城市食物-能源-水資源系統關聯性研究：以北京市為例

李心晴 張力小 張鵬鵬 郝巖 熊欣

摘要 食物、能源和水資源是人類生存和發展不可或缺、不可替代的基礎性資源，三者之間存在錯綜復雜的關聯關系。城市是社會經濟與資源消耗的集聚地，也是食物、能源和水資源供需矛盾沖突最為激烈的區域，食物安全、化石能源枯竭和淡水資源短缺等全球性問題已成為未來城市可持續發展面臨的最大挑戰。系統分析與模擬城市食物-能源-水資源的供給、需求及其關聯關系，對保障城市資源供給安全、推動資源系統管理具有重要的實踐意義。文章基于Stella建模平臺，構建了區域關聯和要素關聯耦合作用下城市食物、能源與水資源供需的動態模型，以北京市為例，定量模擬了2016—2035年食物-能源-水資源系統的動態變化及其關聯特征。結果表明：①2035年，北京城市居民糧食需求量預計約216萬t，肉類83萬t，總能源需求量約9165萬tce，總需水量約46億m3，而由本地獨立生產和供給的資源量僅分別為21萬t、23萬t、1650萬tce和33億m3，本地供需缺口都呈現增大趨勢，必須依賴外部地區的資源投入滿足本地需求。②食物-能源-水資源要素之間相互作用的絕對量增加且生產“外包”特征明顯，本地食物-能源-水資源關聯關系向運輸、處理等供應鏈后端環節偏移。③要素關聯關系上，食物與水資源的耦合作用最強，能源和食物的關聯程度明顯增大，水資源和能源的關聯程度較穩定。區域關聯關系上，食物-能源-水資源系統區域間關聯性增強。④城市資源的系統管理需要綜合考慮食物-能源-水資源供需過程中的多重權衡關系，建立多區域、多要素一體化的資源協同管理機制。

關鍵詞 食物-能源-水;關聯關系;動態模擬;Stella

中圖分類號 X24文獻標識碼 D63文章編號 1002-2104（2021）05-0174-11DOI：10.12062/cpre.20201017

食物、能源與水資源（food，energyandwater，FEW）是人類生存和發展不可或缺、不可替代的基礎性資源[1]。當前人類取得了超越任何歷史時期的技術經濟成就，然而全球食物、能源和水資源的總體態勢仍然嚴峻[2]。食物安全、淡水資源短缺和化石能源枯竭已成為全球性問題。城市是社會經濟與資源消耗的集聚地，也是食物、能源與水資源供需矛盾最為突出的區域[3]。高強度的資源需求造成了嚴重的資源超載問題，如何保障城市食物-能源-水資源系統的供需安全是推動城市可持續發展面臨的巨大挑戰。食物-能源-水資源之間存在著錯綜復雜的關聯關系，一種資源的約束可能會限制其他資源的開發利用[4]。隨著資源稀缺程度增加，“關聯關系”約束下食物-能源-水資源呈現的協同或拮抗作用愈加強烈，更加劇了城市內的資源沖突。同時，城市是一個高度開放的系統，資源的生產和消費在空間上呈現明顯分離[5-6]，日益增長的區域輸入影響著城市食物-能源-水資源的供需系統，城市社會經濟與環境變化也會影響其他區域的資源安全[7]，使城市食物-能源-水資源的供需管理更為復雜。2014年，德國技術合作組織（GIZ）與地方政府環境行動理事會（ICLEI）在合作項目中首次提出“UrbanNexus”的概念[8]，將食物-能源-水資源關聯關系與城市可持續發展聯系起來，強調必須重視城市食物-能源-水資源的系統管理。因此，有必要從關聯視角出發，充分考慮城市系統的開放性特征和區域傳導效應[9]，對未來食物-能源-水資源系統的供需變化及資源開發利用的協調與安全性進行“前瞻性”預判，以服務城市資源安全與協同管理[10]。

1文獻綜述

城市化進程的不斷推進對食物-能源-水資源提出了更高要求，全球氣候變化和公共衛生事件的突發更增加了保障城市食物-能源-水資源供需安全的不確定性和風險。如何應對未來不斷擴大的資源需求以及快速退化的資源生產是城市管理決策者亟待解決的問題[11]。長期以來，城市系統大多是以單一、割裂、機械的方式考慮食物、能源與水資源，試圖通過對資源供需開展現狀評估[12-14]或預警分析[15-18]在單要素領域提出應對資源危機的有效措施，這種傳統的“孤島式”的資源管理忽視了食物-能源-水資源要素間的關聯關系，不能充分反映資源利用在管理實踐中的復雜性，甚至會帶來新的資源困境，不利于實現資源整體分析和綜合管理[19]。

2011年波恩會議之后，“關聯關系”作為環境管理的新范式，逐漸成為世界性的熱點議題。目前學術界對食物-能源-水資源系統存在客觀復雜的相互作用基本達成共識，并逐漸形成以食物-能源-水資源為核心的多要素、多尺度的研究框架[9，20]。在此基礎上，有關食物-能源-水資源的模型開始發展起來，主要用于量化與評價復雜食物-能源-水資源系統的行為模式和互動關系，如多尺度綜合評價模型（MuSIASEM）[21]、WEF關聯關系研究工具（WEFNexusTool2.0）[22]等，此類模型可以通過情景分析探索國家尺度資源利用的最優方案，但主要側重靜態分析，不利于掌握食物-能源-水資源系統的運行規律;而氣候-土地-能源-水模型（CLEWs）[23]、區域綜合建模和分析平臺（PRIMA）[24]等雖可以實現不同國家或區域食物-能源-水資源安全的動態評估，但往往由于模型固化、參數復雜，在面對特定研究對象與問題時缺乏一定的靈活性，難以實現對城市資源安全的整體把握。為此，部分學者借助不同的建模平臺開發了專門的模型分析工具，譬如Lin等[25]開發了基于GIS的區域環境評估工具（GREAT），李桂君等[26]和王慧敏等[27]構建了食物-能源-水資源系統動力學模型等，雖可有效模擬地方性區域未來食物-能源-水資源的變化趨勢，為城市動態模擬研究提供借鑒，但并未考慮其開放性特征，對多維關聯關系的復雜性思考較為簡單。因此，文章旨在綜合考慮城市食物-能源-水資源要素間、系統間、區域間的多重關聯關系，構建靈活的城市食物-能源-水資源動態模型，服務于城市資源系統管理。

作為首都的北京是中國快速城市化過程的縮影，獨特的區位條件和超大城市的定位決定了北京承受著日益緊張的資源壓力。文章以北京市為例，基于Stella建模平臺，提出城市食物-能源-水資源系統模型的建模范例，模擬北京城市發展過程中食物-能源-水資源的供給與需求，分析食物-能源-水資源彼此間關聯強度的變化規律，以期為北京城市發展規劃實施以及構建韌性城市管理方法提供定量化決策依據。

2研究方法及數據來源

2.1模型構建

Stella是基于交互式界面的動態建模與政策分析平臺，在復雜系統關聯關系量化與結構分析等方面具有獨特優勢，操作靈活且不需要編寫復雜的程序代碼，大大提高了建模的交互性與通用性。本研究綜合考慮食物-能源-水資源要素之間的依存關系（resourcesdependence，RD）、與社會經濟系統之間的供給關系（resourcesprovision，RP）以及城市與區域之間的耦合關系（resourcescross-region，RR）（圖1），基于Stella平臺進行建模，模型包括四個模塊（圖2），模塊中變量的含義如表1所示。

模塊I是社會經濟模塊，主要包含常住人口和GDP兩個重要參數，是生產生活中食物-能源-水資源需求的直接驅動因素。GDP以2010年可比價表示，綜合分析世界銀行（WorldBank）與法國巴黎銀行（BNPParibas）數據庫資料、《2017—2018年中國宏觀經濟分析與預測》及《北京藍皮書：北京經濟發展報告（2018—2019）》等研究報告以設定增長率。人口動態變化采用邏輯斯蒂增長函數表示，參考《北京城市總體規劃（2016—2035年）》將2035年人口目標設定為2300萬人。

模塊Ⅱ是城市食物供需模塊，主要包括糧食和肉類。北京本地糧食生產假設全部供本地消費，由糧食種植面積與養殖規模的變化來進行模擬，需求量由常住人口與居民人均家庭食物消費量來估算，供需缺口決定外地調入量。食物對能源的消耗主要考慮生產（種植/養殖）-加工（碾米、屠宰等）-運輸存儲-烹飪煮熟四個過程，而對水資源需求則主要考慮生產-加工-烹飪煮熟三個環節。

模塊Ⅲ是城市能源供需模塊，主要考慮了煤炭、石油、天然氣、電力和熱力五種能源類型。北京市本地完全自給的能源生產活動僅有部分原煤開采以及可再生能源的開發。能源需求主體包括生產與生活需求。其中，生產需求包括食物和水資源系統需要的能源以及其他產業（主要指除農業、水生產和供應業、水利環境公共設施管理業以外的產業）的能源消耗;生活需求主要包括家庭食物加工與其他能耗之和。此外，能源生產和加工過程中的水資源消耗量，主要包括煤炭生產、火力發電、熱力供應、油品加工以及可再生能源的生產等環節。同時，綜合《北京城市總體規劃（2016—2035年）》及北京市可再生能源發展的現狀與未來趨勢，設定太陽能、地熱能（含余熱）、生物質能、風能的發展情景。

模塊Ⅳ是城市水資源供需模塊，本地供水主體包括地表水、地下水及回用水三部分，而需水主體包括農業、工業、生活和市政景觀四部分。其中，地表水和地下水的供給量由歷年統計數據推算，回用水利用量根據回用率估算。農業需水主要由農業灌溉用水驅動;工業需水由能源產業需水和一般工業（除能源生產、加工以外的工業活動）需水共同決定;生活需水等于食物烹飪需水與人口和其他人均生活用水量乘積的和;市政景觀需水由人口和經濟發展水平估算。以“原水提取”“水處理與分配”和“廢水處理與回收”三個環節計算水資源開發利用過程中的能源消耗[28]。以食物氮排放灰水足跡作為水系統受到食物系統影響的表征指標，標準采用《水污染物綜合排放標準（北京市地方標準）》（DB11/307-2013）中B排放限值。

2.2關聯指標構建

資源之間相互影響的程度不能僅僅從絕對量來反映，如，食物消耗的能源較多，但其他經濟部門能源需求的增加會導致食物對能源系統構成的實際影響可能較小。鑒于此，文章構建了要素關聯指數，該指數指食物-能源-水資源交互作用量和需求量的比值，以表征系統內要素間的關聯程度。

其中：γij為資源i對資源j的單向關聯指數;IDij為資源i對j的交互影響量;TDj為資源j的總需求量;γi-j為資源i和j的關聯指數，在此基礎上，以Lγi-j表示區內的要素關聯程度，由實際發生在城市邊界以內的資源交互行為計算，兩指數差值為本應由城市負擔卻外溢至區域的部分，反映城市食物-能源-水資源供需對區域資源系統的影響程度。

2.3數據及驗證

為便于與《北京城市總體規劃（2016—2035年）》中設定的目標進行對比，本研究將模擬時間節點設定為2035年，模擬步長為1年。在對人口與GDP進行參數率定與驗證的基礎上，采用歷史檢驗法，利用2000—2016年食物、能源和水資源實際供、需總量歷史數據進行模型驗證，相關數據來自2001—2017年歷年《北京市統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《北京市水資源公報》《全國農產品成本收益資料匯編》《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查技術報告》及文獻調研資料[29-41]。由于食物需求統計量存在統計口徑的缺口，本文選擇已有研究中的數據進行驗證[42]，如圖3所示，總體模擬效果較好，模型可靠性較高。

3結果與分析

3.1食物-能源-水資源供需總量及結構的變化

如圖3a、3b所示，北京市居民食物的需求量總體上呈飽和增長趨勢。2000—2015年期間，北京市居民糧食和肉類的人均消費量基本穩定在88kg和34kg左右，隨著人口規模逐漸擴大，2035年北京城市糧食需求預計為216萬t，肉類83萬t。從生產端來看，隨著城市產業結構調整、建設用地不斷擴展以及農業生產空間不斷被調減，糧食作物播種面積已由2000年30.8萬hm2降至2015年的10.4萬hm2，僅約0.13萬hm2用地可服務于畜禽養殖，本地供給能力持續下降，2035年預計僅可保留約21萬t糧食和23萬t肉類的生產量，本地供需缺口將不斷拉大。

能源作為社會經濟發展的物質基礎和基本動力，與經濟發展呈現強烈的耦合關系（圖3c、3d）。北京市生產總值可比值從2000年的0.47萬億元預計增加到2035年的6.91萬億元，而能源需求將由4144萬tce增加至約9165萬tce，略超過《北京城市總體規劃（2016—2035年）》中“2035年力爭控制能源消費總量在9000萬tce左右”的目標。需要說明的是，北京市曾以煤炭作為城市生產生活的重要能源，近年來隨著“去煤炭化”進程的推進，陜京天然氣管道、燃氣熱電中心等能源基礎設施建成并投入使用，北京的能源消費趨于清潔和多元，以天然氣、電力和油品為主的能源消費結構將成為最主要格局，到2035年將占總消費量的90%以上。2020年本地煤礦關閉之后，北京化石能源消費將全部依靠調入，本地主要生產可再生能源，結構上以太陽能和地熱能為主，總量上預計2035年實現消費占比達到18%，距《北京城市總體規劃（2016—2035年）》中20%的目標仍有一些距離。

水資源供求關系在南水北調中線通水之后基本可實現總量平衡，但這種“緊平衡”狀態卻是極度脆弱的（圖3e、3f）。模擬結果顯示，2035年北京市水資源總需求量達46億m3，較2015年增加約19%。結構上表現為工農業需水大幅下降，生活需求和市政景觀需求成為水資源的需求主體（83%），這與北京市產業結構轉型和生態環境建設密切相關。在供給方面，北京市屬于重度缺水地區，2000—2015年期間本地供水以地表水和地下水為主，之后北京市大力推動水資源的回收與再利用，2015年之后再生水可利用量達到10億m3，已成為除自然水體外穩定的“第二水源”，預計2035年可利用量為16億m3，占本地水資源供給量的50%。相較于食物與能源來說，水資源的空間流動性較差，非自然水資源調度成本較高，2035年北京本地供水將面臨13億m3缺口，供需矛盾依然嚴峻。

3.2食物-能源-水資源系統關聯性分析

隨著城市資源供需與結構性變化，食物-能源-水資源要素之間的關聯性也會發生顯著變化。由圖4a、4b可以看出，食物與能源之間的相互作用明顯加強。食物對能源需求的正向驅動突出，從2000年的64萬tce增加到2035年的188萬tce，但增幅在2015年之后隨食物需求總量趨于平穩而下降。結構上呈現供應鏈前端低能耗、后端高能耗的特征。盡管外部調入量不斷增加，但是相比較食物運輸和加工而言，食物生產所引起的外部能源消耗的影響雖在增加但始終較小，到2035年僅有16萬tce左右的能源需求量由外部地區承擔。能源受到食物子系統的支撐作用增加，生物質能的利用水平顯著提高，預計2035年的年利用量將達到294萬tce。

北京市食物和水資源的相互作用在總量上同向變化（圖4c、4d），且均呈現向區外轉移的趨勢。食物系統對水資源的影響體現在對水量和水質的雙重壓力。就總量來說，食物對水資源的需求持續小幅增加，預計2035年將超過14億m3。化肥的使用、牲畜和人類糞便的排放將產生約18億m3的灰水負荷（2035年），其中因食物消費行為而排放的氮是食物生產行為的1.8倍，易造成水質性缺水問題。由于城市食物子系統越來越依賴外部區域（如黑龍江、河北和山東等）的糧肉調入來滿足不斷增長的需求，2035年食物的水資源需求中將有12億m3被轉嫁到其他區域，約29%的灰水負荷由城市腹地分擔。由此可見，食物生產活動的外包對緩解本地的水資源緊張發揮了積極作用，但顯然加劇了區域水資源的壓力。

北京市能源與水資源對彼此的需求呈現不同程度增加，但能源對水的驅動作用更強。如圖4e、4f所示，2035年能源共計需水量約7億m3，相比2000年增加了近3倍，其中約55%的能源水資源需求發生在區外。外部能源產品的輸入，大大減少了本地能源生產對水資源的需求壓力。目前北京市本地能源需水活動主要為二次能源的加工，其中以熱電生產為主，后期可再生能源的開發將消耗更多的水資源。同時期內，水資源對能源的需求驅動基本穩步增長，預計2035年需求總量將達到約34萬tce。由于北京市愈加重視綜合提升水資源利用水平，自來水的生產運輸、污廢水的收集處理以及回用水的再生逐漸成為水資源耗能的主體，2035年需消耗能源約23萬tce。為了滿足北京市的水資源需求，南水北調工程的輸水量連年上升，將有8%的水資源能源需求量被輸水源頭丹江口及工程沿線的其他地區承擔。

3.3食物-能源-水資源系統關聯程度分析

基于上述研究，對北京市食物-能源-水資源系統的關聯指數進行綜合分析，如圖5所示。

食物和水系統的強關聯關系發揮了主導作用，更高的需求風險或伴隨更高的關聯風險。農業技術水平的顯著提高和農業結構的升級優化，減少了食物與水資源彼此約束的相對量，關聯指數γW-F由0.28波動下降至0.26。同時，食物生產活動的區外轉移，使本地食物和水資源系統呈現解耦特征，2035年關聯指數LγW-F僅為0.11，相比2000年將下降近60%。

水和能源系統的關聯關系最穩定，關聯強度雖有增加但對整體影響不大。新能源綜合利用模式的推廣和水資源利用水平的提高，增加了要素之間的資源依存量，關聯指數LγE-W由2000年的0.014增加至2035年的0.017，但該增量相對總量仍然較小，能源和水系統的資源壓力主要來自其他社會經濟活動的需求。另一方面，能源和水資源長期高度對外依存的供給模式并沒有發生顯著變化，要素關聯和區內要素關聯指數同比增長，差值約為0.006。

能源和食物系統的關聯強度不高，但潛力較大。近年來，生物質能的開發利用，加速了食物和能源系統的耦合，關聯指數LγF-E快速上漲，2035年將達到0.024。同時，關聯指數LγF-E的改變使總體的要素關聯也發生了變化，關聯指數γF-E將增至0.025，食物和能源的關聯關系對區域作用最小，僅0.001的關聯強度被轉移到其他地區。

總體來看，城市是高度開放的經濟系統，對資源嚴重稀缺的北京市而言，外圍地區分擔了北京市高強度的資源壓力，本地食物-能源-水資源系統的關聯關系外溢，區域間互聯互通的作用加強，食物-能源-水資源關聯關系也更加復雜。因此，保障城市資源的安全應由市域內統籌向市域內外兩個統籌的方向轉變，外部資源的供應應該納入城市政策的制定過程中。

4討論

4.1重視城市與區域之間的戰略對接

北京市長期處于超負荷運轉的狀態，新興資源產業的發展雖然逐漸緩和了部分資源供需矛盾，但本地供給增量極度有限，在應對大體量資源需求時依然杯水車薪。2035年北京消費的食物-能源-水資源中，分別將有約85%、82%和28%依靠外地調入。要全面保障北京市的資源安全，首先需要建立長效穩定的區域合作關系并有意識地預備多樣的城市外交路徑，提高資源可持續輸配的冗余性及綜合性，使城市資源系統能夠更從容地承受、應對并適應各種急性沖擊和慢性壓力。其次，人口和功能的集中以及對外高度依賴的發展模式，伴隨著嚴重的“虹吸效應”，形成了城市與區域間食物-能源-水資源的利益權衡。研究表明，北京市本地資源生產能力快速退化，促使食物-能源-水資源系統產生了溢出效應，輻射加劇了外部地區資源要素間的關聯性與內部約束。因此，城市資源管理有必要融入區域發展整體格局，明確城市定位，加強優勢互補與資源分享，促進區域內各相關主體的協調發展。

4.2謹慎推行本地新興資源保障措施

面對持續膨脹的資源壓力，近年來北京市通過“開源節流”的方式不斷推進資源保障工作。“開源”是指通過開發新能源、發展都市農業以及增加回用水產出等方式發掘本地資源新動能，此類措施雖逐漸盤活了北京市的自有資源，但實際上缺乏對食物-能源-水資源三要素之間依賴性權衡的考慮。模擬結果顯示，新能源的開發減輕了能源壓力但會導致能源需水的顯著增加，而食物和水資源的強關聯關系更加暴露了都市農業的推廣可能成為水資源壓力的新來源。因此新興資源保障措施的推行需要基于食物-能源-水資源“三位一體”的規劃視角，避免一味追求單領域資源效益而造成不利的連鎖反應。

“節流”重點在于強調資源總量與強度的雙控建設。研究結果顯示，北京城市內食物-能源-水資源的生產功能弱化，消費者角色凸顯，資源需求受到社會經濟系統的強力拉動，表現出系統間強烈的約束性權衡。加強資源消費端管控，是減輕食物-能源-水資源系統供給壓力的重要舉措，并可以為“開源”工作創造更大的發展空間。因此，城市食物-能源-水資源系統的協同管理可優先關注資源消費的減量提質，推廣綠色消費理念和消費模式的轉型升級，提高資源利用效率，促進資源環境約束下社會經濟的和諧增長。

5結論

文章基于Stella建模平臺，構建了城市食物-能源-水資源供需與關聯關系模型，動態模擬了2000—2035年北京市食物-能源-水資源的供需總量以及關聯結構，并通過關聯指數分析了食物-能源-水資源之間關聯程度的變化特征，為解析城市食物-能源-水資源互動行為的復雜性、識別關鍵關聯環節提供了參考范例。主要結論如下。

（1）模擬期內，北京市食物-能源-水資源需求總量呈現不同幅度的增長。食物的需求量在快速增加之后趨于飽和，能源始終保持較快的增長趨勢，水資源在少量下降后反彈增長。食物的本地生產能力持續下降，水資源和能源有一定提高，供需矛盾依舊突出。

（2）總量上，食物-能源-水資源要素間的相互作用均有不同幅度的增加。結構上，資源生產環節的外包特征明顯，運輸、處理等供應鏈后端環節對本地食物-能源-水資源要素關聯的貢獻增大。

（3）就食物-能源-水資源系統關聯程度而言，食物和水資源耦合性最強，但有減弱趨勢;食物和能源關聯指數上漲最快，能源和水資源基本穩定。區域間食物-能源-水資源系統關聯程度增大，本地食物-能源-水資源系統的復合壓力向外部地區轉移。

不難發現，隨著城市化過程的不斷推進，本地有限的資源供給并不能滿足高強度的資源需求。城市與外部支撐區域的聯系更加密切，食物-能源-水資源“消費在內、供給在外”特征明顯，關聯關系“外包”特征明顯。建設北京市國際一流和諧宜居之都的規劃目標，需要強化食物-能源-水資源的供需安全保障。顯然，實現相關規劃目標，需要綜合考慮食物-能源-水資源要素之間、資源系統與社會經濟系統之間、北京與周邊區域之間的權衡關系，不斷推進多區域、多要素一體化資源協同管理。

需要說明的是，文章重點關注北京本土主要的食物生產對象，而由于食物消費具有多元性且成品多依賴外地直接輸入，食物對水資源和能源實際造成的影響或被低估，因此未來將進一步豐富模型結構，構建區域聯動的城市食物-能源-水資源模型。另外，文章定量把握了北京市食物-能源-水資源安全演化的基本態勢，基于現有發展模式提供了基準情景參照，而規劃決策的提出和系統響應是一個持續漸進的動態過程，在以后的研究中，將結合多情景分析法，演示未來可能的發展變化以減少模型的不確定性，探究城市食物-能源-水資源系統對不同導向發展模式的響應，以擬定資源利用的最優方案，盡量避免權衡作用的負面影響。

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（責任編輯：王愛萍）