安徽省水能粮耦合协调时空演化特征研究

焦媛婕

（河海大学商学院，江苏 常州 213022）

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［1］。粮食生产和农业发展与水资源、能源密不可分，能源开发也在很大程度上依赖水资源和食品工业的发展，同时，水资源的开发与利用需要能源支持。任何领域的过度干预都可能影响甚至破坏这种脆弱的平衡，并导致严重的后果［2，3］。因此，在全球人口增长、环境恶化、资源短缺、气候变化影响加剧的背景下，研究水、能源和粮食之间的内在联系和互动关系显得日益重要［4］。

作为可持续发展领域的研究热点，国外学者很早就对水资源-能源-粮食（简称水能粮，W-E-F）问题展开了大量的研究。2011年《全球风险报告》中第一次提出了“水资源-能源-粮食风险群”的概念，该风险与“宏观经济失衡”“非法经济”成为当今备受关注的三大重点风险［5］。2013年，联合国亚太经济与社会理事会（UNESCAP）发布了《亚太地区水-粮食-能源纽带关系报告》［6］，提出W-E-F在时间和空间上具有紧密联系。国内对水能粮的研究起步相对较晚，基本是从耦合协调、安全评价等角度开展。邓鹏等［7］和毕博等［8］构建耦合协调模型分别对江苏省和辽宁省W-E-F系统的耦合协调关系进行评价。彭少明等［9］建立协同优化模型，采用多要素均衡智能算法，提出黄河流域粮食生产、能源开发与水资源调配一体优化的布局方案。王雨等［10］基于系统动力学理论构建仿真模型，对黑龙江省水资源的供需情况和能源、粮食的生产与消费进行模拟，探究合理的配置方案。孙杰等［11］核算了贵州省2013—2017年“水-能源-粮食”对社会经济与自然生态的服务价值及其纽带关系的服务价值。综上所述，目前国内外学者对水-能源-粮食在空间演化特征以及相邻系统之间关联性上的研究还较少。

安徽地跨长江、淮河南北，在长江三角洲城市群中占有重要地位。近年来，工业化的建设、城市化的开展加大了对水资源的需求，工农业污染和生活污水的对外排放造成的水体污染也进一步加大了水资源短缺的态势。随着人民生活条件不断改善，粮食的消耗量大大提高，生活能源需求稳步增加，工商业对能源消耗的需求也居高不下，总体情况不容乐观。因此研究安徽省水-能源-粮食系统的关联性、耦合协调等问题，对促进水-能源-粮食系统的可持续发展以及政府的管控与决策起着较为重要的作用。本研究通过构建耦合度和耦合协调度模型将水、能源及粮食3个系统紧密联系起来，以安徽省2006—2018年的数据进行实证分析，探究三者之间的时空演化特征，以期为地区资源综合管理和可持续发展提供理论参考和基础性数据准备。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与处理

本研究使用2006—2018年安徽省及各市的数据来分析水-能源-粮食系统的时空演变特征。原始数据来源于2006—2018年的《安徽省统计年鉴》《安徽省水资源公报》《中国能源年鉴》以及各地市的统计公报。大多数数据都可以从年鉴中获得，部分缺失数据则采用拟合法估算而得。

为了消除所选指标的正负性不同、数量级相差大以及量纲不同引起的误差，本研究对初始数据进行标准化处理，标准化的原则和方法如下。

正向指标：

负向指标：

式中，正向指标数值越大越好，负向指标数值越小越好；X′ij为标准化后的指标值；Xij为指标原始值；maxXij、minXij分别为2006—2018年j指标的最大值和最小值。

1.2 指标体系构建及权重的确定

本研究综合考虑W-E-F系统的作用机理以及安徽省的实际情况，借鉴已有的研究成果［12-18］，遵循科学性、客观性原则，建立耦合协调度指标体系（表1）综合反映安徽省的W-E-F发展水平。其中，因数据缺乏且电力消费为各市主要的能源消耗，将能源消费结构以电力消费结构替代。

本研究采用熵值法确定各评价指标的权重，通过测度各指标的观测值内部差异程度来计算其权重值［12］，从而在一定程度上避免了定性方法的不足，得出的各指标权重如表1所示。

表1 安徽省W-E-F系统耦合协调度评价指标体系

1.3 综合评价指数模型

在计算出各指标标准化值和权重的基础上，采用相关研究中广泛使用的线性加权模型计算W-EF各子系统的综合评价指数［19］，具体公式如下：

式中，βk为各子系统的评价指数；wi为各指标的权重；m为各子系统的指标数量。W-E-F 3个子系统的评价指数分别以f（x）、g（y）、h（z）表示。

1.4 耦合协调模型及类型划分

耦合度是对系统内部各要素之间相互作用程度强弱的度量，计算W-E-F系统的耦合度可以在一定程度反映各子系统耦合作用的强弱，但无法反映三者间相互发展水平的高低［20］。因此本研究采用耦合协调度模型，以便更好地评价W-E-F三者耦合发展的协调程度。根据相关研究［21］确定耦合度和耦合协调度计算方法：

式中，C为耦合度，D为耦合协调度，T为W-E-F系统的综合评价指数，a、b、c为3个子系统的权系数。本研究认为3个子系统具有同等的重要性，故取a=b=c=1/3。

通过参考相关文献［7.12，22］，确定耦合度和耦合协调类型划分标准如表2所示。

表2 耦合度和耦合协调度类型划分

2 结果与分析

2.1 W-E-F各子系统及系统耦合协调水平时序变化特征

2.1.1 W-E-F各子系统时序变化特征 根据上述公式计算安徽省2006—2018年W-E-F各子系统及其综合评价指数、系统耦合度和耦合协调度，结果如表3所示。为方便研究耦合程度和耦合协调水平的时序变化特征，将表3中的数据绘制成折线图（图1）。

图1 各子系统及其综合评价指数时序变化

表3 安徽省W-E-F耦合度和协调度对比关系

1）水资源子系统。水资源子系统综合评价指数在0.183 3～0.701 2波动。2006—2007年，水资源评价指数呈飞跃式增长，由0.194 6增长至0.365 8。首先是权重为0.270 7的供需关系得到了明显改善，水资源供需比由2.3上升到3.1；其次用水结构也得到了一定的改善，权重为0.137 6的生态用水占总用水量的比重上升了0.09%，这是由于2007年十七大报告首次提出建设生态文明的主张，生态治理开始提上日程。另外，废水治理设施处理能力的提高和万元GDP取水量的下降也带来了用水效益的改善和水资源可持续性的加强，进而推动了评价指数的增长。

2007—2009年，水资源综合评价指数由0.365 8急剧下降到0.183 3，主要是由于人均用水量增长了23.49%，负向拉动效益显著。另外，粮食作物播种面积增加了158 254 hm2，而降水量和水资源总量基本保持稳定，导致农业用水占比增加了5.09%。

2009—2018年，水资源评价指数提升了2.83倍，主要归功于用水效益和水资源可持续性的显著提升。权重最大的人均工业废水排放量下降了84.87%，万元GDP取水量也从290.3 m3下降到95.2 m3。这与产业结构的优化密切相关，2009—2018年第三产业迅速发展，第三产业占GDP比重上升了8.69个百分点。

2）能源子系统。能源子系统综合评价指数虽然总体呈上升趋势，但是发展相对比较缓慢。2007—2011年安徽省能源发展呈“倒U型”，经历了先好转再恶化；2011年后能源发展呈缓慢上升趋势。从总量来看，安徽省的能源较为丰富，拥有较低的对外能源依存度。从供需来看，安徽省是能源消耗大省，作为长江经济带沿线城市和长江三角洲城市群核心城市，近十几年来安徽省不断发展经济，人均能源消耗量持续增长，从1.16 t/人上升到2.09 t/人。从能耗结构来看，第二产业的能源消耗所占比重最高；随着第三产业的迅速发展以及人民生活水平的不断提高，生活用电占比也呈上升趋势。从能源利用效益来看，万元GDP能耗量由1.171万吨标准煤/万元下降到0.468万吨标准煤/万元，能源消费弹性系数降低到30%以内，逐步转向集约型的能源消费生产模式，这意味着经济发展对于能源消费的依赖度已经有所下降，逐渐由经济高速增长转变为经济高质量增长。

3）粮食子系统。粮食子系统发展较快，综合评价指数总体呈上升趋势，这与全国农业发展态势基本一致。主要是由于2006年废除农业税以来，国家加大对农业的扶持力度，农业基础设施得到明显改善，农民种植粮食的积极性大幅提高。以2011年为界，粮食子系统的发展可以划分为基本稳定和稳步持续上升两个阶段。2006—2011年，粮食子系统的综合评价指数在0.25上下浮动。这期间权重为0.363 7的产出水平较高，正向效益显著；而生态化水平稳定性较低，为了获得可观的产量，农业生产中大量使用了化肥，地均农用化肥施用量从0.334 t/hm2增加到0.365 t/hm2。粮食产量波动率虽然呈现出向0靠拢的趋势，但是变化波动较大，稳定性较差。

2011—2018年，粮食子系统综合评价指数呈持续稳步增长的趋势。这主要是由于2011年起中央大幅度增加“三农”投入，巩固完善强农惠农政策，农业基础设施逐渐完备。8年来，农田有效灌溉比例提高了7.3个百分点，农村人均用电量增长了54.8%。粮食生产补贴和临储制度实施后，农民种粮收入和积极性显著提高，单位面积粮食产量上升了15.7%，表现出很高的粮食生产潜力。在生态化水平方面，地均农用化肥施用量在2011—2015年呈上升趋势，而2015年后逐渐下降，这主要是由于国家从2015年起开展化肥使用量零增长行动，以探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路。2011—2018年的粮食产量波动率基本在0上下波动，具有较好的稳定性。

2.1.2 W-E-F系统耦合度和协调水平时序变化特征 图2为系统耦合度和耦合协调度时序变化，可以看出安徽省W-E-F系统在2006—2018年一直保持高水平耦合状态，耦合度在0.90～1.00波动，这表明各子系统之间相互作用程度较高。但是由于耦合度模型仅说明相互作用程度，不能代表是良性的协调还是恶性的协调，因此还需要继续计算耦合协调度，以进一步分析安徽省水-能源-粮食系统耦合发展的等级以及相应阶段。

图2 系统耦合度和耦合协调度时序变化

由耦合协调度曲线可以看出，W-E-F系统的耦合协调度总体呈上升趋势并且发展状况逐渐改善。2006—2010年的增长速度较慢，耦合协调度保持在勉强协调水平；2010—2011年耦合协调度下降了0.037 2；2011—2018年耦合协调度增长了62%，由0.536 0上升到0.870 2，从勉强协调向良好协调过渡，总体上向较好的趋势发展。

2.1.3 W-E-F系统内部关联效应（时间） 为了进一步研究安徽省水资源、能源和粮食3个子系统之间的关系，对各个子系统的综合值进行两两对比，利用下式计算各子系统之间的对比系数［7］：

参考文献［23］，按照子系统对比系数划分子系统的关系类型：l＜0.6，极度受损型；0.6≤l＜0.8，严重受损型；0.8≤l＜1.0，较为短缺型；1.0≤l＜1.5，较为充足型；l≥1.5，特别充足型。

根据上述公式分别计算安徽省水资源、能源和粮食3个子系统之间的两两对比系数，并绘制出折线图（图3）。

图3 安徽省水能、能粮、水粮对比系数

由图3可知，2006—2015年，l水能大多数情况下小于1.00，但在2007年达到最大值1.43，属于水资源较为充足型。这主要得益于2007年十七大报告首次提出建设生态文明的主张，生态用水占比增加，水资源供需关系、用水效益和可持续性都得到明显改善。2016—2018年，l水能在1.00左右波动，表明近几年水资源和能源发展相对均衡。

2006—2012年，l能粮大于1.00，表明这段时间内能源供给比较充足。2012年之后，l能粮小于1.00，表明这段时间内的能源开发利用滞后于粮食生产。其中，2015年l能粮达到最小值0.77，属于能源严重受损型，主要是由于权重为0.330 9的能源利用效益较低。

2007年，l水粮达到最大值1.89，水资源供给比较充足，区域内粮食相对水资源而言发展比较滞后。其他年份l水粮均小于1.00，表明这段时间内的水资源都比较短缺，主要是由于经济快速发展，工农业对水资源的需求量不断增加。2013年l水粮达到最低点0.48，属于水资源极度受损型，主要由于区域内的水资源利用比较粗放，人均用水量急剧增加到472 m3，水资源利用率较低。

2.2 W-E-F各子系统及系统耦合协调水平空间变化特征

W-E-F系统的发展水平在空间上也体现出一定的差异。通过计算2006—2018安徽省各城市的耦合协调水平可以发现，大多数城市W-E-F系统发展水平在时序方向上基本一致，因此本研究以2018年为例分析W-E-F系统的空间差异。安徽省各城市2018年W-E-F系统发展水平空间分布差异如图4所示。

2.2.1 W-E-F各子系统空间变化特征 结合图4a至图4c对安徽省各城市W-E-F系统的发展状况进行分析。

1）水资源子系统。水资源子系统在马鞍山市表现最好，主要是因为马鞍山市作为长三角城市群成员城市、长江经济带沿线城市，近年来不断提高对工业“三废”的治理力度和治理能力，2018年马鞍山市废水治理设施处理能力远高于其他城市，高达390.09万t/d，这项指标在水资源子系统中所占权重较大，正向效益显著。黄山市和池州市的综合评价指数次之。其余各城市间的水资源综合评价指数相对偏低且差异较小，差异主要体现在用水结构和供需关系2个方面，其中生态用水占比在六安市和蚌埠市最小，这是由于当地农业发展水平和经济结构的差异所导致的，地理环境和资源基础对其影响较大。

2）能源子系统。能源子系统在安徽西北部的发展较好，其中亳州市能源子系统综合评价指数最高，主要是由于其能源储备非常丰富而能源消耗较少。相比之下，东南部的城市能源发展较差，水资源子系统综合评价指数最高的马鞍山市能源子系统综合评价指数最低，这主要由于马鞍山市近十几年来大力发展经济，并且以第二产业作为自己的主产业，第二产业占能源消耗比重在所有城市中最高，高达84.6%，万元GDP能耗量也居首位，能源压力较大，能源利用效益还有待提高。能源子系统综合评价指数出现了明显的空间分布差异，首要原因是能源消费结构的差异，评价指数靠前的亳州市、阜阳市近年来进行产业转型升级且效果显著，第三产业和人民生活用电占总能耗的比重增加，而东南部的城市仍然以发展第二产业为主。总的来说，产业结构很大程度影响了各城市对能源的需求以及单位GDP能耗，而各城市的资源也在一定程度塑造了产业结构。

3）粮食子系统。粮食子系统在安徽东部发展较好，尤以宣城市最高，中部地区的粮食子系统综合评价指数处于中等水平且差异不大；西北部发展得要落后一些，淮北市的综合评价指数属全省最低。各城市之间出现差异主要体现在灌溉比例和产出水平上。宣城市境内的较大湖泊有南漪湖、青龙湖、太平湖等，水资源非常丰富，灌溉和耕作条件显著优于其他地区，其有效灌溉比例为全省第一，人均粮食和肉类产量也处于全省领先水平。淮北市和宿州市虽然处于淮河流域，但是人口多、耕地面积较大，因此灌溉条件较为紧张，一定程度限制了粮食产业的发展。

2.2.2 W-E-F系统耦合协调水平空间变化特征由图4d可知，2018年各城市W-E-F系统协调程度差异明显，淮北市耦合协调水平最低，仅处于勉强协调水平；62.5%的城市处于初级协调水平；其余城市处于中级协调水平。

图4 安徽省各城市2018年W-E-F系统发展水平空间分布差异

协调水平排名前三的地区为东南部的宣城市以及中部的合肥市、淮南市。前者主要是受粮食子系统的推动，宣城市粮食子系统综合评价指数为全省第一，有效灌溉比例居全省首位，粮食、肉类产出水平也处于领先地位。后二者水资源和粮食子系统发展水平居中，主要受能源子系统的推动。合肥市作为省会城市，近年来积极开展产业结构的调整和优化，加大力度发展第三产业，能源利用效益得到显著改善，万元GDP能耗量也保持在较低水平。

第二梯队的有安庆、六安、铜陵、芜湖、滁州、蚌埠、宿州在内的7个城市，基本集中在安徽省西南部和东北部，还有少数中部地区。安庆、芜湖、滁州、蚌埠各子系统之间的差异较小，基本比较平衡。六安市水资源和粮食子系统均处于中等水平且差异较小，主要靠能源子系统拉动，其人均能源消耗量保持较低水平，第三产业和生活用电占比较高，能源消费结构较好。铜陵市水资源和粮食子系统的发展水平较高，能源子系统发展稍微滞后一些，主要在于其仍然以发展工业为主，第二产业能耗占总能耗的比重高达80%，能源消费结构不太合理。宿州市能源子系统综合评价指数最高，发展领先，主要是因为产业结构调整和优化改善了能源的消费结构。其水资源子系统居于中等水平，粮食子系统相对来说还比较滞后。

处于第三梯队的有马鞍山市和池州市。马鞍山作为长江经济带的重要城市，近年来着力发展工业，导致能源消费结构和利用效益较差，工业能耗占总能耗的比重最大，万元GDP能耗量也是全省最高，对协调水平起到了显著的负向拉动作用。池州市主要受水资源子系统的推动，能源子系统发展较为滞后。其水资源总量充足，生态用水占总用水量的比重较高，人均工业废水排放量也控制在较低水平，水资源的消费结构和可持续性较好。然而池州市能源供需关系较为紧张，人均能源消耗量、能源消费弹性系数均为全省最高，能源压力较大；第三产业和生活用电占总能耗比重较少，能源消费结构还有待改善。

协调水平最低的为淮北市，仍然处于勉强协调水平。其能源子系统和粮食子系统严重滞后。一方面重化工业在经济结构中的比重较高，使得能源消费结构较差且人均能耗较高；另一方面，农业发展条件较差，有效灌溉比例较低，人均粮食肉类产出水平也处于较低水平，粮食子系统发展水平全省最低，不利于W-E-F系统协调发展。

2.2.3 W-E-F系统内部关联效应（空间） 由图5可以看出，合肥、蚌埠、滁州、芜湖、安庆等城市各子系统间差异相对较小，发展较为平衡，其余各城市无论协调水平高低，其内部差异都较大，亳州、马鞍山、宣城尤为明显，今后应注重扶持落后子系统的发展，以便提高协调发展水平，使系统整体效能达到最佳。

图5 2018年安徽省各城市W-E-F各子系统发展水平

3 结论与建议

本研究通过构建安徽省W-E-F系统评价指标体系，运用综合评价指数和耦合协调模型，将时间和空间维度相结合，研究2006—2018年安徽省各城市W-E-F系统耦合协调水平及其变化特征，并探究了系统内部的关联效应。从分析结果看，与实际情况基本相符。

1）通过建立W-E-F系统耦合模型，构建系统耦合协调评价指标体系，采用熵值法对各子系统的评价指标赋权，实现了对安徽省2006—2018年W-E-F系统耦合协调度的定量评价和时空演化特征分析。

2）安徽省W-E-F系统的综合评价指数整体上呈现出随时间上升的趋势。受到降雨量、调水工程和国家政策的影响，水资源子系统综合评价指数变化波动比较大，但仍然呈上升趋势。能源子系统发展相对来说比较缓慢，2007—2011年的发展呈“倒U型”，2011年后呈缓慢上升趋势。粮食子系统发展较快，开发利用水平整体上高于水资源和能源。

3）安徽省W-E-F系统的耦合程度始终大于0.90，并且日益趋近于1.00，保持高水平耦合，表明了3个子系统之间存在内在联系和相互作用。耦合协调度呈波动性变化，总体达到良好协调水平，呈现出较好的发展趋势。耦合协调度的阶段性和波动性特点是国家政策、经济发展和生态环境综合作用的结果，因此在保持经济高速高质量发展的同时，有必要保证W-E-F系统的耦合协调发展，以促进区域可持续发展。

4）尽管2006—2018年安徽省W-E-F系统总体上获得显著发展，但是各子系统之间存在显著的空间差异。各子系统的短板区域主要位于六安、马鞍山、淮北等地，这与不同地区的经济结构和资源环境状况密切相关。未来应该立足于各区域的现实条件，采取有针对性的政策措施，着力提升低协调区滞后子系统的发展水平，推动W-E-F系统的协调发展。

5）W-E-F系统的内部矛盾比较突出，主要体现在水-能和水-粮两方面。水能关系的改善可以从优化产业结构，推动产业转型升级开始。加快对传统产业的升级改造，大力发展第三产业和高新技术产业，降低工业的能耗比重，改善能源消费结构。推动水粮关系的改善，一方面需要加大投入，颁布因地制宜的节水政策，提高节水灌溉比例；另一方面可以加大技术投入，研发更加高效的节水灌溉技术以及粮食生产种植技术，减轻粮食生产对水资源造成的影响。