在大旱期间，通过供水-需求双重调节机制对经济-社会-生态损失进行能量量化分析

《Ecological Modelling》：Emergy quantification of economic-social-ecological losses under water supply-demand dual regulation during mega-droughts

双方向水资源管理在极端干旱下的损失量化研究，基于 emergy 理论构建经济-社会-生态综合损失评估框架，以2011年楚雄州干旱为案例，测度供应端水源开发及生态破坏成本（4.76×102? sej）和需求端节水社会经济损失（3.58×102? sej），总损失达2.375亿EmCNY，为灾害应对提供科学依据。

　　

郭曦|王维静|吕翠梅|何晨涛|曹倩倩

中国河南省郑州市郑州大学水利与交通学院，450001

摘要

科学量化极端干旱条件下供需双向调节措施造成的损失，是有效应对城市特大干旱并减轻其灾害影响的基础。为了量化极端干旱条件下双向水供需调节对区域生态经济系统的综合损失，本研究引入了能量理论，构建了一个基于该方法的损失量化框架。具体而言，在供应方面，主要考虑了开发潜在水源的成本以及由此产生的生态和环境破坏；在需求方面，则重点关注因水资源短缺导致的社会经济损失以及用水减少所带来的负面生态环境影响。该框架以2011年云南省楚雄州的特大干旱为例进行了应用和验证。研究结果表明，在楚雄州，供应方面的调节成本为4.76 × 10²⁰sej，按能量/货币比率折算相当于13.56亿元人民币；需求方面的水资源限制损失为3.58 × 10²⁰sej，相当于10.19亿元人民币。双向供需调节造成的总经济-社会-生态损失达到了23.75亿元人民币。总之，对双向供需调节下经济-社会-生态损失的量化评估为极端干旱风险评估、政府应急响应规划以及灾后恢复/重建决策提供了科学支持，从而增强了灾害预防和减灾能力。

引言

预计气候变化将在未来几十年显著增加极端干旱事件的频率。其中，大规模、长期且强度高的特大干旱被认为是全球最严重的自然灾害之一（Mishra和Singh，2010；IPCC，2022）。在特大干旱条件下，水需求与供应能力之间的严重失衡使得传统的水资源管理方法显得不足（Jiang、Yan和Jia，2023）。极端干旱会大幅加剧水资源系统的压力。在需求方面，农业灌溉、生态补充和城市应急用水的需求在干旱期间急剧增加，而持续的水资源短缺可能导致农作物歉收、生态系统崩溃和社会不稳定（Wang等人，2025）。在供应方面，干旱会导致河流、湖泊和地下水资源量急剧下降，大幅降低传统水源的供应能力。同时，由于污染物浓度增加，水质可能恶化，进一步减少可用水资源（Watts等人，2012）。面对这种供需之间的极端不平衡，如果没有积极的调节策略，系统可能难以承受灾难性影响。因此，研究特大干旱条件下的水资源调节对于提高社会韧性和保障水资源安全及基本生计至关重要。传统的单向调节模型存在固有局限性：仅依靠增加供应方面的水量可能会遇到工程容量限制，并在特大干旱期间带来巨大的生态成本；而完全依赖限制需求方面的用水可能无法弥补供需之间的巨大差距，从而导致社会经济中断（Lv等人，2020；Eamen、Brouwer和Razavi，2020）。因此，通过双向调节——同时最大化供水量和需求控制——来应对特大干旱下的突出供需冲突和严重水资源短缺问题，以提高区域对极端干旱的韧性并减轻或避免与干旱相关的损失，已成为政府和学术界高度关注的关键问题（Kumar等人，2016；Chae等人，2022；Zhang等人，2024）。

在干旱条件下，虽然增加供应方面的水量可以提高供水能力和可用性，但也会对供水系统造成功能损害并对环境造成生态破坏（Lv等人，2020；Zhang等人，2022；Guan等人，2023）。在需求方面，影响更为直接且负面。现有研究主要集中在量化各个需求领域的缺水损失，而对极端条件下供应方面调节造成的损失关注较少（Singh等人，2021；Tschakert等人，2019；Buck等人，2023）。经济损失的货币化评估已成为干旱损失量化的主要方法，尤其在农业和工业领域较为普遍。这类评估通常使用统计模型、作物模型或投入-产出分析将作物产量减少和工业中断等影响转化为直接经济损失（Zhang等人，2019；Shen等人，2020；Aviso等人，2015；Crowther和Haimes，2005）。在家庭用水领域，研究往往侧重于分析供需缺口（Hamlat、Errih和Guidoum，2013）。一些研究利用遥感指数监测生态系统退化，或应用InVEST模型评估生态系统服务价值的损失（Liu等人，2021；Lu等人，2019）。显然，现有研究缺乏一个能够同时整合经济、社会和生态损失的全面评估框架。此外，干旱对生态和社会系统的影响通常只是定性描述，缺乏精确的定量分析（Zhang、Wei和Li，2021）。在特大干旱情景下，如果不充分考虑供需两方面的经济、社会和生态损失，供水-需求调节策略可能无法达到预期效果（Xiao、Li和Chen，2022）。

在特大干旱条件下，供需两方面的经济、社会和生态损失应包括直接的水资源短缺损失、调节成本以及次级的生态环境损害（Wang、Zhang和Shi，2006；Zhao，2019；Chai、Hu和Peng，2010）。然而，由于经济、社会和生态维度的评估标准不同，传统的货币损失评估难以实现跨领域的多维度综合量化（Rathnayaka等人，2016）。这可能导致干旱应对决策未能充分考虑各种影响，从而导致资源分配不平衡或长期生态风险。因此，本研究引入了能量理论，构建了一个基于双向供需调节的损失量化框架。该框架的创新之处在于将多维度的损失——经济、社会和生态损失——转化为统一的太阳能量，从而提供了一种新的综合跨维度损失评估方法。

2011年，云南省楚雄州发生了特大干旱，为分析极端干旱条件下的双向水供需调节影响提供了合适的背景。因此，本研究选择2011年云南省楚雄州的特大干旱作为案例研究。通过应用上述能量量化框架，系统地评估了极端干旱条件下双向水供需调节引起的多维度损失。此外，该实证案例用于验证该框架的适用性和有效性，从而为制定更加可持续和全面的极端条件下的系统干旱应对策略提供了科学依据。

材料与方法

本研究从供应侧和需求侧的角度量化了极端干旱条件下的经济、社会和生态损失，计算方法如图1所示。该模型包含三个逻辑上逐步推进的核心模块。（1）极端干旱条件下的双向水供需调节模块：基于典型的国内外案例和水资源系统的特点，该模块构建了一套双向

研究区域概述

楚雄彝族自治州位于云南高原中部，东经100°43′至102°30′，北纬24°13′至26°30′，属于典型的季风气候区（图5）。该地区地形复杂，海拔变化显著，气候差异明显，年平均降水量为800–1000毫米，但时间和空间分布极不均匀。受全球气候变化的影响

各子区域综合损失的比较分析

2011年楚雄州各子区域的综合损失严重程度空间分布如图9所示，图10展示了各子区域供需两侧经济-社会-生态损失的比例贡献。

2011年，楚雄州各子区域的供应方面损失排序如下：卢丰 > 楚雄 > 永仁 > 元谋 > 大姚 > 姚安 > 莫定 > 南华 > 五定 > 双柏（图10(a)）。结果表明，卢丰

结论

本研究通过应用生态经济学的能量理论，分析了极端干旱条件下双向供需调节造成的经济、社会和生态损失。在供应方面，主要考虑了开发潜在水源的成本以及生态环境破坏；在需求方面，评估了社会经济性的水资源短缺损失和负面生态影响

作者贡献声明

郭曦：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，正式分析，概念化。王维静：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，资源提供。吕翠梅：方法论，正式分析，数据整理。何晨涛：方法论，调查。曹倩倩：调查，正式分析。