SCI期刊：Sustainable Cities and Society
英文题目：Comprehensive resilience evaluation of water resources supply-demand system based on structure-function-operation mechanism under extreme drought
中文题目：极端干旱下基于结构-功能-运行机制的水资源供需系统综合韧性评价
发表时间：2025年7月28日
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scs.2025.106690
💧 研究背景
极端干旱发生频率增加、持续时间延长、影响范围扩大，对区域水资源供需系统（WRSDS）构成严重威胁。加强水资源系统韧性建设，是应对气候变化、实现《巴黎协定》和2030年可持续发展议程的关键举措。中国“十四五”规划明确提出建设韧性流域。然而，现有水资源韧性评估多聚焦于静态结构，忽视了系统内部的动态功能与运行机制，且缺乏有效的空间切入点来指导实践提升。
🎯 研究目的
基于“结构-功能-运行机制”（SFOM）构建水资源供需系统综合韧性（WRSDS-CR）评价指标，引入能值指标弥补传统指标对系统过程描述不足的缺陷；
利用主成分分析（PCA）降维，建立稳健的评价指标体系；
开发模糊综合评价模型量化WRSDS-CR，并首次引入空间计量模型（空间自相关与空间回归）分析其空间分布特征和驱动因素；
以2009–2012年极端干旱期间的云南楚雄州为案例，验证方法的有效性，并提出空间视角下的韧性提升策略。
🧠 研究意义
本研究首次将“结构-功能-运行机制”三维框架与能值理论相结合，构建了水资源系统综合韧性的评价方法，突破了传统评价仅关注结构而忽略过程动态的局限。通过引入空间计量模型，揭示了韧性在县域尺度上的正空间溢出效应（全局Moran‘s I > 0），并识别了关键空间驱动因子——能值产出密度和人口密度对韧性提升贡献最大。研究为区域水资源安全管理、极端干旱防灾减灾以及可持续发展提供了科学依据和可操作的空间调控建议。
🗂️ 研究内容
解析WRSDS的结构（自然结构+社会结构）、功能（生产能力、生活保障、生产效益）和运行机制（自然子系统负反馈、社会子系统正反馈、耦合机制），提出SFOM评价指标构建方法。
结合能值指标（如能值自给率、能值产出密度、环境负载率等）与传统指标，初步建立评价体系，通过PCA筛选冗余指标，得到最终指标体系。
采用AHP-熵权法组合确定权重，基于对立统一理论的模糊综合评价模型计算WRSDS-CR指数（CRI），划分三个等级。
利用全局Moran’s I和局部LISA分析CRI的空间自相关性与集聚模式，通过空间误差模型（SEM）识别空间驱动因素。
以楚雄州2009–2012年百年一遇极端干旱为案例，计算各年及各县的CRI，并分析空间特征。
🌍 研究区概况
楚雄彝族自治州位于云南省西部，面积28438.41 km²，辖8县2市。该区干旱是最主要的自然灾害，年均受灾面积32.1万亩，占耕地7.3%。2010年遭遇百年一遇极端干旱，楚雄市农村缺水人口超20万，受灾面积达20987 km²，占“小春”种植面积的85%。因此，选择该区作为案例具有典型代表性。
📊 数据概况
DEM数据：地理空间数据云。
水文数据：楚雄州及云南省水资源公报（降雨、蒸发、用水量等）。
社会经济数据：楚雄州及云南省统计年鉴（人口、面积、财政投入等）。
旱灾数据：楚雄州水文局。
能值计算参数：参考Lan et al. (2002) 和 Di et al. (2022) 的能值转换率等。
⚙️ 研究方法
SFOM指标构建：从结构稳定性（自然结构、社会结构）、功能完整性（生产能力、生活保障、生产效益）、运行机制可恢复性（负反馈、正反馈、耦合机制）三方面选取初步指标，融合能值指标（如能值自给率、能值产出密度、环境负载率、能值可持续指数等）。
PCA降维：KMO > 0.5且P < 0.05，保留特征值>1的主成分，简化指标体系。
权重计算：AHP获取主观权重，熵权法获取客观权重，组合加权。
模糊综合评价（SFCREM）：基于对立统一理论，计算各指标对各韧性等级的相对隶属度，通过广义权距离和优化准则得到系统对各级的综合隶属度，最终CRI = (c - h(u))/(c-1)，值在0-1之间，越高韧性越好。
空间自相关：全局Moran’s I衡量整体空间相关性；局部LISA识别高-高、低-低等集聚类型。
空间回归：通过LM检验选择空间误差模型（SEM），分析CRI的空间驱动因素。
📈 研究结果
楚雄州整体WRSDS-CR评价（2009–2012）
全州平均CRI为0.300，属II级（中等韧性：结构稳定性弱、部分功能正常、运行机制效率较差）。
结构稳定性CRI为0.564（I级），功能完整性为0.313（II级），运行机制可恢复性为0.210（III级）。运行机制对韧性波动影响最大。
随时间变化：CRI先降后升，与运行机制CRI变化一致；2010年极端干旱最严重时，结构CRI短暂下降后恢复。
各县CRI差异
南华县CRI最高（0.303，II级），干旱受灾面积小。
禄丰市CRI最低（0.191，III级），环境负载率高（社会经济活动强度大，非可再生资源消耗多）。
楚雄市CRI提升最显著（0.222→0.331），抗极端干旱能力增强。
姚安、大姚、永仁三县CRI波动较大，受环境负载率和受灾面积比共同影响。
空间自相关特征
空间驱动因素（以2010年为例，SEM模型）
正向驱动：水资源开发利用率(X₁，系数0.2708)、能值产出密度(X₂，2.4405)、人口密度(X₅，2.2368)。
负向驱动：人均水资源能值利用率(X₃，-0.2415)、工业产出能值比(X₄，-0.1436)、环境负载率(X₆，-0.0799)。
影响最大的是能值产出密度(X₂)，其次是人口密度(X₅)。提高能值产出密度（如调整农业/工业结构，提升水资源贡献率）和通过人口迁移调控密度可显著增强韧性。
💬 主要讨论
能值指标的价值：传统指标难以量化系统过程变化，能值指标（如能值产出密度、环境负载率）综合考虑了物质、能量、货币和信息的流动，有效描述了系统功能和运行机制，使韧性评估从静态走向动态。
空间溢出效应的政策含义：高韧性县（西部“高-高”集聚区）应作为区域水资源管理的“增长极”，通过经验分享、技术辐射和政策协同带动周边。低-低集聚区（元谋、武定）需要跨县域联合治理和生态补偿。
人口密度的双刃剑：在极端干旱时，人口密度适度的地区（如南华）可通过有序移民（历史上有5000人移民案例）降低供水压力，提升区域韧性。人口密度过高会加剧系统脆弱性，但通过迁移可实现正向调控。
与已有研究对比：多数水资源韧性研究仅关注结构（如水利工程、供水管网），本研究揭示了运行机制（正负反馈耦合）的决定性作用（权重0.583），强调了动态调控的重要性。
✨ 创新点
方法论创新：首次提出基于“结构-功能-运行机制”（SFOM）的韧性评价指标构建方法，融合能值指标，突破了传统评价对系统过程描述不足的瓶颈。
空间分析引入：首次将空间自相关模型和空间回归模型应用于水资源供需系统韧性评价，揭示了韧性的正空间溢出效应和关键空间驱动因子。
模糊综合评价模型：基于对立统一理论，构建了能处理非线性、多等级模糊边界的韧性量化模型。
案例代表性：以百年一遇极端干旱为背景，验证方法在极端灾害下的适用性。
⚠️ 不足与展望
技术进步和水利工程影响未量化：系统功能和运行机制受科技、政策等人为因素影响，其作用方向和程度尚难精确刻画。
空间调控方案缺失：虽识别了空间驱动因子，但未提出具体的空间调控措施（如跨区域调水、生态补偿空间配置）及效果模拟。
数据时段局限：仅研究2009–2012年极端干旱期，未涵盖正常年份和不同干旱强度下的韧性对比。
未来方向：纳入更多人类活动变量（如节水技术、水利投资），构建空间调控优化模型，开展多情景模拟和长期时序分析。
📌 总结
本研究针对极端干旱下水资源供需系统韧性评估中“过程描述不足”和“空间切入点缺乏”两大问题，提出了基于结构-功能-运行机制（SFOM）的评价指标构建方法，并引入能值指标。以云南楚雄州2009–2012年极端干旱为案例，利用PCA降维、AHP-熵权组合赋权和模糊综合评价模型，量化了全州及各县的综合韧性指数（CRI）。结果显示：楚雄州韧性为II级（中等），运行机制是韧性波动的主导因素（权重0.583）；南华县韧性最高，禄丰市最低；韧性存在显著的正空间溢出效应，西部县形成“高-高”集聚；能值产出密度和人口密度是提升韧性的最重要空间驱动因子。研究为极端干旱下的水资源管理提供了从系统动态过程和空间协同双重视角的新型评估工具，对建设韧性城市、保障区域水安全具有重要理论与实践价值。
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