随着埃塞俄比亚复兴大坝的建设，尼罗河流域的水利基础设施景观正在发生变化。虽然这座大坝可以改善埃塞俄比亚及其邻国的电力供应，但埃塞俄比亚、苏丹和埃及之间对大坝运营缺乏共识。我们引入了一个新的建模框架来模拟尼罗河系统和埃及的宏观经济，以及河流系统和宏观经济之间的动态反馈。由于这两个系统在多年模拟中“共同进化”，我们将其称为“共同进化”建模框架。该框架用于证明协调的运营策略可以使埃塞俄比亚复兴大坝在缺水时期帮助满足埃及的用水需求，并在高流量期间增加埃塞俄比亚的水力发电和储存。
淡水和电力是推动经济发展和社会福祉的许多生产活动的重要投入。淡水资源的稀缺性和可变性已被证明会影响国家1、2的经济增长。能源消费与经济发展之间的单向和双向关系的实证证据已经证明在世界各国的3，4，5，6。水和能源系统相互关联，并与包括农业和工业在内的多个部门相互关联7.全球范围内，围绕发电的16%水电有助于与可再生能源发电的大约70%8和河流经常用于冷却电厂9，10。能源用于水处理、泵送和脱盐。因此，有效利用有限的水资源以实现可持续的经济发展需要以综合方式评估水和经济干预措施。
尼罗河是世界上最长的河流之一，其流域横跨 11 个非洲国家，每个国家对尼罗河的贡献和经济依赖程度各不相同11,12。尼罗河包括三个主要支流：白尼罗河、青尼罗河和特克泽-阿特巴拉河(见图1)。青尼罗河起源于埃塞俄比亚，并贡献了约 57% 的尼罗河流量(在苏丹-埃及边界附近测量)13。青尼罗河水流的年际和年内变化很大，大约 80% 的水流发生在 7 月至 10 月14 日.在苏丹-埃及边界附近测量的几乎所有尼罗河水流目前都被两个最下游的沿岸国家消耗，即埃及和苏丹。埃及的水、能源、食品和经济系统与尼罗河水流有关，尼罗河水流提供了该国约 90% 的淡水消耗15和 7% 的电力供应8。平均而言，灌溉农业约占埃及每年尼罗河取水量的 82%，而市政和工业用水用户占 18%16。
1999 年，尼罗河流域国家建立了尼罗河流域倡议(NBI)，作为管理河流的协调与合作论坛17。NBI 指的是尼罗河盆地的两个区域：东尼罗河盆地(图1)和尼罗河赤道湖区。NBI 与成员国合作制定了尼罗河流域合作框架协议 (CFA)18。2010 年，由于对终审法院文本的分歧，埃及和苏丹冻结了其在 NBI 的成员资格，但苏丹在 2 年后重新成为正式成员19。
美国垦务局在 1958 年和 1963 年之间进行了一项研究(1964 年发表)，确定了埃塞俄比亚青尼罗河上潜在的水坝和灌溉项目20。埃塞俄比亚青尼罗河上的水坝可以显着增加水力发电21。然而，它们可能会增加管理多年干旱的复杂性20,22.在国调局的支持下，埃塞俄比亚、苏丹和埃及于 2005 年启动了联合多用途计划，以促进东尼罗河流域投资项目的协调发展。这三个国家邀请世界银行组成一个独立的专家组进行范围界定研究，以告知第一批将使所有三个国家都受益的多用途项目的选择22。范围界定研究小组得出的结论是，联合多用途项目的最佳投资机会是在埃塞俄比亚的青尼罗河流域。埃及政策制定者和技术专家对这一结论提出异议，并认为在 Baro-Akobo-Sobat 盆地23联合多用途项目存在有希望的选择.这种对范围界定研究主要结论的分歧导致了政治动力的丧失，最终未能实现 JMP 目标23。2011年，埃塞俄比亚单方面启动了埃塞俄比亚复兴大坝(GERD)的建设。2020 年 7 月 12 日，建设已完成约 75%，埃塞俄比亚开始对大坝水库进行初步蓄水。
建成后，GERD将成为非洲最大的水电设施，发电容量为5150兆瓦，水库蓄水量为740亿立方米(bcm)。该大坝将使埃塞俄比亚的发电量增加一倍，并可能通过前向和后向经济联系增加依赖电力的部门和其他部门的产量来刺激该国的经济增长。然而，GERD 水库的初期注水和长期运行预计将显着改变大坝下游青尼罗河的流动模式，给苏丹和埃及带来一系列机遇和风险24,25,26 。.苏丹有望在改善灌溉供水可靠性、水力发电和河流防洪方面受益于 GERD，前提是与埃塞俄比亚进行必要的日常协调和数据共享24,27，但不利的环境影响和衰退农业的损失也预计28。
尽管埃塞俄比亚、苏丹和埃及政府就 GERD 的初始填充和长期运营进行了数年的谈判(自 2011 年以来)，但尚未达成任何协议。2012 年，这三个国家组成了一个国际专家小组(IPoE)来审查大坝的设计和影响报告29。IPoE 建议对 GERD 设计和影响进行进一步的技术研究。一个国际无党派的东尼罗河工作组于 2014 年在麻省理工学院举行会议，讨论 GERD 对区域发展的影响30.该小组指出了四个问题：GERD 和高阿斯旺大坝 (HAD) 协调运行的必要性、GERD 设计的技术问题、电力销售协议的必要性以及对埃及灌溉农业的潜在负面影响和苏丹的衰退农业。2015 年 3 月，埃塞俄比亚、苏丹和埃及政府首脑签署了关于 GERD 的原则宣言 (DoP)31。DoP 中的大部分原则源自《联合国国际水道非航行使用法公约》32，包括公平合理利用和不造成重大损害的原则。DoP 表示需要进行 IPoE 推荐的研究，并利用这些研究的结果就 GERD 的初始填充和长期运行的规则和指南达成一致。2015 年，这三个国家同意与国际咨询公司联合开展 IPoE 推荐的研究。然而，由于沿岸国之间在研究的职权范围以及在构建将要在联盟的分析中审查的情景时应如何处理基线水分配方面存在分歧，因此这一努力失败了33。
2018年，埃塞俄比亚、苏丹和埃及组成了一个由三个国家的研究人员组成的国家独立科学研究小组(NISRG)。NISRG 过程并未导致河岸国之间达成最终协议，但其技术成果构成了随后就大坝初始填水和长期运营进行谈判的基础34。2019 年 11 月至 2020 年 2 月，进行了多轮谈判，包括在华盛顿特区与美国政府和世界银行作为观察员举行会议35;然而，没有签署任何协议。从 2020 年 6 月起，非洲联盟发起并主持了埃塞俄比亚、苏丹和埃及与美国政府、世界银行和欧盟作为观察员的进一步谈判。尽管如此，在本文定稿时(2021 年 9 月)，尚未达成任何协议。沿岸国之间的主要争论点是：(1)协议的期限，即是临时协议还是永久协议;(2) GERD 协议与埃塞俄比亚未来水资源开发项目的关系，(3) GERD 协议与尼罗河流域沿岸地区永久性水资源分配协议之间的联系，以及 (4) 解决未来冲突的机制如果他们出现34。
以往的研究调查了GERD充填和长期运行对埃塞俄比亚、苏丹和埃及的影响24,25,26,27,36,37,38,39,40。然而，这些研究使用了河流系统和东尼罗河经济之间联系的简单表示。实际上，经济增长会影响水电需求，而水电的充裕或稀缺对经济增长有反馈作用41。
我们在本文中有两个目标。第一个是提出一个新的共同进化的水文经济建模框架，它捕捉河流的水文和基础设施与河流沿岸国(埃及)的宏观经济之间的动态相互作用。第二个是使用这个多部门动态建模框架来检查在尼罗河上填充和运营 GERD 的协调运营策略(称为“协调运营”)。通过协调运行，GERD 在特定条件下帮助实现埃及和苏丹的用水目标，而埃塞俄比亚在高流量时期利用额外的水来增加 GERD 存储并最大限度地提高水电产量。协同作战最好被概念化为“邻里相望，“尤其是在多年水文干旱期间。我们将协调运营战略与类似于埃及、苏丹和埃塞俄比亚于 2019 年底和 2020 年初在华盛顿特区进行的谈判中讨论的运营 GERD 提案的战略进行了比较(在此，审查的战略，包括一些假设，被称为“华盛顿提案草案”)。华盛顿提案草案中协调操作和 GERD 操作政策之间的假设和差异的详细信息在下一节和“方法”部分提供。为了评估尼罗河与埃及经济部门之间的动态相互作用，我们使用了东尼罗河流域的校准河流系统模型以及埃及经济的可计算一般均衡 (CGE) 模型。42，43，44，作为“方法”部分中描述。结果表明，在大多数检查的水文情景中，GERD 的协调填充和运行增加了 GERD 和整个尼罗河系统的总发电量，维持了苏丹的尼罗河水资源利用，减少了埃及的灌溉用水赤字，并增加了埃及的总发电量与华盛顿提案草案相比，国内生产总值 (GDP) 和其他宏观经济指标。
