区域水资源-能源-粮食系统耦合协调演化特征研究

毕 博，陈 丹,2，邓 鹏，张 娣，诸莉燕，张 鹏

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098)

水资源、能源和粮食作为生产生活的最重要资源，是人类的生存基础和经济的发展命脉。这3种重要的战略资源之间同时也存在相互关联、制约、依存的关系。联合国将2012年和2014年世界水日主题分别定为“水与粮食安全”和“水与能源”，充分表明了全球层面对水、能源和粮食关联关系的高度重视。粮食生产从灌溉到加工，再到配送的各个环节都离不开水和能源，农业部门消耗了全球用水总量的70%，食品行业消耗了全球能源消费总量的30%[1,2]。“经济发展需要能源资源和进行产业活动，而它们都依赖于水”[3]，我国20%的用水量消耗在煤炭开采、加工、粉尘控制、火力发电循环冷却等环节中；此外，我国生物质能源的粮食消耗量依然很大。水资源开发利用的每个步骤都需要能源提供动力，我国的南水北调工程和海水淡化工程正是以电取水的最好例证；与此同时，能源和粮食也会对供水和水质产生重大影响[1]。在全球气候变化加剧和人口持续增加的大背景下，由于我国新型工业化和城镇化进程的加速推进，以及我国大部分水资源集中在南方，而农业生产和能源储备大多集中在北方的特殊水、能源和粮食分布格局。我国淡水资源不断减少，能源需求不断增加，粮食供给不确定性愈加严重，3者之间的相关性和约束性特征也日益突出。研究水资源-能源-粮食系统的关联关系和协调发展水平对促进区域可持续发展具有重要意义。

2011年世界经济论坛发布了《全球风险报告》，首次提出“水-能源-粮食的关联关系”(Water-Energy-Food Nexus)的概念，并作为当年的3大风险群之一[4]。国外越来越多的研究表明了水资源-能源-粮食整体视角研究对区域可持续发展的重要性[5,6]。国内有关水资源、能源和粮食的研究，集中在3种资源中的两两关系，将3者纳入同一系统进行研究较少。例如，利用系统动力学(SD)模型对水-能源-粮食系统进行了仿真[7,8]；采用数据包络分析(DEA)方法分析了水-能源-粮食投入产出效率[10]；从区域可持续发展研究的新视角讨论了水-能源-粮食的关联关系[10]。在水资源和粮食方面，阐明了粮食安全的水资源保障战略，并归纳出粮食生产-水资源-生态过程的互馈机制[2]；提出了在水资源的刚性约束下保障粮食安全的调控策略[11,12]；构建了水资源生态安全和粮食安全评价指标体系[13]；讨论了粮食内部种植结构调整对水资源消耗的影响[14]。在能源和水资源方面，讨论了水资源与能源纽带关系和协同安全发展[15]；运用TIMES-Water模型分析了能源和水资源耦合系统[16]。在粮食和能源方面，分析了食物-能源系统的协调发展水平[17]。现有研究缺乏对水资源-能源-粮食3者之间的内在联系和协同演进关系进行定量分析，且研究尺度集中于国家和流域层面，数据的可获取性和政策的可操作性较低。为此，本文通过构建耦合协调度评价指标体系，并引入耦合协调度模型及计算方法，以辽宁省为研究对象，对2006-2015年水资源-能源-粮食系统的耦合协调关系及其时序演化特征进行了实证分析，以期为区域水资源、能源和粮食的协调可持续发展提供理论依据和参考。

1 研究区域概况

辽宁省位于我国东北地区南部，属温带半湿润和半干旱的季风气候区，地貌类型大体呈“六山一水三分田”，是东北经济区和环渤海经济区的重要结合部。辽宁省水资源严重短缺，人均水资源占有量仅为全国的1/3，各地区年降雨量为400～1 200 mm，由东南向西北递减。辽宁省土地资源丰富，是全国13个粮食主产区之一，是我国重要的商品粮基地。作为重工业基地，辽宁省基础工业比重过大，产业结构水平偏低，经济增长依赖于能源消费，是我国主要的能源消费大省。随着我国新型工业化、城镇化进程的加速推进和人口的不断增长，辽宁省水资源短缺问题日益严重，经济结构变动势必带来能源消费和耕地转换的动态变化，加之全球气候变化趋势下农业气象灾害频发。在这样的背景下，用科学方法定量研究辽宁省水资源-能源-粮食系统耦合协调关系对实现区域可持续发展具有十分重要的现实意义。

2 研究方法及数据来源

2.1 耦合协调发展的作用机理

在物理学中，耦合是指2个(或2个以上)体系或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象；耦合度是指各子系统相互作用程度的强弱，不分利弊。协调是指2个(或2个以上)子系统之间一种良性的相互关联，是系统保持健康发展的保证；协调度是指各子系统相互作用中良性耦合程度的大小，体现协调状况的好坏程度[18]。耦合协调发展是一种具有整体性、综合性、多元性、内生性和增益性的发展聚合行为，它追求的是一种齐头并进、整体提高、全局优化、共同发展的美好愿景[19]。根据相关研究成果[1,4,6]，区域水资源、能源、粮食3者间存在内在联系和相互作用，耦合协调发展的作用机理见图1。基于以上理论，本文将区域水资源、能源、粮食各子系统交互胁迫、相互依赖、彼此影响、协调发展的程度定义为“水资源-能源-粮食系统耦合协调度”，它既反映了各子系统变化发展速度和方向的同步性，也反映了各子系统的综合发展水平。

图1 区域水资源-能源-粮食相互作用机理Fig.1 Interaction mechanism of regional water-energy-food

2.2 指标权重确定

主观判断法和层次分析法是选择系统指标权重的常用方法，本文采用熵值赋权法确定评价指标的权重。熵权法通过分析指标间的关联程度和各项指标信息载量的大小来测算评价指标的权重，是一种客观赋权方法，在一定程度上规避了主观因素带来的偏差，其计算步骤如下。

(1)对指标作比重变换：

(1)

式中：Xil为第i年第l项指标的数值；n为统计年数。

(2)计算指标的熵值：

(2)

k= 1/lnn

式中：k> 0；0 ≤el≤1。

(3)计算指标Xl的权重：

(3)

dl=1-el

式中：dl为指标Xl的差异系数。

2.3 综合评价模型

根据相关研究成果[7,9,20,21]，结合水资源、能源和粮食的特征，构建水资源-能源-粮食系统的综合评价函数，即：

(4)

式中：W(w)、E(e)、F(f)分别为水资源子系统、能源子系统和粮食子系统的综合评价函数(指数)；αi、βi、γi分别为各子系统评价指标的权重；wi、ei、fi分别为各子系统评价指标的无量纲化数值。

2.4 耦合度与耦合协调度模型

耦合度的计算要借鉴物理学中的容量耦合概念和容量耦合系数模型，构建水资源-能源-粮食系统耦合度模型：

(5)

式中：C为耦合度，C∈[0,1]，当C=0时，表明子系统间处于无关状态且发展方向和结构呈无序性；当C=1时，表明子系统间达到良性共振耦合且向有序方向发展。

根据相关文献及研究区水资源-能源-粮食系统耦合发展的规律，将耦合度划分为4个等级[18,19]，见图2。

图2 耦合度等级分类Fig.2 Classification of coupling degree

耦合度只能反映水资源、能源和粮食之间相互作用程度的强弱，难以反映相互作用协调水平的高低。需要引入耦合协调模型，以便更好地评判各子系统交互耦合的协调程度，其计算公式为：

(6)

式中：D为耦合协调度；C为耦合度；T为水资源-能源-粮食系统的综合评价指数，反映各子系统间的整体协同效应；a、b、c为待定系数。

根据相关研究成果[4,6,10]，认为3个子系统具有同等重要性，故取a=b=c=1/3。D∈[0,1]，采用廖重斌的均匀分布函数法来确定耦合协调的类型及划分标准[19]，见表1。

2.5 数据来源及预处理

本研究选取辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统耦合协调度评价指标的现状数据作为研究对象，数据主要来源于《中国统计年鉴》、《辽宁统计年鉴》、《辽宁省水资源公报》，部分无法直接获取的数据通过加权平均法进行赋值补缺。

表1 耦合协调发展类型和评判标准Tab.1 Coupling coordinated development types and evaluation criteria

为了消除指标数量级和量纲不同而造成的影响，达到指标间的可比性和可测性，需要对各项评价指标的原始数据进行标准化处理。Xi、Yj、Zk分别为描述水资源、能源、粮食各子系统特征的评价指标，且均为无量纲化值，由原始数据按照标准化公式进行处理所得，例如：

正向指标：

Xi=(xi-xmin)/(xmax-xmin)

(7)

负向指标：

Xi=(xmax-xi)/(xmax-xmin)

(8)

式中：Xi为标准化后的指标值；xi为指标实际值；i为指标个数；xmax、xmin分别为历年来指标的最大值和最小值。

Yj、Zk的取值以此类推。

3 评价指标体系构建

遵循科学性、整体性、区域代表性、数据可获得性和独立性等原则，结合水资源-能源-粮食系统耦合协调发展的作用机理，从3个子系统10个维度构建耦合协调评价指标体系，见图3。

图3 区域水资源-能源-粮食系统耦合协调度评价指标体系Fig.3 Index system of coupling coordination degree of regional water-energy-food

采用熵值赋权法确定24个评价指标的权重，辽宁省水资源-能源-粮食系统耦合协调度评价指标体系及各指标权重计算结果详见表2。

表2 辽宁省水资源-能源-粮食系统耦合协调度评价指标体系及权重Tab.2 The index system and weight of coupling coordination degreeof water-energy-food system in Liaoning Province

注：表中带“*”符合表示负向指标，指标数值越小越好。

4 结果与分析

4.1 综合评价指数时序分析

利用式(4)～(6)测算辽宁省2006-2015年水资源综合评价指数W(w)、能源综合评价指数E(e)、粮食综合评价指数F(f)、水资源-能源-粮食系统的综合评价指数T、耦合度C和耦合协调度D，详见表3。

为了更直观地反映水资源-能源-粮食系统的耦合协调演化特征以及各子系统的发展轨迹，将计算结果表示在折线图上，见图4、图5。

图4 2006-2015年辽宁省水资源-能源-粮食系统综合评价指数演化曲线Fig.4 Evolving curve of comprehensive evaluation index of water-energy-food system in Liaoning Province from 2006 to 2015

从图4可以看出，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统综合评价指数除了2009和2014年出现小幅下降外，其余年份均呈稳步上升态势。水资源综合评价指数总体上保持良好增长态势，2010年增幅较大，主要由于降水量比常年偏多5成，水资源总量大幅增加；2011年降水量比上年少39.3%，2014年降水量比多年平均值少33.1%，综合评价指数因此出现2次小幅下降。能源综合评价指数总体上呈波动式上升状态，且增长速度较为缓慢，由于2007和2013年的能源生产弹性系数显著回落至负值，发生2次小幅下降，2014年以后状况平稳向好。粮食综合评价指数波动性较强，不过总体上还是呈上升态势，2006-2009年综合评价指数从0.512下降至0.250，2010-2013年呈阶段性改善特征，逐步升至0.676，2014年骤降至0.385而后快速上升，主要由于2009和2014两年遭遇严重旱灾，成灾面积均超过100 万hm2，粮食产量在较短时间内出现滑坡，而恢复性增长需要较长时间。

表3 2006-2015年辽宁省水资源-能源-粮食系统耦合协调发展类型Tab.3 The coupling coordinated development types of water-energy-food system in Liaoning Province during 2006-2015

图5 2006-2015年辽宁省水资源-能源-粮食系统耦合协调度演化曲线Fig.5 Evolving curve of coupling coordination degree of water-energy-food system in Liaoning Province from 2006 to 2015

综合来看，辽宁省2006-2015年水资源、能源、粮食各子系统综合评价指数均呈上升态势，其中，水资源综合评价指数增长相对平稳，粮食综合评价指数波动较大；受到粮食子系统波动性的影响，水资源-能源-粮食系统综合评价指数随粮食综合评价指数的下降而同步降低或表现为增长速度放缓。

4.2 耦合度与耦合协调度时序分析

从表3可以看出，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统耦合度处在0.917～0.998，波动幅度较小且总体上呈上升态势，表明在此期间始终处于高水平耦合阶段，3个子系统相互作用而彼此影响程度高。

表3给出了辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统耦合协调度的计算结果，图5展现了水资源-能源-粮食系统以及两两子系统耦合协调度时序变动的动态演化趋势，从中可以看出，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统耦合协调度总体上以保持稳定和波动上升为主，除2009和2014年出现小幅下降外，其余年份均呈稳步上升态势，2009-2012年处于快速上升时期。究其原因，结合前面的综合评价指数分析可知，2009和2014年受干旱灾害的严重影响，全省粮食总产量骤然下降，波动率分别为-14%和-20%，致使粮食子系统发展相对滞后，不利于水资源-能源-粮食系统的耦合协调发展。

水资源-粮食与水资源-能源-粮食系统的耦合协调度呈现相同的时序特征，总体上呈波动式上升状态，且波动幅度相对较大，主要由于粮食子系统波动性造成的影响。能源-粮食耦合协调度一直处在0.551～0.788，总体上呈波动上升态势，除2009和2014年受粮食子系统发展相对滞后的影响而下降外，2007和2013年也出现了小幅下降。究其原因，2007和2013年的能源生产弹性系数分别降至-0.39和-1.39，表明能源生产增长速度显著滞后于国民经济增长速度，致使能源子系统发展受阻，进而影响能源与其他子系统的耦合协调发展。水资源-能源耦合协调度总体上保持良好增长态势，且增长速度较快，仅2011和2013年出现小幅下降。究其原因，分别受到水资源子系统和能源子系统波动性的影响，2011年全省降水量比上年少406 mm，2013年全省一次性能源生产总量比上年少872 万t标准煤，2次较大幅度的波动都对水资源与能源2个子系统的耦合协调发展带来不利影响。

综合来看，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统以及两两子系统耦合协调度均呈上升态势，水资源、能源和粮食之间存在着交互耦合关系，由于各子系统发展程度的差异，表现出不同的耦合协调发展状态。研究期间，耦合协调度的时序演化与粮食子系统的波动性密切相关，主要成因是农业气象灾害致全省粮食大幅减产，粮食子系统发展相对滞后于另2个子系统，阻碍了水资源-能源-粮食系统耦合协调发展水平的提升。

4.3 耦合协调类型分析

从表3可以看出，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统始终处于高水平耦合阶段，表明3个子系统之间存在明显的相互作用关系。研究期间，水资源-能源-粮食系统的耦合协调演化特征大体上可分为3个阶段。2006-2008年，耦合协调类型从勉强协调稳步上升至初级协调。2007年由于能源子系统发展相对滞后，耦合协调度增速略缓。2009-2012年，耦合协调类型下滑至勉强协调后转而迅速回升至初级协调，并持续稳步提升至中级协调。2009年受到粮食子系统波动性的影响，耦合协调度出现滑坡。2010-2012年呈现阶段性改善特征，耦合协调度保持快速增长态势。2013-2015年，耦合协调度先降后升波动明显，耦合协调类型仍然维持在中级协调。2013和2014年的制约因素分别为能源和粮食，2014年粮食子系统的大幅波动致使耦合协调度下降幅度相对较大，由于辽宁省粮食产量呈明显周期性波动，且波动周期长度比较稳定，平均年距为3.4 a，通常在较短的时间内出现滑坡，由复苏进入到繁华阶段则需要较长时间段[22]。因此，2015年耦合协调度转而恢复增长后会出现较长时间的增长态势，耦合协调发展状况将持续向好。

总体而言，辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统耦合协调度较高，耦合协调度大致经历了过渡、基本协调2个发展阶段和勉强协调、初级协调、中级协调3个发展类型，耦合协调发展程度形有波动、势仍向好，且持续提升的趋势非常明显，但尚未跨入高度协调发展阶段，还有很大的提升空间。此外，从耦合协调度的时序演化特征可以看出，不同时期制约水资源、能源和粮食耦合协调发展的主导因素有所不同。其中，水资源子系统发展水平呈稳步上升态势，个别年份全省降雨量变化较大在一定程度上使耦合协调度增长速度放缓。能源子系统在小幅波动中保持了较为稳定的发展态势，但全省重化工业比重仍然偏高，能源消费结构以煤炭为主，一次能源消耗量大。粮食子系统在周期波动中向前发展，主要成因是辽宁省粮食产量的波动显著高于全国水平，粮食产量下降具有隐蔽性和突然性且恢复增长时期较长。

5 结 语

本文在阐述区域水资源、能源和粮食耦合协调发展的作用机理的基础上，构建了耦合协调度评价指标体系，并引入耦合协调度模型及计算方法，对辽宁省2006-2015年水资源-能源-粮食系统的耦合协调关系及其时序演化特征进行了分析和解释。从实证结果看，辽宁省水资源-能源-粮食系统的整体协调发展能力在波动中不断增长，表现出一些有现实意义的演化特征。

(1)水资源-能源-粮食系统综合评价指数总体上呈稳步上升态势，水资源综合评价指数总体上保持良好增长态势；能源综合评价指数总体上呈波动式上升状态，且增长速度较为缓慢；粮食综合评价指数波动性较强，不过总体上还是呈上升态势。此外，3个子系统综合评价指数的变动具有关联关系，提升各自的发展水平有助于保持3者之间的协调共进。

(2)水资源-能源-粮食系统耦合度处在0.917～0.998，波动幅度较小且总体上呈上升态势，表明在此期间始终处于高水平耦合阶段，3个子系统之间存在明显的相互作用关系。水资源-能源-粮食系统耦合协调度总体上以保持稳定和波动上升为主，水资源-粮食与水资源-能源-粮食系统的耦合协调度呈现相同的时序特征，总体上呈波动式上升状态，且波动幅度相对较大；能源-粮食耦合协调度一直处在0.551～0.788，总体上呈波动上升态势；水资源-能源耦合协调度总体上保持良好增长态势，且增长速度较快。

(3)水资源-能源-粮食系统的耦合协调演化特征大体上可分为3个阶段。2006-2008年，耦合协调类型从勉强协调稳步上升至初级协调；2009-2012年，耦合协调类型下滑至勉强协调后转而迅速回升至初级协调，并持续稳步提升至中级协调；2013-2015年，耦合协调度先降后升波动明显，耦合协调类型仍然维持在中级协调。耦合协调发展程度形有波动、势仍向好，且持续提升的趋势非常明显，但尚未跨入高度协调发展阶段，还有很大的提升空间。

(4)从耦合协调的增长趋势和波动规律中可以看出，不同时期制约水资源、能源和粮食耦合协调发展的主导因素有所不同，粮食子系统的波动性是耦合协调演化进程中有待突破的薄弱环节。由于自然灾害是引起粮食产量波动的最重要的因素之一，农业干旱灾害与农田水利系统的状况有密切联系[22]，应注重完善农田水利基础设施建设以提高农业气象灾害预警能力和防御能力，多措并举积极推进节水增粮行动。全省能源消费总量自2011年起保持稳定，但能源对外依存度持续上升，能源生产弹性系数自2012年起始终为负值。有待进一步优化产业布局、调整能源消费结构、提高能源利用效益，并通过节能降耗以缓解资源压力。

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