資源高強度流動區水、能源和糧食耦合協調發展研究
——以京津冀地區為例

張洪芬，曾靜靜，曲建升,，李恒吉，劉莉娜，吳金甲，徐 麗

(1.蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000；2.中國科學院蘭州文獻情報中心/全球變化研究信息中心，蘭州 730000)

0 引 言

水資源、能源和糧食作為維持社會穩定發展的生存資源，存在著相輔相成，相互依賴的關系，因此也在發展過程中存在潛在的沖突關系。首先，能源的生產加工需要水資源的參與，例如傳統能源的開采、熱過程的冷卻、水電站發電等都需要消耗大量的水資源。若在能源發展過程中不考慮水資源的可持續發展，勢必會導致水資源短缺問題，限制能源的發展。其次，水資源的生產和供應需要消耗大量能源，包括水資源的生產、運輸、凈化、分配甚至是最終的使用[1]。因此，能源稀缺將會對水資源鏈產生影響。最后，糧食的生產與水資源和能源緊密相關。一方面，農業是最大的水資源消耗部門，淡水使用量占到了全球淡水使用量的 70%，未來隨著人口增長，糧食需求增加帶來的水需求也會與日俱增[2]。另一方面，糧食的生產，運輸、加工等過程也離不開能源的消耗。因此，有必要對水資源、能源和糧食系統之間的發展狀況進行深入研究。

目前，對水資源、能源和糧食系統的研究集中于定性研究三種資源之間的關聯關系及研究框架。其中，最具代表性的是2011年Hoff[3]在波恩會議上提出的WEF系統早期研究框架，將水資源與能源和糧食聯系起來并考慮了與氣候變化、社會和環境之間的關系，為WEF系統研究提供了思路。Keairns等[4]在闡述水資源、能源和糧食關聯關系的基礎上探討了WEF系統面臨的挑戰及其驅動因素。Petra Hellegers等[5]介紹了WEF系統的研究背景，強調了與這一系統相關的水政策問題，并對水資源、能源和糧食之間存在的沖突及其影響進行了剖析。McCornick[6]對WEF系統的關系和資源之間的平衡做了一般性描述。也有少數學者探索了WEF系統的研究方法。例如Catherine等[7]提出在研究中應該整合物理和經濟模型，以應對WEF系統的政策挑戰；Gloria Salmoral等[8]從食品消費角度論證了用生命周期方法研究WEF系統關聯關系的優勢；李良等[9]建議在定量化研究中將水資源模型、能源模型及糧食模型進行耦合，并建立系統與風險的關聯傳導機制。

盡管水資源、能源和糧食系統的概念發展趨于成熟，但其定量研究方法仍處于探索階段?，F有定量研究大多側重于三者之中的兩者，Yi Jin等[10]等利用投入產出表評估了中國的能源和水資源的協同保護效應；Sovacool等(2009)[11]將能源作為影響因素之一量化了水資源短缺程度； Xydis等[12]研究了糧食和能源之間的耦合關系等。但是，水資源、能源和糧食三者是一個緊密聯系的系統，只有將三者看作一個整體加以重視才能讓水資源、能源和糧食都得到持續的協調發展。耦合協調度可以反映系統各要素之間的相互作用程度及其在發展過程中的和諧程度，體現了系統由無序走向有序的趨勢[13]，其不僅可以反映系統之間的相互作用、相互影響程度和協調發展程度，而且可以對系統的發展做綜合評價。因此，本文選用耦合協調模型對水資源、能源和糧食三者之間的協調發展進行分析。

在經濟發達、人口聚集的區域，水資源、能源和糧食的需求量也相應較大，從而面臨著更大的資源壓力。因此，對水資源、能源和糧食高強度流動區的系統耦合協調度進行評價，可以讓我們更直觀地了解這些地區的WEF系統協調發展水平，發現其中存在的問題，進而為地區的可持續發展提供參考。京、津、冀區域處于環渤海地區和東北亞的核心區域是中國北方經濟最發達的地區之一，也是中國重要的經濟增長極[14]。在經濟快速發展過程中，此區域集聚了大量人口和產業，由此帶來的水資源、能源和糧食需求壓力不斷增加。因此，本文選取京、津、冀地區作為研究對象，探究WEF系統之間的協調發展狀況，以期為此區域的資源協調發展提供理論支撐。

1 耦合協調度指標體系與模型計算

1.1 評價指標體系構建

本文在考慮三種資源之間的依賴關系的基礎上，遵循指標選取的系統性、典型性、科學性和可操作性原則，綜合已有研究成果[15-20]，構建京津冀WEF系統綜合評價指標體系如表1所示。

表1 WEF系統綜合評價指標體系Tab.1 WEF system comprehensive evaluation index system

水資源和能源主要考慮資源總量、資源利用結構和資源利用效率。降雨量和入境水量是衡量一個地區水資源總量的重要指標。在水資源利用結構中，農業、工業和生活消費水量占總用水量的比重越小，生態用水量占總用水量的比重越大，說明地區的水資源利用結構越合理。單位GDP水耗可以反映一個地區的水資源利用效率，其值越小，水資源利用效率越高，越有利于水資源系統的可持續發展。一次能源生產總量、外省調入量和本省調出量可以反映地區的能源總量。農業、工業和生活消費量占比可以反映能源利用結構，占比越大說明能源消費量越大，不利于地區污染治理及能源的可持續供給。萬元GDP能耗反映能源利用效率，其值越小，效率越高，對能源系統的發展越有利。糧食系統主要考慮糧食總量，與水資源、能源的聯系以及生產安全。其中，正向指標對系統發展起正向促進作用，數值越大越優，負向指標起逆向阻礙作用，數值越小越優。

1.2 數據標準化和指標賦權

由于數據可獲取性限制，本研究所需數據主要來源于《中國統計年鑒》、《中國農業統計年鑒》及北京、天津、河北統計年鑒中2005-2016年的數據。由于各個指標間的度量單位及正負類型不同，因此，采用Max-Min標準化法對數據進行規范化處理[21]，其計算公式為：

(1)

不同的指標對系統的影響程度存在差異，為避免主觀賦權對經驗的依賴，保證指標權重的客觀性，本文采用客觀賦權法中的熵值法進行賦權[22]。由于各指標權重是根據各地區指標數據間的聯系程度和信息量計算得到，因此，京、津、冀同一指標有不同的權重，更符合地區發展的差異。京、津、冀各指標權重如表2所示。

表2 京、津、冀WEF系統評價指標權重Tab.2 Weights of evaluation indexes of Beijing, Tianjin and Hebei WEF systems

1.3 耦合協調度模型計算

利用已構建的WEF系統評價指標體系，對京、津、冀地區的WEF系統做出綜合評價所運用的綜合評價函數如下所示：

(2)

(3)

(4)

式中：f(x)，g(y)，h(z)分別表示水資源、能源和糧食各子系統的綜合評價指數，a、b、c為各指標的權重；x′、y′、z′為標準化后的數據；i、,j、k為各系統內選取的指標數量。

本文的耦合度公式參考姜磊[23]的研究，采用如下計算公式：

(5)

利用計算出的耦合度，可以計算出WEF系統的整體綜合評價得分，計算公式如下：

T=αf(x)+νg(y)+γh(z)

(6)

(1)

為了更好地對京津冀地區WEF系統的協調發展程度進行分析，本文根據已有研究成果[24,25]，采用均勻函數法對耦合協調度進行等級劃分(表3)。

表3 耦合協調度等級劃分標準Tab.3 Classification standard of coupling coordination degree

2 水-能源-糧食耦合協調度分析

本文利用前文所述綜合評價函數及耦合協調模型，對2005-2016年京、津、冀的水資源、能源和糧食發展狀況進行了評價，并在此基礎上對京、津、冀地區的水資源、能源和糧食系統發展的耦合協調度進行了計算。為了解此地區的WEF系統發展狀況，本文將從綜合評價指數及耦合協調度兩個方面對京、津、冀地區WEF系統的發展狀況進行分析。

2.1 綜合評價指數分析

從圖1中可以看出，京、津、冀地區的WEF系統綜合評價指數均呈緩慢上升趨勢，其中，北京的WEF系統綜合評價指數從2005年的0.279上升至2016年的0.611，天津從2005年的0.360上升至2016年的0.622，河北從2005年的0.308上升至2016年的0.726。2016年，河北的WEF系統綜合評價指數最高。

北京地區的水資源評價指數呈波動上升趨勢，2008年、2012年有異常升高現象，2014年有異常降低現象。這主要是由于2008年和2012年北京的降雨量較高，降雨量分別為638和708 mm，明顯高于平均值539 mm；2014年北京的降雨量為439 mm，為歷年最低水平，入境水量為3.59 億m3，低于歷年平均值4.8 億m3。2008-2011年北京糧食綜合發展指數高于其他年份，因為這期間北京糧食種植面積增加，而糧食受災面積大幅度下降。2012年之后，北京糧食種植面積和糧食總產量均下降，因此，糧食評價指數呈緩慢下降趨勢。北京能源綜合評價指數呈緩慢上升趨勢，整體波動較小。

圖1 京津冀WEF歷年綜合評價指數Fig.1 Comprehensive evaluation index of Beijing, Tianjin and Hebei WEF over the years

河北水資源綜合評價指數在較大的波動中呈上升趨勢，2005-2008年以及2014-2016年上升較快，2008-2014年則相對平緩。這主要得益于河北的降雨量與入境水量、生態用水量的持續增加。2006年，受降雨量減少及工業用水量增加、生活生態用水量減少的影響，河北的水資源發展綜合評價得分偏低。2011年，河北水資源綜合評價得分偏低則是受到降雨量減少與環保固定資產投資比例降低的影響，致使這一階段水資源發展狀況不穩定。2012年，河北的降雨量達到606.4 mm，遠大于平均值558 mm，因此，2012年水資源的綜合評價得分偏高。河北的能源發展綜合評價得分呈現先上升后下降的趨勢，受一次能源生產總量和外省調入量波動影響較大。2012年，河北能源評價得分偏高是由于本年度一次能源生產量達到最高，此后，一次能源生產量減少，本省調出量逐漸增加，生活消費量增加，能源綜合評價指數緩慢下降。河北的糧食系統綜合評價指數上升較快，領先于水資源和能源系統，這得益于從2005-2016年，河北省的單位面積產量從2.96 t/hm2增加至3.97 t/hm2，單位糧食產量消耗水資源量從578.09 m3下降至338.10 m3，農用柴油使用量從458.11 萬t下降至218.70 萬t。

天津WEF系統綜合評價指數從2005年的0.49上升至2016年的0.63，2012年受水資源評價指數下降影響，評分略有下降，總體仍呈緩慢上升趨勢。其中水資源評價指數從2005年的0.2上升至2016年的0.63，2013年有異常下降情況是由于本年分天津降雨量從2005-2012年的平均每年582.05 mm下降至462.3 mm，生態用水量占比從2012年的5.8%下降至3.7%所致。天津的能源評價指數從2005年的0.34上升至2016年的0.70，上升過程較平穩，發展較穩定。天津的糧食評價指數從2005年的0.49上升至2016年的0.63，上升過程波動較大，2011年和2014年評價指數較高。2011年，天津的糧食受災面積僅為0.81 萬hm2，遠低于平均值5.5 萬hm2，2014年，天津糧食受災面積為1 萬hm2，糧食產量波動系數僅為0.007，均低于多年平均值，因此2011年、2014年天津糧食綜合評價指數偏高。

2.2 耦合協調度分析

根據京、津、冀WEF系統的綜合評價得分，計算得到的耦合協調度如圖2所示。耦合度代表了WEF系統中水資源、能源和糧食系統發展的關聯程度，協調度代表三者之間的協調發展程度。京津冀地區WEF系統的耦合度值均在0.9以上，三個系統之間的關聯程度較高；地區之間的耦合度標準差在0.027～0.055范圍內波動，離散程度較小。從圖2中可以看到，京、津、冀地區的WEF系統的協調度值在0.50～0.85，排除個別異常年份，均呈波動上升趨勢，即京、津、冀地區WEF系統協調發展水平在逐步提高。根據耦合協調度類型劃分標準，京、津、冀地區WEF系統發展歷經勉強協調、初級級協調到中級協調，繼而向良好協調發展(圖2)。

圖2 京津冀WEF系統耦合協調度Fig.2 Coupling coordination degree of Beijing-Tianjin-Hebei WEF system

如圖2所示，京、津、冀WEF系統耦合協調度發展可以劃分為三個階段，2005-2008年的快速上升階段，2009-2012年的穩定發展階段，2013-2016年的波動上升階段。①在快速上升階段，耦合協調度為天津>北京>河北，結合圖1可知，這一階段北京的水資源、能源和糧食耦合協調發展狀況相差不多；天津的糧食發展狀況優于能源發展和水資源發展；河北的糧食、水資源和能源發展波動較大，其中水資源的發展相對落后。②在穩定發展階段，天津的WEF耦合協調度始終大于北京，河北的WEF耦合協調度發展較快，后期超越天津和北京。這一時期，北京的糧食系統得到快速發展，水資源系統發展穩步上升，能源發展相對落后；天津能源、糧食和水資源發展平穩，糧食發展仍領先于能源和水資源；河北的糧食發展優先于能源和水資源，能源發展狀況得到提升。③在波動上升階段，WEF耦合協調度為河北>天津>北京。這一時期，北京WEF系統發展波動最大，水資源系統得到充分發展，能源發展緩慢上升，糧食系統發展則相對落后。天津的能源系統發展仍在緩慢上升，糧食系統發展進入平緩狀態，水資源系統發展雖然落后，但增長速度較快。河北的能源發展狀況相較于水資源和糧食的上升狀態，呈明顯下降趨勢，需加強能源系統與水資源和糧食系統的協調發展。

綜上，京、津、冀地區WEF系統的協調發展狀況目前處于中級協調水平，正在向良好協調水平過度，WEF系統的耦合協調度均呈現明顯的上升趨勢。在今后的發展中，北京地區需加強糧食系統的協調發展，天津需要鞏固水資源的穩定發展，河北則需要提高能源系統的發展程度。京、津、冀地區在加強弱勢系統發展的同時，要考慮WEF三個系統之間的相互影響和相互依賴的關系，滿足三個系統的協調可持續發展，而不是單獨考慮其中一個或兩個系統的發展從而致使其他系統發展的失衡。

3 結 語

本文通過構建WEF系統的綜合評價指標和耦合協調模型，從綜合評價指數和耦合協調度分析了2005-2016年京、津、冀地區的WEF系統可持續發展的動態變化趨勢，本文分析所得結果如下。

(1)從對京、津、冀地區WEF系統綜合評價的時間序列分析可知，京、津、冀WEF系統綜合評價指數均呈上升趨勢。河北的綜合評價指數上升速度最快，波動也相對較大，天津綜合評價指數上升相對平穩，北京近兩年綜合評價指數上升趨勢不明顯甚至有停滯趨勢。因糧食種植面積減少，北京需要加強糧食系統的發展，提高單位面積產量及灌溉用水效率。天津需要提高水資源系統的發展，引進先進的工業技術，提高農業和工業的用水效率，持續降低單位GDP水耗。河北則需加強能源系統的發展，積極發展可再生能源，提高能源使用的清潔度和安全度。總體來看，京、津、冀地區的糧食系統發展優于能源和水資源系統的發展，因此，應加強能源和水資源系統與糧食系統的協調發展。

(2)京、津、冀地區WEF系統的耦合度均在0.9以上，表明三個系統之間的相互關聯程度較好。WEF系統耦合協調度均在波動中上升，歷經勉強協調、初級協調和中級協調三種類型向良好協調類型演進，上升空間較大。從時間序列上劃分，京、津、冀WEF系統發展可以分為三個階段，2005-2008年的快速上升階段，2009-2012年的平穩發展階段以及2013-2016年的波動上升階段。

(3)雖然京、津、冀地區的WEF系統耦合協調度呈上升發展趨勢，但是尚未達到穩定的良好協調狀態，因此，在考慮WEF系統間的相互作用關系的同時，應結合社會和環境影響，加強水資源、能源和糧食部門間的政策合作，提高資源利用效率及資源管理效率。