多瑙河流域水-能源-食物-生态系统纽带关系协同性评估：基于参与式方法与网络理论的政策方案分析

【字体：大中小】 时间：2025年10月14日 来源：Science of The Total Environment 8

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　　本研究针对气候变化与人类活动加剧多瑙河流域水资源压力、威胁生态安全与经济活动的现实问题，采用参与式框架（GoNEXUS SEF）与纽带交叉影响分析（N-CIA）方法，评估了增加生态流量与扩大废水回用两项水管理方案的跨部门协同与权衡效应。结果表明：生态流量提升虽有利于水生生态系统（EC2），但会减少水电产量并增加温室气体排放；废水回用可促进农业与社会经济发展，但可能对水生态系统造成压力。双方案协同实施可平衡部分负面影响，为流域综合治理提供量化依据，凸显了跨部门政策协调在资源管理中的关键作用。

气候变化和社会经济发展正日益加剧全球自然资源的压力，尤其对水、能源、食物安全和生态系统保护构成显著风险。作为欧洲第二大河，多瑙河流域（Danube River Basin, DRB）面临着日益频繁的干旱和水资源短缺问题，影响着流域内7900万人口的生活和多个依赖水资源的部门，包括农业灌溉、能源生产、航运和城市供水等。在这一背景下，水-能源-食物-生态系统（Water-Energy-Food-Ecosystems, WEFE）纽带关系的研究成为一种关键的系统方法，旨在通过分析不同部门之间的相互联系，提升资源利用效率、减少部门间冲突并促进协同治理。

尽管已有一些研究应用纽带方法分析多瑙河流域的问题，例如使用气候情景模拟水资源平衡、评估水供给服务以及分析灌溉用水等，但大多数研究尚未在全流域范围内结合定量评估与多方利益相关者参与，进行全面的政策方案协同性分析。此外，以往研究多关注直接和明显的影响，而忽略了间接、二阶的相互作用，这限制了应对复杂系统挑战的能力。因此，本研究旨在通过参与式方法和网络理论，评估两种水相关解决方案——增加生态流量以支持水生态系统健康（S1）和扩大废水回用用于农业灌溉（S2）——在应对多瑙河流域气候变化和部门间用水竞争问题中的潜力，并分析其实施可能产生的跨部门协同和权衡效应。

为开展这项研究，作者采用了GoNEXUS解决方案评估框架（GoNEXUS SEF），这是一个参与式方法框架，包含五个阶段和十一个步骤，覆盖了从识别挑战、共同设计解决方案到定量评估的完整过程。研究结合了多轮利益相关者对话（共约158人参与）、专家咨询和文献分析，构建了代表WEFE纽带系统的交叉影响矩阵，并应用纽带交叉影响分析（Nexus Cross-Impact Analysis, N-CIA）这一基于网络理论的定量工具，评估方案对纽带目标的直接影响和间接影响（直至二阶）。此外，研究还通过非参数Bootstrap和蒙特卡洛模拟评估了结果的变异性和模型敏感性。数据来源包括流域层面的政策文件、科学文献以及本地工作坊的定性定量输入。

3.1. 气候变化和人类活动对多瑙河流域WEFE纽带的影响

多瑙河流域面积约80万平方公里，流经19个国家，是世界上最国际化的流域之一。气候变化导致该流域水文极端事件（如干旱和洪水）增加，地表径流、蓄水能力发生变化，直接影响水资源的可用性。能源部门中，水电占主导地位，但气候变化通过改变水量和水温影响水电和热电生产，可能引发能源短缺。农业部门作为主要用水户，面临灌溉需求增加和水资源竞争加剧的挑战，尤其在流域中南部的干旱地区。生态系统方面，多瑙河具有丰富的生物多样性，但气候变化和人类活动（如基础设施建设、农业扩张和城市化）导致栖息地丧失和水文形态改变，威胁生态健康。治理方面的挑战在于流域涉及多国和多部门，协调难度大，未来可能因水资源短缺引发区域和部门间冲突。

3.2. 纽带挑战与目标

通过文献回顾和利益相关者验证，研究确定了三个主要纽带挑战：

1.
气候变化导致的水资源短缺和洪水风险增加，需改变土地利用管理；
2.
气候变暖变干导致灌溉需求增长，加剧部门间水资源竞争；
3.
农业和能源部门的水土需求增加，加剧水生态和陆地生态系统的脆弱性。

针对这些挑战，研究选择了涵盖WEFE各部门的13个具体目标，包括减少用水量（WR1）、提高可再生能源份额（EN1）、保障食物供应（FD1）和保护水生生态系统（EC2）等。

3.3. 选择的解决方案

通过与利益相关者和专家共同讨论，研究优先选择了两项解决方案进行评价：

•
S1：增加生态流量，支持水生态系统健康。该方案直接应对挑战3，聚焦于满足水生态系统的流量需求，符合欧盟水框架指令（WFD）要求。
•
S2：扩大废水回用于农业灌溉。该方案旨在通过循环利用减轻自然水体压力，应对挑战1和2，并遵循欧盟水回用法规（EU 2020/741）。

其他考虑但未优先评估的方案包括修建小型水库、转向多样化农业景观、种植耐旱作物等。

3.4. 纽带指标体系

通过参与式和迭代过程，研究最终确定了47个纽带指标，涵盖气候、人口、资源需求、生产、生态和水文等多方面变量，用于定量描述纽带系统并构建交叉影响矩阵。

4.1. 交叉影响矩阵

矩阵构建包括两个过程：评估解决方案对每个指标的影响（通过利益相关者工作坊使用7点制评分），和分析指标间的相互关系（由研究者基于文献、专家意见和因果循环图完成）。矩阵维度为49×49，包括47个指标和2个解决方案，颜色编码表示影响程度（正负影响程度用绿-红色谱显示）。权重分配反映了各指标对纽带目标的贡献，确保了评估的一致性。

4.2. 网络理论分析

基于矩阵，研究计算了每个指标的影响力和被影响力，以及净影响（NI）和绝对影响总和（SIAV）等结构参数。结果显示，气候变化全局升温（V1）和水资源可用性（V10）具有高净影响力，而支流河流流量（V22）和淡水取水量（V7）具有高SIAV，表明这些指标在系统中处于关键位置。解决方案S1和S2分别具有5.6和3.6的影响力值。网络图进一步显示了节点间密集的互连关系，其中水转移量（V28）、淡水取水量（V7）和农业产量（V10）具有最多的连接数。

4.3. 纽带协同性评估

评估结果显示，方案S1（增加生态流量）对水生生态系统保护（EC2）有最高正面影响（+11.18），但也带来显著权衡：减少水资源消耗（WR1, -4.78）、降低可再生能源比例（EN1, -2.37）以及增加温室气体排放（EC3, -4.94）。此外，由于可能增加洪涝范围和农田扩张，对陆地生态系统（EC1）产生负面影响。

方案S2（废水回用）显著提高水可用性（WR3, +13.41）和农业目标（FD1、FD2、FD3），并促进社会经济发展（SC1），但对水生生态系统（EC2, -11.11）和陆地生态系统（EC1）有负影响，主要与水流减少和农业扩张有关。

两方案结合时，S1可缓解S2对EC2的负面影响，S2可缓解S1对EC3的负面影响，但在WR1和EC1上负面效应加剧，其他目标则呈现正面协同。

统计评估显示，利益相关者间的一致性较低（Krippendorff's Alpha值S1为0.074，S2为0.14），表明结果存在较大不确定性。Bootstrap模拟进一步证实了响应的变异范围较宽，蒙特卡洛敏感性分析表明模型对权重变化总体稳健。对S1的三阶影响探索揭示了更复杂的协同与权衡，突显了高阶相互作用的潜在重要性。

本研究通过参与式框架和网络分析，定量评估了多瑙河流域两项水管理方案的跨部门影响，揭示了实施生态流量恢复和废水回用可能产生的复杂协同与权衡。结果表明，单一方案可能无法全面应对所有挑战，但组合实施可平衡部分负面效应，为综合资源管理提供依据。尽管利益相关者意见存在分歧，反映了纽带系统固有的复杂性和多元视角，但该方法成功整合了定量与定性证据，揭示了隐藏的系统动态和杠杆点。研究强调，在应对气候变化和水资源竞争的压力下，必须采用跨部门协调的政策手段，定量评估协同性，以支持多瑙河流域的可持续治理。未来研究可集成更多定量模型（如系统动力学或SWAT），扩展方案范围，并深化跨国家和尺度的治理分析。