考虑水资源、社会经济发展与生态环境的集成系统耦合协调优化运行

《Water》：Optimal Operation of Coupling Coordination for the Integrated System Considering Water Resources, Socioeconomic Development, and Ecological Environment

　　

可持续流域管理需要一种综合方法，以考量水文资源、社会经济发展与生态保护之间的相互作用。现有研究主要关注系统发展与耦合协调的评价，对基于优化的调控关注有限。本研究针对考虑水资源、社会经济与生态环境的集成系统开展耦合协调优化运行。首先，构建融合多维度的指标框架以刻画系统绩效，继而应用耦合协调度模型（Coupling Coordination Degree Model, CCDM）评估子系统演化与整体协调性。进一步采用障碍度模型（Obstacle Degree Model, ODM）诊断主导限制因子并确定具调控潜力的可调节变量。最后，在总用水量、绿色生态发展与区域可行性等约束下，建立以最大化耦合协调度为目标的优化模型，并应用非支配排序遗传算法II（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II）获取最优调控方案。结果表明，耦合协调度由0.72提升至0.83（+15.2%）。在所提运行策略下，7个盟级城市的耦合协调度均进一步改善，运行期内平均提升0.007–0.012。优化进一步提升各城市协调性，证实所提框架对可持续流域管理的有效性。该框架支撑黄河流域协调发展与可持续资源管理。

研究背景方面，日益加剧的气候风险与资源约束凸显了水资源供给对维持生态韧性与社会经济发展的重要作用。气候变化改变了水资源时空格局，威胁区域生态安全并挑战人类生产生活。联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）强调高效资源利用与环境保护。黄河流域内蒙古段流经阿拉善盟、乌海、鄂尔多斯、巴彦淖尔、包头、呼和浩特与乌兰察布7个盟级市，主河道长约843.5 km，流域面积约151900 km²，具有水资源稀缺、空间异质性强、社会经济快速发展与生态敏感并存的特征。现有研究多停留于耦合协调评价与障碍识别，缺乏将障碍因子转化为差异化优化运行策略的动态调控框架。为此，研究人员建立了融合系统评价、耦合协调分析、障碍诊断与运行优化的统一框架，以揭示水–社会经济–生态复合系统协调机制，并为黄河流域内蒙古段2001–2025年管理提供科学依据。

关键技术方法上，研究人员以7个盟级市2001–2025年面板数据为样本队列，来源包括《内蒙古水资源公报》《内蒙古环境状况公报》及各市统计年鉴，植被盖度由Google Earth Engine平台基于MODIS的MOD13Q1产品NDVI计算。方法链包含：构建23项指标的多维评价体系，以熵权法（entropy weighting method）客观赋权；采用耦合协调度模型（CCDM）测算水资源、社会经济、生态环境三子系统综合评价值U₁、U₂、U₃及耦合度C、综合发展指数T与耦合协调度D；利用障碍度模型（ODM）按因子贡献率与偏离度筛选各市长时段平均障碍度最高的两类可控指标作为决策变量；以NSGA-II（种群300、迭代100代、决策变量调整区间[?0.1,0.1]）最大化25年平均D，并施加总用水量不变、生态质量指数（Ecological Quality Index, EQI）不低于生态红线、污水处理率与非负等约束，求解各市最优调节比例。

研究结果部分，4.1节评估子系统发展状态显示，2001–2025年七市三子系统评分总体上升但速率各异：社会经济子系统由0.47–0.62升至0.75–0.89，呼和浩特增幅最大（0.49→0.89）；水资源子系统仅由0.49微增至0.53，鄂尔多斯改善相对明显，乌海受限；生态环境子系统由0.45升至0.63，巴彦淖尔与包头2025年达0.67与0.64。区域整体社会经济由0.46升至0.90，生态由0.45升至0.63，水资源由0.49升至0.53，表明水资源禀赋与利用效率是协调提升的关键瓶颈。

4.2节耦合协调度变化分析表明，七市CCD介于0.72–0.83，区域整体由2001年0.63升至2025年0.84，协调等级由初级协调经中级协调达显著协调；2001–2008年缓升，2009–2015年高位波动，2016年后稳定上行，2020年超0.80，但未达高度协调，因社会经济需水与环境压力持续存在。

4.3节决策变量选择中，ODM识别七市障碍因子空间异质显著：阿拉善盟受生活用水（障碍度9.69%）与农业用水（3.93%）制约；乌海受人均水资源（31.11%）与水资模数（30.85%）制约；包头、巴彦淖尔、鄂尔多斯呈“工业发展–资源环境”复合约束，农村人均可支配收入与三产增加值障碍突出，污水与工业废水亦为限；呼和浩特受一产增加值（9.21%）制约，乌兰察布受三产增加值（15.47%）制约。各取障碍度最高且可干预的两指标入优。

4.4节最优运行结果显示，NSGA-II优化后七市CCD均升，均值增幅0.007–0.012：阿拉善盟增0.012最高，巴彦淖尔与乌海各0.011，包头0.010，呼和浩特与乌兰察布各0.008，鄂尔多斯0.007最低；水资源与生态约束强区增益大，能源依赖型鄂尔多斯短期响应弱，证明差异化调控有效且框架鲁棒。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：2001–2025年七市复合系统发展与协调持续提升，区域平均CCD由0.63达0.84，跨初级至显著协调；社会经济指数0.46→0.90、生态0.45→0.63、水资源0.49→0.53，水资源维度滞后成关键约束。障碍因子空间分异明显——阿拉善盟与乌海以水因子为主，包头、巴彦淖尔、鄂尔多斯受工业–资源环境复合限，呼和浩特与乌兰察布受社会经济因子限。基于障碍指标的优化使七市CCD均增0.007–0.012，阿拉善盟最大、鄂尔多斯最小，印证依主导约束施行差异化运行之必要。研究局限含盟市级尺度掩盖市内差异、可控变量有限未全捕获反馈、未显式纳入气候与成本不确定性；未来可细化空间单元、扩充变量反馈、引入情景优化与成本目标。该文发表于《Water》，所提“评价–诊断–调控”框架将ODM障碍直接嵌入NSGA-II目标函数，为水约束流域耦合系统运行提供可量化路径。