食品-能源-水（FEW）综合体系的概念最早可追溯到20世纪70年代的石油危机时期（Robinson, 1973），它强调了能源、水和食品生产之间的相互依赖性，解决了这些关键资源短缺的问题（Rathore et al., 2025; Francisco et al., 2023）。自2011年波恩综合体系会议（Butare, 2016）以来，近300个组织共同发起了FEW综合体系的相关倡议，大量研究致力于从地方（Sun et al., 2025）到全球（Liu et al., 2018）不同规模的FEW综合体系建模和优化（Abdelatif and Djiar, 2025; Mao et al., 2024）。这一框架已发展到包括碳排放（Wang et al., 2024a）和气候变化因素（Herrera-Franco et al., 2023），认识到资源生产、分配、消费和温室气体排放之间的相互关联性（Mishra et al., 2025; Lv et al., 2025）。通过将碳排放纳入FEW综合体系，FEWC综合体系（Wang et al., 2025a, 2025b）方法能够提供更全面的资源挑战解决方案，解决资源利用与气候变化缓解之间的复杂关系。中美食品-能源-水系统创新合作项目（Prieto and Scott, 2022）得到了美国国家科学基金会和中国国家自然科学基金会的支持，进一步展示了两国通过联合研究应对环境挑战的决心，该项目共获得了20多项研究资助（Yao et al., 2020; Xu, 2023; Qin et al., 2023; Wang et al., 2024b）。在此基础上，迫切需要开发针对沿海地区独特挑战的综合性解决方案。
沿海地区在FEWC综合体系中面临严峻挑战（Qu et al., 2024），这些挑战因气候变化（Dickson et al., 2007）和人类活动压力增加（López y Royo et al., 2009）而加剧。在美国，加利福尼亚州、大西洋沿岸各州和墨西哥湾沿岸地区，淡水短缺问题日益严重（Chang and Bonnette, 2016），粮食安全问题突出（Lengnick, 2015），同时面临海平面上升和飓风、干旱等极端天气事件的威胁（Abdelhafez et al., 2021）。这些问题并非美国独有，世界上许多其他沿海地区也面临类似的挑战，包括严重的淡水短缺（Chen et al., 2016）和农业用地盐碱化（Corwin, 2021）。虽然大规模土地复垦有助于缓解土地短缺问题（Wang et al., 2014），但同时满足当地淡水需求和农业能源需求仍十分困难。
海浪能淡化技术被视为解决沿海地区淡水短缺问题的有前景的方法。鉴于反渗透海水淡化技术可靠性较高但能耗较高（Pankratz et al, 2016），人们一直在努力优化能源成本（Avlonitis et al., 2003）或使用可再生能源为淡化厂供电（Abdelkareem et al., 2018）。与其他可再生能源（如风能和太阳能）相比，海洋能源的能量密度更高，在全球80,000公里的海岸线上可超过30千瓦/米（Veerabhadrappa et al., 2022）。此外，海水易于获取，使得海洋能源成为反渗透淡化的理想选择（Franzitta et al., 2016a）。迄今为止，已经有许多海浪能淡化系统被建模和测试。Hicks等人提出了DELBUOY系统（Hicks et al., 1988），该系统利用波浪驱动的浮筒、线性泵和反渗透膜来生产饮用水。Folley等人开发了一个海浪能淡化系统的数值模型（Folley et al., 2008），并进行了水生产成本分析（Folley and Whittaker, 2009）。Bacelli等人提出了一种用于调节反渗透压力的预测控制器，以防止膜损坏并提高系统效率（Bacelli et al., 2009）。Hopkins等人推导出了一种分析模型，用于抑制海浪能淡化系统中的压力波动，提出了具有成本效益的系统组件解决方案（Hopkins et al., 2014）。Yu等人通过数值模型进一步研究了海浪能淡化技术，表明波浪引起的能量波动显著影响水压、流量、回收率和水质（Yu and Jenne, 2018）。最后，Brodersen等人结合海洋能和批处理反渗透技术，使用MATLAB和Simulink模拟了波浪能转换器、能量采集系统和淡化负载的动态变化（Brodersen et al., 2022）。
尽管海浪能淡化技术在解决淡水短缺问题方面显示出潜力（Franzitta et al., 2016b），但现有研究往往将海浪能系统、淡化技术和沿海农业视为独立领域，而非一个综合体系。一些研究探索了其他替代能源，如生物质能（Abdali et al., 2021）以及太阳能（Guan et al., 2020）、风能（Hanes et al., 2018）和水电（Temel et al., 2023），并分析了它们的潜在应用。此外，使用替代可再生能源的综合模型还研究了决策过程的各个方面，包括土地利用模式（Moghadam et al., 2023）、灌溉方法（Zhu et al., 2023）和基础设施规划（Leung Pah Hang et al., 2017）。然而，目前尚无研究通过统一的多目标优化方法评估海浪能淡化技术如何同时解决多个沿海挑战——盐碱土壤改良、作物生产优化和碳管理。这一空白至关重要，因为沿海地区面临的多重压力需要综合考虑粮食安全、水资源可用性、能源生产和环境影响。
本研究通过开发一个综合的海浪能驱动的食品-能源-水-碳（FEWC）综合体系优化框架，来解决这一问题，如图1所示。该工作的创新贡献包括：（1）将海浪能收集、反渗透淡化、盐碱土壤改良和作物生产整合到一个统一的系统模型中，捕捉这些组成部分之间的相互关系；（2）开发一个多目标优化框架，同时评估海浪能驱动沿海系统的粮食安全、环境可持续性和经济可行性；（3）通过系统优化波浪能转换器阵列大小和作物分布模式，展示海浪能淡化在沿海资源分配和农业规划中的战略作用。
第2节对综合系统进行了建模，包括海洋能收集、反渗透淡化、盐碱土壤改良、作物生产、碳排放和碳封存。第3节开发了一个多目标优化框架，以评估该系统在粮食安全、环境和经济方面的影响。第4节使用FEWC综合体系指标优化系统组件，包括波浪能转换器阵列的大小和当地作物分布，并以美国弗吉尼亚州的案例研究展示了该系统的巨大潜力。优化结果表明，高效利用海浪能淡化技术和合理组织农业活动可以同时提升当地农业经济效益，并增强对淡水短缺和粮食危机的抵御能力。第4节还进行了敏感性分析，第5节总结了研究工作和主要发现。
系统建模
系统建模
综合的海浪能驱动FEWC系统包含多个组成部分，如海洋能收集、反渗透淡化、盐碱土壤改良、作物生产、碳排放和碳封存（图2）。海洋波浪能通过波浪能转换器转换为动力，用于驱动反渗透海水淡化，产生的渗透液用于改良盐碱土壤和灌溉农作物。
多目标优化模型
多目标框架能够整合各种组成部分及其相互作用，以解决社会经济进步与资源限制之间的内在矛盾（图4）。这些模型的构建包括以下阶段：（1）为目标函数和约束条件制定数学表达式；（2）使用评估标准评估优化策略。
案例研究
海浪能驱动FEWC系统的四个子系统（海洋能收集、反渗透淡化、盐碱土壤改良和作物生产）都有明确的定义，但当针对不同地点时，综合系统的最佳条件可能会有所不同。本文以美国弗吉尼亚州沿海地区的Mathews县为例进行了案例研究（图5）。
结论
本研究提出了一种创新的海浪能驱动的食品-能源-水-碳（FEWC）综合体系，旨在解决沿海地区面临的重大资源挑战。通过利用海浪能驱动反渗透淡化技术生产淡水，用于土壤改良和作物生产，该系统为提高沿海地区的农业经济效益和可持续性提供了解决方案。
本文开发的综合建模框架已得到应用
CRediT作者贡献声明
Xian Wu：撰写初稿、可视化、软件开发、方法论研究、概念化设计。Xiaofan Li：方法论研究、形式化分析。Jia Mi：可视化处理、数据调查、概念化设计。Ryan Stewart：撰写内容审核与编辑、可视化处理、方法论研究、数据调查、形式化分析。W. Lee Daniels：撰写内容审核与编辑、方法论研究、资金筹集。Bill Staby：撰写内容审核与编辑、可视化处理、数据验证、资源协调、方法论研究。Lei Zuo：撰写内容协助
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了美国国家科学基金会的资助（资助编号：2246608）。
