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JH|面向干旱区农业水—粮食—碳—土地—生态—营养纽带管理的模糊区间双层多目标建模方法

2026-06-05 03:25:35

针对干旱农业区水资源紧缺、生态系统脆弱以及粮食与营养安全约束并存的问题，本文基于水—粮食—碳—土地—生态—营养纽带（WONDER nexus）构建了一种不精确双层多目标优化模型，用于农业—生态水资源协同配置。研究首先利用 Google Earth Engine（GEE）提取遥感指标，对灌区不同决策单元（DMU）的灌溉优先级进行识别与排序；进一步构建综合碳汇满足度和生态需水满足度的生态满意度指标；并将灌溉优先级和生态满意度共同纳入含模糊区间可信度约束的双层多目标规划模型，以统筹粮食营养供给、粮食安全、经济发展与生态保护目标，并刻画模糊区间条件下的双重不确定性。以石羊河流域下游民勤县红崖山灌区为例，结果表明，DMU灌溉优先顺序依次为 DMU10、DMU9、DMU4、DMU5、DMU1、DMU11、DMU6、DMU8、DMU7、DMU2 和 DMU3；灌区农业与生态配水比例约为3:1；作物生育期总配水量主要受种植面积影响，其排序为向日葵、玉米、小麦和籽瓜。相较于单层模型，所构建模型在兼顾不同层级决策主体诉求及协调多维纽带关系方面具有更好的适用性和综合优化效果。

研究背景及意义

在干旱农业区，农业既是最大的耗水部门，也是环境压力的重要来源，水资源短缺、生态退化、碳减排压力以及营养安全问题相互交织，给资源配置带来更高复杂性。论文指出，红崖山灌区属于典型内陆干旱灌区，年均降水仅 113.2 mm，年均潜在蒸发量高达 2675.6 mm；目前各类水利工程实际供水量为 2.89 亿 m³，其中农业用水 2.44 亿 m³，占总供水的 84.42%。与此同时，民勤绿洲基础生态配水仅 3400 万 m³，生态缺水仍然突出。

从研究进展看，已有研究已围绕水—粮食、水—能源、水—土地以及水—粮食—碳等纽带关系开展了大量探索，也引入了多目标规划、双层规划和不确定性分析等方法。但现有研究大多侧重粮食产量、经济效益或碳排放中的某一部分，较少同时将粮食生产、营养价值、生态保护和碳汇效应纳入统一框架；此外，对不同空间单元生态差异的刻画及其在灌溉优先配置中的作用，也仍显不足。基于此，论文提出 WONDER 纽带，将水、粮食、碳、土地、生态和营养六个子系统统一纳入研究视角。

本研究的意义在于，它不仅拓展了传统农业水资源优化配置的分析边界，也为干旱区农业—生态用水协同管理提供了更综合的量化工具。论文关注的不再只是“水怎么分”，而是“有限的水如何同时服务于粮食安全、营养改善、生态修复和低碳发展”。这一点对干旱灌区的可持续治理很有现实价值。

研究亮点

该研究的主要亮点在于：

（1）构建了WONDER nexus框架，将水、粮食、碳、土地、生态和营养统一纳入农业水资源配置分析体系。

（2）建立了融合双层多目标规划与模糊区间可信度约束的不精确优化模型，兼顾层级决策博弈与双重不确定性刻画。

（3）提出了基于GEE–RSEI–TOPSIS的灌溉优先级识别方法，并将生态满意度引入配置模型，实现了空间生态差异在资源配置决策中的显式表达。

研究方法

图1. 模型框架。

本研究以石羊河流域下游民勤县红崖山灌区为案例，将灌区划分为11个决策单元（DMU）。基于 GEE 平台提取降水、潜在蒸散发、作物种植面积等遥感数据，并结合 Landsat 8 和 MOD11A2 数据计算 RSEI，进一步构建生态指数（EI），采用 TOPSIS 方法识别不同 DMU 的灌溉优先级。在此基础上，构建双层多目标模糊区间可信度约束规划模型：上层以系统效益、生态满意度和营养水生产力最大化为目标，下层以经济效益和作物产量最大化为目标，约束条件包括水资源可利用量、作物需水、生态需水、最低粮食产量及非负约束等。求解过程中，通过设定不同可信度水平将模糊区间约束确定化，结合 AHP 确定目标权重，并利用最小偏差法实现模型求解，从而获得不同风险偏好下农业—生态水资源协同配置方案。

主要研究结果

图1. 决策单元（DMUs）及供水优先级。

图2. 不同可信度水平下各目标函数的最优值。（a）系统效益与经济效益最大化的目标函数值；（b）生态满意度最大化；（c）营养水生产力最大化；（d）作物产量最大化。

图3. 不同可信度水平下农业与生态水资源配置最优方案。

图4. 不同可信度水平下各决策单元（DMUs）的农业与生态配水结果。注：UBA 表示农业配水上界；LBA 表示农业配水下界；UBE 表示生态配水上界；LBE 表示生态配水下界。

图5. 不同决策单元（DMUs）农业与生态配水的上下界结果（τ = 1.0）

图6. 不同优化模型上下界结果的比较。

研究展望

未来研究可以从以下几个方向进一步拓展：（1）可将研究尺度由单一灌区拓展到更大尺度流域或多灌区联合配置，以验证WONDER框架在不同区域中的适用性。（2）可在现有模糊区间不确定性和双层决策结构基础上，进一步纳入气候变化、市场价格波动和种植结构动态调整等因素，使模型更贴近实际农业系统运行过程。（3）还可结合更精细的作物营养结构和更严格的生态约束，推动农业水资源配置从“保供给”向“保质量、保生态、保韧性”转变。

初审：王光耀

审核：王光耀

排版编辑：殷杰玲

文献推荐人：殷杰玲

参考文献：

Chen J, Wu H, Zhang C, Guo P, Huo Z. An inexact bi-level multi-objective modeling approach for managing agricultural water-food-carbon-land-ecology-nutrition nexus in an arid area[J]. Journal of Hydrology, 2023, 621: 129556. DOI:10.1016/j.jhydrol.2023.129556.

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