區(qū)域水-能源-糧食關聯(lián)性供需測度及可持續(xù)發(fā)展綜合評估

葛文彪，王江江

（華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

聯(lián)合國出臺的“2030年可持續(xù)發(fā)展議程”，目標是全人類用可持續(xù)發(fā)展的方式生產和消費，使人與自然協(xié)調發(fā)展，共同營造地球家園。隨著智慧可持續(xù)城市概念的興起，衡量和模擬城市的可持續(xù)性成為一項極具挑戰(zhàn)性且意義重大的研究[1]。

2011年《全球風險報告》中第一次提出“水-能源-糧食關聯(lián)關系（WEF nexus）”的概念，由此掀開了WEF nexus的研究熱潮。水、能源和糧食是滿足社會經濟需求和全球可持續(xù)發(fā)展的關鍵資源[2]，預計到2030年，全球對糧食、能源和水資源的需求將分別增長 35%、50%和 40%[3]。作為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究中最突出的非傳統(tǒng)安全問題，關注水-能源-糧食關聯(lián)性是未來研究的必然趨勢，未來區(qū)域資源間的協(xié)調和安全將是綜合可持續(xù)發(fā)展的重要主題[4]。

相關研究主要集中在資源環(huán)境足跡核算、系統(tǒng)模擬與優(yōu)化管理兩方面。足跡核算一般采用生命周期評價[5]、主成分分析[6]和投入產出分析[7]等方法，分析水、能源和糧食要素之間及其生產或消費引起的足跡影響。而基于模型的方法則較為有效，可用于定量分析以支持規(guī)劃類問題。例如：CLEW模型[8]綜合考慮了氣候變化、土地利用等因素，成為水-能源-糧食關聯(lián)研究領域的奠基成果；WEF Nexus Tool 2.0可在線核算資源與外部環(huán)境之間的關系[9]；WEAP-LEAP模型[10]模擬相關政策對水資源、土地、能源與環(huán)境的影響；LIPSOM 優(yōu)化模型[11]在生產成本、社會經濟需求和環(huán)境約束等條件下，對資源需求進行優(yōu)化模擬；文獻[12]對WEF系統(tǒng)的風險進行調控和分析，提出了水-能-糧食關聯(lián)系統(tǒng)風險管控研究框架；文獻[13]構建了“水-能源-糧食-經濟社會”PSR模型和SD模型；文獻[14]為不確定性條件下農業(yè)部門開發(fā)了一種資源分配的優(yōu)化模型，以促進資源的可持續(xù)管理。

然而，目前的研究大多是定性研究，研究重點在于水-能-糧系統(tǒng)邊界的定義和關聯(lián)關系的闡述[15]。由于數(shù)據(jù)的獲取不易，現(xiàn)有的定量化研究雖涵蓋了3類資源的計算，但并未真正體現(xiàn)三者間的互動關系，且研究尺度多集中于國家和流域層面。本研究的獨創(chuàng)性在于建立了一個水-能源-糧食交互模型分析框架，從區(qū)域發(fā)展的角度定量研究“水-能-糧”之間復雜的相互作用，并對區(qū)域的綜合發(fā)展進行了評估分析，以期為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供政策建議。

1 模型方法

1.1 交互模型分析框架

區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的最基本要求就是滿足區(qū)域對資源的需求，為了探究水-能源-糧食關聯(lián)性下區(qū)域發(fā)展的可持續(xù)性，本文建立了一個基于供應和需求的區(qū)域水-能源-糧食交互模型分析框架，即WEFSD模型，見圖1。

圖1 基于供應和需求的水-能源-糧食交互模型Fig. 1 Interactive model of WEF nexus based on supplies and demands

1.1.1 資源供需測度

水、能源和糧食資源的供應能力計算主要是從資源側到產品側的供應能力計算，對于 i級別的供應量，可以計算為：

式中：Si為資源的預期供應量，Ai為可用資源矩陣，；i分別表示水（w）、能源（e）或糧食（f）；j表示i級別下的資源產品。

資源需求量計算包括水、能源、糧食3個部門之間的需求計算和社會經濟發(fā)展所需的資源量計算，社會發(fā)展所需資源量通常指商業(yè)、工業(yè)、家庭和公共服務等的日常消耗，其常用計算方法為單位面積定額法和人均定額法。

資源量總的需求計算模型如下：

式中：AWF為糧食生產的單位耗水量；EG為發(fā)電量；AWEG為發(fā)電項目的單位耗水量；Ds-w為社會發(fā)展需水量。

式中：CEnC為單位累積能耗值；AW為單位供水能耗值；Ds-e,j為社會發(fā)展的能源需求量。

式中：Di為資源需求量；P為人口數(shù)量；Fx為糧食部門里x產品的人均年需求量。

1.1.2 綜合可持續(xù)性指數(shù)

采用可持續(xù)性指數(shù)（SI）[16]來衡量水能源糧食系統(tǒng)及區(qū)域的可持續(xù)性，可持續(xù)性指數(shù)定義為滿足水、能源或糧食需求的可能性：

式中：WEF SI表示水-能源-糧食綜合可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。

1.2 綜合評估

1.2.1 指標權重的確定

國內外對可持續(xù)發(fā)展相關指標體系及評價方法有著豐富的研究，如聯(lián)合國提出的綜合環(huán)境-經濟體系[17]、文獻[18]提出的DPSIR模型評價體系等，針對不同的研究側重，指標體系也不盡相同。本文遵循整體性、科學性和代表性等原則，綜合水資源安全[19]、能源安全[20]和糧食資源安全[21]評價的內涵，構建了區(qū)域水-能源-糧食系統(tǒng)綜合可持續(xù)發(fā)展指標體系。

假設有m個待評價樣本，n項評價指標，形成原始指標數(shù)據(jù)矩陣，其中xij表示第i個樣本中第 j項評價指標的數(shù)值。采取極值法對研究區(qū)域發(fā)展情景里的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除不同量綱等因素的影響。接著應用變異系數(shù)法和熵權法相結合的組合法來確定各個指標的權重，以克服單一方法確定權重的局限性。

（1）變異系數(shù)法

計算第j項指標的變異系數(shù)：

確定各指標的權重：

（2）熵值法

第j項指標下第i個記錄所占比重為：

計算第j項指標的熵值：

式中：k=1/lnm，滿足0≤Ej≤1。由于熵值與權重具有互反關系，所以采用差異系數(shù)（1-Ej）替代Ej，得到各項指標的權重：

（3）組合賦權

將上述兩種確定指標權重的方法相結合，得到組合權重：

式中：wj變和wj熵分別表示變異系數(shù)法、熵值法確定的權重，wj合為組合權重。

1.2.2 綜合評價函數(shù)

采用線性加權法計算準則層的綜合指數(shù)，進而衡量各個系統(tǒng)的發(fā)展水平，綜合評價函數(shù)如下所示：

式中：f(x)、g(y)、h(z)分別表示區(qū)域水-能源-糧食系統(tǒng)的穩(wěn)定性、協(xié)調性及可持續(xù)性3個準則的綜合評價指數(shù)；a、b、c表示各指標的權重；x′、y′、z′分別表示指標標準化后的數(shù)據(jù)；i、j、k表示各個準則內的指標數(shù)量。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概述

本文選擇位于中國廣東省的某高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)（簡稱高新區(qū)）作為 WEFSD模型及可持續(xù)發(fā)展評估的研究區(qū)域。該區(qū)域處于東莞中部大朗、寮步和大嶺山3鎮(zhèn)合圍，規(guī)劃控制面積72 km2，坐擁 8 km2的淡水湖和 14 km2的生態(tài)綠地，于2010年9月經國務院批準升格為國家高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)，是一個在國內具有示范意義、人與自然和諧共存的科技新城，具有極高的發(fā)展前景，整體概貌如圖2所示。

圖2 高新區(qū)整體布局示意圖Fig. 2 Diagram of overall layout of high-tech zone

2.2 資源需求量預測

區(qū)域水資源、能源和糧食資源的需求計算通常采取數(shù)量統(tǒng)計法和指標預測法，由于研究區(qū)域為近年來新開發(fā)地區(qū)，沒有詳細的統(tǒng)計資料，因此，本文采用指標預測法和情景分析相結合的方法對研究區(qū)域未來中長期發(fā)展的資源需求量進行了預測計算。

2.2.1 情景參數(shù)設定

根據(jù)東莞松山湖（生態(tài)園）“十三五”節(jié)能低碳規(guī)劃中的發(fā)展指標體系，以 2020年的情景參數(shù)作為基準指標，利用情景分析法對 2025、2030年兩個年度的發(fā)展情景進行設定。

表1顯示了研究區(qū)在2020、2025和2030年3個年度里的情景發(fā)展參數(shù)及發(fā)展目標。按照經濟高速發(fā)展模式，GDP年增長率設為10%；考慮到對環(huán)境的影響，園區(qū)內CO2的排放量與總的能耗指標要有所限制，將萬元生產總值碳排放年下降率設為2%，萬元生產總值能耗年下降率設為1%。為實現(xiàn)區(qū)域發(fā)展的可持續(xù)性，園區(qū)內水資源、能源和糧食的供應量至少應滿足需求量（供應等于需求，即綜合可持續(xù)指數(shù)為100%）；煤電比例和園區(qū)CO2最大允許排放量則作為發(fā)展目標里的另兩個參數(shù)。

表1 年度情景發(fā)展參數(shù)及目標Tab. 1 Development parameters and goals of annual scenario

2.2.2 資源需求量預測結果

預計隨著規(guī)劃的發(fā)展，對水、能源和糧食的社會經濟需求將隨著時間的推移而增加，這歸因于人口和城市化的增長。按照 WEFSD模型給出的供需計算方法，3個情景里總的能源、食品和水需求量以及與主要資源量相關的一些限制參數(shù)如表2所示。

表2 水-能源-糧食供需預測計算結果Tab. 2 Supply and demand forecast calculation results of WEF

高新區(qū)的主要能源產品為電力、天然氣和汽油，天然氣除了用于發(fā)電外，還可以直接用于工商業(yè)、居民和交通等部門的日常消耗；交通部門的能耗計算主要指汽車和公交車對電力、天然氣和汽油的消耗；食物的需求量則根據(jù)人均糧食需求量[22]來計算；能源部門耗水量主要是發(fā)電冷卻設備耗水，本文通過Macknick等人對發(fā)電技術運營取用水量的研究綜述，獲得不同發(fā)電技術的單位發(fā)電耗水量[23]。而糧食生產部門的單位耗水量則通過對全球農作物以及農作物衍生產品的水足跡調查研究[24]得到。

3 結果與分析

3.1 能源結構供應規(guī)劃

城市能源規(guī)劃和管理對可持續(xù)能源未來的發(fā)展至關重要[25]。高新區(qū)是以電能作為主要能源產品的高科技產業(yè)新區(qū)，電力貫穿整個區(qū)域的所有部門。根據(jù)3個年度情景的資源需求量預測結果，在限定的情景發(fā)展目標下，試圖通過規(guī)劃區(qū)域內部能源發(fā)電結構來促進WEF資源的分配和減輕環(huán)境影響，最終達到促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目的。

圖3顯示了基于模型發(fā)展目標，3個情景里能源結構優(yōu)化后的最優(yōu)發(fā)電比例。在多能互補的趨勢下，規(guī)劃了4種發(fā)電方式來滿足園區(qū)的電力需求，分別為燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電、屋頂光伏發(fā)電和生物質能發(fā)電。3個階段中，單位發(fā)電成本較低的燃煤發(fā)電仍為整個計劃范圍內的主要來源，但煤電規(guī)模在3個時期里逐漸降低，依次為67%、61%和 56%。在后兩個時期，隨著太陽能光伏發(fā)電技術的提高，屋頂光伏發(fā)電將獲得越來越廣泛的利用，其發(fā)電比例從第一階段的 17%增加到第二階段的20%，再到第三階段的30%，這也反映了更為嚴格的環(huán)境約束。

圖3 3個發(fā)展情景的發(fā)電結構優(yōu)化結果Fig. 3 Optimization results of power generation structure in three scenarios

3.2 綜合發(fā)展評估分析

3.2.1 構建評價指標體系

遵循整體性、代表性和可獲取性等原則，深入分析了水資源、能源和糧食資源之間的密切聯(lián)系，從區(qū)域發(fā)展的穩(wěn)定性、協(xié)調性和可持續(xù)性3個維度出發(fā)，初步構建了基于區(qū)域水-能源-糧食關聯(lián)性的綜合可持續(xù)發(fā)展指標體系，如圖4所示。

圖4 區(qū)域水-能源-糧食發(fā)展綜合評價指標體系Fig. 4 Index system of regional WEF’s comprehensive assessment of development

3.2.2 評價指標權重

對研究區(qū)3個發(fā)展情景的資源數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，采用變異系數(shù)法和熵值賦權法相結合的組合賦權法確定 26個評價指標的權重，高新區(qū)水-能源-糧食綜合可持續(xù)發(fā)展指標體系及各準則層指標權重的計算結果詳見附表A。

附錄

附表A 區(qū)域水-能源-糧食發(fā)展綜合評價指標體系及權重Tab. A Index system and weight of regional WEF’s comprehensive assessment of development

3.2.3 結果分析

根據(jù)綜合評價函數(shù)的計算，得到了基于水-能源-糧食關聯(lián)關系下的高新區(qū)未來中長期的整體發(fā)展狀況，為了能更直觀的反映，將其計算結果表示在雷達圖上，見圖5。

從圖5中可以看出，高新區(qū)3個年度情境下的資源穩(wěn)定性、協(xié)調性和可持續(xù)性整體呈上升趨勢。其中，資源穩(wěn)定性指數(shù)從2020年的0.35上升至2025年的0.40，再到2030年的0.55；可持續(xù)性指數(shù)從2020年的0.52上升至2025年的0.58，再到2030年的0.67；而資源的協(xié)調性指數(shù)則趨于穩(wěn)定在0.45，是系統(tǒng)提升的短板。

圖5 年度情景發(fā)展綜合評價結果Fig. 5 Comprehensive assessment results of development of annual scenario

4 結論

本研究從資源供應與需求的角度，建立了基于水-能源-糧食關聯(lián)關系的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展綜合模型分析框架；采用情景分析法在限定的情景目標下，對研究區(qū)2020、2025和2030 這3年的資源需求量與可利用量進行了預測計算；構建區(qū)域可持續(xù)發(fā)展綜合評價體系，運用變異系數(shù)法和熵值法相結合的組合賦權法計算指標權重，對高新區(qū)中長期發(fā)展情景的可持續(xù)性進行了綜合分析。獲得以下結論：

（1）水資源、能源和糧食的協(xié)調發(fā)展能更好地促進區(qū)域的可持續(xù)性，對三者關聯(lián)關系的深入理解和定量分析是支持區(qū)域資源管理的有效手段，建立的水-能源-糧食綜合模型分析框架可以有效實現(xiàn)區(qū)域水平資源量的供需測度。

（2）存在環(huán)境影響和經濟成本之間的權衡，適當調整能源供應和發(fā)電結構對協(xié)調經濟發(fā)展和環(huán)境保護至關重要。應鼓勵使用低CO2排放率的清潔能源，即使這會導致更高的總系統(tǒng)成本。

（3）雖然高新區(qū) 3個情景的綜合可持續(xù)發(fā)展狀況總體是上升發(fā)展趨勢，但并沒有達到良好的穩(wěn)定協(xié)調狀態(tài)。尤其是水-能源-糧食的協(xié)調性有待提升，需要加強3個部門之間的合作，提高資源的管理效率和利用效率。

基于上述對研究區(qū)3個年度情景的資源供需測度及綜合可持續(xù)性評估，提出以下建議：

（1）有必要建立一個綜合的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計平臺，用于管理區(qū)域內重要行業(yè)的資源供應和消耗信息。該平臺應能公開監(jiān)測水、能和食品各環(huán)節(jié)的利用和消散特性，為準確提高各環(huán)節(jié)的效率和實現(xiàn)水資源、能源和糧食資源的優(yōu)良管理提供量化依據(jù)。

（2）合理建設水資源、能源和糧食資源政策管理是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。地方政府應制定長期戰(zhàn)略，以快速的工業(yè)發(fā)展和有效的管理來解決水資源、能源和糧食供應問題。值得注意的是，所有政策的制定都應以環(huán)境保護為前提，這也是可持續(xù)發(fā)展的要求。

（3）面對資源短缺的問題，政府應提高現(xiàn)有產業(yè)結構的效率，例如優(yōu)化能源和食品的生產技術，提高水的加工和供應效率等，加強工業(yè)廢水和廢氣能量的循環(huán)利用是減輕水資源和能源利用壓力的有效手段。