太湖流域水資源-能源-糧食協同發展度評價

摘要：為研究流域水資源-能源-糧食關聯系統（WEFN）的協同發展狀況，促進其可持續利用，基于水資源-能源-糧食紐帶關系，從水資源、能源、糧食3個方面構建流域水資源-能源-糧食關聯系統協同發展評價指標體系，以改進后的距離協同度模型為基礎，與TOPSIS和灰色關聯理論等結合，提出一種基于水資源、能源、糧食紐帶關系的綜合協同發展模型，并以太湖流域為例，測算2007—2019年各子系統的發展度、協同度，評價其協同發展狀況及WEFN的協同發展度。結果表明，太湖流域WEFN協同發展度總體處于中等發展階段，且存在由中等向良好階段發展的趨勢，呈波動上升。太湖流域水資源、能源、糧食各子系統發展度、協同度與協同發展度存在差距，但基本處于中等與良好階段。其中，水資源子系統的協同發展程度較高，而能源對水資源及糧食的協同度是影響流域協同發展度的主要因素。子系統間協同度偏低是造成WEFN協同發展度較弱的原因，應以提高能源在水資源、糧食相關產業中的利用效率及優化能源消費結構為突破口，促進水資源、能源、糧食系統間的協同發展。

關鍵詞：水資源-能源-糧食；協同發展度；灰色關聯；協同優化；太湖流域

中圖分類號：TV213.4；F426.2；F326.11" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0234-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.037 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Evaluation of the coordinated development degree of water resources-energy-food in Taihu Lake Basin

GU Wang-jing1， WU Zhao-dan1，2

（1.School of Business， Hohai University， Changzhou" 213022， Jiangsu， China； 2.Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of “World Water Valley” and Water Ecological Civilization，Nanjing" 211100，China）

Abstract： In order to study the coordinated development of the water resources-energy-food nexus （WEFN） in the river basin and promote its sustainable utilization， the evaluation index system of regional water resources-energy-food nexus coordinated development from three aspects of water resources， energy and food based on the relationship between them was constructed. Based on the improved distance coordinated degree model combined with TOPSIS and gray relational theory， a comprehensive coordinated development model based on the link between water resources， energy and food was proposed. Taking Taihu Lake Basin as an example to calculate the development degree and coordinated degree of the subsystems from 2007 to 2019， its coordinated development status and the coordinated development degree of WEFN were evaluated. The results showed that the coordinated development degree of WEFN in Taihu Lake Basin was in the medium development stage， and there was a trend from medium to good development stage， showing a fluctuating rise. There was a gap in the development degree， coordinated degree and coordinated development degree of water resources， energy and food subsystems in the Taihu Lake Basin， but it was basically in the medium and good stage. Among them， the degree of coordinated development of water resources subsystem was relatively high， and the coordinated degree of energy to water resources and food was the main factor affecting the coordinated development degree of the river basin. The low coordinated degree between subsystems was the reason for the weak coordinated development degree of WEFN. The breakthrough should be to improve the utilization efficiency of energy in water resources and food-related industries and optimize the structure of energy consumption to promote the coordinated development of water resources， energy and food systems.

Key words： water resources-energy-food； coordinated development degree； gray correlation； collaborative optimization； Taihu Lake Basin

太湖流域是洪水集散地、水資源調配中心和長三角水生態晴雨表，加強太湖流域保護治理，對于保障長江下游和長三角地區水安全、推動長三角一體化發展和長江經濟帶共抓大保護具有重要意義。當前，太湖流域雖工業發達，經濟處于高速發展階段，但隨著產業結構調整，污染導致的水質性缺水、能源依存度高、糧食主產區灌溉水量不足、耕地流失等問題日益凸顯。目前，太湖流域生態保護和高質量發展成為長三角一體化發展的重要部分，因此正確認知水資源、能源、糧食的紐帶關系及其在經濟發展、資源利用等方面的關聯與作用體系，分析近年來太湖流域水資源-能源-糧食的相互作用關系，測算流域發展度、協同度及協同發展度數據，科學提出太湖流域水資源調配、能源結構調整、糧食生產的協同發展路徑，有利于全面貫徹落實習近平總書記重要講話精神，切實處理好生態、生產和生活關系，確保流域共治、生態共享，從而促進太湖流域高質量發展。

水資源-能源-糧食關聯系統（Water-energy-food nexus，WEFN）是一種以水資源、能源、糧食為主題的復雜系統［1］，這三者是人類生存和發展不可或缺的資源。水資源-能源-糧食紐帶關系相互交織、相互作用，對其協同優化發展具有重要意義，因此當前國內外學者對水資源-能源-糧食關聯系統開展眾多研究，從研究內容來看，多集中于水資源、能源、糧食三者之間的紐帶關系上。例如何慧爽等［2］通過構建水-能源-糧食耦合協調評價體系，運用熵值法、綜合評價和耦合協調發展模型，從時空維度對糧食主產區耦合協調發展水平進行了分析，提出建立健全相關部門間的協調機制和預警機制等對策建議；羅巍等［3］基于協同學原理，按照序參量-子系統-復合系統的邏輯，從流域層和區域層對黃河流域的水資源-能源-糧食紐帶關系協同演化進行實證分析及ARIMA預測，提出生態位錯位發展，多區域協同的政策；王紅瑞等［4］指出現有研究對水-能源-糧食紐帶關系進行了現狀評估，研究中存在數據缺失、不一致，評估因素單一，缺少動態反饋機制，難以真正應用到政策調控中等問題。因此，數據整合、模型集成、風險評估與動態調節、提高韌性、城市尺度研究和智慧管理，均是水-能源-糧食紐帶關系發展關注的重點領域。從研究方法來看，常用系統動力學、投入產出法、DEA等方法進行建模。例如孫才志等［5］基于系統動力學構建以水資源、能源、糧食為主體，涵蓋經濟、社會、環境的復雜系統，并設置4個情景進行仿真模擬，在單要素模擬基礎上協同分析其水-能源-糧食的紐帶關系，從而提出有助于當地經濟與生態可持續發展的相關措施；Salmoral等［6］運用投入產出分析法，基于能源、水和糧食的消費情況分析了英國1997—2013年從原料提取到最終消費不同產品供應鏈之間能源、水資源和糧食的相互作用；Zhang等［7］基于DEA模型在糧食、水和能源的資源整合方面進行了協同效率評價。從研究對象來看，多針對某一區域或流域形成細分研究。例如張寧等［8］以西部地區為范疇，運用耦合協調度模型和地理加權回歸模型，對其進行實證研究，提出了多資源系統聯合發展視角下的區域資源管理方式及策略。近幾年有關水-能源-糧食紐帶系統的研究受眾多學者關注，盡管研究內容、方法、對象存在差異［9］，但是國內水資源-能源-糧食協同發展度的研究仍處于初級階段，現有研究偏向于系統耦合協調度的探究，缺乏對子系統間紐帶關系和外部協同發展相結合的研究；此外，目前所研究流域集中于黃河流域，暫未對太湖流域展開相關研究。為此，本研究基于水資源-能源-糧食紐帶關系，結合TOPSIS和灰色關聯分析方法［10］，引入改進的距離協同度模型，建立太湖流域WEFN的綜合協同發展模型，對太湖流域2007—2019年WEFN協同發展狀況進行數據測算及實證分析，強調水資源、能源和糧食之間的相互作用關系，推動太湖流域可持續發展。

1 水資源-能源-糧食協同發展理論分析

1.1 流域水資源-能源-糧食協同發展的概念

世界經濟論壇在《全球風險報告》中提出“水-能源-糧食風險群”的概念［11］：在全球氣候變化的大背景下，水、能源和糧食三者之間形成了一種相互影響、相互制約并極具敏感性和脆弱性的安全紐帶。“協同論”創始人哈肯指出盡管系統千差萬別，屬性不同，但在整個環境中，各系統間存在著相互影響而又相互合作的關系，協同是系統、整體性、相關性的內在表現［12］。因此，流域水資源-能源-糧食協同發展是指以流域水循環、經濟和社會和諧發展為總目標，優化水資源、能源、糧食各子系統紐帶關系及內部發展，推動水資源-能源-糧食紐帶系統向有序和高級的動態轉變，促進流域的可持續發展。

1.2 太湖流域水資源-能源-糧食協同發展紐帶關系

水資源-能源-糧食紐帶關系包含了對人類生活生產和自然系統至關重要的3個要素：水資源、能源和糧食。其單獨任一系統都和經濟社會、生態環境有著復雜的關系，三者跨部門的聯系使得水資源-能源-糧食紐帶關系更加復雜，并與人類生活生產和自然中的大量問題緊密相關。

作為一個復雜系統，流域WEFN具有復雜性、關聯性和層次性［13］。如圖1所示，就太湖流域展開分析。從物質關聯［14］的角度來看，太湖流域水資源-能源-糧食之間密切聯系：在生產端，太湖流域地處長江中下游，能源儲量少且發電方式基本依靠傳統能源，而煤炭、石油等礦產資源開采及生產全過程需大量消耗水資源；太湖流域水熱條件優越，為江南魚米之鄉，主要糧食作物小麥、水稻、玉米等從生長到食品加工全過程以水資源供給為基礎和動力，又成為生物質能發電原材料。在消費端，能源需消費水和糧食，太湖流域水的生產、再生利用及相關處理需要消耗大量的能源；糧食的生產、儲存、加工等也需要消耗大量能源。在這一復雜系統中，3種資源間緊密聯系，給太湖流域環境變化帶來壓力的同時，也給其帶來一定的風險。因此水、能源、糧食三者辯證統一，競爭合作并存，協同發展，實現帕累托最優狀態對太湖流域的可持續發展至關重要。

綜合上述分析，本研究基于水資源-能源-糧食紐帶關系建立流域WEFN協同發展模型，綜合考慮太湖流域水資源、能源、糧食三者的協同發展過程，揭示了WEFN發展過程中各要素和子系統的發展水平及子系統間協同程度的演化規律。

2 研究方法

2.1 指標體系構建及數據來源

本研究使用2007—2019年太湖流域所涉及各市的數據，運用TOPSIS思想［15］和基于灰色關聯理論的距離改造模型［16］，分析太湖流域水資源-能源-糧食系統的演化規律。原始數據來源于2007—2019年《中國能源年鑒》《太湖流域及東南諸河水資源公報》以及各地市的統計公報。計算結果如表1所示。

2.2 協同發展度模型構建

1）評價指標數據歸一化。由于各指標間存在正負及單位差異，因此對初始數據進行歸一化處理［17］，其計算公式如下。

正向指標：

[aijt=（xijt-mintxijt）/（maxtxijt-mintxijt]） （1）

負向指標：

[aijt=（maxtxijt-xijt）/（maxtxijt-mintxijt]） （2）

中優指標：

[aijt]=（[maxtxijt-optx-xijt-optx）/（maxt] [xijt-] [optx）] " （3）

式中，[xijt]為t時期子系統i的第j個指標；[aijt]為歸一化后的指標；optx為理想規劃值。

2）確定各子系統的正理想點與負理想點。

正理想點：[A+]=（[a+i1]，[a+i2]，…，[a+ij]），為各指標理想值。

負理想點：[A-]=（[a-i1]，[a-i2]，…，[a-ij]），為各指標劣值集合。

其中，[a+ij]=[maxtaijt，當指標j為正向指標mintaijt，當指標j為負向指標]，

[a-ij]=[mintaijt，當指標j為正向指標maxtaijt，當指標j為負向指標]。

3）計算各指標數值與其正、負理想點的距離，從而得到各子系統與其正、負理想點的距離，并計算發展度。

[D+it=j（a+ij-aijt）2;" D-it=j（a-ij-aijt）2] " （4）

式中，[D+it]和[D-it]分別表示在t時期子系統i與正、負理想點的距離；[a+ij]和[a-ij]分別是[A+]和[A-]向量的第j個值。

對于各子系統的發展度：

[dit]=[D-itD-it+D+it] " " " " " " " " " " "（5）

式中，0[≤dit≤]1。

對于子系統的綜合發展度：

[dt]=[twidit] " " " " " " （6）

式中，[dit]為t時期第i個子系統的發展度；[dt]為t時期整個系統的發展度；[wi]為各子系統的權重。

4）計算各子系統間的灰色綜合關聯度。依據子系統發展度大小，如果子系統j發展度大于系統i，表示j的發展程度好于i，其對i的協同作用小于1，則j對i的協同因子βij=αij；如果子系統j發展度小于子系統i，表示j的發展程度比i差，其對i的協同作用大于1，則βij=1/αij；子系統本身協同因子為1。計算如下。

首先，計算絕對關聯度，用[uij]表示，設初始行序列為[Xi]=（[di1，di2]，…，[dit]），計算零化象[X0i]=（[di1-di1，di1-di2]，…，[di1-dit]）=（[d0i1]，[d0i2]，…，[d0it]）。

[令：si=k=2t?1d0it+12d0it，][si-sj=k=2t?1（d0it-d0jt）+12（d0it-d0jt）]。

則子系統i、j間的絕對關聯度為：

[uij=1+si+sj1+si+sj+si-sj]" " " " " " （7）

式中，0[≤uij≤]1，其值越大則子系統i、j的關聯程度越高。

然后，計算相對關聯度，將絕對關聯度中的初始序列轉換為[X′i]=（[di1di1]，[di2di1]，…，[ditdi1]），即可得到子系統i、j間的相對關聯度[vij]，[vij]表示系統i、j間速率的聯系程度，且0[≤vij≤]1，其值越大，表示兩子系統的變化速率越相近。

最后，計算綜合關聯度[aij=θuij+（1-θ）vij]，系數[θ]取0.5，表明絕對關聯度與相對關聯度同等重要，并計算協同因子βij。

5）計算各子系統的理想發展值[d′it]及其協同度[Ct]。

[d′it=j=1kωjaijdit]" " " " " " " " " " "（8）

式中，[d′it]表示第i個子系統達到理想狀態時的發展度，子系統i的理想發展度除受自身系統發展度影響外，還受其他相關子系統發展度的影響。此處在協同發展中子系統受其他兩個子系統影響的機會相同，系數[ωj]取0.5。

然后，計算各子系統的協同度[cit]。

[cit=ditdit+dit-d′it]" " " " " "（9）

最后，計算整個系統的協同度[Ct]。

[Ct=ikcitk" " （k為子系統數）] " " " " "（10）

6）計算子系統的協同發展度[Cit]。

[Cit=ditcit] " " " " " " " " " " " " （11）

7）整個系統的綜合協同發展度[CDt]。

[CDt=Ctdt]" " " " " " " " " "（12）

式中，[Ct]為各子系統的協同度；[dt]為各子系統的發展度。

2.3 WEFN協同發展的等級劃分

發展度衡量子系統自身發展狀況，協同度衡量子系統之間的協同狀況。綜合考慮發展度與協同度，根據測算數據通過查閱文獻［18-20］、專家觀點、研究區實況［21］，確定流域子系統發展度、協同度、協同發展度及WEFN協同發展度的等級劃分（表2）。

3 實例應用

3.1 研究區概況

太湖流域總面積約36 900 km2，屬于亞熱帶季風氣候，溫和濕潤。涉及3個省市，包括江蘇省、浙江省以及上海市。其中江蘇省占地面積最大，達流域的52.6%。2019年流域片總人口6 164萬人，占全國總人口的4.4%；地區生產總值96 847億元，占中國GDP的9.8%；人均GDP 15.7萬元，是全國人均GDP的2.2倍。太湖流域地勢平坦，河網密布，地處長三角區域一體化發展、長江經濟帶等重大國家戰略的交匯點，是習近平總書記“兩山”重要思想發源地。

水資源方面，太湖流域水資源豐富，2019年為225.6億m3，但由于人口稠密，人均水資源只有365.9 m3。又因太湖流域工業發達，經濟高速發展，城鎮化進程較快，導致大量廢物排放，加上各類污染導致的水質型缺水問題也日趨嚴重。能源方面，太湖流域能源儲量少，經濟快速發展過程中，工業用水、污水處理和重復利用又需要消耗大量能源，導致能源對外依存度高，且發電方式基本依靠傳統能源。糧食方面，太湖流域水熱條件優越，是享譽全國的江南魚米之鄉，但隨著產業結構調整和城市化水平提高，糧食主產區存在灌溉效率低下、種植結構不合理、耕地流失等問題。

3.2 結果與分析

基于2007—2019年的數據，采用構建評價指標及熵值法［22］，得到研究流域各子系統要素的權重（表1）。由構建協同發展度模型得到子系統內部的發展度、子系統外部的協同度、子系統協同發展度和WEFN協同發展度。

3.2.1 各子系統的發展程度 由圖2可知，2007—2019年水資源子系統發展度總體處于中等發展階段。其中，2007—2010年水資源子系統發展度先下降后上升，由勉強發展至中等發展。2007年太湖藍藻全面暴發，磷、氮排放量過多，水質富營養化問題突出。2008年國務院批復《太湖流域水環境綜合治理方案》，安排產業結構與布局調整、工業區污染治理、水利工程建設等多項水環境治理措施，流域水環境得到改善，水資源系統呈中等發展，但水質性缺水仍是主要問題。2011—2016年波動幅度較大，集中在［0.4，0.7］，基本處于中等發展階段。期間降雨量逐年遞增，2016年降雨量達頂峰，導致流域洪澇災害，影響水資源系統協調發展。2017—2019年呈上升趨勢，處于良好發展階段。期間生態用水占比增多，水資源利用效率提升較高，可知水資源子系統存在較大的發展空間，且保障生態用水是水資源可持續發展的有效措施。

能源子系統發展度集中在［0.4，0.6］，總體處于中等發展階段，呈上升趨勢，發展較穩定。太湖流域處于長江流域下游，能源相對短缺且消耗量大。從產業結構來看，第二產業能源消耗所占比重最高，但隨著第三產業迅速發展及人民生活水平不斷提高，第三產業能源消耗比重也呈上升趨勢。且該流域城鎮生活垃圾焚燒發電等生物質能發電也有較高水平，新能源的應用與推廣一定程度上優化了能源消費結構，增強了能源供給能力，減少傳統能源使用中對水資源的消耗量。2015—2019年呈輕微下降趨勢，因能源消耗量和能源消耗強度上升，單位生產總值能耗上升?？芍茉醋酉到y受經濟發展、技術水平和產業結構的影響，因此轉變經濟發展方式、優化能源消費結構是促進能源可持續發展的有效措施。

糧食子系統發展度總體處于中等發展階段，波動幅度較大，大致呈“W”形變化趨勢，在2007—2010年有小幅下降，期間經濟迅速發展，城市化水平提高，耕地被占用，糧食種植面積減少，糧食生產能力有所下降。2011—2014年持續增長至良好發展階段，主要由于2011年起中央大幅度增加“三農”投入，鞏固完善強農惠農政策，農民積極性得到提高。2014年后呈先下降后上升趨勢，主要由于2016年流域發生的洪澇災害導致有效灌溉比例降低，種植結構急需調整優化。可知糧食子系統受經濟發展、灌溉條件及種植結構的影響，因此鞏固提升糧食產能、調整優化種植結構、提高灌溉效率是促進糧食可持續發展的有效措施。

總體來看，太湖流域WEFN的3個子系統處于中等發展階段，都逐步向良好趨勢發展。三者受經濟發展與產業結構等因素影響較大。此外，水資源子系統與糧食子系統和氣候等自然因素關系更為密切。因此轉變經濟發展方式、優化產業結構、研發新技術是促進流域水資源、能源、糧食可持續發展的重要措施。

3.2.2 各子系統的協同程度 由圖3和表3分析可知，水資源、能源、糧食各子系統協同度分別集中于［0.4，0.7］、［0.4，0.8］和［0.3，0.6］，總體處于中等與良好發展階段，且說明2007—2019年太湖流域WEFN子系統外部協同度為能源gt;水資源gt;糧食。能源的協同度較高，表明其受外部子系統的協同作用較強。糧食系統協同度相對較低，波動幅度基本較小，受外部子系統的協同作用較弱。水資源子系統對能源子系統和糧食子系統的協同作用較明顯，分別為1.433和1.363；而水資源受其他子系統的協同作用不明顯。這表明太湖流域未來要以水資源-能源-糧食的協同為突破口，恢復擴建水源地，增加其蓄水量，提高水資源配置能力，擴大有效灌溉和節水灌溉面積，減少農田面源排放，提高水資源在能源、糧食相關產業中的利用效率；同時要優化能源消費結構，促進農業生產規?；?、標準化、集約化。

3.2.3 WEFN系統及各子系統的協同發展程度 圖4顯示了水資源子系統、能源子系統和糧食子系統的協同發展程度基本處于中等階段，且能源gt;糧食gt;水資源，分別集中在［0.35，0.70］、［0.40，0.65］和［0.30，0.65］，三者差異較大，但均呈波動上升趨勢，糧食子系統低于能源子系統主要受自身發展的限制，水資源子系統協同發展度最低主要由于其發展度較低。太湖流域屬于濕潤地區，但灌溉效率低下，水源污染嚴重等問題仍然存在。因此，當前提高水資源的利用效率仍舊是重點。

圖5顯示了WEFN的協同發展程度基本處于中等發展階段，且有向良好、高等協同發展的趨勢，這一趨勢與各子系統的協同發展趨勢一致。說明各子系統的發展度、協同度與協同發展度一定程度上影響流域整體呈現基本良好的協同發展狀況。因此，為促進WEFN協同發展度向高等階段發展，增強流域可持續發展，應提高子系統發展度、協同度，提高各子系統的協同發展水平，注重各子系統間協同優化。

4 小結與建議

本研究構建了區域WEFN協同發展評價指標體系，基于水資源-能源-糧食紐帶關系建立了一個綜合協同發展模型，采用基于協同發展度的測算方法的距離協同度模型并對其進行改造，結合TOPSIS，通過相對距離確定發展度，并通過灰色關聯度最終確定發展度和協同度。通過該模型計算相關數據，研究太湖流域2007—2019年各子系統發展度、協同度、協同發展度及WEFN的協同發展水平和變化特征，并得出以下結論：①2007—2019年太湖流域各子系統發展度總體處于中等發展階段，且呈上升趨勢。其中，水資源發展度由勉強發展經中等至良好發展，其中洪澇災害導致降水量增多，磷、氮排放導致水資源污染等因素主要影響其發展度；能源發展度逐步上升，較為穩定，但存在能源短缺、傳統能源使用量過多等問題；糧食發展度波動幅度較大，其主要受經濟發展、種植結構、國家政策及氣候條件等因素影響。②就2007—2019年太湖流域各子系統協同度來看，能源協同度較高，與外部子系統聯合作用較強，糧食協同度較低，與外部子系統聯合作用較弱，水資源對能源和糧食協同作用較明顯。③太湖流域各子系統協同發展度總體處于中等階段，且有逐步向良好、高等階段發展的趨勢，太湖流域WEFN的協同發展度與之趨勢一致，說明基于子系統發展度和協同度良好的基礎，太湖流域整體系統呈現基本良好的協同發展狀況。

針對以上結論提出幾點建議：①為提高水資源發展度，布局調整產業結構、建設水利工程、治理工業區污染及保障生態用水等措施尤為重要；為提高能源發展度，發展生物質能發電技術、推廣新能源、增加第三產業能耗占比、轉變經濟發展方式、優化能源消費結構等措施極其重要；為提高糧食發展度，可采取優化種植結構、提高灌溉效率等有效措施。②通過各子系統協同度數據現狀，應以水資源-能源-糧食的協同為突破口，提高水資源在能源、糧食相關產業中的利用效率；同時要優化能源消費結構，促進農業生產規?；藴驶?、集約化。③為促進太湖流域子系統與WEFN協同發展度向高等協同發展，需改善水能關系，優化產業結構，推動產業轉型升級，提高第三產業和高新技術產業占比，減少工業能耗，改善能源消費結構；也需改善水糧關系，一方面要開展水源地恢復和擴建工程，提高水資源配置能力；另一方面關注技術研發，創新高效節水灌溉技術、優化糧食生產技術，將糧食生產的不利影響最小化。

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