍的退化，通常被称为“城市溪流综合症”。了解公众对河流状况改善的看法和重视，对于量化水质改善的经济效益是必要的。

随着美国城市地区的扩张以及居住在这些地区的人口比例的持续增长，越来越多的人的生活与城市溪流联系在一起。与此同时，这些溪流提供的生态系统服务日益受到经济发展影响的威胁，包括沉积物侵蚀和地表径流的高速率。这些人为压力导致了普遍的退化，通常被称为“城市溪流综合症”。城市溪流综合症的后果包括河道侵蚀、敏感类群的减少以及污染物负荷的增加。

根据现行法律，美国环境保护署、州和地方政府有权颁布清理退化溪流的政策，但需要对改善城市溪流水质的经济效益有更深入的了解，才能充分评估和指导这些政策的制定。尽管关注河流水质变化的非市场评估研究越来越多，但关注美国城市河流退化的具体属性和结果的研究相对较少。

（研究团队和工作）针对上述问题，团队开发了一个生态生产框架，将可测量的溪流水质指标转化为生态终点。团队的跨学科方法集成了一个预测的分层水质模型，该模型非常适合于稀疏数据环境，有专家启发，将可测量的水质指标转化为焦点小组参与者确定为最相关的生态终点，以及一个明确的偏好调查，引发公众愿意为这些终点的变化付费。为了说明我们的方法，我们开发了一个适用于位于北卡罗来纳州(美国)快速发展的三角地区的上纽泽河流域。

例如，我们的研究结果表明，居民愿意为每户家庭支付约127美元，每年总计5400万美元，以改善水质，通过程式化的干预措施，将河岸树冠覆盖率增加25%，减少不透水表面的径流，从而改善水质和当地溪流的生态终点。虽然我们分析的三个组成部分是用北卡罗来纳州的数据进行的，但我们讨论了我们的研究结果如何推广到美国东部更大的皮埃蒙特生态区的城市和城市化地区。

研究得到以下主要结果：

图1：Geographic areas used for water quality modeling and prediction

用于水质建模和预测的地理区域

注:(A)与北卡罗来纳州皮埃蒙特相交的六个HUC八个流域内653个水质监测点的位置(灰色阴影)。(B)对潜在管理方案的水质预报进行了探索的上纽泽河流域水系网。图中还显示了污水处理厂。瀑布湖下方的Neuse河的主干(黑色)被认为是不可涉水的，因此从建模中省略了。

图2：Ordered probit regression results for analysis of the expert elicitation data

用于分析专家引出数据的有序概率回归结果

注：图报告均值参数值（点）和95%置信区间（线）。所有六个水质指标都被指定为 z 分数，这意味着这些系数可以解释为水质指标增加一个标准差对潜在指数的边际效应。

图3：Map of Wake County (North Carolina) streams in the SP survey instrument

SP调查仪器中的威克县（北卡罗来纳州）溪流地图

注：黑色溪流（Crabtree和Walnut Creek分水岭）被指定为水质改善的水体。

图4：Estimates of monthly WTP (in $) per percentage point change in stream miles by ecological endpoint from the SP choice task analysis.

根据 SP 选择任务分析，按生态终点划分的每百分点河流里程变化的每月 WTP（以美元为单位）的估计值

注：图报告了WTP估计值的平均值（点）和95%置信区间（线）。

（总结）本案例研究展示了如何调整我们的生态生产框架来衡量纽斯河流域上游城市溪流水质改善的总经济价值，但它对政府机构的潜在有用性要大得多。合适的指标数据与这里采用的分层方法相结合，为预测其他不断增长的大都市地区的水质改善提供了一个有前途的框架。

将流域属性与水质指标相关的系数估计值可用作贝叶斯先验知识，特别是在观测数据有限的地区。专家引言还使用了北卡罗来纳州皮埃蒙特地区的数据并介绍了条件;然而，它们广泛代表了美国东部整个皮埃蒙特生态区的状况，从马里兰州延伸到阿拉巴马州。尽管SP调查是在北卡罗来纳州的三个县进行的，但它对快速增长的都会区城市溪流综合症导致的水质损害的描述也有望与整个美国皮埃蒙特生态区的其他城市地区相关。在某种程度上，我们的SP模型和结果不能充分代表其他地区的情况，我们方法的模块化意味着未来的应用程序可以将这些SP方法应用于这些其他地区，然后集成到我们的生态生产框架中。

这项研究为制定类似的生态生产框架提供了模板，这些框架将政策干预导致的水质指标变化与生态终点和经济价值的变化联系起来。

文章链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2120252120