黄河流域能源-环境-经济（3E）系统的协同演化模型与仿真

《Sustainable Cities and Society》：The synergistic evolution model and simulation of the energy-environment-economy (3E) system in the Yellow River Basin

黄河流域能源-环境-经济（3E）系统协同演化机制研究，基于协同论与B-L反应机制构建Logistic序参量模型，分析高质量经济（q1）、生态质量（q2）、可再生能源（q3）及不可再生能源（q4）的非线性互动。结果显示q1、q2、q3正向协同驱动系统演化，q4受路径依赖制约；城市间存在阈值效应时空异质性，上游生态优先型、中游能源锁定型、下游经济驱动型特征显著，提出分类治理框架。

　　

赵丹宁|宋燕|严欣然

西安电子科技大学经济与管理学院，中国西安，710126

摘要

黄河流域（YRB）是中国重要的能源基地和生态屏障，其能源-环境-经济（3E）系统中的非线性动态相互作用和阈值效应尚未得到充分理解。由于顺序转换协调机制的不稳定，该系统的演变面临实际挑战。本研究采用协同理论，并结合B-L反应机制，建立了黄河流域3E系统的逻辑顺序转换协调模型。该模型分析了四个关键参数的演变模式和外部效应：高质量经济发展水平（q₁）、生态环境质量（q₂）、可再生能源消费（q₃）和不可再生能源消费（q₄）。通过情景模拟，研究了不同类型城市的协调演变情况。结果表明，黄河流域3E系统的演变主要受到q₁、q₂和q₃的积极协同效应驱动，而q₄的发展受到限制。值得注意的是，优先发展不可再生能源的城市由于路径依赖性，其经济-环境协调性滞后。阈值效应表现出时空异质性。高阈值城市（如定西和平凉）面临系统不稳定的风险，尽管这类城市数量正在逐渐减少。相比之下，低阈值城市（如西安和济南）在所有参数上都表现出稳定发展，且不可再生能源消费逐渐下降，使这些系统能够通过演变实现稳定的协同状态。与上游和下游城市相比，中游城市的共同演变过程较慢，这是由于能源转换和产业单一化的限制。基于此，本研究提出了一个分类治理框架，为解决黄河流域3E系统的协同发展挑战并提供可持续发展提供了理论支持和政策工具。

引言

作为具有全球意义的生态区和经济走廊，大型河流流域的治理一直是可持续发展的焦点（Guan等人，2025年）。全球主要河流流域在平衡经济发展、环境保护和能源安全方面普遍面临复杂的权衡和协同问题。从环境角度来看，水污染和生物多样性丧失等挑战构成了重大威胁。从经济角度来看，资源约束的加剧和工业转型的压力日益明显。在能源领域，传统能源消费模式与绿色低碳发展的需求之间存在根本性冲突。解决能源-经济-环境（3E）系统的协同挑战已成为实现全球主要河流流域可持续未来的关键问题。黄河流域（YRB）作为中国重要的能源富集区和生态屏障具有战略意义（Yu等人，2021年）。它也是促进协调经济发展的关键区域（Zhang等人，2024年；Wang等人，2025年）。然而，其“脆弱的生态基础、明显的经济梯度、以煤炭为主的能源结构”使得3E系统内的矛盾尤为突出。2019年，“黄河流域生态保护与高质量发展”被提升为国家战略，明确要求从顶层设计角度协调生态保护和社会经济发展。因此，黄河流域是研究主要河流流域3E系统协同演变的高度代表性案例。

黄河流域的治理面临三个突出矛盾。首先，经济发展、能源消费和环境保护之间的矛盾日益加剧。以能源密集型产业为主的经济模式导致了资源过度开发和环境污染。传统能源基地的产业惯性严重阻碍了绿色倡议的推进（Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年）。特别是在水资源稀缺的上游和中部地区，能源开采和加工进一步占用生态用水，导致地下水枯竭和土地沙漠化，持续降低环境承载能力。这种冲突不仅增加了绿色转型的经济成本，还延长了生态恢复的时间线并增加了不确定性（Lu等人，2025年）。第二个问题是区域异质性导致的治理效率下降。黄河流域包含不同类型的城市，发展阶段和功能定位存在显著差异。例如，上游的青海-四川段主要承担水资源保护和生态维护功能，经济结构相对单一，增长动力不足。中游的能源丰富地区面临产业锁定效应和路径依赖性，环境治理压力较大。同时，下游地区严重依赖以煤炭为主的能源结构，使得减排与经济增长之间的平衡尤为困难。统一的政策方法无法满足这种多样化的开发需求。第三，政策工具的协同效果不足，现有的治理系统难以有效协调能源转换和经济增长之间的深层矛盾（Tian和Mu，2024年）。尽管环境法规、产业转型政策和生态补偿机制不断多样化，但其实施往往缺乏对系统耦合关系的充分考虑。

现有文献对黄河流域的经济（Zhang等人，2024年）、能源（Ma等人，2024年）、环境（Luo等人，2022年）及其相互关系（Pang等人，2025年；Wu等人，2025年）进行了广泛的实证研究。Wang等人（2023年）还研究了政策对该流域社会、经济和生态维度的影响。关于3E系统的研究主要集中在评估内部协调性和分析时空异质性（Sui等人，2023年）。然而，大多数研究采用静态分析框架，缺乏对系统动态演变趋势的定量探索。此外，城市分类仍受地理限制，忽略了城市的内在发展属性和外部干预特征。因此，解决这三个矛盾的关键在于阐明黄河流域3E系统中的相互作用机制和关键行为，以及不同城市类型中各要素的演变过程。

基于协同理论并结合Belousov-Liebhafsky（B-L）反应机制，本研究旨在为黄河流域的3E系统构建一个逻辑序参量协同模型。它将分析2010年至2022年间黄河流域九个省和地区100个地级城市的3E系统内部参数和外部阈值的区域差异。在此基础上，将从三个角度对不同类型城市的3E系统进行情景模拟：内部参数、外部阈值和地理位置。这将为实现流域3E系统的协同进步提供具体的优化策略。本研究有三个主要贡献：首先，它描绘了黄河流域3E系统的协同演变过程，并通过情景模拟揭示了“可再生能源、不可再生能源、环境、经济”四元序参量的相互作用模式和演变路径。与以往文献相比，这种方法不仅超越了仅计算3E系统耦合协同程度的局限，还全面反映了系统内的复杂相互作用和动态演变特征。能源被进一步细分为可再生和不可再生两类，并详细讨论了能源消费类型，提供了更真实的描述。其次，本研究构建了一个整合内部要素和外部阈值的3E系统演变模型。与现有研究不同，该模型不仅涵盖了经济、环境和能源作为内部要素之间的非线性关系，还引入了政策支持等外部阈值。这可以为系统演变提供更实用的定量分析框架。第三，考虑到黄河流域城市之间内部参数、外部阈值和地理位置的差异，本研究对3E系统的演变进行了多维模拟。它根据城市在流域内的发展条件对其进行分类，并提出了“针对性政策和动态优化”的治理框架。该框架充分考虑了黄河流域内的多样化情景、内部和外部差异以及地理异质性，有助于解决研究异质实体之间协同机制的挑战，也为全球主要河流流域的复杂系统治理提供了参考范例。

研究片段

二元系统研究

3E系统包括三个子系统：能源、环境和经济。相关文献最初侧重于研究这些子系统之间的相互关系。经济与环境之间的相互作用是可持续性研究的核心。Grossman和Krueger（1995年）提出了著名的环境库兹涅茨曲线（EKC）。该理论发现环境与经济发展之间存在倒U形关系（Schneiter和Mellon-Bedi，2025年）

黄河流域3E系统的序参量

协同理论主要揭示了一个普遍原则：初始结构→不稳定→新的稳定结构。系统内状态变量和控制参数之间的协同作用驱动原始结构演变为新的稳定配置。

B-L反应作为化学自催化系统中的非线性现象，主要描述了在碘酸根离子和氢离子催化下过氧化氢的分解过程

数据收集与处理

考虑到数据可用性和城市间的可比性，本研究选择了2010年至2022年间黄河流域100个地级城市的统计数据。由于统计年鉴中缺乏数据，因此排除了15个盟和自治州（如阿拉善盟和阿坝藏族自治州），将其视为未研究区域。由于海东市是在

不同内部参数下3E系统演变分析

参考第4.2节中的参数结果，所有城市根据2022年的数据被分为四种类型：经济优先城市、环境优先城市、能源优先城市和协同优先城市。经济优先城市的特征是经济参数较高，但环境和能源参数相对较低，其他类别也遵循相同的分类逻辑。能源参数考虑了可再生和不可再生能源的总和

讨论

本研究构建了一个逻辑序参量共同演化模型，将3E系统抽象为四个具有不同序参量的演化方程，然后进行基于情景的模拟。值得注意的是，生态环境质量序参量结合了生态系统服务的监管和支持功能以及城市热岛效应，弥补了现有研究中生态响应指标的不足。

结论

本研究聚焦于黄河流域3E（经济、环境、能源）系统的协同演变。通过引入协同理论并结合B-L反应机制，构建了一个三维逻辑动态模型，分析了2010年至2022年间黄河流域九个省份（地区）100个城市的数据。该研究系统地研究了高质量经济发展（q₁）、生态环境质量（q

未引用的参考文献

Zhang, Wang和Yan, 2024

CRediT作者贡献声明

赵丹宁：撰写——原始草案。宋燕：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。严欣然：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们与本研究无任何利益冲突。我们声明与提交的工作无关的任何商业或关联利益。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（72173094, 72474168）的财政支持。