基于系统动力学的黑龙江省水资源消耗与经济发展耦合协调情景模拟与优化研究

本研究针对水资源消耗与经济发展不协调问题，创新性地构建了水足迹（WF）-系统动力学（SD）-对数平均迪氏指数（LMDI）-耦合协调度模型（CCDM）集成框架，通过量化驱动因子、设计四类发展情景，揭示黑龙江省最优协同路径。结果表明：强度效应对总水足迹（WFT）抑制最强（-1545.05×108 m3），情景IV实现经济增速8.65%同时WFT增幅最小（145.41×108 m3），耦合协调度最优，为资源型区域可持续发展提供科学范式。

　　

在全球气候变化和人口增长背景下，水资源短缺已成为制约经济发展的关键瓶颈。作为中国重要的老工业基地和粮食生产基地，黑龙江省面临农业用水占比过高（86.9%）、水资源利用效率低下与经济发展缓慢的双重挑战。传统研究多采用静态指标分析水-经济关系，缺乏对系统间动态反馈机制的考量，且情景设计常依赖主观判断，导致预测结果科学性不足。

黑龙江省的研究团队在《Agricultural Water Management》发表的研究中，首次将水足迹（WF）作为核心指标，整合系统动力学（SD）模型、对数平均迪氏指数（LMDI）分解和耦合协调度模型（CCDM），构建"驱动识别-情景模拟-系统优化"的全链条分析框架。研究利用2000-2021年黑龙江省水资源公报和统计年鉴数据，通过Vensim DSS软件建立包含水资源、农业、经济等5个子系统的SD模型，采用LMDI量化强度、结构、规模及人口效应的贡献值，并设计现状维持型（I）、节水减污型（II）、农业优化型（III）和综合发展型（IV）四类情景，最终通过CCDM评估系统协调性。

关键方法

1. 系统动力学建模：构建包含132个中间变量的复合系统模型，模拟2000-205年水-经济动态交互；
2. LMDI分解：将WF_T分解为强度（ΔQ）、结构（ΔS）、规模（ΔD）和人口（ΔP）效应，识别关键驱动因子；
3. 冲击检测：通过LOESS平滑模型验证驱动因子异常值；
4. 情景设计：依据"十四五"规划设定参数变化范围；
5. 耦合协调度评估：计算子系统协调分数（0-1范围）。

研究结果

4.1 水足迹驱动因子分解
强度效应对WF_T抑制最强（贡献值-1545.05×10⁸ m3），其中农业WF_A受规模效应（作物面积）主导（+393.93×10⁸ m3），工业WF_I受万元工业增加值耗水量影响最大（-150.97×10⁸ m3）。冲击检测验证地表水开发程度、玉米种植面积等8个核心驱动因子的显著性。

4.2 情景模拟对比
情景IV表现最优：WF_T增幅最低（145.41×10⁸ m3），较现状情景减少36.7%，GDP年均增速达8.65%。农业结构调整使WF_A仅增83.36×10⁸ m3，节水技术使生活WF_D降低26.84×10⁸ m3。

4.3 耦合协调评估
情景IV耦合度持续高于0.8（高水平阶段），协调度达0.47（临近失调），显著优于其他情景。经济子系统评分较现状提升58%，水资源子系统恶化速度减缓21%。

结论与意义
该研究通过多模型融合创新性地解决了传统研究中变量选择主观性强、系统评价不全面的问题。实证表明：黑龙江省应选择综合发展型路径，同步推进农业种植优化（减少玉米面积）、工业节水技术改造（降低WF_I强度）和居民用水定额管理。方法论层面，LMDI-SD-CCDM框架为资源环境系统分析提供了可推广的范式，政策层面为东北老工业基地绿色转型提供了量化决策工具。未来研究可进一步细化年内水资源分配机制，并纳入消费者价格指数等经济指标增强评估维度。