京津冀地區水-能源-糧食系統協同發展評價

鄭 雪，周 浩，張野馳，王 晶

（1.河北省秦皇島水文勘測研究中心，河北 秦皇島 066000；2.燕山大學區域經濟發展研究中心，河北 秦皇島 066004）

水、能源和糧食是人類生產生活和社會穩定發展的戰略性支撐要素，也是經濟社會長久發展的必要物質條件。全球對于水、能源和糧食的需求仍在上升，然而三者的安全問題正面臨著嚴峻挑戰，為解決這一問題，2011 年世界經濟論壇發布的《全球風險報告》首次將三者作為一個整體進行研究，并將水-能源-糧食（Water-Energy-Food，W-E-F）系統風險列為未來的三大核心風險群之一[1]。

水、能源、糧食三者既相互獨立又相互關聯，既相互制約也相互依存，任何一個要素失衡都會影響到其他2 個要素和整個WEF 系統的發展，針對要素失衡和WEF 系統協同發展問題，國內外學者進行了綜合性研究。學者主要采用耦合協調度模型[2]、DEA 模型[3]、協同學[4]、系統動力學[5]、水足跡模型等[6]方法從不同層面和視角對WEF 系統協同狀態進行評估、分析影響因素等，取得了一系列的成果。如，支彥玲等基于協同進化理論構建協同評估框架，對我國西北地區水資源、能源和糧食系統的協同關系進行評估[7]；趙勇等基于京津冀地區水資源管理需求，構建了水-能-糧-生協同調控模型，通過多情景模擬提出了京津冀協同調控方案[8]；鄧鵬等以江蘇省為研究對象，構建耦合協調度模型對WEF 系統協調度進行評價并預測未來的變化情況[9]。

上述國內外研究雖然從不同角度對WEF 系統的協同發展情況進行了研究，但大多以省份、國家層面為主，較少以經濟體為研究對象分析系統的協同發展水平，因此本文根據水、能源、糧食相互關聯的特點，以京津冀地區為研究對象，以協同學理論為基礎，從水資源系統、能源系統和糧食系統3個方面選取指標構建協同度評價模型，為保障區域WEF 系統協同發展提供理論基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究所需數據來源于2010—2020 年的《中國能源統計年鑒》《中國環境統計年鑒》以及北京、天津和河北三地的統計年鑒、水資源公報、國民經濟與社會經濟發展公報等，個別缺失數據通過插值法補齊。

1.2 研究方法

1.2.1 協同理論

協同理論是由德國物理學家赫爾曼·哈肯于1971 年提出的，用于研究復雜系統之間的協同作用。WEF 系統包含水資源子系統、能源子系統和糧食子系統，這三者之間互相作用、互相影響，可通過協同理論來研究各子系統在不同時間和空間條件下的特征和演變規律。系統內部各要素之間的協調程度被稱之為協同度，其大小反映系統的有序程度，是分析子系統之間協調發展狀態的重要指標，本研究的協同度是指水資源、能源、糧食三大子系統之間的協同程度。

1.2.2 復合系統整體協同度法

WEF 系統由3 個子系統構成，系統可表示為：S=f(S1,S2,S3)，系統的協同度由各子系統的協同度決定，子系統可由參量S1=(x11,x12,x13,…,x1n)、S2=(x21,x22,x23,…,x2n）、S3=(x31,x32,x33,…,x3n）來表示，若xik為正向指標，則取值越大系統的有序度就越高；反之，若xik為負向指標，則取值越小系統的有序度越高。各子系統的有序度可由下式求得：

式中：μj(xik)∈(0,1)為子系統的協同有序度，取值越大，則參量xik對系統的有序發展貢獻越大；αik、βik為系統穩定臨界點上序參量的最大值和最小值。

再利用線性加權法即可求得系統Si的有序度，其計算公式為：

式中：μj(Si)表示子系統的有序度，取值越大，則表明子系統內各參量對子系統有序度的貢獻越大；wk為第k個指標的權重；μj(S1)，μj(S2)，μj(S3)分別表示水資源系統S1、能源系統S2和糧食系統S3的有序度；其余變量含義同上。

現假定系統初始位置時刻為t0，各子系統的有序度為，當系統演進到t1時刻時，子系統的有序度為，將P定義為系統的協同度，則有：

式中：P∈[-1,1]，其值越大，表示系統的協同能力越強，反之越弱。

2 WEF系統協同度評價模型

2.1 評價指標選取

WEF 系統是一個復雜的系統，關乎經濟社會和生態環境，不僅需要考慮各指標的關聯性，還需要考慮系統間的關聯作用。考慮到水資源、能源和糧食3 個子系統既相互關聯又各自獨立，本文從水資源、能源、糧食3 個層面根據頻度分析法確定了2 層共25個指標。

2.2 數據處理

為消除序參量之間的量綱差異，統一數據的變化范圍，本文采取歸一化處理法對數據進行無量綱化處理。

對于正向指標，其計算公式為：

對于負向指標，其計算公式為：

式中：yik表示標準化后的數值；xik表示初始數值；xkmax和xkmin表示第k個指標的最大值和最小值。正向指標表示值越大對系統越好的指標，負向指標表示值越小對系統越好的指標。

再利用熵值法計算指標權重，指標的權重越大，代表在協同度評價模型中所起的作用越大。

2.2.1 信息熵計算

評價指標的信息熵Ek可表示為：

2.2.2 權重計算

第k個指標權重wk的計算公式為：

經計算，各指標的權重結果詳見表1。

表1 WEF系統綜合安全評價指標及其權重

3 WEF系統協同度評價實證分析

3.1 京津冀地區水資源系統有序度

2010—2020 年，京津冀地區水資源系統的有序度整體上處于上升狀態，大致可以分為2個階段：①2010—2014 年，這一階段有序度基本上低于0.5，由于京津冀地區屬于嚴重缺水地區，并且用水量大、廢水排放量高，使得有序度較低；②2015—2020 年，這一階段有序度基本處于0.5～0.6，由于京津冀協同發展戰略的推進和南水北調工程的全面建成通水，在一定程度上緩解了京津冀地區的水源緊缺問題，水資源系統有序度得到了提高，但人口基數大，用水對外省依賴度高，因此有效度不高。

北京、天津和河北三地中，北京和天津的水資源系統有序度低于河北，這是因為北京和天津的人均水資源量低于河北，而人均用水量卻比河北高，因此整體上要低于河北。三地水資源系統有序度不高主要受限于水資源不足，水資源已成為制約三地發展的瓶頸。京津冀及各地區水資源系統有序度，詳見表2。

表2 京津冀及各地區水資源系統有序度

3.2 京津冀地區能源系統有序度

京津冀及各地區的能源系統有序度整體上偏低，且無明顯變化規律。從京津冀地區整體上來看，自2015年開始能源系統有序度均大于0.5，高于2010—2014年這一時間段，根據序參量的權重可知，人均能源生產量、能源自給率和清潔能源發電占比對能源系統有序度的影響較大，自節能減排和可持續發展等政策實施以來，清潔能源的使用迎來了一波高峰，能源自給率和清潔能源發電占比的提高使得系統的有序度得到了提高。從各地區來看，天津的有序度要高于北京和河北，這是由于天津的人均能源消耗量低于后兩者，而人均能源產量和能源自給率高于兩者。京津冀及各地區能源系統有序度，詳見表3。

表3 京津冀及各地區能源系統有序度

3.3 京津冀糧食系統有序度

京津冀及各地區糧食系統有序度整體上呈現上升趨勢，根據序參量的權重可知，居民恩格爾系數、作物受災率和單位播種面積動力投入這3個指標對糧食系統有序度影響較大，近些年來，隨著居民收入不斷提高，恩格爾系數開始降低，并且隨著農業機械化的普及，有序度得到了明顯的提高。從各地區來看，河北的糧食系統有序度幾乎一直高于北京和天津，河北作為農業大省，人均糧食產量遠高于后兩者，為周邊省市提供了糧食保障。京津冀及各地區糧食系統有序度，詳見表4。

表4 京津冀及各地區糧食系統有序度

3.4 WEF系統協同度

依據式（4）計算WEF系統的協同度，京津冀各地的WEF 系統協同程度存在一定差距，從整體上看各地WEF系統協同度表現為上升趨勢，如圖1所示。

圖1 京津冀及各地區WEF系統協同度水平

從圖1 可以看出，各地WEF 系統協同度變化可分為2個階段：第一階段為2011—2016年，這一階段各地協同度變化無規律，有增有減，處于較低的狀態，表明這一時期京津冀各地WEF 系統協同發展情況較差。第二階段為2017—2020 年，這一階段各地的WEF 系統協同度均呈現明顯的上升趨勢，各要素得到了有效協同并且逐年提高，其中北京的增幅最大、增速最快，天津的增幅最小、增速最慢。

京津冀地區的WEF 系統協同度高低與北京、天津和河北三地的協同度高低息息相關，任一地區的協同度低下都導致整個京津冀地區的協同度處于較低的水平，只有京津冀三地協同發展，增強WEF系統上的合作與交流，才能推動WEF系統協同快速發展。

4 結論

根據協同理論構建區域WEF系統協同度評價模型，基于京津冀地區2010—2020 年的相關數據，對京津冀及各地區水資源、能源、糧食系統的有序度和WEF系統的協同度進行定量評估，主要結論如下。

（1）京津冀地區WEF 系統的有序度和協同度整體上呈上升趨勢，其中水資源和能源系統有序度變化可以劃分成2 個階段：2010—2014 年這一階段有序度較低，幾乎都低于0.5；2015—2020 年這一階段有序度高于前一階段，均高于0.5。京津冀地區WEF系統協同度自2017年開始變化明顯，上升速度較快，增幅較大，整體協同水平得到進一步提高。

（2）在京津冀三地的水資源、能源、糧食系統中，河北的水資源和糧食系統的有序度高于天津和北京，這主要與人均擁有量高而人均消耗量較低有關；而天津的能源系統的有序度高于河北和北京，這主要與人均產量和自給率較高有關。