區域水資源-能源-糧食系統耦合協調演化特征研究

畢 博，陳 丹,2，鄧 鵬，張 娣，諸莉燕，張 鵬

(1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，南京 210098)

水資源、能源和糧食作為生產生活的最重要資源，是人類的生存基礎和經濟的發展命脈。這3種重要的戰略資源之間同時也存在相互關聯、制約、依存的關系。聯合國將2012年和2014年世界水日主題分別定為“水與糧食安全”和“水與能源”，充分表明了全球層面對水、能源和糧食關聯關系的高度重視。糧食生產從灌溉到加工，再到配送的各個環節都離不開水和能源，農業部門消耗了全球用水總量的70%，食品行業消耗了全球能源消費總量的30%[1,2]?！敖洕l展需要能源資源和進行產業活動，而它們都依賴于水”[3]，我國20%的用水量消耗在煤炭開采、加工、粉塵控制、火力發電循環冷卻等環節中；此外，我國生物質能源的糧食消耗量依然很大。水資源開發利用的每個步驟都需要能源提供動力，我國的南水北調工程和海水淡化工程正是以電取水的最好例證；與此同時，能源和糧食也會對供水和水質產生重大影響[1]。在全球氣候變化加劇和人口持續增加的大背景下，由于我國新型工業化和城鎮化進程的加速推進，以及我國大部分水資源集中在南方，而農業生產和能源儲備大多集中在北方的特殊水、能源和糧食分布格局。我國淡水資源不斷減少，能源需求不斷增加，糧食供給不確定性愈加嚴重，3者之間的相關性和約束性特征也日益突出。研究水資源-能源-糧食系統的關聯關系和協調發展水平對促進區域可持續發展具有重要意義。

2011年世界經濟論壇發布了《全球風險報告》，首次提出“水-能源-糧食的關聯關系”(Water-Energy-Food Nexus)的概念，并作為當年的3大風險群之一[4]。國外越來越多的研究表明了水資源-能源-糧食整體視角研究對區域可持續發展的重要性[5,6]。國內有關水資源、能源和糧食的研究，集中在3種資源中的兩兩關系，將3者納入同一系統進行研究較少。例如，利用系統動力學(SD)模型對水-能源-糧食系統進行了仿真[7,8]；采用數據包絡分析(DEA)方法分析了水-能源-糧食投入產出效率[10]；從區域可持續發展研究的新視角討論了水-能源-糧食的關聯關系[10]。在水資源和糧食方面，闡明了糧食安全的水資源保障戰略，并歸納出糧食生產-水資源-生態過程的互饋機制[2]；提出了在水資源的剛性約束下保障糧食安全的調控策略[11,12]；構建了水資源生態安全和糧食安全評價指標體系[13]；討論了糧食內部種植結構調整對水資源消耗的影響[14]。在能源和水資源方面，討論了水資源與能源紐帶關系和協同安全發展[15]；運用TIMES-Water模型分析了能源和水資源耦合系統[16]。在糧食和能源方面，分析了食物-能源系統的協調發展水平[17]?，F有研究缺乏對水資源-能源-糧食3者之間的內在聯系和協同演進關系進行定量分析，且研究尺度集中于國家和流域層面，數據的可獲取性和政策的可操作性較低。為此，本文通過構建耦合協調度評價指標體系，并引入耦合協調度模型及計算方法，以遼寧省為研究對象，對2006-2015年水資源-能源-糧食系統的耦合協調關系及其時序演化特征進行了實證分析，以期為區域水資源、能源和糧食的協調可持續發展提供理論依據和參考。

1 研究區域概況

遼寧省位于我國東北地區南部，屬溫帶半濕潤和半干旱的季風氣候區，地貌類型大體呈“六山一水三分田”，是東北經濟區和環渤海經濟區的重要結合部。遼寧省水資源嚴重短缺，人均水資源占有量僅為全國的1/3，各地區年降雨量為400～1 200 mm，由東南向西北遞減。遼寧省土地資源豐富，是全國13個糧食主產區之一，是我國重要的商品糧基地。作為重工業基地，遼寧省基礎工業比重過大，產業結構水平偏低，經濟增長依賴于能源消費，是我國主要的能源消費大省。隨著我國新型工業化、城鎮化進程的加速推進和人口的不斷增長，遼寧省水資源短缺問題日益嚴重，經濟結構變動勢必帶來能源消費和耕地轉換的動態變化，加之全球氣候變化趨勢下農業氣象災害頻發。在這樣的背景下，用科學方法定量研究遼寧省水資源-能源-糧食系統耦合協調關系對實現區域可持續發展具有十分重要的現實意義。

2 研究方法及數據來源

2.1 耦合協調發展的作用機理

在物理學中，耦合是指2個(或2個以上)體系或運動形式通過各種相互作用而彼此影響的現象；耦合度是指各子系統相互作用程度的強弱，不分利弊。協調是指2個(或2個以上)子系統之間一種良性的相互關聯，是系統保持健康發展的保證；協調度是指各子系統相互作用中良性耦合程度的大小，體現協調狀況的好壞程度[18]。耦合協調發展是一種具有整體性、綜合性、多元性、內生性和增益性的發展聚合行為，它追求的是一種齊頭并進、整體提高、全局優化、共同發展的美好愿景[19]。根據相關研究成果[1,4,6]，區域水資源、能源、糧食3者間存在內在聯系和相互作用，耦合協調發展的作用機理見圖1?；谝陨侠碚?，本文將區域水資源、能源、糧食各子系統交互脅迫、相互依賴、彼此影響、協調發展的程度定義為“水資源-能源-糧食系統耦合協調度”，它既反映了各子系統變化發展速度和方向的同步性，也反映了各子系統的綜合發展水平。

圖1 區域水資源-能源-糧食相互作用機理Fig.1 Interaction mechanism of regional water-energy-food

2.2 指標權重確定

主觀判斷法和層次分析法是選擇系統指標權重的常用方法，本文采用熵值賦權法確定評價指標的權重。熵權法通過分析指標間的關聯程度和各項指標信息載量的大小來測算評價指標的權重，是一種客觀賦權方法，在一定程度上規避了主觀因素帶來的偏差，其計算步驟如下。

(1)對指標作比重變換：

(1)

式中：Xil為第i年第l項指標的數值；n為統計年數。

(2)計算指標的熵值：

(2)

k= 1/lnn

式中：k> 0；0 ≤el≤1。

(3)計算指標Xl的權重：

(3)

dl=1-el

式中：dl為指標Xl的差異系數。

2.3 綜合評價模型

根據相關研究成果[7,9,20,21]，結合水資源、能源和糧食的特征，構建水資源-能源-糧食系統的綜合評價函數，即：

(4)

式中：W(w)、E(e)、F(f)分別為水資源子系統、能源子系統和糧食子系統的綜合評價函數(指數)；αi、βi、γi分別為各子系統評價指標的權重；wi、ei、fi分別為各子系統評價指標的無量綱化數值。

2.4 耦合度與耦合協調度模型

耦合度的計算要借鑒物理學中的容量耦合概念和容量耦合系數模型，構建水資源-能源-糧食系統耦合度模型：

(5)

式中：C為耦合度，C∈[0,1]，當C=0時，表明子系統間處于無關狀態且發展方向和結構呈無序性；當C=1時，表明子系統間達到良性共振耦合且向有序方向發展。

根據相關文獻及研究區水資源-能源-糧食系統耦合發展的規律，將耦合度劃分為4個等級[18,19]，見圖2。

圖2 耦合度等級分類Fig.2 Classification of coupling degree

耦合度只能反映水資源、能源和糧食之間相互作用程度的強弱，難以反映相互作用協調水平的高低。需要引入耦合協調模型，以便更好地評判各子系統交互耦合的協調程度，其計算公式為：

(6)

式中：D為耦合協調度；C為耦合度；T為水資源-能源-糧食系統的綜合評價指數，反映各子系統間的整體協同效應；a、b、c為待定系數。

根據相關研究成果[4,6,10]，認為3個子系統具有同等重要性，故取a=b=c=1/3。D∈[0,1]，采用廖重斌的均勻分布函數法來確定耦合協調的類型及劃分標準[19]，見表1。

2.5 數據來源及預處理

本研究選取遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統耦合協調度評價指標的現狀數據作為研究對象，數據主要來源于《中國統計年鑒》、《遼寧統計年鑒》、《遼寧省水資源公報》，部分無法直接獲取的數據通過加權平均法進行賦值補缺。

表1 耦合協調發展類型和評判標準Tab.1 Coupling coordinated development types and evaluation criteria

為了消除指標數量級和量綱不同而造成的影響，達到指標間的可比性和可測性，需要對各項評價指標的原始數據進行標準化處理。Xi、Yj、Zk分別為描述水資源、能源、糧食各子系統特征的評價指標，且均為無量綱化值，由原始數據按照標準化公式進行處理所得，例如：

正向指標：

Xi=(xi-xmin)/(xmax-xmin)

(7)

負向指標：

Xi=(xmax-xi)/(xmax-xmin)

(8)

式中：Xi為標準化后的指標值；xi為指標實際值；i為指標個數；xmax、xmin分別為歷年來指標的最大值和最小值。

Yj、Zk的取值以此類推。

3 評價指標體系構建

遵循科學性、整體性、區域代表性、數據可獲得性和獨立性等原則，結合水資源-能源-糧食系統耦合協調發展的作用機理，從3個子系統10個維度構建耦合協調評價指標體系，見圖3。

圖3 區域水資源-能源-糧食系統耦合協調度評價指標體系Fig.3 Index system of coupling coordination degree of regional water-energy-food

采用熵值賦權法確定24個評價指標的權重，遼寧省水資源-能源-糧食系統耦合協調度評價指標體系及各指標權重計算結果詳見表2。

表2 遼寧省水資源-能源-糧食系統耦合協調度評價指標體系及權重Tab.2 The index system and weight of coupling coordination degreeof water-energy-food system in Liaoning Province

注：表中帶“*”符合表示負向指標，指標數值越小越好。

4 結果與分析

4.1 綜合評價指數時序分析

利用式(4)～(6)測算遼寧省2006-2015年水資源綜合評價指數W(w)、能源綜合評價指數E(e)、糧食綜合評價指數F(f)、水資源-能源-糧食系統的綜合評價指數T、耦合度C和耦合協調度D，詳見表3。

為了更直觀地反映水資源-能源-糧食系統的耦合協調演化特征以及各子系統的發展軌跡，將計算結果表示在折線圖上，見圖4、圖5。

圖4 2006-2015年遼寧省水資源-能源-糧食系統綜合評價指數演化曲線Fig.4 Evolving curve of comprehensive evaluation index of water-energy-food system in Liaoning Province from 2006 to 2015

從圖4可以看出，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統綜合評價指數除了2009和2014年出現小幅下降外，其余年份均呈穩步上升態勢。水資源綜合評價指數總體上保持良好增長態勢，2010年增幅較大，主要由于降水量比常年偏多5成，水資源總量大幅增加；2011年降水量比上年少39.3%，2014年降水量比多年平均值少33.1%，綜合評價指數因此出現2次小幅下降。能源綜合評價指數總體上呈波動式上升狀態，且增長速度較為緩慢，由于2007和2013年的能源生產彈性系數顯著回落至負值，發生2次小幅下降，2014年以后狀況平穩向好。糧食綜合評價指數波動性較強，不過總體上還是呈上升態勢，2006-2009年綜合評價指數從0.512下降至0.250，2010-2013年呈階段性改善特征，逐步升至0.676，2014年驟降至0.385而后快速上升，主要由于2009和2014兩年遭遇嚴重旱災，成災面積均超過100 萬hm2，糧食產量在較短時間內出現滑坡，而恢復性增長需要較長時間。

表3 2006-2015年遼寧省水資源-能源-糧食系統耦合協調發展類型Tab.3 The coupling coordinated development types of water-energy-food system in Liaoning Province during 2006-2015

圖5 2006-2015年遼寧省水資源-能源-糧食系統耦合協調度演化曲線Fig.5 Evolving curve of coupling coordination degree of water-energy-food system in Liaoning Province from 2006 to 2015

綜合來看，遼寧省2006-2015年水資源、能源、糧食各子系統綜合評價指數均呈上升態勢，其中，水資源綜合評價指數增長相對平穩，糧食綜合評價指數波動較大；受到糧食子系統波動性的影響，水資源-能源-糧食系統綜合評價指數隨糧食綜合評價指數的下降而同步降低或表現為增長速度放緩。

4.2 耦合度與耦合協調度時序分析

從表3可以看出，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統耦合度處在0.917～0.998，波動幅度較小且總體上呈上升態勢，表明在此期間始終處于高水平耦合階段，3個子系統相互作用而彼此影響程度高。

表3給出了遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統耦合協調度的計算結果，圖5展現了水資源-能源-糧食系統以及兩兩子系統耦合協調度時序變動的動態演化趨勢，從中可以看出，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統耦合協調度總體上以保持穩定和波動上升為主，除2009和2014年出現小幅下降外，其余年份均呈穩步上升態勢，2009-2012年處于快速上升時期。究其原因，結合前面的綜合評價指數分析可知，2009和2014年受干旱災害的嚴重影響，全省糧食總產量驟然下降，波動率分別為-14%和-20%，致使糧食子系統發展相對滯后，不利于水資源-能源-糧食系統的耦合協調發展。

水資源-糧食與水資源-能源-糧食系統的耦合協調度呈現相同的時序特征，總體上呈波動式上升狀態，且波動幅度相對較大，主要由于糧食子系統波動性造成的影響。能源-糧食耦合協調度一直處在0.551～0.788，總體上呈波動上升態勢，除2009和2014年受糧食子系統發展相對滯后的影響而下降外，2007和2013年也出現了小幅下降。究其原因，2007和2013年的能源生產彈性系數分別降至-0.39和-1.39，表明能源生產增長速度顯著滯后于國民經濟增長速度，致使能源子系統發展受阻，進而影響能源與其他子系統的耦合協調發展。水資源-能源耦合協調度總體上保持良好增長態勢，且增長速度較快，僅2011和2013年出現小幅下降。究其原因，分別受到水資源子系統和能源子系統波動性的影響，2011年全省降水量比上年少406 mm，2013年全省一次性能源生產總量比上年少872 萬t標準煤，2次較大幅度的波動都對水資源與能源2個子系統的耦合協調發展帶來不利影響。

綜合來看，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統以及兩兩子系統耦合協調度均呈上升態勢，水資源、能源和糧食之間存在著交互耦合關系，由于各子系統發展程度的差異，表現出不同的耦合協調發展狀態。研究期間，耦合協調度的時序演化與糧食子系統的波動性密切相關，主要成因是農業氣象災害致全省糧食大幅減產，糧食子系統發展相對滯后于另2個子系統，阻礙了水資源-能源-糧食系統耦合協調發展水平的提升。

4.3 耦合協調類型分析

從表3可以看出，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統始終處于高水平耦合階段，表明3個子系統之間存在明顯的相互作用關系。研究期間，水資源-能源-糧食系統的耦合協調演化特征大體上可分為3個階段。2006-2008年，耦合協調類型從勉強協調穩步上升至初級協調。2007年由于能源子系統發展相對滯后，耦合協調度增速略緩。2009-2012年，耦合協調類型下滑至勉強協調后轉而迅速回升至初級協調，并持續穩步提升至中級協調。2009年受到糧食子系統波動性的影響，耦合協調度出現滑坡。2010-2012年呈現階段性改善特征，耦合協調度保持快速增長態勢。2013-2015年，耦合協調度先降后升波動明顯，耦合協調類型仍然維持在中級協調。2013和2014年的制約因素分別為能源和糧食，2014年糧食子系統的大幅波動致使耦合協調度下降幅度相對較大，由于遼寧省糧食產量呈明顯周期性波動，且波動周期長度比較穩定，平均年距為3.4 a，通常在較短的時間內出現滑坡，由復蘇進入到繁華階段則需要較長時間段[22]。因此，2015年耦合協調度轉而恢復增長后會出現較長時間的增長態勢，耦合協調發展狀況將持續向好。

總體而言，遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統耦合協調度較高，耦合協調度大致經歷了過渡、基本協調2個發展階段和勉強協調、初級協調、中級協調3個發展類型，耦合協調發展程度形有波動、勢仍向好，且持續提升的趨勢非常明顯，但尚未跨入高度協調發展階段，還有很大的提升空間。此外，從耦合協調度的時序演化特征可以看出，不同時期制約水資源、能源和糧食耦合協調發展的主導因素有所不同。其中，水資源子系統發展水平呈穩步上升態勢，個別年份全省降雨量變化較大在一定程度上使耦合協調度增長速度放緩。能源子系統在小幅波動中保持了較為穩定的發展態勢，但全省重化工業比重仍然偏高，能源消費結構以煤炭為主，一次能源消耗量大。糧食子系統在周期波動中向前發展，主要成因是遼寧省糧食產量的波動顯著高于全國水平，糧食產量下降具有隱蔽性和突然性且恢復增長時期較長。

5 結 語

本文在闡述區域水資源、能源和糧食耦合協調發展的作用機理的基礎上，構建了耦合協調度評價指標體系，并引入耦合協調度模型及計算方法，對遼寧省2006-2015年水資源-能源-糧食系統的耦合協調關系及其時序演化特征進行了分析和解釋。從實證結果看，遼寧省水資源-能源-糧食系統的整體協調發展能力在波動中不斷增長，表現出一些有現實意義的演化特征。

(1)水資源-能源-糧食系統綜合評價指數總體上呈穩步上升態勢，水資源綜合評價指數總體上保持良好增長態勢；能源綜合評價指數總體上呈波動式上升狀態，且增長速度較為緩慢；糧食綜合評價指數波動性較強，不過總體上還是呈上升態勢。此外，3個子系統綜合評價指數的變動具有關聯關系，提升各自的發展水平有助于保持3者之間的協調共進。

(2)水資源-能源-糧食系統耦合度處在0.917～0.998，波動幅度較小且總體上呈上升態勢，表明在此期間始終處于高水平耦合階段，3個子系統之間存在明顯的相互作用關系。水資源-能源-糧食系統耦合協調度總體上以保持穩定和波動上升為主，水資源-糧食與水資源-能源-糧食系統的耦合協調度呈現相同的時序特征，總體上呈波動式上升狀態，且波動幅度相對較大；能源-糧食耦合協調度一直處在0.551～0.788，總體上呈波動上升態勢；水資源-能源耦合協調度總體上保持良好增長態勢，且增長速度較快。

(3)水資源-能源-糧食系統的耦合協調演化特征大體上可分為3個階段。2006-2008年，耦合協調類型從勉強協調穩步上升至初級協調；2009-2012年，耦合協調類型下滑至勉強協調后轉而迅速回升至初級協調，并持續穩步提升至中級協調；2013-2015年，耦合協調度先降后升波動明顯，耦合協調類型仍然維持在中級協調。耦合協調發展程度形有波動、勢仍向好，且持續提升的趨勢非常明顯，但尚未跨入高度協調發展階段，還有很大的提升空間。

(4)從耦合協調的增長趨勢和波動規律中可以看出，不同時期制約水資源、能源和糧食耦合協調發展的主導因素有所不同，糧食子系統的波動性是耦合協調演化進程中有待突破的薄弱環節。由于自然災害是引起糧食產量波動的最重要的因素之一，農業干旱災害與農田水利系統的狀況有密切聯系[22]，應注重完善農田水利基礎設施建設以提高農業氣象災害預警能力和防御能力，多措并舉積極推進節水增糧行動。全省能源消費總量自2011年起保持穩定，但能源對外依存度持續上升，能源生產彈性系數自2012年起始終為負值。有待進一步優化產業布局、調整能源消費結構、提高能源利用效益，并通過節能降耗以緩解資源壓力。

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