基于WEFE关联与NSGA-II方法的水资源管理政策可持续性评估：以距离最优解指数为度量工具

《Current Research in Environmental Sustainability》：Evaluation of water resource management policies for achieving sustainable agricultural development using the distance-to-optimal solution index: Application of the WEFE Nexus and NSGA-II method

本研究针对农业可持续发展中的水资源管理政策评估难题，创新性地整合WEFE（水-能源-食物-环境）关联框架、NSGA-II多目标优化算法和PMP（正数学规划）模型，构建了距离最优解指数（DOSI）评价体系。通过对伊朗Jiroft平原的实证分析，发现仅作物结构调整政策（P3）能提升农业可持续性（DOSI=-1.19），而水资源削减（P1）和灌溉效率提升（P2）政策反而加剧不可持续性（DOSI分别为-2.89和-3.22）。该研究为量化评估水资源政策的可持续性影响提供了方法论创新，对实现SDGs目标具有重要实践价值。

　　

在全球人口持续增长和气候变化加剧的双重压力下，如何平衡水、能源、食物三大系统的需求已成为实现联合国可持续发展目标（SDGs）的核心挑战。更令人担忧的是，传统的水-能源-食物（WEF）关联研究往往忽视环境维度，导致农业扩张对生态系统（如湿地退化、化学品污染和CO₂排放）的负面影响未被充分评估。伊朗Jiroft平原作为重要农业区，面临着地下水超采、化肥农药过量使用及Jazmourian湿地萎缩等严峻问题，亟需一套科学方法来评估现有水资源管理政策能否真正引导区域走向可持续发展。

为破解这一难题，伊朗克尔曼沙希德·巴霍纳尔大学的研究团队在《Current Research in Environmental Sustainability》发表了一项创新研究。他们首次将环境维度深度融入WEF关联框架，构建了水-能源-食物-环境（WEFE）综合分析模型，并开发出距离最优解指数（DOSI）这一创新性政策评估工具。通过结合非支配排序遗传算法II（NSGA-II）与正数学规划（PMP）方法，系统量化了三种典型水资源管理政策（P1：削减可用水资源；P2：提升灌溉效率；P3：调整作物结构）对农业可持续性的真实影响。

关键技术方法包括：1）基于农户调查和官方数据的多源信息采集；2）运用NSGA-II算法求解包含WEF指数最大化、化肥/农药/CO₂排放最小化及湿地保护得分最大化等五目标的优化模型；3）采用PMP模型模拟政策实施后的作物布局变化；4）通过DOSI指数计算各政策方案与理想状态的差距。研究区域为伊朗克尔曼省Jiroft平原的44,822公顷农田，样本覆盖120个农户的种植数据。

5.1. 当前模式与WEFE标准

现状分析显示，马铃薯（9700公顷）和小麦（7558公顷）为主导作物，但高耗水作物苜蓿的单产水效益最低（0.309 kg/m3）。番茄虽具最高经济水生产力（0.242 $/m3），但当前种植结构导致湿地保护评分仅4.11（满分9），CO₂排放量达3604 kg/ha，凸显不可持续性。

5.2. 最优模式与WEFE标准

NSGA-II优化结果要求总面积削减3988公顷，大麦种植需增至17,348公顷（当前仅2469公顷），番茄扩大至6908公顷。该模式使化肥、农药用量和CO₂排放分别降低18%、27%和15%，湿地评分提升26%，但经济收益下降40%，揭示出环境目标与经济效益间的显著冲突。

5.3. 政策衍生模式与WEFE标准

政策模拟表明：P1政策（水资源削减）引发大麦退出种植，反而增加单位面积污染排放；P2政策（灌溉效率提升）刺激高耗水作物扩张，使所有可持续性指标恶化；唯P3政策（作物结构调整）通过压减苜蓿71公顷、扩种大麦至5381公顷，实现WEFE指数提升3%和湿地评分增长12.5%。

5.4. 基于可持续性标准的政策评估

DOSI量化结果显示：当前模式值为-2.70，P1和P2政策进一步恶化至-2.89和-3.22，而P3政策显著改善至-1.19。证明单纯技术改进（如灌溉效率提升）若无制度引导，可能引发"回弹效应"，加剧资源消耗。

5.5. 讨论

本研究通过WEFE关联框架揭示：传统水资源管理政策（P1、P2）因忽视农户经济动机而适得其反。作物结构调整（P3）虽有效但需配套激励机制，如对低耗水作物提供补贴。研究创新点在于将湿地保护等生态指标纳入优化体系，并建立DOSI量化工具，为区域政策制定提供可复制范式。

该研究突破性地证明，可持续农业转型必须统筹经济激励与生态约束。其提出的WEFE-DOSI评估框架不仅适用于干旱区农业规划，也为全球类似区域协调SDGs目标提供了方法论借鉴。未来需结合水文模型与生命周期评价（LCA）等工具，进一步提升环境指标精度，强化决策支持能力。