基于系统动力学的疏勒河流域水资源承载力预警与调控：平衡西北干旱区社会经济与生态可持续发展的关键路径

《Environmental and Sustainability Indicators》：Early Warning and Prediction of Water Resources Carrying Capacity in the Shule River Basin: A System Dynamics Modeling Approach, Northwest China

本研究针对干旱内陆河流域水资源短缺与生态脆弱性问题，以疏勒河流域为研究对象，构建了融合水资源、生态、经济和社会多维指标的水资源承载力(WRCC)预警框架。采用熵权-CRITIC组合赋权法与TOPSIS模型评估2000-2022年WRCC动态变化，并通过系统动力学(SD)模型模拟四种发展情景下的演化趋势。研究发现WRCC呈U型变化趋势，综合协调情景可实现最佳平衡状态（2035年承载值达0.627），揭示了污水处理能力、生态用水和经济用水效率是关键障碍因子。该研究为干旱流域水资源统筹管理提供了科学依据和可推广的预警模拟框架。

　　

在全球气候变化和人类活动双重压力下，干旱区内陆河流域的水资源短缺问题日益凸显，成为制约区域可持续发展的关键瓶颈。疏勒河流域作为中国西北重要的生态屏障区，不仅承担着维系当地社会经济运行的重任，还发挥着保护生物多样性、调节区域气候等关键生态功能。然而，快速的人口增长、经济扩张和水资源需求增加，使该流域本已脆弱的生态环境面临前所未有的压力。传统的水资源评估方法多局限于静态分析，难以捕捉社会经济系统与水资源系统之间的复杂动态交互作用，更缺乏对未来情景的预测预警能力。正是在这样的背景下，本研究团队在《Environmental and Sustainability Indicators》上发表了这项开创性研究，通过构建系统动力学模型，实现了对疏勒河流域水资源承载力的动态模拟与多情景预警。

研究人员综合运用了系统动力学(SD)建模、熵权-CRITIC组合赋权、TOPSIS逼近理想解排序法、控制图法预警阈值判定等关键技术方法。数据来源包括1994-2022年《甘肃水资源公报》和《甘肃统计年鉴》的权威数据，涵盖水资源总量、用水结构、社会经济指标等多维数据。通过Vensim平台构建SD模型，模拟了2000-2035年流域动态，设置了现状发展、经济优先、环境保护和综合协调四种情景方案，并对模型进行了历史验证（2018-2022年相对误差绝对值小于10%）。

研究结果系统揭示了疏勒河流域水资源承载力的时空演变规律和驱动机制：

3.1. 承载力与预警指标阈值确定

基于控制图法建立了五级预警体系，将WRCC划分为Ⅰ级（强承载，蓝色）到Ⅴ级（极弱承载，红色）五个等级，并确定了19个关键指标的预警阈值。如水资源供需比(X1)的Ⅰ级预警阈值为>1.1，而≤0.96时触发Ⅴ级预警；万元GDP用水量(X18)的预警阈值为343.2-2289.7 m³/万元。

3.2. 现状预警分析

2000-2022年间WRCC呈现明显的U型变化趋势：2000-2007年维持在Ⅲ级预警状态；2008-2009年降至Ⅳ级预警（历史最低值0.302）；2010年后逐步回升，到2022年达到Ⅰ级预警（0.549）。子系统分析显示，水资源和生态子系统是承载力的核心支柱（相关系数0.80-0.83），而经济子系统则是主要压力来源（与生态子系统相关系数-0.62）。

3.3. 预测结果分析

3.3.1. 情景分析

四种情景模拟表明：现状发展情景下2035年WRCC为0.535（Ⅰ级预警）；经济优先情景虽能实现人均GDP57.44万元，但工业废水排放量达0.79×10⁸ m³，超出Ⅴ级预警阈值；环境保护情景生态指标显著改善，但经济发展受限（人均GDP27.38万元）；综合协调情景实现了最佳平衡，2035年WRCC达0.627，工业废水排放量较经济优先情景降低8.6%，万元GDP用水量降至162.29 m³。

3.3.2. 承载力预警分析

综合协调情景表现最优（0.627），其次为环境保护（0.606）、经济优先（0.588）和现状发展（0.535）情景。该情景使流域从Ⅲ级预警提升至Ⅰ级预警，承载力指数近乎翻倍，建立了经济发展与环境保护的稳定均衡关系。

3.4. 障碍因子分析

通过障碍度模型识别出主要障碍因子为：污水处理能力(X15)、生态用水量(X16)、水资源供需比(X1)、万元GDP用水量(X18)和人均GDP(X19)。2000-2022年间，生态用水(X16)出现20次为主要障碍因子，污水处理能力(X15)出现14次。2019年后障碍因子向经济和社会子系统转移，反映了生态压力部分缓解但经济社会发展压力增大的新特征。

研究结论表明，疏勒河流域水资源承载力在2000-2022年间经历了由下降到回升的U型转变，目前处于Ⅰ级强承载状态但整体仍受限。障碍因子分析揭示了污水处理能力、生态用水保障和经济用水效率是三大关键制约因素。多情景模拟证明综合协调发展路径是最优选择，能够在2035年实现WRCC 0.627的最佳状态。

这项研究的重要价值在于首次构建了适用于干旱区内陆河流域的"预测-预警-调控"一体化框架，突破了传统静态评估方法的局限。通过系统动力学模型捕捉了水资源系统与社会经济系统的复杂反馈机制，实现了对未来发展趋势的动态模拟。提出的分级预警体系和障碍因子诊断方法，为流域精细化管理和政策制定提供了科学工具。研究成果不仅对疏勒河流域的水资源管理具有直接指导意义，也为全球类似干旱区内陆河流域的可持续发展提供了可复制的研究范式和决策参考。特别是在全球气候变化背景下，这种基于多情景模拟的预警方法能够帮助决策者提前识别风险、优化资源配置，为实现水资源与社会经济生态的协调可持续发展提供科技支撑。