资源高强度流动区水、能源和粮食耦合协调发展研究——以京津冀地区为例

张洪芬，曾静静，曲建升,，李恒吉，刘莉娜，吴金甲，徐 丽

(1.兰州大学资源环境学院，兰州 730000；2.中国科学院兰州文献情报中心/全球变化研究信息中心，兰州 730000)

0 引 言

水资源、能源和粮食作为维持社会稳定发展的生存资源，存在着相辅相成，相互依赖的关系，因此也在发展过程中存在潜在的冲突关系。首先，能源的生产加工需要水资源的参与，例如传统能源的开采、热过程的冷却、水电站发电等都需要消耗大量的水资源。若在能源发展过程中不考虑水资源的可持续发展，势必会导致水资源短缺问题，限制能源的发展。其次，水资源的生产和供应需要消耗大量能源，包括水资源的生产、运输、净化、分配甚至是最终的使用[1]。因此，能源稀缺将会对水资源链产生影响。最后，粮食的生产与水资源和能源紧密相关。一方面，农业是最大的水资源消耗部门，淡水使用量占到了全球淡水使用量的 70%，未来随着人口增长，粮食需求增加带来的水需求也会与日俱增[2]。另一方面，粮食的生产，运输、加工等过程也离不开能源的消耗。因此，有必要对水资源、能源和粮食系统之间的发展状况进行深入研究。

目前，对水资源、能源和粮食系统的研究集中于定性研究三种资源之间的关联关系及研究框架。其中，最具代表性的是2011年Hoff[3]在波恩会议上提出的WEF系统早期研究框架，将水资源与能源和粮食联系起来并考虑了与气候变化、社会和环境之间的关系，为WEF系统研究提供了思路。Keairns等[4]在阐述水资源、能源和粮食关联关系的基础上探讨了WEF系统面临的挑战及其驱动因素。Petra Hellegers等[5]介绍了WEF系统的研究背景，强调了与这一系统相关的水政策问题，并对水资源、能源和粮食之间存在的冲突及其影响进行了剖析。McCornick[6]对WEF系统的关系和资源之间的平衡做了一般性描述。也有少数学者探索了WEF系统的研究方法。例如Catherine等[7]提出在研究中应该整合物理和经济模型，以应对WEF系统的政策挑战；Gloria Salmoral等[8]从食品消费角度论证了用生命周期方法研究WEF系统关联关系的优势；李良等[9]建议在定量化研究中将水资源模型、能源模型及粮食模型进行耦合，并建立系统与风险的关联传导机制。

尽管水资源、能源和粮食系统的概念发展趋于成熟，但其定量研究方法仍处于探索阶段。现有定量研究大多侧重于三者之中的两者，Yi Jin等[10]等利用投入产出表评估了中国的能源和水资源的协同保护效应；Sovacool等(2009)[11]将能源作为影响因素之一量化了水资源短缺程度； Xydis等[12]研究了粮食和能源之间的耦合关系等。但是，水资源、能源和粮食三者是一个紧密联系的系统，只有将三者看作一个整体加以重视才能让水资源、能源和粮食都得到持续的协调发展。耦合协调度可以反映系统各要素之间的相互作用程度及其在发展过程中的和谐程度，体现了系统由无序走向有序的趋势[13]，其不仅可以反映系统之间的相互作用、相互影响程度和协调发展程度，而且可以对系统的发展做综合评价。因此，本文选用耦合协调模型对水资源、能源和粮食三者之间的协调发展进行分析。

在经济发达、人口聚集的区域，水资源、能源和粮食的需求量也相应较大，从而面临着更大的资源压力。因此，对水资源、能源和粮食高强度流动区的系统耦合协调度进行评价，可以让我们更直观地了解这些地区的WEF系统协调发展水平，发现其中存在的问题，进而为地区的可持续发展提供参考。京、津、冀区域处于环渤海地区和东北亚的核心区域是中国北方经济最发达的地区之一，也是中国重要的经济增长极[14]。在经济快速发展过程中，此区域集聚了大量人口和产业，由此带来的水资源、能源和粮食需求压力不断增加。因此，本文选取京、津、冀地区作为研究对象，探究WEF系统之间的协调发展状况，以期为此区域的资源协调发展提供理论支撑。

1 耦合协调度指标体系与模型计算

1.1 评价指标体系构建

本文在考虑三种资源之间的依赖关系的基础上，遵循指标选取的系统性、典型性、科学性和可操作性原则，综合已有研究成果[15-20]，构建京津冀WEF系统综合评价指标体系如表1所示。

表1 WEF系统综合评价指标体系Tab.1 WEF system comprehensive evaluation index system

水资源和能源主要考虑资源总量、资源利用结构和资源利用效率。降雨量和入境水量是衡量一个地区水资源总量的重要指标。在水资源利用结构中，农业、工业和生活消费水量占总用水量的比重越小，生态用水量占总用水量的比重越大，说明地区的水资源利用结构越合理。单位GDP水耗可以反映一个地区的水资源利用效率，其值越小，水资源利用效率越高，越有利于水资源系统的可持续发展。一次能源生产总量、外省调入量和本省调出量可以反映地区的能源总量。农业、工业和生活消费量占比可以反映能源利用结构，占比越大说明能源消费量越大，不利于地区污染治理及能源的可持续供给。万元GDP能耗反映能源利用效率，其值越小，效率越高，对能源系统的发展越有利。粮食系统主要考虑粮食总量，与水资源、能源的联系以及生产安全。其中，正向指标对系统发展起正向促进作用，数值越大越优，负向指标起逆向阻碍作用，数值越小越优。

1.2 数据标准化和指标赋权

由于数据可获取性限制，本研究所需数据主要来源于《中国统计年鉴》、《中国农业统计年鉴》及北京、天津、河北统计年鉴中2005-2016年的数据。由于各个指标间的度量单位及正负类型不同，因此，采用Max-Min标准化法对数据进行规范化处理[21]，其计算公式为：

(1)

不同的指标对系统的影响程度存在差异，为避免主观赋权对经验的依赖，保证指标权重的客观性，本文采用客观赋权法中的熵值法进行赋权[22]。由于各指标权重是根据各地区指标数据间的联系程度和信息量计算得到，因此，京、津、冀同一指标有不同的权重，更符合地区发展的差异。京、津、冀各指标权重如表2所示。

表2 京、津、冀WEF系统评价指标权重Tab.2 Weights of evaluation indexes of Beijing, Tianjin and Hebei WEF systems

1.3 耦合协调度模型计算

利用已构建的WEF系统评价指标体系，对京、津、冀地区的WEF系统做出综合评价所运用的综合评价函数如下所示：

(2)

(3)

(4)

式中：f(x)，g(y)，h(z)分别表示水资源、能源和粮食各子系统的综合评价指数，a、b、c为各指标的权重；x′、y′、z′为标准化后的数据；i、,j、k为各系统内选取的指标数量。

本文的耦合度公式参考姜磊[23]的研究，采用如下计算公式：

(5)

利用计算出的耦合度，可以计算出WEF系统的整体综合评价得分，计算公式如下：

T=αf(x)+νg(y)+γh(z)

(6)

(1)

为了更好地对京津冀地区WEF系统的协调发展程度进行分析，本文根据已有研究成果[24,25]，采用均匀函数法对耦合协调度进行等级划分(表3)。

表3 耦合协调度等级划分标准Tab.3 Classification standard of coupling coordination degree

2 水-能源-粮食耦合协调度分析

本文利用前文所述综合评价函数及耦合协调模型，对2005-2016年京、津、冀的水资源、能源和粮食发展状况进行了评价，并在此基础上对京、津、冀地区的水资源、能源和粮食系统发展的耦合协调度进行了计算。为了解此地区的WEF系统发展状况，本文将从综合评价指数及耦合协调度两个方面对京、津、冀地区WEF系统的发展状况进行分析。

2.1 综合评价指数分析

从图1中可以看出，京、津、冀地区的WEF系统综合评价指数均呈缓慢上升趋势，其中，北京的WEF系统综合评价指数从2005年的0.279上升至2016年的0.611，天津从2005年的0.360上升至2016年的0.622，河北从2005年的0.308上升至2016年的0.726。2016年，河北的WEF系统综合评价指数最高。

北京地区的水资源评价指数呈波动上升趋势，2008年、2012年有异常升高现象，2014年有异常降低现象。这主要是由于2008年和2012年北京的降雨量较高，降雨量分别为638和708 mm，明显高于平均值539 mm；2014年北京的降雨量为439 mm，为历年最低水平，入境水量为3.59 亿m3，低于历年平均值4.8 亿m3。2008-2011年北京粮食综合发展指数高于其他年份，因为这期间北京粮食种植面积增加，而粮食受灾面积大幅度下降。2012年之后，北京粮食种植面积和粮食总产量均下降，因此，粮食评价指数呈缓慢下降趋势。北京能源综合评价指数呈缓慢上升趋势，整体波动较小。

图1 京津冀WEF历年综合评价指数Fig.1 Comprehensive evaluation index of Beijing, Tianjin and Hebei WEF over the years

河北水资源综合评价指数在较大的波动中呈上升趋势，2005-2008年以及2014-2016年上升较快，2008-2014年则相对平缓。这主要得益于河北的降雨量与入境水量、生态用水量的持续增加。2006年，受降雨量减少及工业用水量增加、生活生态用水量减少的影响，河北的水资源发展综合评价得分偏低。2011年，河北水资源综合评价得分偏低则是受到降雨量减少与环保固定资产投资比例降低的影响，致使这一阶段水资源发展状况不稳定。2012年，河北的降雨量达到606.4 mm，远大于平均值558 mm，因此，2012年水资源的综合评价得分偏高。河北的能源发展综合评价得分呈现先上升后下降的趋势，受一次能源生产总量和外省调入量波动影响较大。2012年，河北能源评价得分偏高是由于本年度一次能源生产量达到最高，此后，一次能源生产量减少，本省调出量逐渐增加，生活消费量增加，能源综合评价指数缓慢下降。河北的粮食系统综合评价指数上升较快，领先于水资源和能源系统，这得益于从2005-2016年，河北省的单位面积产量从2.96 t/hm2增加至3.97 t/hm2，单位粮食产量消耗水资源量从578.09 m3下降至338.10 m3，农用柴油使用量从458.11 万t下降至218.70 万t。

天津WEF系统综合评价指数从2005年的0.49上升至2016年的0.63，2012年受水资源评价指数下降影响，评分略有下降，总体仍呈缓慢上升趋势。其中水资源评价指数从2005年的0.2上升至2016年的0.63，2013年有异常下降情况是由于本年分天津降雨量从2005-2012年的平均每年582.05 mm下降至462.3 mm，生态用水量占比从2012年的5.8%下降至3.7%所致。天津的能源评价指数从2005年的0.34上升至2016年的0.70，上升过程较平稳，发展较稳定。天津的粮食评价指数从2005年的0.49上升至2016年的0.63，上升过程波动较大，2011年和2014年评价指数较高。2011年，天津的粮食受灾面积仅为0.81 万hm2，远低于平均值5.5 万hm2，2014年，天津粮食受灾面积为1 万hm2，粮食产量波动系数仅为0.007，均低于多年平均值，因此2011年、2014年天津粮食综合评价指数偏高。

2.2 耦合协调度分析

根据京、津、冀WEF系统的综合评价得分，计算得到的耦合协调度如图2所示。耦合度代表了WEF系统中水资源、能源和粮食系统发展的关联程度，协调度代表三者之间的协调发展程度。京津冀地区WEF系统的耦合度值均在0.9以上，三个系统之间的关联程度较高；地区之间的耦合度标准差在0.027～0.055范围内波动，离散程度较小。从图2中可以看到，京、津、冀地区的WEF系统的协调度值在0.50～0.85，排除个别异常年份，均呈波动上升趋势，即京、津、冀地区WEF系统协调发展水平在逐步提高。根据耦合协调度类型划分标准，京、津、冀地区WEF系统发展历经勉强协调、初级级协调到中级协调，继而向良好协调发展(图2)。

图2 京津冀WEF系统耦合协调度Fig.2 Coupling coordination degree of Beijing-Tianjin-Hebei WEF system

如图2所示，京、津、冀WEF系统耦合协调度发展可以划分为三个阶段，2005-2008年的快速上升阶段，2009-2012年的稳定发展阶段，2013-2016年的波动上升阶段。①在快速上升阶段，耦合协调度为天津>北京>河北，结合图1可知，这一阶段北京的水资源、能源和粮食耦合协调发展状况相差不多；天津的粮食发展状况优于能源发展和水资源发展；河北的粮食、水资源和能源发展波动较大，其中水资源的发展相对落后。②在稳定发展阶段，天津的WEF耦合协调度始终大于北京，河北的WEF耦合协调度发展较快，后期超越天津和北京。这一时期，北京的粮食系统得到快速发展，水资源系统发展稳步上升，能源发展相对落后；天津能源、粮食和水资源发展平稳，粮食发展仍领先于能源和水资源；河北的粮食发展优先于能源和水资源，能源发展状况得到提升。③在波动上升阶段，WEF耦合协调度为河北>天津>北京。这一时期，北京WEF系统发展波动最大，水资源系统得到充分发展，能源发展缓慢上升，粮食系统发展则相对落后。天津的能源系统发展仍在缓慢上升，粮食系统发展进入平缓状态，水资源系统发展虽然落后，但增长速度较快。河北的能源发展状况相较于水资源和粮食的上升状态，呈明显下降趋势，需加强能源系统与水资源和粮食系统的协调发展。

综上，京、津、冀地区WEF系统的协调发展状况目前处于中级协调水平，正在向良好协调水平过度，WEF系统的耦合协调度均呈现明显的上升趋势。在今后的发展中，北京地区需加强粮食系统的协调发展，天津需要巩固水资源的稳定发展，河北则需要提高能源系统的发展程度。京、津、冀地区在加强弱势系统发展的同时，要考虑WEF三个系统之间的相互影响和相互依赖的关系，满足三个系统的协调可持续发展，而不是单独考虑其中一个或两个系统的发展从而致使其他系统发展的失衡。

3 结 语

本文通过构建WEF系统的综合评价指标和耦合协调模型，从综合评价指数和耦合协调度分析了2005-2016年京、津、冀地区的WEF系统可持续发展的动态变化趋势，本文分析所得结果如下。

(1)从对京、津、冀地区WEF系统综合评价的时间序列分析可知，京、津、冀WEF系统综合评价指数均呈上升趋势。河北的综合评价指数上升速度最快，波动也相对较大，天津综合评价指数上升相对平稳，北京近两年综合评价指数上升趋势不明显甚至有停滞趋势。因粮食种植面积减少，北京需要加强粮食系统的发展，提高单位面积产量及灌溉用水效率。天津需要提高水资源系统的发展，引进先进的工业技术，提高农业和工业的用水效率，持续降低单位GDP水耗。河北则需加强能源系统的发展，积极发展可再生能源，提高能源使用的清洁度和安全度。总体来看，京、津、冀地区的粮食系统发展优于能源和水资源系统的发展，因此，应加强能源和水资源系统与粮食系统的协调发展。

(2)京、津、冀地区WEF系统的耦合度均在0.9以上，表明三个系统之间的相互关联程度较好。WEF系统耦合协调度均在波动中上升，历经勉强协调、初级协调和中级协调三种类型向良好协调类型演进，上升空间较大。从时间序列上划分，京、津、冀WEF系统发展可以分为三个阶段，2005-2008年的快速上升阶段，2009-2012年的平稳发展阶段以及2013-2016年的波动上升阶段。

(3)虽然京、津、冀地区的WEF系统耦合协调度呈上升发展趋势，但是尚未达到稳定的良好协调状态，因此，在考虑WEF系统间的相互作用关系的同时，应结合社会和环境影响，加强水资源、能源和粮食部门间的政策合作，提高资源利用效率及资源管理效率。