引言
水资源短缺是全球可持续发展面临的关键挑战，特别是在干旱和半干旱地区 (Liang et al., 2020)。这些地区生态系统本征脆弱，并因持续的气候变化而进一步受损。它们通常面临水资源禀赋有限和水资源分布严重的时空不均 (Jia et al., 2024)。不断加剧的社会经济需求激增与生态维护最低流量需求之间的矛盾制约了区域增长，威胁着生计安全和环境稳定 (Zhao et al., 2024)。因此，在严格的总量控制下优化水资源的公平高效利用已成为国际水资源界的首要任务 (Cheng et al., 2025)。这些努力对于维持区域稳定、保障粮食供应和巩固生态屏障至关重要 (Wang et al., 2025)。
作为中国西北地区典型的干旱内陆河流域，黑河流域 (HRB) 的水文健康对河西走廊绿洲及区域生态安全屏障的稳定性至关重要 (Zhang et al., 2025b)。然而，黑河流域严重缺水，人均水资源量远低于全国平均水平 (Bao and Fang, 2007)。这使得该流域成为资源型缺水的典型代表 (Han et al., 2025)。历史上，中游地区集约化的农业灌溉和不断扩大的城市需求侵占了下游生态需水 (Sun, 2017a)。这导致了一系列环境退化问题，包括尾闾湖泊萎缩和天然植被退化 (Zhang et al., 2025a)。因此，水资源短缺构成了制约流域内社会经济可持续发展和生态安全的主要瓶颈 (Zhang et al., 2006)。在此背景下，精准的水资源分配研究成为关键优先事项 (Zhang, 2009)。这种研究对于协调社会经济增长与生态可持续发展的竞争需求至关重要 (Zhou et al., 2024)，最终支持黑河流域可持续发展目标的实现 (Wang et al., 2024)。
全球范围内已开发出广泛的水资源分配理论和方法论框架 (Song et al., 2024)。早期研究主要集中于根据个别经济或社会目标进行分配 (Luo et al., 2024)。在可持续发展日益受到重视的推动下，研究转向多目标协调，建立了“经济-社会-生态”权衡框架 (Li et al., 2025)。该框架常被整合到系统动力学 (SD) 模型中以捕捉复杂系统内的反馈机制，同时利用多目标优化 (MOO) 算法推导帕累托最优解集 (Han et al., 2025)。就分配逻辑而言，主流方法通常将生态、农业、工业和居民需求视为并行部门。这些部门在总量控制下通过“正向分配”过程获得用水，通常通过预设权重或约束进行管理 (El Fartassi et al., 2025)。虽然这些研究为理解分配机制提供了坚实基础，但现有研究在应对独特的干旱内陆河流域面临的复杂挑战方面显示出局限性，随着水约束趋紧和发展目标多元化 (Xifeng et al., 2023)。
第一，尽管生态流量需求越来越多地被作为硬约束、优先目标或最低环境流量阈值纳入水资源分配模型，但其实施通常基于外生规定的生态需水 (Wang et al., 2023b)。这种方法对于保护预设的生态流量需求是有效的，但并不总能明确建立流域尺度生态健康目标与社会经济用水上限之间的定量联系。特别是，相对较少的研究关注将空间分异和分级的生态恢复目标转化为下游生态需水、关键控制断面需要的下泄量，以及最终可分配给上游或中游社会经济的供水量 (Liu et al., 2025)。因此，需要一种目标驱动的逆向推导框架，这并非要取代现有的生态优先分配方法，而是要加强生态状态目标与用水边界之间的联系。第二，许多分配研究通过有限数量的独立定义情景来评估水文条件或生态保护水平。然而，水文变率和生态保护雄心共同决定了可行的用水边界。结合多种水文年份类型和分级生态保护目标的水文-生态情景空间，可以揭示在不同缺水程度和生态风险水平下分配可行性和管理权衡如何变化，从而提高分配策略在气候和水文不确定性下的适应性 (Han et al., 2025)。第三，不同水源的综合贡献和约束并不总是在一致性的分配框架内得到体现。节水措施、有效降雨、地表水可利用量、跨流域或调节供水以及地下水开采限额可能分别处理，难以识别它们对分配可行性的联合影响 (Yan et al., 2022)。此外，地表水输送和地下水抽取相关的能源碳排放通常被视为环境后果进行评估，而不是在生成解决方案时予以明确考虑。将这些水源特定过程、地下水开采红线和碳排放效应整合到多目标优化中，可以对替代分配方案产生的资源、生态和环境后果进行更全面的评估 (Ji et al., 2025)。
为弥补这些空白，本研究开发了针对黑河流域 (HRB) 中下游的生态优先、情景约束的多目标水资源分配框架。该框架做出了三项主要贡献。首先，它整合了下游分层生态恢复目标与水文变率，构建了九个水文–生态情景边界，从而将生态优先转化为对中游水资源可利用量的明确约束。第二，它结合地方部门用水指标、独立估算的有效降雨、灌溉节水措施以及区域地下水开采限额，在优化前进行情景可行性筛选。第三，它将生态–社会–自然效益转换和多准则评估模块与NSGA-Ⅲ相结合，以量化可行情景空间内综合用水效益、分配相关碳排放和缺水风险之间的权衡关系。本研究并未提出一种普遍适用的优化模型，而是为黑河流域提供了特定的决策支持框架，并为其他具有类似生态–社会经济水冲突的干旱内陆河流域提供了可迁移的方法论见解，前提是重新校准当地生态阈值、水文条件、用水标准和地下水管理约束。
