基于WFE-C-Cost模型的屋顶光伏农业系统可持续性与韧性评估研究

《Sustainable Cities and Society》：Evaluation of the sustainability and resilience of rooftop agrivoltaics based on the WFE–C–Cost model

　　本文创新性地构建了水-食物-能源-碳-成本（WFE-C-Cost）模型，通过多情景模拟量化评估屋顶光伏农业系统（RAV）的可持续性与韧性。研究以福州为例，发现关键目标情景下RAV可年产4.46×108 kg生菜和1.17×109 kWh电力，实现76.04%蔬菜自给率与13.72%能源韧性，为城市SDGs目标达成提供科学依据。

　　

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Method

本研究开发了评估WFE-C-Cost效益的模型，为量化RAV系统可持续性与韧性奠定方法学基础。评估框架包含三个主要步骤（图1）：(1) RAV空间潜力分析。基于屋顶类型、结构承载力等属性评估屋顶改造潜力，结合GIS技术识别可用屋顶资源。(2) 基于DNDC模型模拟生菜产量，PVWatts工具估算发电量，多情景分析评估可持续性与韧性。(3) 通过"效益自给率"指标综合量化系统韧性水平。

Sustainability Assessment Based on WFE-C-Cost

图5(a)展示单个RAV单元的可持续性评估结果：年径流削减量达16.25毫米，收集雨水10.08立方米，单元年产生355.6公斤生菜，发电4,663千瓦时，避免7.08吨二氧化碳排放。在材料生产阶段，开放式屋顶农业结构成本占比最高（69.8%；图5(b)）。

不同发展目标下WFE-C-Cost效益存在差异（图5(c)）。在政策驱动框架下，2030年关键目标情景（CTS）使RAV系统年产生菜4.46×10⁸公斤，发电1.17×10⁹千瓦时，同时实现1.01×10⁷立方米雨水收集和3.05×10⁶吨碳减排。成本效益分析显示，随着规模扩大，单位效益成本呈现下降趋势，证明RAV具有规模经济效应。

Sustainability and Resilience Levels of RAV

WFE-C-Cost模型评估结果表明，RAV在多个维度呈现显著的可持续性与韧性效益。为凸显其在SDGs框架下的实践价值，将核心指标映射至具体SDG子目标（表4）。面对全球粮食与能源安全挑战，RAV通过耦合蔬菜与能源生产，降低跨境资源依赖，直接贡献于SDG 2（零饥饿）和SDG 7（可负担清洁能源）。雨水管理功能支持SDG 6（清洁饮水和卫生设施），而碳减排效益对应SDG 13（气候行动）。多情景模拟显示，"稳定迁移-稳定生育"人口路径与"既定政策"能源转型情景（SMSF-STEPS）组合获得0.506的综合评分最高，证明政策协同对提升系统韧性的关键作用。

Conclusions

随着全球城市化加速，RAV作为创新型绿色屋顶系统，通过WFE-C-Cost模型的多政策情景评估，揭示了其增强城市资源韧性的潜力。研究方法为绿色基础设施的综合性效益评估提供了新范式，特别在成本内生化与动态情景模拟方面实现创新。结果表明政策导向的规模扩张可显著提升系统韧性，但需关注不同人口与能源路径的交互影响。未来研究可进一步整合社会维度的评估，完善RAV对城市可持续发展的贡献机制解析。