《Ecosphere》：The effects of scientific uncertainty and values trade-offs on flow management decisions for an endangered fish
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本文通过水资源规划模型、个体生命周期模型与决策分析工具，深入探讨了科学不确定性与决策者价值偏好在濒危物种三角洲胡瓜鱼保护性水流管理决策中的交互作用。研究表明，最优水流方案的选择（如夏秋季X2目标调整）及其信息价值高度依赖于决策者对生态保护与供水成本目标的权衡权重，为加州等水资源超分配系统的管理提供了量化决策框架。
引言
全球许多河口生态系统因人类活动而发生了巨大改变，淡水消耗性利用已成为普遍关切。在加州，复杂的水利设施在为经济和公众健康带来效益的同时，也导致了许多本地物种的衰退。其中，濒危的三角洲胡瓜鱼是萨克拉门托-圣华金三角洲的特有物种，该地区正是加州复杂调水系统的核心。为助其恢复，实施了秋季淡水脉冲流，但这需要从水库放水或减少可供消耗性使用的水量。先前研究表明，通过重新考量脉冲流的时间和规模，可改进现有措施的效果，但关于鱼类对水流脉冲响应的预测不确定性，可能阻碍水流管理的决策。
本研究设定了两个主要目标：第一，评估几种淡水出流补充措施在最大化三角洲胡瓜鱼预期效益的同时，也最大化加州不断增长的人口供水量的相对效能。第二，鉴于物种需求与人类用水消耗之间艰难的权衡，旨在更好地理解决策者价值观与科学不确定性在此决策问题中的作用。
方法
决策背景
本研究决策背景涉及加州中央峡谷的水库及相关水利设施管理。中央峡谷工程和州水工程是由美国垦务局和加州水资源部运营的蓄水与输水系统。由于历史数据表明多个河口物种丰度与出流量呈正相关，自2000年起，旧金山湾-萨克拉门托-圣华金三角洲的2psu等盐线位置被用于设定水利工程盐度标准。该管理行动的目标指标称为“X2”，定义为从金门大桥沿湾区北部轴线至近底层盐度为2psu处的距离（以公里计）。研究启动时，最新的秋季X2行动要求垦务局和水资源部在降水高于平均水平的年份，管理出流和水库放水，使9月和10月的月平均X2维持在80公里。
近期，三角洲胡瓜鱼生命周期统计分析提供了强有力的证据，表明三角洲出流量与存活率之间的相关性在1991年至2019年间是可辨别的，但此关联与旱季早期相关，而非秋季。因此，当前的核心问题是，考虑到每年供水有限，秋季X2是否是对三角洲胡瓜鱼最有效的X2行动。
决策分析
研究团队通过系列会议和研讨会，遵循PrOACT决策分析模型，为涉及三角洲胡瓜鱼X2水流行动的决策背景开发了快速原型。确定了两个基本目标及相关绩效指标：除了推动三角洲胡瓜鱼恢复（最大化种群增长率λ），水输送被确立为第二个基本目标（最小化对供水的影响，即“水成本”）。研究制定并分析了五种由不同季节和X2目标组合而成的替代水流行动方案，包括一个仅满足加州保护区域农业用水水质指令、不采取额外X2行动的方案。这些替代方案代表了在理论上可行的、具有不同水成本的水流行动范围，可在夏季、秋季或两季实施以支持三角洲胡瓜鱼的存活和补充。
除了三角洲胡瓜鱼的X2水流行动，2019年制定的全套流量和盐度法规作为模型的基线。为了提供更准确的基线三角洲胡瓜鱼种群增长率水平，模型特别模拟了研究启动时已实施的、其他以三角洲胡瓜鱼为重点的管理措施的效果。
预测模型与不确定性
研究使用了一系列模型来估算各替代方案的三角洲胡瓜鱼λ和水成本。为预测实施各种行动所需的水务操作并计算其各自的水成本，使用了加州中央峡谷工程和州水工程的水务管理模拟模型CalSim 3。该模型基于1922-2021年的百年历史月流量序列，可生成大量水文输出。
水流行动驱动三角洲胡瓜鱼种群增长的机制存在不确定性。研究通过构建相互竞争的假设（体现为不同的模型变体）来解决这一问题，测试了三个与种群增长和流动行动相关的主要结构或参数不确定性来源。为表示替代方案排序结果的不确定性，在八个互斥的正交假设下估算了流动行动替代方案的后果。
为估算替代行动对三角洲胡瓜鱼种群增长的影响，使用了个体生命周期模型。该模型校准了1995-2014年野生种群的丰度和个体生长速率，并提供了受温度、浊度、猎物密度以及个体被卷入水利设施等因素影响的三角洲胡瓜鱼生命周期的机理描述。模型模拟了三角洲胡瓜鱼种群在12个区域的繁殖、生长、死亡和移动。
为了将水文信息转化为可在IBMR中表征的生态现象，将CalSim 3模型1995-2014年的输出输入三个子模型，用于动态调整三角洲胡瓜鱼的空间分布、区域盐度以及浮游动物的密度和分布。
此外，还运行了两个版本的IBMR，它们在部分三角洲胡瓜鱼生物能量参数和建模时间步长上有所不同。第一个版本包含了早期的生物能量模型参数，其中最高摄食率在23°C以上受到限制，生长以月为时间步长累积。第二个版本使用了经2016-2020年数据验证的调整参数，导致摄食在21.6°C以上受到限制，并且生长以日时间步长累积，从而可能对观测数据集中存在的急性高温和热浪事件更加敏感。
研究使用线性价值模型来表达多准则决策分析中每种替代方案的效用，同时考虑了三角洲胡晓鱼λ预测结果的不确定性。通过将三角洲胡瓜鱼种群增长和供水成本绩效指标分数按决策者赋予各目标的权重合并为单一值来计算效用。由于绩效指标单位和期望方向不同，首先根据各指标在研究中的预测值范围，在0-1的局部尺度上对绩效分数进行了归一化处理。
通过计算假设加权平均值，将关于三角洲胡瓜鱼种群增长的不确定性嵌入到X2行动结果的预测中，其中假设权重代表专家对八个竞争性科学假设的相对置信度。为了计算信息价值，请六位专家根据其认为每个假设可能为真的信念，在8个假设间分配了100分。专家评分被重新缩放为权重并取平均值。
信息价值以完美信息的期望值表示，这是衡量在决策前若能完全减少不确定性所能实现的管理成果改进程度的指标。还计算了部分完美信息的期望值，这是衡量特定不确定性来源对决策重要性的指标。为便于理解，将EVPI和EVPXI表示为管理绩效的预期百分比增长。
结果
预测模型
在CalSim 3模型模拟的100年期间，共有28个湿润年和14个高于正常的年份会发生X2行动。不采取X2行动的方案作为供水目标的参考基线，供水成本为零。夏秋结合X2行动方案和秋季X2在74公里的方案具有最高的供水成本，其次为夏季X2在74公里的方案和秋季X2在80公里的方案。
在IBMR模拟的20年期间，共有7个湿润年和3个高于正常的年份。模拟期前半段湿润年份较多，这反映在结果中，即20年期间的前半段和较湿润年份通常显示出三角洲胡瓜鱼λ值大于1。然而，在完整的20年时间范围内，没有任何替代方案或假设能产生几何平均三角洲胡瓜鱼λ大于1的结果，这表明所考虑的管理行动中没有一个可能长期稳定或增加三角洲胡瓜鱼的丰度。
基于三角洲胡瓜鱼λ的替代方案排序因假设而异，但在IBMR v1和v2之间排序有一定的一致性。正如预期，假设三角洲胡瓜鱼分布和猎物不受X2变化影响的假设，所有替代方案产生的λ相似。在“零”假设情景之外，不采取X2行动的方案总是导致最低的三角洲胡瓜鱼λ。对于“仅移动”假设，夏秋结合X2方案产生的λ最高，但仅略高于秋季X2在80公里的方案。对于“仅食物”假设，包含夏季行动的方案产生的λ最高，其中仅夏季的方案显示出略高的λ。对于包含三角洲胡瓜鱼分布和猎物分布变化的“完整”假设，夏秋结合X2方案产生的三角洲胡瓜鱼λ最高。然而，假设1和假设5的结果存在明显差异；在假设5中，夏季X2在74公里方案的λ预测值更接近表现最佳的夏秋结合X2方案。
多准则决策分析
排名最高的替代方案取决于假设以及对供水成本和三角洲胡瓜鱼λ赋予的客观权重。当三角洲胡瓜鱼目标权重小于0.69时，不采取X2行动的方案效用得分最高。当三角洲胡瓜鱼目标权重在0.69至0.81之间时，夏季X2在74公里的行动表现最佳，而当三角洲胡瓜鱼目标权重大于0.81时，夏秋结合X2行动排名最高。在整个目标权重范围内，两种秋季X2行动，包括现状方案，均被其他替代方案所主导。各替代方案的排序在不同目标权重间的细微差异取决于每位专家的假设权重，但总体模式在不同专家权重集中保持一致。当对八个假设中的每一个赋予全部权重时，排名最高的替代方案会发生变化，但这些变化通常仅当三角洲胡瓜鱼目标权重设定在约0.55或更高时才发生。
信息价值
除一位专家外，所有专家都将假设5评为最有可能，即水流行动会影响食物和三角洲胡瓜鱼分布，且生物能量参数最好由IBMR v2表示。所有专家都将假设四或八，即预计水流对食物和三角洲胡瓜鱼移动均无影响，评为最不可能。
在专家平均赋权下，EVPI在整个目标权重范围内从0到0.037不等。这表示如果在决策前能完全消除所有不确定性，管理绩效/效用得分可能获得最高7.6%的提升。当三角洲胡瓜鱼权重小于0.59时，EVPI为0；而当三角洲胡瓜鱼目标权重大于或等于0.59时，EVPI始终大于0。作为目标权重函数的EVPI有两个峰值，一个在三角洲胡瓜鱼目标权重为0.69时，另一个在0.82时，这与多准则决策分析结果中的无差异点相对应。
关于三角洲胡瓜鱼生物学的三个不确定性领域的EVPXI表明，在大部分目标权重范围内，解决三角洲胡瓜鱼猎物补助的不确定性将带来最大的管理绩效增益，在三角洲胡瓜鱼目标权重为0.69时，效用得分最大增益为7.2%。解决三角洲胡瓜鱼生物能量学不确定性的益处也在三角洲胡瓜鱼目标权重为0.69时最大，该处生物能量学部分的EVPXI为3.6%。与此同时，解决三角洲胡瓜鱼移动不确定性的重要性在三角洲胡瓜鱼目标权重更高时更大。解决三角洲胡瓜鱼移动的EVPXI在三角洲胡瓜鱼目标权重为0.82时最高，并且对于三角洲胡瓜鱼目标权重大于0.82的情况，三角洲胡瓜鱼移动不确定性的EVPXI变为最高。当使用个体专家的假设权重而非小组平均值时，具体的EVPI和EVPXI数值有所不同，但EVPI的峰值和谷值，以及各研究主题间EVPXI的相对差异，在专家之间似乎相当稳定。
讨论
本研究同时应用多准则决策分析和信息价值方法于濒危物种栖息地管理决策问题，得以探究价值观和科学不确定性在确定首选行动中的相对作用。研究发现，假设决策者如何权衡两个竞争目标，相较于关于出流如何影响夏秋季三角洲胡瓜鱼存活的不同科学概念模型，对首选行动的选择和进一步研究的价值具有更大的影响。
多准则决策分析结果说明了生态与社会经济价值之间的鲜明权衡，对一个目标排名最高的方案，对另一个目标则会产生最不理想的结果。相比之下，夏季X2在74公里的行动代表了一种能更好地平衡两者后果的管理策略，适用于不强偏好任一目标的决策者。夏季X2替代方案的排序对专家的假设权重具有稳健性；然而，如果对每个假设赋予完全权重，排序可能会发生显著变化。
决策者的价值观也影响进行新研究的价值及研究重点。当三角洲胡瓜鱼目标权重大于或等于0.59时，观察到与水流管理机制关系不确定性相关的信息价值。换句话说，当三角洲胡瓜鱼种群增长的相对重要性高于供水成本时，不确定性会影响你将采取的行动选择。然而，当三角洲胡瓜鱼目标权重降至0.59以下时，决策将不会受到不确定性的阻碍。这部分可能是由于水务管理模型缺乏不确定性，以及某些模型变体预测的三角洲胡瓜鱼种群增长增益微乎其微。
此外，EVPXI结果表明，最有成效的持续研究途径也取决于决策者相对于供水成本，赋予三角洲胡瓜鱼种群增长多大的权重。这种评估竞争目标的方式可以帮助决策者在额外研究资源有限的情况下，了解应优先处理哪些不确定性来源。
最近的三角洲胡瓜鱼生命周期分析通过统计相关性确定夏季出流量是三角洲胡瓜鱼种群增长的最强预测因子。本研究发现，夏季出流行动仅在假设水流通过盐度变化影响浮游动物分布时，才比秋季出流行动产生更高的三角洲胡瓜鱼种群增长。这表明，如果与食物再分布相关的假设被证明是正确的，那么三角洲胡瓜鱼的摄食和随出流变化的猎物补助可能是观察到的种群增长与夏季出流之间相关性的关键机制。多种浮游动物物种的丰度似乎在夏季达到峰值，这可能使更多个体被输送到下游。此外，三角洲胡瓜鱼对高温的敏感性可能比以前假设的更高。支持夏季更高的摄食率对该物种存活的作用可能比稍凉爽的秋季月份更大。关于三角洲胡瓜鱼猎物补助变化的不确定性，其EVPXI总体上也高于其他两种不确定性。因此，如果认为有必要进一步研究，将未来的努力优先分配于进一步验证和开发能与三角洲胡瓜鱼决策支持模型良好交互的预测性浮游动物模型可能是审慎的。
在解释我们的发现时，有几个因素需要考虑。我们所构建的决策问题是加州水资源管理所涉及的更庞大、更复杂问题集的简化。我们没有让系统中的所有决策者和技术专家参与，也没有考虑可能受我们所考虑的水流行动影响的全部目标。例如，加州的冬季洄游奇努克鲑鱼是目前依赖沙斯塔大坝夏季冷水释放的联邦和州列名鱼类种群，这可能会受到夏季X2行动的影响。我们还假设决策者以线性方式关心每个绩效指标。虽然一些决策者可能认为减缓三角洲胡瓜鱼衰退具有价值，但其他人可能表现出非线性偏好，即对任何三角洲胡瓜鱼λ小于1的结果赋予的价值微乎其微。尽管如此，我们的研究可以很容易地融入现有的适应性管理流程中。
另一个重要的考虑是，我们没有通过决策分析评估每个生物模型预测中的不确定性。我们的目标是评估以不同模型变体为代表的不同概念模型周围的不确定性。在此背景下，我们专注于点估计，因为它们代表了每个模型结果的最佳可用预测。最后，每次水流行动的供水成本比表4中描述的更为动态。在某些年份，水文条件可能使得无需水利工程采取额外行动即可实现夏季X2在74公里的目标。或者，为保护其他用途的供水，这些三角洲胡瓜鱼水流行动可以部分放宽或暂停。未来的工作可以评估供水的不确定性，并进一步评估行动失败的风险和原因。如果我们能在与水流关系较小的因素限制存活的年份，放弃那些高供水成本的行动，或许可以为决策者实现更好的结果。
所考虑的任何行动都未能带来稳定或正向的三角洲胡瓜鱼种群增长率，这表明该物种的恢复可能需要额外的行动。尽管湿润年份更高的出流量或更干旱年份的水流行动可能会增加三角洲胡瓜鱼的种群增长，但考虑到这将需要占用加州夏季供水的更大份额，这可能并不可行。实际上，在大多数情况下，我们观察到模拟的干旱年和湿润年之间三角洲胡瓜鱼种群增长的差异大于不同水流替代方案之间的差异。加州目前正经历异常干旱的时期，气候变化威胁着该地区未来供水的可靠性。考虑到河口生态系统等生态系统的复杂性和广阔性，以及气候变化和未来物种入侵的持续影响，寻找不需要大量淡水资源的有效恢复行动可能具有挑战性。
三角洲胡瓜鱼的恢复可能需要创新的、互补的解决方案，以解决导致该物种衰退的非水流驱动因素。灭绝债务可能导致忽视及时的保育工作；然而，它也提供了物种保护的最后机会之窗。三角洲胡瓜鱼可能在2021年秋末已在野外灭绝，此后，该物种主要通过一个小型孵化场补充计划得以维持。虽然对三角洲胡瓜鱼采取传统恢复行动的最佳时机可能已经过去，但可能仍有机会利用此框架来考虑不依赖大量水的新解决方案。本研究所采用的方法也可用于其他距离灭绝较远的衰退物种，这可能为主动保护提供有价值的工具。
结论
旨在帮助几乎灭绝的三角洲胡瓜鱼的行动，可能会以牺牲加州价值数十亿美元的农业和超过两千万人供水为代价。此类行动的设计和选择因保育问题中常见的复杂生物相互作用和不确定性而进一步复杂化。在本研究中，我们使用水文和生物模型以及决策分析工具，确定了不确定性下的最优决策，并对进一步研究以改进决策制定和管理成果的益处进行了定量评估。根据决策者的价值观，可以考虑至少在夏季月份实施将低盐度栖息地下移的出流补充行动，或者如果决策中更重视供水成本目标，则可以完全停止此类行动。然而，没有任何行动能为三角洲胡瓜鱼带来正向的种群增长。因此，可能需要额外的行动来实现恢复。我们还发现，进一步的研究不一定能改善决策结果，在此简化的决策情境中，最优决策因决策者权衡目标的方式而异。在收集更多信息能为决策带来益处的情况下，可以优先进行旨在更好估算与水流行动相关的三角洲胡瓜鱼猎物变化的研究，以改善管理成果。我们的研究作为一个例证，说明了在实施合理的水资源管理决策之前，可能不需要解决科学不确定性，以及决策分析工具如何指导像加州这样的水资源超分配系统的保育工作。
