面向跨流域调水工程的供水–水电发电–环境保护关联系统的动态反馈驱动建模与协同优化

《Environmental Modelling & Software》：Dynamic feedback-driven modelling and synergistic optimization of the water supply–hydropower generation–environment conservation nexus with inter-basin water diversion projects

　　## 摘要- 一个反馈驱动的建模框架集成了五个SHE纽带模块。- 形状因子将优先级调整为表现不佳的子系统。- 一个几何目标捕捉了跨流域调水条件下的协同效应。- 反馈机制增加了65个高协同月份，并提高了环境满意度。- 调水将生态压力转移到了源头水库。## 引言由于全球气候变化和人类活动加剧带来的压力，水资源利用的约束已成为制约社会经济可持续发展的关键挑战（Cooley et al., 2021; Ravinandrasana and Franzke, 2025）。供水、水力发电和环境保育是水资源利用的三大主要功能，三者之间构成了供水—水力发电—环境保育（SHE）纽带（Chung et al., 2021; Wu et al., 2023; Wang et al., 2025）。理解SHE纽带并协调这三个子系统将有助于提高水资源利用效率。因此，模拟SHE纽带并优化三个子系统之间的权衡对于实现社会经济的可持续发展至关重要。在模拟SHE纽带方面已投入大量努力（Qiu et al., 2021; Wu et al., 2021; Zeng et al., 2023; Yang et al., 2023）。各种基于过程和集成的模型已被用于表征水文、能源和社会经济过程，以及纽带各组成部分之间的相互作用和反馈（Liu et al., 2022; Lin et al., 2019; Daher and Mohtar, 2015; Vinca et al., 2021）。系统动力学模型（Harms et al., 2023）和系统之系统模型（Iwanaga et al., 2021）进一步为模拟纽带演化和反馈提供了系统层面的方法（Wu et al., 2023）。然而，直接将子系统性能的变化与社会经济响应及水资源管理决策联系起来仍然困难。在水库调度和跨流域调水条件下，这一问题更加突出。水资源时空分布不均（Peng et al., 2020）和水资源供需失衡日益加剧（Siddik et al., 2023），使得水库调度和跨流域调水项目（IWDPs）的重要性日益凸显，这些项目可以显著重塑SHE纽带（Wild et al., 2021; Wang et al., 2025）。因此，有必要在SHE纽带建模中显式地表征子系统性能、社会经济响应以及水库和IWDP运行之间的时变反馈。多目标水库优化为平衡相互竞争的水需求提供了重要工具（Pe?uela et al., 2021; Wu et al., 2023）。这些模型旨在协调多个相互竞争的目标，并通过优化算法寻求权衡（Sahraei and Asadzadeh, 2021）。然而，这些模型通常将各子系统视为相对独立，未能捕捉其复杂的非线性相互作用。为解决这一局限性，协同效应已被引入水库运行研究中（Huang et al., 2004; Pereira-Cardenal et al., 2016）。协同理论指出，复杂系统可以通过内部子系统之间的非线性相互作用，在序参量的控制下从无序演变为有序（Haken, 2004; Haken, 2006）。因此，运营努力应从单纯分配水资源以最大化总效益，转向通过识别和优先确定利益（即序参量）来引导系统进入协同有序状态。在协同优化框架方面，已在目标协同量化（Griffith and Koch, 2014）和多智能体利益协调（Yang et al., 2009）方面取得了显著进展，为复杂水资源系统的综合管理提供了更强大的框架。然而，对于带有IWDPs的水库群协同运行，仍存在两个挑战。首先，一些现有框架依赖于静态权重或预设的协同规则（Zhang et al., 2020; Jin et al., 2021），限制了其根据不断变化的子系统性能调整运行优先级的能力。第二个挑战是如何将跨流域调水纳入协同目标，考虑到现有协同度量的局限性。跨流域调水与内部SHE运行之间的复杂相互作用构成了一个更高维度的协同问题。这种维度扩展使得低维度的几何类比（例如使用面积表示目标）不再适用（Jin et al., 2021）。需要一种新颖的高维表征方法来刻画这些多维权衡和整体系统协同效应。为应对这些挑战，有必要开发一种序列化的模拟—反馈—优化结构，并配备扩展的几何协同目标。运行结果反馈用于更新后续系统状态，而汇总的子系统性能则调整下一决策周期的优化优先级。本研究旨在为带有IWDPs的水库群SHE纽带开发一种具有动态反馈机制的协同优化框架。研究框架和方法在第2节中介绍，用于评估所提框架的案例研究在第3节中详细说明。第4节涵盖结果与讨论，第5节得出结论。## 章节片段### 研究框架为模拟包含水库和IWDPs、具有多环路和时变因素反馈的SHE纽带系统，提出了一种多模块耦合的模拟框架。该框架由五个模块组成。第一个模块使用分布式水文模型在多个时间和空间尺度上模拟水文过程。第二个模块评估生态流量，并使用一种既考虑……的既定方法确定多级生态流量标准。### 研究区域汉江作为长江最大的支流，在中国经济发展和生态环境中发挥着重要作用（Xia et al., 2020）。汉江流域（HRB）的流域面积约为159,000平方公里。其干流上有一级由15座水库组成的梯级，起始于黄金峡水库。这些水库在防洪、供水、水力发电和生态保护方面发挥着重要作用（Liu et al., 2018）。黄金峡……### VIC模型的率定与验证研究流域的VIC模型配置、率定和验证在Wang等（2025）的先前工作中已有详细说明。本研究保留了预率定的模型参数，并将径流模拟期延长至2024年，以为耦合建模框架提供水文输入。径流模拟包括预热期（1972-1975）、率定期（1976-2005）、验证期（2006-2013）和延长期（2014-2024）。图S1展示了观测和模拟的月径流。### 结论本研究开发了一种动态反馈驱动的建模框架，用于带有跨流域调水项目（IWDPs）的水库系统中供水—水力发电—环境保育（SHE）纽带的协同优化。该框架集成了水文模拟、生态流量评估、水质建模、水库运行和系统动力学。一个迭代更新的形状因子将子系统性能和社会经济变化转化为多目标……### CRediT作者贡献声明**Wang Jiaoyang：** 撰写—初稿撰写、方法论、调查研究、资金获取、数据整理、概念构思。**Liu Dedi：** 撰写—审阅与编辑、监督指导、项目管理、资金获取、数据整理、概念构思。**Zhang Yuling：** 撰写—审阅与编辑、方法论。**Zhang Jiayu：** 撰写—审阅与编辑、方法论。**Chen Jie：** 撰写—审阅与编辑、监督指导、项目管理。**Yin Jiabo：** 撰写—审阅与编辑、监督指导、项目……### 未引用文献Moriasi et al., 2007; Nash and Sutcliffe, 1970; Wu et al., 2023; Yang et al., 2024.### 软件与数据可用性SHE-Nexus参考实现（版本1.2.0；2026年首次发布）已公开发布在GitHub上：。受保密协议约束的案例研究数据和参数无法由作者公开发布或重新分发，并已排除在公开软件发布之外。公开可用的数据来源在第3.2节中指明。### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究得到中国国家自然科学基金的资助[资助编号：52379022]。---**作者列表：** Jiaoyang Wang | Dedi Liu | Yuling Zhang | Jiayu Zhang | Shenglian Guo | Lihua Xiong | Pan Liu | Hua Chen | Jie Chen | Jiabo Yin