黑龍江省水-能源-糧食系統動力學模擬

王 雨，王會肖，楊雅雪，李紅芳

(北京師范大學水科學研究院，北京 100875)

作為人類生存和發展不可或缺的資源，水資源、能源和糧食三者之間存在著緊密而復雜的聯系，任一要素的波動都會對其他要素帶來影響[1]。2011年1月，世界經濟論壇發布的《全球風險報告》提出了“水-能源-糧食風險群”的概念，并將其列為全球三大風險群之一[2]。同年11 月，德國聯邦政府在波恩召開的國際性會議首次將水安全、能源安全和糧食安全之間的關系總結為一種“紐帶關系”(WEF Nexus)，并指出這3種資源間的復雜關聯關系，尤其是在生產、消耗與管理過程中普遍存在權衡取舍與潛在沖突，任意基于單一資源的戰略都將會產生嚴重的不可預期的后果[3]。之后，WEF Nexus的概念得到了不同機構與組織的關注，其內在機理被逐漸闡明，同時WEF Nexus在多領域的可應用性也成為研究熱點之一。例如，聯合國亞太經濟與社會理事會(UNESCAP)在2013年發布了《亞太地區水-糧食-能源紐帶關系報告》，提出了WEF在時間和空間上具有緊密聯系的特征[4]；Pittock等[5]研究了在集中生態環境與社會變化的影響下，WEF關系的動態變化與應對策略；亞洲開發銀行(ADB)從水資源管理的角度，提出WEF Nexus的復雜性要求我們提高水治理水平，改變粗放的水資源開發利用情況[6]；聯合國糧農組織(FAO)在2014年從糧食安全角度對WEF Nexus進行了闡述，并從保障糧食安全和農業可持續發展的角度分析了如何采用WEF Nexus方法進行決策[7]。

雖然學者們對WEF Nexus進行了諸多探討，嘗試從不同角度、采用多種方法展開理論探討與實證檢驗[8-12]，但關于WEF Nexus的研究仍處于起步階段[13]。相較于國外，國內對于WEF Nexus的研究則相對滯后，缺乏探索性的研究成果，正逐漸完成從定性研究階段[14-17]向定量研究階段[18-19]的過渡，并致力于尋求面向多資源協同安全的解決方案與保障技術。

系統動力學(system dynamics，SD)是由美國麻省理工學院福瑞斯特教授在1956 年創立[20]的分析和研究信息反饋行為和結構的科學，是模擬社會、經濟、生態系統結構和動態行為的計算機技術，也是管理系統科學的重要組成部分[21-23]。它強調用系統、整體的，以及聯系、發展、運動的觀點，結合定性與定量分析，借助計算機模擬技術來分析研究系統內部結構及其動態行為的關系，尋求解決問題的對策[24]，易于解決經濟、社會、生態環境等方面具有高階次、非線性、復雜時變特點的系統問題，被譽為“戰略與決策實驗室”[25]。國內外研究成果表明，系統動力學對于WEF Nexus的刻畫具有很好的適應性[26]。本文采用系統動力學方法，建立了黑龍江省水-能源-糧食紐帶關系仿真模型，對2010—2017年黑龍江省水資源、能源和糧食的生產與消費進行模擬，并通過設置和對比4種不同的發展方案，探究黑龍江省水-能源-糧食合理的配置方案，為該地區的水-能源-糧食資源配置提供科學的參考依據。

1 黑龍江省水-能源-糧食現狀分析

1.1 水資源現狀

黑龍江省位于中國東北部，面積47.3萬km2(含加格達奇區和松嶺區)，屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風氣候。黑龍江省的年降水量一般在400～650 mm之間，且降水的季節特征較為明顯，夏季雨水充沛，冬季干燥少雨，夏季降水量占全年降水量的60%以上[27]。

黑龍江省江河縱橫，湖泊眾多，全省流域面積在50 km2以上的河流有1 918條，多年平均水資源量為810.3億m3，居北方各省之首。但黑龍江省的水資源量和人均水資源量(2017年為1 959.6 m3)仍低于全國平均水平，屬于水資源缺乏的省份。如果不及時對水資源進行合理配置，黑龍江省原本不豐富的水資源可能會更加缺乏。

1.2 能源現狀

黑龍江省是國家重要的能源工業基地，能源資源相對富集，品種較為齊全。主要特點為多煤、多油、少氣。東部的優質煤炭產區，是中國煤油焦煤的重要產區之一。省內有目前中國最大的油田——大慶油田。除此之外，電力和燃氣也占有重要地位。

雖然黑龍江省的能源稟賦較好，但由于能源資源開采程度的限制，黑龍江省的原煤供應已從2010年的6 899.8萬t(標準煤，下同)下降到2017年的4 256.0萬t，原油供應量也呈現出了逐年下降的趨勢。與此同時，能源消費總量持續增長，其中原煤消費量已從2010年的7 621.8萬t增長到2017年的8 683.1萬t。現階段，黑龍江省的能源供給格局尚未得到根本轉變，能源發展的一些薄弱環節和不容忽視的問題，如開發成本高、利用效率過低[28]、能源結構性矛盾、在能源開發和利用過程中的生態環境污染等迫切需要加以解決。如果不能改變目前以重工業為主的經濟結構，以及控制能耗、進行能源的綜合利用，挖掘可再生能源的利用潛力，黑龍江省的能源供需缺口可能將持續擴大。

1.3 糧食現狀

作為中國重要的商品糧基地，截止至2017年，黑龍江省耕地面積1 586.6萬hm2，約占全省總面積的35.1%，其中有效灌溉面積為603.1萬hm2。近5年，黑龍江省的糧食總產量和人均糧食產量均為全國第一，為國家的糧食安全做出了貢獻。2017年，黑龍江省糧食總產量7 410.3萬t，約占全國糧食總產量的11.2%。人均糧食產量為1 956 kg。水稻、玉米、大豆3大作物等在黑龍江省糧食生產安全中占據重要地位[29]。

雖然目前黑龍江省的糧食安全已達到較高水平，但未來仍面臨著一系列挑戰：與糧食總產量相比，單位面積糧食產量仍有提高的空間；部分地區超采地下水嚴重，2017年，黑龍江省的農田灌溉用水中地下水占比達47.4%，需發展節水農業加以控制；農業灌溉面積的增加會加劇部分區域產業結構的不協調性，如果不能穩定提高糧食綜合生產能力[30]，平衡水資源與糧食之間的聯動關系，以目前的可灌溉面積不足以維持現在的糧食安全水平。

2 WEF Nexus系統動力學模型構建

2.1 研究邊界

由于WEF Nexus涉及到社會、經濟、環境等多方面的因素，其內部的相互關系比較復雜，因此，開展對水-能源-糧食系統的研究，明確地定義研究的邊界十分重要。本文從資源安全性出發，設置水資源、能源和糧食3個子系統如圖1所示。

圖1 模型子系統組成及主要互饋關系

各個子系統之間，主要考慮的關系包括：化石能源(石油、煤炭、天然氣)在開采和加工過程中，以及生物質能在生產過程中對水資源的消費；糧食(小麥、玉米、大豆、水稻)在生產過程中，以及食品加工過程中對水資源的消費；生物質能生產過程中對糧食(玉米)的消費；水的生產和供應過程對能源(石油、煤炭、電力)的消費；糧食加工過程對能源(石油、煤炭、電力)的消費。其中，引入能源政策因素作為對能源子系統的擾動因素。主要的模型變量見表1。

表1 模型變量

圖2 黑龍江省WEF Nexus系統存量流量圖

2.2 模型構建

2.2.1構建思路

模型構建主要分為因果關系圖構建和存量流量圖構建兩部分。其中因果關系圖由兩個或兩個以上的因果鏈組成的因果回路表達[24]，多用于構思模型的初始階段，能夠直觀地描述模型的結構[31]，便于進一步用流圖刻畫模型。

存量流量圖簡稱流圖，是在因果關系圖的基礎上進一步區分變量的性質，用符號刻畫系統要素之間的邏輯關系，明確系統的反饋形式和控制規律的圖形表示法[24]。它與因果關系圖最直觀的區別是，流圖具有表示狀態變量、源和匯以及輸入流和輸出流的特殊符號。模型的存量流量圖見圖2。

水資源子系統由全年實際供水量和全年總用水需求量構成，其中全年實際供水量分為地表水供水量、地下水供水量和其他水源供水量3部分，全年總用水需求量分為工業需水量、居民生活需水量、城鎮公共需水量、生態環境需水量、林牧漁畜需水量和農田灌溉需水量6部分。其中農田灌溉需水量起到了銜接水資源子系統和糧食子系統的作用。在工業需水量部分，通過影子變量銜接糧食子系統和能源子系統。

能源子系統由能源生產量、能源消費量和能源凈調出量構成。為了研究生物質能在能源子系統和糧食子系統之間的流通，將生物質能生產量作為能源生產量中獨立的一部分。其余能源生產量為原煤生產量、原油生產量、天然氣生產量、其他能源生產量(排除生物質能部分)。能源消費量分為農林牧漁能源消費量、第二產業能源消費量、第三產業能源消費量、生活能源消費量和能源加工轉換損失量5部分，其中第二產業能源消費量單獨考慮水的生產和供應耗能以及糧食加工耗能。

糧食子系統由糧食生產量、糧食消費量和糧食凈調出量構成，考慮水稻、小麥、玉米和大豆這4種黑龍江省主要糧食作物的生產和口糧消費、飼料糧食消費、工業糧食消費以及種子糧食消費。其中口糧消費包括城鎮口糧消費和在農村口糧消費兩部分，飼料糧食消費包括牲畜耗糧、家禽耗糧和漁業耗糧3部分，工業糧食消費僅考慮生物質能耗糧和酒類的生產耗糧，種子糧食消費由糧食種植面積和單位種子用糧決定。

表2 模型檢驗

2.2.2變量與公式

根據存量流量圖中變量關系構建的方程是系統動力學模型的重要組成部分。黑龍江省WEF Nexus系統動力學模型包含113個變量，其中，3個狀態變量的值由積分方程得出，例如，糧食庫存=INTEG(糧食生產量-糧食消費量-糧食凈調出量，0)。其余變量之間的輔助方程，均遵循真實系統的邏輯關系，例如，城鎮居民生活需水量=城鎮人口×城鎮居民生活用水定額×365/1 000。

2.2.3模型時間設置與假設

考慮到模型預測的不確定性，僅對現狀進行模擬。設置模型的初始時間為2010年，結束時間為2017年，時間步長為1 a。并在此基礎上進行情景設置，探究不同的發展模式對黑龍江省水-能源-糧食系統可能帶來的影響。

作為對現實系統的客觀反映，為了保證模型的簡潔性，需對模型進行必要的假設。模型的主要假設如下：對于水資源子系統，僅考慮水資源的供需(結果)，不考慮調入調出(過程)。對于能源子系統，能源的消費不計類別，只計總量。對于糧食子系統：①糧食凈調出量與糧食總生產量呈線性關系；②白酒產量和啤酒產量保持不變；③居民在外就餐糧食占比保持不變；④糧食損耗保持不變；⑤單位種子用糧(水稻、小麥、玉米、大豆)保持不變。關于庫存，區別于真實庫存，初始庫存設置為0，從2010年開始累積，用以表示研究時段內水資源、能源或糧食的累積盈余或虧損情況。

2.3 模型檢驗

選取2010—2017年研究區域內居民生活需水量、能源消費量和糧食產量的模擬值和實際值進行比較，以驗證模型的可靠性和準確性，檢驗結果見表2。

通過比較可以發現模擬值與實際值基本吻合，除了2010年的能源消費量的相對誤差稍高(不同電廠實際發電煤耗不同，這里統一采用的電力標準煤折算系數為4.04 t/(萬kW·h)，因此可能與實際值有偏差，但不影響能源庫存的變化趨勢)，其余相對誤差的絕對值均小于10%，滿足模型的精度要求，具有較高的可靠性。

為檢驗模型的結構穩定性，設置3種仿真步長Δt=1 a、0.5 a和0.25 a，選取水資源庫存、能源庫存和糧食庫存的模擬值進行對比，見圖3。可以看出，在不同時間步長的條件下，水資源庫存、能源庫存和糧食庫存模擬值的變化趨勢基本一致，因此模型的結構穩定性較好。綜上所述，可以認為所用模型滿足建模要求，能夠用于實際模擬與政策分析。

3 結果與分析

3.1 參數靈敏度分析

為了更直觀地表示水資源庫存、能源庫存和糧食庫存的影響程度，對模型進行了參數靈敏度分析。模型靈敏度S的計算公式為

(1)

式中：X0和Q0分別為初始條件下參數和狀態變量的值；ΔX和ΔQ分別為參數改變量的絕對值和參數改變引起的狀態變量改變量的絕對值。

圖3 不同時間步長的庫存運行結果對比

圖4 參數靈敏度分析結果柱狀圖

檢驗3個狀態變量(水資源庫存、能源庫存和糧食庫存)對各參數的靈敏度，分析結果見圖4(圖中各參數依次為：全年實際供水量、地表水供水量、地下水供水量、農田灌溉需水量、全年總需水量、水稻種植面積、小麥種植面積、玉米種植面積、大豆種植面積、糧食生產量、能源生產量、其他能源生產量、能源消費量)。其中，能源生產量、糧食生產量、全年總需水量、能源消費量、農田灌溉需水量、水稻種植面積、地下水供水量、玉米種植面積和地表水供水量9個參數的靈敏度均大于0.1，可作為情景方案設計的決策變量。

3.2 情景設置

選擇靈敏度分析中對系統影響較大的9個參數和5個能在模型中反映現實政策變化的參數(農田灌溉水有效利用系數、城鎮居民生活用水定額、農村居民生活用水定額、其他工業產業需水量和用餐節約系數)作為決策變量，通過調整決策變量的大小，設置不同的發展方案，來模擬研究區在不同模式下2010—2017年的發展情況。具體方案設置如下：

方案1常規發展方案。保持所有模型變量的參數不變，是其他發展方案的對比基礎。

方案2嚴格規劃方案。嚴格按照《黑龍江省水利發展“十三五”規劃》、《黑龍江省能源發展“十三五”規劃》和《黑龍江省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》對資源量及相關系數的約束，對常規發展模式下超出規劃的部分進行制約，使資源的供給和消費剛好符合規劃要求。調整的參數有全年總需水量、水稻種植面積、地下水供水量、玉米種植面積和地表水供水量。

方案3強化發展方案。盡可能地使資源的生產和消費在不過分偏離“十三五”規劃要求的基礎上追求高效益發展。調整的參數有能源生產量、能源消費量、水稻種植面積、玉米種植面積、地表水供水量和農田灌溉水有效利用系數。

方案4保守節約方案。以保障不過度支出為前提，一方面通過改進技術，改善供水結構，充分開發利用地表水資源，合理減少地下水開采，并提高用水效率，另一方面通過教育宣傳，調整用水定額，提高餐桌節約效率，雙向約束資源消費。調整的參數有水稻種植面積、地下水供水量、地表水供水量、農田灌溉水有效利用系數、城鎮居民生活用水定額、農村居民生活用水定額、其他工業產業需水量和用餐節約系數。

3.3 仿真結果分析

在模型中分別輸入4種發展方案的參數，得到不同發展方案下的仿真結果。選取較能代表黑龍江省水-能源-糧食安全狀況的水資源庫存、能源庫存和糧食庫存和資源的供需平衡比的仿真結果作對比分析。

3.3.1水資源庫存變化趨勢

圖5為不同發展方案下的水資源庫存變化趨勢和水資源供需平衡比變化趨勢。可以看出，除了嚴格規劃方案，其他3種發展方案下黑龍江省的水資源都會延續供需較不平衡的嚴峻狀況。在嚴格規劃方案下，研究區的水資源供需平衡比在2011年便上升至1.034，與此同時其他3種發展方案下的水資源供需平衡比均在0.85以下，雖然自2012年起水資源供需平衡比有小幅上升趨勢，但始終在0.9以下，與嚴格規劃方案仍存在16%～31%的差距，差距較為明顯，說明“十三五”規劃對水資源供給與消費雙約束的效果十分顯著，這種增益效果甚至比改進技術和在終端節約資源(保守節約方案)更為顯著。這進一步說明了國家宏觀調控的必要性。另外，常規發展方案下水資源供需平衡比最小，表明采取資源措施至少會帶來一定的緩解效果。

圖5 不同發展方案下的水資源庫存與供需平衡比變化趨勢

3.3.2能源庫存變化趨勢

圖6為不同發展方案下的能源庫存變化趨勢和能源供需平衡比變化趨勢。由圖6可以看出，在研究時段內，4種發展方案下黑龍江省的能源庫存均小于0(不包括研究時段起點)。其中，強化發展方案下的能源消耗最為明顯，能源庫存在2010—2016年呈遞減趨勢，年均降幅約33%。值得注意的是，該方案下的能源庫存在2017年有增幅約13%的回升，并且在2014年第4季度能源供需平衡比與其他3種發展方案產生交點，這意味著在2015年之后，強化發展方案下的能源供需比比其他3種發展方案要高，但仍小于1。結合圖6(a)(b)可以發現，雖然常規發展方案、嚴格規劃方案和保守節約方案能夠使黑龍江省的能源庫存維持一種“不會變得更危險的穩定狀態”，但實際上自2011年起能源供需比已經在動蕩下跌(年均降幅5%)，如果不及時采取更加合理的對應措施，黑龍江省的能源供需平衡將難以維持。從另一個角度來看，無論是強化發展方案，還是其他3種方案，黑龍江省的能源安全都無法保證，但能源庫存和能源供需平衡比的變化情況至少提供了一個新的思路：既要合理控制能源的終端使用，也要積極開發以生物質燃料為代表的新型能源來增加供給，同時提高使用效率，減少加工轉換損失。

圖6 不同發展方案下的能源庫存與供需平衡比變化趨勢

圖7 不同發展方案下的糧食庫存與供需平衡比變化趨勢

3.3.3糧食庫存變化趨勢

圖7為不同發展方案下的糧食庫存變化趨勢和糧食供需平衡比變化趨勢。無論采取哪種發展方案，黑龍江省的糧食庫存整體都是逐年增加的，糧食供需平衡比均大于1，雖有波動但總體上有穩定在2.2左右的趨勢。其中，保守節約方案下的糧食庫存和糧食供需平衡比最大，說明通過推廣餐桌節約觀念和限制定額約束水能糧消費對黑龍江省的糧食安全有一定的正向促進作用。另外，相較水資源庫存和能源庫存，4種方案下的糧食庫存差別不大，最大值與最小值相差僅為2%(相應的水資源庫存為107%，能源庫存為96%)，這表明黑龍江省的糧食安全較為穩定，不易受外部條件改變的影響。

4 結 論

a. 黑龍江省的水資源安全形勢較為嚴峻，采取強化發展方案和保守節約方案雖然能小幅改善現狀，但效果不如嚴格規劃方案顯著。

b. 黑龍江省的能源潛力在現階段巨大的能源消費量面前仍不容樂觀，如果不加以控制，未來的能源供應將無法保證其消費。雖然在4種發展方案中，強化發展方案下的能源消耗最為明顯，但綜合看來，傳統的“節流”措施可能無法保障能源供需差額有效縮小，未來應以合理“開源”作為突破口，注重生物質能等新型能源的開發利用，同時提高能源使用效率。

c. 黑龍江省的糧食安全較為穩定，且推廣餐桌節約觀念和限制定額約束水能糧消費具有一定的正面效果。現階段可以在保證不破壞糧食生產的條件下，優先考慮水資源和能源優化配置。

d. 無論采取哪種發展方案，都難以實現完美的水-能源-糧食系統安全，在未來發展中應盡可能發揮多種發展方案的優勢，依據“十三五”規劃對水資源供給與消費進行有合理的雙重約束，同時兼顧新型能源的開發利用，并提高居民的餐桌節約意識，根據實際需求對發展方案進行動態調整，實現三者紐帶關系的動態平衡。