Распределённая социально-гидрологическая система для интеграции восприятия и динамики грунтовых вод в моделировании выбора культур фермерами

Почему фермеры и грунтовые воды связаны

Во многих сухих регионах подземные воды — скрытый двигатель производства продовольствия. Это исследование рассматривает, как выбор культур фермерами и их восприятие сокращающихся запасов грунтовых вод взаимно влияют друг на друга со временем. Комбинируя компьютерные модели подземного стока с виртуальными фермерами, которые мыслят, учатся и реагируют, исследование показывает, почему одни политики защищают водоносные горизонты, а другие подталкивают обременённых фермеров к рискованной перерасходной откачке.

Общий ресурс под давлением

Работа сосредоточена на водоносном горизонте Исфахан‑Борхар в центральном Иране, где более 70 процентов грунтовых вод расходуется на сельское хозяйство, а повторяющиеся засухи приводят к постоянному снижению уровней воды. Как и многие общие ресурсы, этот водоносный пласт обслуживает тысячи отдельных пользователей с разными потребностями и ограничениями. Авторы утверждают, что недостаточно просто отслеживать уровни воды и прибыль от культур. Долговременное управление также должно учитывать, как фермеры воспринимают дефицит воды, насколько они доверяют властям и насколько они зависят от сельского хозяйства как источника средств к существованию.

Виртуальные фермеры с человеческими мотивами

Чтобы захватить социальный аспект, исследователи создают агентную модель, в которой каждая оросительная скважина представлена цифровым фермером. Эти агенты различаются по возрасту, образованию, экономической защищённости, доверию к чиновникам и чувствительности к просадке земли. Опираясь на Теорию запланированного поведения, склонность каждого фермера экономить воду зависит от трёх элементов: личного отношения (например, уровень благосостояния и опыт), социального давления (включая состояние грунтовых вод и осведомлённость о вреде) и воспринимаемого контроля (например, возраст и зависимость от сельского хозяйства). Исходя из общей склонности к экономии воды, фермеры делятся на четыре поведенческих типа: ориентированные на прибыль, имитирующие, сбалансированные и водосберегающие, при этом некоторые становятся несговорчивыми, когда ограничения делают ведение сельского хозяйства убыточным.

Связывание мышления с водоносным горизонтом

Социальная модель тесно связана с детализированным симулятором грунтовых вод MODFLOW. Каждый год виртуальные фермеры выбирают культуры — например пшеницу, ячмень или кукурузу, — рассчитывают ожидаемую прибыль и потребность в воде и решают, сколько откачать. Эти объёмы откачки поступают в модель грунтовых вод, которая обновляет уровни воды по тысячам ячеек сетки. Новые глубины воды затем формируют восприятие дефицита у фермеров в следующем году. Эта двусторонняя петля выявляет сложные паттерны: в частях водоносного пласта, где вода всё ещё относительно близко к поверхности, многие фермеры готовы умеренно экономить и могут поддерживать как доход, так и уровни воды стабильными. В сильно истощённых зонах некоторые фермеры резко сокращают отбор, потому что откачка дорого обходится, в то время как другие тайно перераскачивают воду, чтобы выжить, усугубляя падение уровня.

Тестирование стимулов, штрафов и торговли водой

После калибровки модели по реестрам скважин и наблюдаемым площадям посевов авторы проверяют три сценария политики. Повышение цен на водосберегающие культуры побуждает фермеров переходить на них, увеличивая прибыль на 88 процентов, сокращая использование воды в сельском хозяйстве на 16 процентов и поднимая средний уровень грунтовых вод чуть более чем на метр. Штрафы за культуры с высоким потреблением воды немного больше сокращают потребление и улучшают водный уровень на 1,15 метра, но при этом уменьшают доходы фермеров примерно на 5 процентов, что может подстегнуть сопротивление и нарушение правил. Простой рынок воды, на котором некоторые фермеры продают часть своих водных прав промышленности, даёт наибольшее восстановление уровня грунтовых вод — примерно 1,66 метра, одновременно умеренно увеличивая прибыль в целом.

Что это значит для людей и воды

Исследование показывает, что судьба водоносного горизонта определяется не только климатом и насосами, но и надеждами, страхами и кошельками людей, которые от него зависят. Там, где фермеры бедны, сильно зависят от сельского хозяйства и не доверяют властям, жёсткие ограничения могут дать обратный эффект и привести к нелегальной откачке. Напротив, грамотно продуманные ценовые стимулы и аккуратно управляемые рынки воды могут согласовать благосостояние фермеров с состоянием водоносного пласта. Модельная структура, связывающая поведение людей и грунтовые воды с высокой детализацией, предлагает инструмент, который можно адаптировать к другим регионам, чтобы исследовать, какие сочетания поощрений, правил и поддержки наиболее вероятно сохранят как фермы, так и подземные водные запасы.

Цитирование: Soleimanzadeh, Z., Ahmadi, A. A distributed socio-hydrological framework for integrating perception and groundwater dynamics in farmers’ crop choice modeling. Sci Rep 16, 15376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44157-5

Ключевые слова: грунтовые воды, фермеры, выбор культур, агентная модель, водная политика