京津冀水資源-糧食-能源-生態(tài)協(xié)同調(diào)控研究Ⅰ：方法與模型

常奐宇，趙 勇，桑學(xué)鋒，李海紅，何 凡，翟家齊

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

1 研究背景

水、糧食、能源是人類生存和社會(huì)穩(wěn)定的三大戰(zhàn)略性支撐要素，也是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)保障［1］。美國國家情報(bào)委員會(huì)預(yù)計(jì)到2030年，全球水、糧食和能源的需求量將分別比2012年增加40%、35%和50%，確保充足的水、糧食和能源供給已經(jīng)成為世界各國面臨的長期壓力［2］。

水、糧食和能源既是相對獨(dú)立又是緊密關(guān)聯(lián)的耦合互饋系統(tǒng)，存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，一個(gè)子系統(tǒng)的發(fā)展往往需要消耗其他兩個(gè)子系統(tǒng)的資源。在過去一段時(shí)間，水、糧食、能源之間相互影響的程度較低，但隨著水、糧食、能源系統(tǒng)間相互制約、相互依存的關(guān)系加深，任何一個(gè)要素的失衡都會(huì)嚴(yán)重阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，在人口密集和生態(tài)脆弱的地區(qū)問題尤其突出。如在咸海流域，由于上下游國家對于農(nóng)業(yè)用水和能源補(bǔ)償之間沒有達(dá)成共識，導(dǎo)致該地用水無節(jié)制增長，進(jìn)而導(dǎo)致咸海面積萎縮90%，并引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)［3］。在美國加州中央谷地地區(qū)，由于大規(guī)模的地下水開采灌溉導(dǎo)致的地下水位急劇下降，已經(jīng)引發(fā)了眾多生態(tài)環(huán)境問題，而地下水位下降也使得過去20年中央谷地機(jī)井耗電量增加了15%［4-6］。巴西等國家采用生物質(zhì)能（玉米制乙醇）來部分替代化石燃料，有助于大幅減少溫室氣體排放［7］，但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)能在生產(chǎn)過程中將消耗大量水資源［8］，同時(shí)農(nóng)作物被用于生產(chǎn)生物質(zhì)能，也將對糧食安全帶來不利的影響［9］。……