本研究以长江中游特大城市武汉为研究对象，针对快速城市化背景下水资源安全、碳存储与经济社会发展的协同难题，创新性构建了系统动力学（SD）与生态系统服务评估模型（InVEST）耦合的水 - 碳 - 经济（WCE）系统框架。通过量化水安全指数（WSI）、碳封存指数（CSI）和绿色经济社会发展指数（ESI）三大核心指标，评估 2011-2020 年 WCE 系统的历史演化与协调状态，并设置基准、高城市化、生态保护、低碳绿色四种未来情景（2021-2030），最终识别最优可持续发展路径，为长江流域同类城市的综合规划提供科学工具。

历史演化特征（2011-2020）

WCE 系统呈现 “水 - 经济提升、碳存储下滑” 的显著权衡（图 5）。WSI（水安全）提升 54.60%，主要得益于用水需求下降 14.5% 和水资源管理效率改善；ESI（绿色发展）提升 14.05%，驱动因素为资源利用效率、经济增长质量和环境治理水平的进步；但 CSI（碳封存）骤降 64.59%，核心原因是城市扩张导致耕地、湿地向建设用地转化，其中耕地转建设用地对碳损失的贡献达 64.1%（图 7），碳损失热点集中在东湖、蔡甸、新洲等区域。

系统协调状态

WCE 系统协调度从 0.45 提升至 0.68，但演化呈波动特征（图 9），2019-2020 年因高强度土地扩张显著下滑；核心约束发生关键转移 ——2016 年前以水资源压力为主，2016 年后转为碳存储不足，反映武汉从 “规模扩张” 向 “质量发展” 转型的核心矛盾。

模型验证与情景模拟

耦合模型验证效果良好，关键指标模拟相对误差控制在 ±15% 内，能有效捕捉系统动态变化；未来情景模拟显示（图 10），低碳绿色情景（S3）表现最优，协调度稳定在 0.8 以上，2026-2028 年可达 0.95 的高度协调状态；高城市化情景（S1）协调度持续下滑至 0.65-0.80，生态保护情景（S2）虽短期协调度较高但波动较大，长期可持续性不足。

关键图表核心信息：

https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.113893