安徽省水能糧耦合協調時空演化特征研究

焦媛婕

（河海大學商學院，江蘇 常州 213022）

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［1］。糧食生產和農業發展與水資源、能源密不可分，能源開發也在很大程度上依賴水資源和食品工業的發展，同時，水資源的開發與利用需要能源支持。任何領域的過度干預都可能影響甚至破壞這種脆弱的平衡，并導致嚴重的后果［2，3］。因此，在全球人口增長、環境惡化、資源短缺、氣候變化影響加劇的背景下，研究水、能源和糧食之間的內在聯系和互動關系顯得日益重要［4］。

作為可持續發展領域的研究熱點，國外學者很早就對水資源-能源-糧食（簡稱水能糧，W-E-F）問題展開了大量的研究。2011年《全球風險報告》中第一次提出了“水資源-能源-糧食風險群”的概念，該風險與“宏觀經濟失衡”“非法經濟”成為當今備受關注的三大重點風險［5］。2013年，聯合國亞太經濟與社會理事會（UNESCAP）發布了《亞太地區水-糧食-能源紐帶關系報告》［6］，提出W-E-F在時間和空間上具有緊密聯系。國內對水能糧的研究起步相對較晚，基本是從耦合協調、安全評價等角度開展。鄧鵬等［7］和畢博等［8］構建耦合協調模型分別對江蘇省和遼寧省W-E-F系統的耦合協調關系進行評價。彭少明等［9］建立協同優化模型，采用多要素均衡智能算法，提出黃河流域糧食生產、能源開發與水資源調配一體優化的布局方案。王雨等［10］基于系統動力學理論構建仿真模型，對黑龍江省水資源的供需情況和能源、糧食的生產與消費進行模擬，探究合理的配置方案。孫杰等［11］核算了貴州省2013—2017年“水-能源-糧食”對社會經濟與自然生態的服務價值及其紐帶關系的服務價值。綜上所述，目前國內外學者對水-能源-糧食在空間演化特征以及相鄰系統之間關聯性上的研究還較少。

安徽地跨長江、淮河南北，在長江三角洲城市群中占有重要地位。近年來，工業化的建設、城市化的開展加大了對水資源的需求，工農業污染和生活污水的對外排放造成的水體污染也進一步加大了水資源短缺的態勢。隨著人民生活條件不斷改善，糧食的消耗量大大提高，生活能源需求穩步增加，工商業對能源消耗的需求也居高不下，總體情況不容樂觀。因此研究安徽省水-能源-糧食系統的關聯性、耦合協調等問題，對促進水-能源-糧食系統的可持續發展以及政府的管控與決策起著較為重要的作用。本研究通過構建耦合度和耦合協調度模型將水、能源及糧食3個系統緊密聯系起來，以安徽省2006—2018年的數據進行實證分析，探究三者之間的時空演化特征，以期為地區資源綜合管理和可持續發展提供理論參考和基礎性數據準備。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與處理

本研究使用2006—2018年安徽省及各市的數據來分析水-能源-糧食系統的時空演變特征。原始數據來源于2006—2018年的《安徽省統計年鑒》《安徽省水資源公報》《中國能源年鑒》以及各地市的統計公報。大多數數據都可以從年鑒中獲得，部分缺失數據則采用擬合法估算而得。

為了消除所選指標的正負性不同、數量級相差大以及量綱不同引起的誤差，本研究對初始數據進行標準化處理，標準化的原則和方法如下。

正向指標：

負向指標：

式中，正向指標數值越大越好，負向指標數值越小越好；X′ij為標準化后的指標值；Xij為指標原始值；maxXij、minXij分別為2006—2018年j指標的最大值和最小值。

1.2 指標體系構建及權重的確定

本研究綜合考慮W-E-F系統的作用機理以及安徽省的實際情況，借鑒已有的研究成果［12-18］，遵循科學性、客觀性原則，建立耦合協調度指標體系（表1）綜合反映安徽省的W-E-F發展水平。其中，因數據缺乏且電力消費為各市主要的能源消耗，將能源消費結構以電力消費結構替代。

本研究采用熵值法確定各評價指標的權重，通過測度各指標的觀測值內部差異程度來計算其權重值［12］，從而在一定程度上避免了定性方法的不足，得出的各指標權重如表1所示。

表1 安徽省W-E-F系統耦合協調度評價指標體系

1.3 綜合評價指數模型

在計算出各指標標準化值和權重的基礎上，采用相關研究中廣泛使用的線性加權模型計算W-EF各子系統的綜合評價指數［19］，具體公式如下：

式中，βk為各子系統的評價指數；wi為各指標的權重；m為各子系統的指標數量。W-E-F 3個子系統的評價指數分別以f（x）、g（y）、h（z）表示。

1.4 耦合協調模型及類型劃分

耦合度是對系統內部各要素之間相互作用程度強弱的度量，計算W-E-F系統的耦合度可以在一定程度反映各子系統耦合作用的強弱，但無法反映三者間相互發展水平的高低［20］。因此本研究采用耦合協調度模型，以便更好地評價W-E-F三者耦合發展的協調程度。根據相關研究［21］確定耦合度和耦合協調度計算方法：

式中，C為耦合度，D為耦合協調度，T為W-E-F系統的綜合評價指數，a、b、c為3個子系統的權系數。本研究認為3個子系統具有同等的重要性，故取a=b=c=1/3。

通過參考相關文獻［7.12，22］，確定耦合度和耦合協調類型劃分標準如表2所示。

表2 耦合度和耦合協調度類型劃分

2 結果與分析

2.1 W-E-F各子系統及系統耦合協調水平時序變化特征

2.1.1 W-E-F各子系統時序變化特征 根據上述公式計算安徽省2006—2018年W-E-F各子系統及其綜合評價指數、系統耦合度和耦合協調度，結果如表3所示。為方便研究耦合程度和耦合協調水平的時序變化特征，將表3中的數據繪制成折線圖（圖1）。

圖1 各子系統及其綜合評價指數時序變化

表3 安徽省W-E-F耦合度和協調度對比關系

1）水資源子系統。水資源子系統綜合評價指數在0.183 3～0.701 2波動。2006—2007年，水資源評價指數呈飛躍式增長，由0.194 6增長至0.365 8。首先是權重為0.270 7的供需關系得到了明顯改善，水資源供需比由2.3上升到3.1；其次用水結構也得到了一定的改善，權重為0.137 6的生態用水占總用水量的比重上升了0.09%，這是由于2007年十七大報告首次提出建設生態文明的主張，生態治理開始提上日程。另外，廢水治理設施處理能力的提高和萬元GDP取水量的下降也帶來了用水效益的改善和水資源可持續性的加強，進而推動了評價指數的增長。

2007—2009年，水資源綜合評價指數由0.365 8急劇下降到0.183 3，主要是由于人均用水量增長了23.49%，負向拉動效益顯著。另外，糧食作物播種面積增加了158 254 hm2，而降水量和水資源總量基本保持穩定，導致農業用水占比增加了5.09%。

2009—2018年，水資源評價指數提升了2.83倍，主要歸功于用水效益和水資源可持續性的顯著提升。權重最大的人均工業廢水排放量下降了84.87%，萬元GDP取水量也從290.3 m3下降到95.2 m3。這與產業結構的優化密切相關，2009—2018年第三產業迅速發展，第三產業占GDP比重上升了8.69個百分點。

2）能源子系統。能源子系統綜合評價指數雖然總體呈上升趨勢，但是發展相對比較緩慢。2007—2011年安徽省能源發展呈“倒U型”，經歷了先好轉再惡化；2011年后能源發展呈緩慢上升趨勢。從總量來看，安徽省的能源較為豐富，擁有較低的對外能源依存度。從供需來看，安徽省是能源消耗大省，作為長江經濟帶沿線城市和長江三角洲城市群核心城市，近十幾年來安徽省不斷發展經濟，人均能源消耗量持續增長，從1.16 t/人上升到2.09 t/人。從能耗結構來看，第二產業的能源消耗所占比重最高；隨著第三產業的迅速發展以及人民生活水平的不斷提高，生活用電占比也呈上升趨勢。從能源利用效益來看，萬元GDP能耗量由1.171萬噸標準煤/萬元下降到0.468萬噸標準煤/萬元，能源消費彈性系數降低到30%以內，逐步轉向集約型的能源消費生產模式，這意味著經濟發展對于能源消費的依賴度已經有所下降，逐漸由經濟高速增長轉變為經濟高質量增長。

3）糧食子系統。糧食子系統發展較快，綜合評價指數總體呈上升趨勢，這與全國農業發展態勢基本一致。主要是由于2006年廢除農業稅以來，國家加大對農業的扶持力度，農業基礎設施得到明顯改善，農民種植糧食的積極性大幅提高。以2011年為界，糧食子系統的發展可以劃分為基本穩定和穩步持續上升兩個階段。2006—2011年，糧食子系統的綜合評價指數在0.25上下浮動。這期間權重為0.363 7的產出水平較高，正向效益顯著；而生態化水平穩定性較低，為了獲得可觀的產量，農業生產中大量使用了化肥，地均農用化肥施用量從0.334 t/hm2增加到0.365 t/hm2。糧食產量波動率雖然呈現出向0靠攏的趨勢，但是變化波動較大，穩定性較差。

2011—2018年，糧食子系統綜合評價指數呈持續穩步增長的趨勢。這主要是由于2011年起中央大幅度增加“三農”投入，鞏固完善強農惠農政策，農業基礎設施逐漸完備。8年來，農田有效灌溉比例提高了7.3個百分點，農村人均用電量增長了54.8%。糧食生產補貼和臨儲制度實施后，農民種糧收入和積極性顯著提高，單位面積糧食產量上升了15.7%，表現出很高的糧食生產潛力。在生態化水平方面，地均農用化肥施用量在2011—2015年呈上升趨勢，而2015年后逐漸下降，這主要是由于國家從2015年起開展化肥使用量零增長行動，以探索產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路。2011—2018年的糧食產量波動率基本在0上下波動，具有較好的穩定性。

2.1.2 W-E-F系統耦合度和協調水平時序變化特征 圖2為系統耦合度和耦合協調度時序變化，可以看出安徽省W-E-F系統在2006—2018年一直保持高水平耦合狀態，耦合度在0.90～1.00波動，這表明各子系統之間相互作用程度較高。但是由于耦合度模型僅說明相互作用程度，不能代表是良性的協調還是惡性的協調，因此還需要繼續計算耦合協調度，以進一步分析安徽省水-能源-糧食系統耦合發展的等級以及相應階段。

圖2 系統耦合度和耦合協調度時序變化

由耦合協調度曲線可以看出，W-E-F系統的耦合協調度總體呈上升趨勢并且發展狀況逐漸改善。2006—2010年的增長速度較慢，耦合協調度保持在勉強協調水平；2010—2011年耦合協調度下降了0.037 2；2011—2018年耦合協調度增長了62%，由0.536 0上升到0.870 2，從勉強協調向良好協調過渡，總體上向較好的趨勢發展。

2.1.3 W-E-F系統內部關聯效應（時間） 為了進一步研究安徽省水資源、能源和糧食3個子系統之間的關系，對各個子系統的綜合值進行兩兩對比，利用下式計算各子系統之間的對比系數［7］：

參考文獻［23］，按照子系統對比系數劃分子系統的關系類型：l＜0.6，極度受損型；0.6≤l＜0.8，嚴重受損型；0.8≤l＜1.0，較為短缺型；1.0≤l＜1.5，較為充足型；l≥1.5，特別充足型。

根據上述公式分別計算安徽省水資源、能源和糧食3個子系統之間的兩兩對比系數，并繪制出折線圖（圖3）。

圖3 安徽省水能、能糧、水糧對比系數

由圖3可知，2006—2015年，l水能大多數情況下小于1.00，但在2007年達到最大值1.43，屬于水資源較為充足型。這主要得益于2007年十七大報告首次提出建設生態文明的主張，生態用水占比增加，水資源供需關系、用水效益和可持續性都得到明顯改善。2016—2018年，l水能在1.00左右波動，表明近幾年水資源和能源發展相對均衡。

2006—2012年，l能糧大于1.00，表明這段時間內能源供給比較充足。2012年之后，l能糧小于1.00，表明這段時間內的能源開發利用滯后于糧食生產。其中，2015年l能糧達到最小值0.77，屬于能源嚴重受損型，主要是由于權重為0.330 9的能源利用效益較低。

2007年，l水糧達到最大值1.89，水資源供給比較充足，區域內糧食相對水資源而言發展比較滯后。其他年份l水糧均小于1.00，表明這段時間內的水資源都比較短缺，主要是由于經濟快速發展，工農業對水資源的需求量不斷增加。2013年l水糧達到最低點0.48，屬于水資源極度受損型，主要由于區域內的水資源利用比較粗放，人均用水量急劇增加到472 m3，水資源利用率較低。

2.2 W-E-F各子系統及系統耦合協調水平空間變化特征

W-E-F系統的發展水平在空間上也體現出一定的差異。通過計算2006—2018安徽省各城市的耦合協調水平可以發現，大多數城市W-E-F系統發展水平在時序方向上基本一致，因此本研究以2018年為例分析W-E-F系統的空間差異。安徽省各城市2018年W-E-F系統發展水平空間分布差異如圖4所示。

2.2.1 W-E-F各子系統空間變化特征 結合圖4a至圖4c對安徽省各城市W-E-F系統的發展狀況進行分析。

1）水資源子系統。水資源子系統在馬鞍山市表現最好，主要是因為馬鞍山市作為長三角城市群成員城市、長江經濟帶沿線城市，近年來不斷提高對工業“三廢”的治理力度和治理能力，2018年馬鞍山市廢水治理設施處理能力遠高于其他城市，高達390.09萬t/d，這項指標在水資源子系統中所占權重較大，正向效益顯著。黃山市和池州市的綜合評價指數次之。其余各城市間的水資源綜合評價指數相對偏低且差異較小，差異主要體現在用水結構和供需關系2個方面，其中生態用水占比在六安市和蚌埠市最小，這是由于當地農業發展水平和經濟結構的差異所導致的，地理環境和資源基礎對其影響較大。

2）能源子系統。能源子系統在安徽西北部的發展較好，其中亳州市能源子系統綜合評價指數最高，主要是由于其能源儲備非常豐富而能源消耗較少。相比之下，東南部的城市能源發展較差，水資源子系統綜合評價指數最高的馬鞍山市能源子系統綜合評價指數最低，這主要由于馬鞍山市近十幾年來大力發展經濟，并且以第二產業作為自己的主產業，第二產業占能源消耗比重在所有城市中最高，高達84.6%，萬元GDP能耗量也居首位，能源壓力較大，能源利用效益還有待提高。能源子系統綜合評價指數出現了明顯的空間分布差異，首要原因是能源消費結構的差異，評價指數靠前的亳州市、阜陽市近年來進行產業轉型升級且效果顯著，第三產業和人民生活用電占總能耗的比重增加，而東南部的城市仍然以發展第二產業為主。總的來說，產業結構很大程度影響了各城市對能源的需求以及單位GDP能耗，而各城市的資源也在一定程度塑造了產業結構。

3）糧食子系統。糧食子系統在安徽東部發展較好，尤以宣城市最高，中部地區的糧食子系統綜合評價指數處于中等水平且差異不大；西北部發展得要落后一些，淮北市的綜合評價指數屬全省最低。各城市之間出現差異主要體現在灌溉比例和產出水平上。宣城市境內的較大湖泊有南漪湖、青龍湖、太平湖等，水資源非常豐富，灌溉和耕作條件顯著優于其他地區，其有效灌溉比例為全省第一，人均糧食和肉類產量也處于全省領先水平。淮北市和宿州市雖然處于淮河流域，但是人口多、耕地面積較大，因此灌溉條件較為緊張，一定程度限制了糧食產業的發展。

2.2.2 W-E-F系統耦合協調水平空間變化特征由圖4d可知，2018年各城市W-E-F系統協調程度差異明顯，淮北市耦合協調水平最低，僅處于勉強協調水平；62.5%的城市處于初級協調水平；其余城市處于中級協調水平。

圖4 安徽省各城市2018年W-E-F系統發展水平空間分布差異

協調水平排名前三的地區為東南部的宣城市以及中部的合肥市、淮南市。前者主要是受糧食子系統的推動，宣城市糧食子系統綜合評價指數為全省第一，有效灌溉比例居全省首位，糧食、肉類產出水平也處于領先地位。后二者水資源和糧食子系統發展水平居中，主要受能源子系統的推動。合肥市作為省會城市，近年來積極開展產業結構的調整和優化，加大力度發展第三產業，能源利用效益得到顯著改善，萬元GDP能耗量也保持在較低水平。

第二梯隊的有安慶、六安、銅陵、蕪湖、滁州、蚌埠、宿州在內的7個城市，基本集中在安徽省西南部和東北部，還有少數中部地區。安慶、蕪湖、滁州、蚌埠各子系統之間的差異較小，基本比較平衡。六安市水資源和糧食子系統均處于中等水平且差異較小，主要靠能源子系統拉動，其人均能源消耗量保持較低水平，第三產業和生活用電占比較高，能源消費結構較好。銅陵市水資源和糧食子系統的發展水平較高，能源子系統發展稍微滯后一些，主要在于其仍然以發展工業為主，第二產業能耗占總能耗的比重高達80%，能源消費結構不太合理。宿州市能源子系統綜合評價指數最高，發展領先，主要是因為產業結構調整和優化改善了能源的消費結構。其水資源子系統居于中等水平，糧食子系統相對來說還比較滯后。

處于第三梯隊的有馬鞍山市和池州市。馬鞍山作為長江經濟帶的重要城市，近年來著力發展工業，導致能源消費結構和利用效益較差，工業能耗占總能耗的比重最大，萬元GDP能耗量也是全省最高，對協調水平起到了顯著的負向拉動作用。池州市主要受水資源子系統的推動，能源子系統發展較為滯后。其水資源總量充足，生態用水占總用水量的比重較高，人均工業廢水排放量也控制在較低水平，水資源的消費結構和可持續性較好。然而池州市能源供需關系較為緊張，人均能源消耗量、能源消費彈性系數均為全省最高，能源壓力較大；第三產業和生活用電占總能耗比重較少，能源消費結構還有待改善。

協調水平最低的為淮北市，仍然處于勉強協調水平。其能源子系統和糧食子系統嚴重滯后。一方面重化工業在經濟結構中的比重較高，使得能源消費結構較差且人均能耗較高；另一方面，農業發展條件較差，有效灌溉比例較低，人均糧食肉類產出水平也處于較低水平，糧食子系統發展水平全省最低，不利于W-E-F系統協調發展。

2.2.3 W-E-F系統內部關聯效應（空間） 由圖5可以看出，合肥、蚌埠、滁州、蕪湖、安慶等城市各子系統間差異相對較小，發展較為平衡，其余各城市無論協調水平高低，其內部差異都較大，亳州、馬鞍山、宣城尤為明顯，今后應注重扶持落后子系統的發展，以便提高協調發展水平，使系統整體效能達到最佳。

圖5 2018年安徽省各城市W-E-F各子系統發展水平

3 結論與建議

本研究通過構建安徽省W-E-F系統評價指標體系，運用綜合評價指數和耦合協調模型，將時間和空間維度相結合，研究2006—2018年安徽省各城市W-E-F系統耦合協調水平及其變化特征，并探究了系統內部的關聯效應。從分析結果看，與實際情況基本相符。

1）通過建立W-E-F系統耦合模型，構建系統耦合協調評價指標體系，采用熵值法對各子系統的評價指標賦權，實現了對安徽省2006—2018年W-E-F系統耦合協調度的定量評價和時空演化特征分析。

2）安徽省W-E-F系統的綜合評價指數整體上呈現出隨時間上升的趨勢。受到降雨量、調水工程和國家政策的影響，水資源子系統綜合評價指數變化波動比較大，但仍然呈上升趨勢。能源子系統發展相對來說比較緩慢，2007—2011年的發展呈“倒U型”，2011年后呈緩慢上升趨勢。糧食子系統發展較快，開發利用水平整體上高于水資源和能源。

3）安徽省W-E-F系統的耦合程度始終大于0.90，并且日益趨近于1.00，保持高水平耦合，表明了3個子系統之間存在內在聯系和相互作用。耦合協調度呈波動性變化，總體達到良好協調水平，呈現出較好的發展趨勢。耦合協調度的階段性和波動性特點是國家政策、經濟發展和生態環境綜合作用的結果，因此在保持經濟高速高質量發展的同時，有必要保證W-E-F系統的耦合協調發展，以促進區域可持續發展。

4）盡管2006—2018年安徽省W-E-F系統總體上獲得顯著發展，但是各子系統之間存在顯著的空間差異。各子系統的短板區域主要位于六安、馬鞍山、淮北等地，這與不同地區的經濟結構和資源環境狀況密切相關。未來應該立足于各區域的現實條件，采取有針對性的政策措施，著力提升低協調區滯后子系統的發展水平，推動W-E-F系統的協調發展。

5）W-E-F系統的內部矛盾比較突出，主要體現在水-能和水-糧兩方面。水能關系的改善可以從優化產業結構，推動產業轉型升級開始。加快對傳統產業的升級改造，大力發展第三產業和高新技術產業，降低工業的能耗比重，改善能源消費結構。推動水糧關系的改善，一方面需要加大投入，頒布因地制宜的節水政策，提高節水灌溉比例；另一方面可以加大技術投入，研發更加高效的節水灌溉技術以及糧食生產種植技術，減輕糧食生產對水資源造成的影響。