在水资源限制条件下，水资源与土地资源的空间均衡：河南省黄河流域的历史与未来趋势

《Journal of Hydrology》：Spatial equilibrium of water and land resources under water constraints: Historical and future modes in Henan Province, Yellow River Basin

水土资源空间均衡模拟与评估研究基于SWAT-SD-PLUS耦合模型，分析黄河流域不同发展情景（自然/经济/生态）下水土资源空间均衡特征，采用基尼系数和耦合协调度评估均衡性及协同效应，标准差椭圆预测未来演变趋势。研究表明生态保护情景最利于资源均衡，但存在东西部发展不均，需针对性提升西部水资源开发及东部用水效率。

　　在黄河流域，水与土地资源的动态平衡变化一直是研究的重点，特别是在气候变化和人类活动的双重影响下。这种平衡不仅关系到区域内的可持续发展，还对实现高质量发展目标具有重要意义。然而，当前的研究在全面分析历史演变和未来趋势方面仍存在明显不足，尤其是在不同发展路径下的资源协调关系以及平衡结果与影响因素之间的协同效应方面。为了弥补这一空白，本研究提出了一种综合性的SWAT–SD–PLUS框架，通过整合土壤与水评估工具（SWAT）、系统动力学（SD）模型以及基于斑块生成的土地利用模拟（PLUS）模型，模拟了在“水定地”政策下的土地调节过程，并结合三种社会经济发展情景：自然发展（ND）、经济发展（ED）和生态保护（EP）进行分析。研究还引入了一种基于洛伦兹曲线和基尼系数的空间均衡评估方法，用于衡量水与土地资源的空间协调性，并采用耦合协调度（CCD）指标分析各情景内部因素之间的协同关系，同时利用标准差椭圆（SDE）方法预测未来趋势。结果表明，在三种情景下，水与土地资源的基尼系数依次为EP（0.2409）< ND（0.2680）< ED（0.2909），而耦合协调度（CCD）则依次为EP（4381）< ND（0.4848）< ED（0.5145）。这些结果表明，生态保护情景最有利于实现水与土地资源的空间均衡发展。然而，水资源丰富度和水资源利用效率的重心向东西方向移动，并且向西南方向扩展，这在最适宜的生态保护情景下也加剧了空间不平衡。因此，推动黄河流域西部地区的水资源开发，提高东部地区的水资源利用效率，成为实现区域协调发展的重要措施。本研究构建的框架不仅能够识别最优的发展情景，还为资源管理决策提供了有力支持。

黄河流域作为中国重要的经济和生态区域，其水资源的稀缺性与土地资源的利用问题日益突出。随着气候变化的加剧和人类活动的扩展，水与土地资源之间的供需矛盾不断加深，导致了区域内的资源竞争和使用效率下降。黄河流域的自然径流量仅占全国总淡水资源的2%，但该区域却支撑了全国7%的GDP、提供了15%的耕地灌溉以及养育了9%的人口。这表明，黄河流域在国家整体发展中占据着重要地位，但其水资源的紧张状况也带来了严峻的挑战。水资源短缺不仅影响农业生产和工业发展，还对生态环境造成威胁，进一步加剧了资源可用性的不平衡。因此，探索水与土地资源的空间均衡及其关键影响因素的作用机制，对于确保区域可持续发展和提升资源利用的整体效率具有重要意义。

空间均衡研究的核心目标是实现水与土地资源的最优配置。为了优化资源配置，已有研究主要采用两种模式：土地决定水资源和水资源决定土地资源。在水资源决定土地资源的模型中，通常认为水资源是制约土地利用的关键因素，从而对土地资源的配置产生影响。为此，研究者提出了多种优化方法，如动态规划、系统动力学（SD）模型、基于斑块生成的土地利用模拟（PLUS）模型，以及遗传算法（GAs）等优化算法。通过结合这些方法，可以显著提高模拟的准确性，并提供可靠的优化方案。然而，以往的研究多集中在评估和模拟在水资源约束下的土地利用模式变化，往往忽略了资源使用的可持续性和水与土地之间动态关系的变化，这在一定程度上限制了对土地资源消耗的理解，也阻碍了协调管理水资源与土地资源的有效策略制定。

空间均衡及其影响因素的变化受到自然生态过程和人类活动的共同作用。这意味着，研究需要同时考虑过去和当前的因素，并预测不同社会经济发展路径下未来空间均衡的变化。然而，目前的研究主要集中在历史背景的分析，对未来空间均衡的预测研究相对不足。一些研究基于预设的参数轨迹来预测未来的发展情景，但往往忽略了现实中的约束条件，特别是水资源的可获得性。此外，这些研究通常提出单一的“最优”策略，而没有分析不同情景之间的权衡关系，也没有探讨影响因素对空间均衡的协同效应。值得注意的是，区域内部存在显著的异质性，因此单一的最优情景难以满足不同子区域的决策需求。因此，进一步分析不同情景下驱动因素之间的协调关系，对于制定适应不同区域背景的发展策略至关重要。

为了解决这些问题，本研究以河南省黄河流域（YRH）为案例进行分析。我们采用了模型耦合的方法，构建了SWAT–SD–PLUS框架，用于模拟以水资源为导向的土地利用变化。此外，我们利用洛伦兹曲线和基尼系数来评估不同情景下水与土地资源的空间均衡状况，并通过耦合协调度（CCD）指标分析各情景内部因素之间的协同关系，从而识别出最优的发展策略作为决策的参考依据。我们还应用了标准差椭圆（SDE）方法，分析影响未来空间均衡的关键因素的变化轨迹，以便预测可能的趋势。与以往的研究相比，我们更关注在不同发展路径下水与土地资源动态空间均衡变化的历史演变和未来趋势，同时分析平衡结果与影响因素之间的协同关系。本研究的关键目标包括：（1）利用水文和系统动力学模型评估未来供需平衡，建立水资源数量约束；（2）通过模拟不同发展情景下的土地利用结构，评估水与土地约束共同作用下土地利用的变化；（3）进行空间均衡分析，确定未来最适宜的发展情景；（4）分析影响水与土地资源空间均衡的因素变化轨迹及其在不同情景下的协同关系。

研究区域概况显示，YRH地区覆盖了八个主要城市，包括三门峡（SanMX）、洛阳（LuoY）、济源（JiY）、焦作（JiaoZ）、郑州（ZhengZ）、新乡（XinX）、开封（KaiF）和濮阳（PuY）。其地理范围大致位于东经110°21′至116°39′之间，北纬33°55′至36°22′之间（图1）。YRH地区属于大陆性季风气候，年平均降水量为630毫米，降水从西向东逐渐减少（图1）。该地区是重要的经济区域，水资源的分布和土地资源的利用对于区域发展具有深远影响。同时，该地区也面临着生态环境保护的压力，因此，如何在经济发展与生态保护之间找到平衡，成为当前研究的重要方向。

在模型的校准和验证过程中，我们依据华阳水库和艾山两个水文站的数据进行评估。敏感性参数详见附录表2，而径流过程如图4所示。在月度时间步长下，华阳水库站的校准结果中，R2、NSE和Re分别为0.90、0.88和10.21%；艾山站的校准结果中，R2、NSE和Re分别为0.91、0.85和13.82%。在验证阶段，这些指标的数值进一步验证了模型的可靠性。校准和验证的结果表明，SWAT模型能够较为准确地模拟水文过程，从而为后续的土地利用分析提供了坚实的基础。此外，模型的参数调整也表明，不同情景下的水资源和土地资源变化可以通过模型进行有效模拟，为决策者提供了科学依据。

在讨论部分，我们指出，在黄河流域的生态保护和高质量发展目标背景下，社会经济的发展对水资源和土地资源的管理提出了新的要求。这些要求促使了水资源与土地资源供需之间的矛盾不断加剧。为了应对因社会经济发展与水资源和土地资源可获得性不匹配而导致的空间不平衡问题，我们需要采取更加科学和系统的管理措施。这不仅包括优化水资源和土地资源的配置，还涉及对区域内部不同因素之间的协同关系进行深入分析。通过构建综合性的SWAT–SD–PLUS框架，我们能够更全面地评估不同发展路径下水资源和土地资源的动态变化，为实现区域协调发展提供理论支持和实践指导。

在不确定性分析中，我们指出，本研究模型的不确定性主要来源于土地利用管理的约束条件和模型耦合的局限性。土地利用的约束条件是通过政策文件直接识别的，这些文件明确了未来规划或边界限制，有助于减少模型的不确定性。水资源数量的约束则需要通过模拟进行分析，其中水资源的生产由SWAT模型模拟，水资源的消耗则由SD模型模拟。为了支持集成的水资源管理，我们需要对模型的不确定性进行系统分析，以确保研究结果的科学性和可靠性。通过分析模型的不确定性来源，我们能够识别出影响研究结果的关键因素，并提出相应的优化策略，以提高模型的适用性和准确性。

研究的结论表明，通过构建的SWAT–SD–PLUS框架，我们对三种发展情景下的未来水与土地资源空间均衡进行了分析。随后，我们应用标准差椭圆（SDE）方法，探讨了这些指标在三种情景下的空间变化。研究结果不仅为黄河流域未来土地利用的发展方向提供了参考，还揭示了影响水与土地资源空间均衡的关键因素。通过分析这些因素，我们能够更好地理解水资源与土地资源之间的相互作用，并为区域协调发展提供科学依据。此外，本研究还强调了在不同情景下，影响因素之间的协同关系，这对于制定适应不同区域背景的发展策略具有重要意义。

本研究的作者贡献部分显示，Fan Xia负责撰写原始稿件、方法论、形式分析、数据管理、概念设计；Hui Guo负责撰写原始稿件、可视化、验证、方法论、资金获取、概念设计；Yu Wang负责撰写审阅与编辑、可视化、方法论、调查；Dengming Yan负责资源、调查、资金获取；Chen Yang负责监督、调查；Fang Wan负责方法论、数据管理；Libin Yang负责监督、调查；Xiaoqing Cao负责验证。这些分工体现了研究团队在数据收集、模型构建、分析和决策支持方面的协作，确保了研究的全面性和科学性。此外，研究团队还强调了在不同情景下，影响因素之间的协同关系，这对于制定适应不同区域背景的发展策略具有重要意义。

本研究的成果表明，通过综合性的模型构建和分析方法，我们能够更准确地评估不同发展路径下水与土地资源的空间均衡变化，为区域协调发展提供科学支持。研究不仅揭示了水资源和土地资源之间的供需关系，还分析了影响这些关系的关键因素，为政策制定者提供了有价值的参考。此外，研究结果还表明，在生态保护情景下，虽然水与土地资源的空间均衡度较高，但区域内部的水资源分布和利用效率仍然存在显著的不均衡现象，因此，需要在不同区域之间采取差异化的管理措施，以实现资源的合理配置和高效利用。这些发现对于推动黄河流域的可持续发展具有重要意义，同时也为其他类似区域的研究提供了借鉴。