2000-2019年新疆水-能源-粮食系统耦合协调发展研究

冯梅青， 陈亚宁， 焦 黎， 段伟利， 陈世峰

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院， 新疆 乌鲁木齐 830054； 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011； 3.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室， 新疆 乌鲁木齐 830054)

1 研究背景

“水-能源-粮食(water-energy-food, W-E-F)”是人类生存和发展所依赖的重要系统，其内部良好的耦合性能够有力推动区域的可持续发展[1]。目前，该系统内部耦合关系受到人口增长和工业化等外部因素的影响，导致人类对水、能源和粮食的需求大幅度增加。预计到2050年，人类对水、能源、粮食的需求将分别增加约50%、35%和70%[2-4]。在人口增长、资源短缺和全球变暖的背景下，W-E-F系统的安全问题受到国内外社会的广泛关注[5]。

学术界对W-E-F系统进行了大量研究，主要集中在以下两个方面：一是对“水-能源-粮食”的内涵框架和相互关系的定性描述。在2011年11月波恩会议上，“水-能源-粮食”纽带(WEF nexus)首次被世人所熟知[6]。随后，WEF nexus研究受到学术界重视，其内在机理也逐渐被深化。Sadeghi等[7]在流域尺度上构建了农业水、能源和粮食之间的联系框架；郑人瑞等[8]从地球科学角度出发，指出资源调查和大数据分析等科学化监测是认识纽带关系的重要手段。二是对“水-能源-粮食”的研究方法进行定量解释。Karamian等[9]利用WEFNI模型对伊朗Miandarband平原农业种植系统的作物WEF nexus关系进行了定量化解释；Duan等[10]考虑气候变化和人口增长等外部因素对WEF nexus的影响，仿真不同的社会经济发展场景，对土库曼斯坦水和粮食的需求变化进行了预测；Shi等[11]在传统纽带关系的基础上增加了生态因素的耦合，通过构建贝叶斯网络模型对锡尔河流域用水进行了分析；王凯等[12]、党锐等[13]应用耦合协调度模型对中国部分省份W-E-F系统的协调发展关系进行了量化。

新疆维吾尔自治区(以下简称新疆)是我国重要的能源和粮食储备区，但水资源严重匮乏，W-E-F系统安全性十分脆弱[14]。已有学者研究了新疆地区水资源和粮食对气候变化的响应[15-17]，以及单一能源要素的变化[18]，但缺乏对W-E-F系统耦合协调发展的研究。因此，从省域尺度量化W-E-F系统耦合协调发展关系，对新疆社会经济可持续发展和生态安全具有十分重要的意义。

本文以新疆为研究区域，构建综合评价指标体系，选取2000-2019年的数据进行实例分析，利用耦合协调度模型来探究W-E-F系统协调发展状况，并通过灰色GM(1，1)模型预测2020-2031年新疆W-E-F系统的耦合协调度。研究成果可为地区“水-能源-粮食”系统协同发展的政策制定提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区位于西北干旱区，是丝绸之路经济带的核心区。该区域水资源严重短缺，多年平均降水量为150 mm，水资源量仅为4.8×104m3/km2[19]。新疆是我国重要的粮食产区之一，优质作物有小麦、玉米和棉花等[20]。新疆能源种类众多，风能资源总储量为8.9×108kW；太阳辐射年平均值为580 MJ/m3，是全国太阳能最丰富的地区之一；石油、煤炭和天然气更是新疆的优势资源。

2.2 数据来源与指标体系构建

本研究所需的原始数据来自于2001-2020年的《中国水资源公报》《新疆统计年鉴》《新疆水资源公报》等，部分缺失数据采用线性拟合法进行插补。

遵循科学性、全面性和系统性等原则，参考已有的研究成果[21-23]并结合新疆WEF nexus关系的互馈机制，构建该区域综合评价指标体系。同时，对系统内评价指标进行相关性检验，保留相关系数小于0.5的指标，最终选定25个评价指标。W-E-F系统综合评价指标体系见表1。

资源总量、消费结构和经济效益是水资源和能源子系统选取指标的出发点。在水资源子系统评价指标中，人均水资源量是表征区域水资源丰沛程度的重要指标；万元GDP和工业增加值用水量越少，则区域水资源消费结构越优化，取得的生态效益越高。在能源子系统评价指标中，工业、农业和生活占能源消耗比重越高，说明地区能源消费结构越不合理；能源消费弹性系数越小，说明能源消费安全程度越高。粮食子系统从生产和消费两方面进行指标的选取，粮食生产指标性质为正，其值越大，表明粮食供应越充足；化肥负荷指标性质为负，其值越小，表明在粮食生产过程中能源消费越合理。

2.3 数据标准化及权重确定

由于各子系统评价指标的量纲不同，需要对原始数据进行标准化处理，得到无量纲化数值，使数据具有可比性和可测性。根据指标的不同性质分为正、负指标。

正向指标：

X′i=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

负向指标：

X′i=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：X′i为i指标标准化后的指标值；Xi为i指标的原始数据；Xmax、Xmin分别为各项评价指标的最大值和最小值。

本文采用熵值法对各指标进行客观赋权，在一定程度上避免了人为赋权的主观性。熵值法是通过分析指标间的离散程度并根据各项指标所承载的信息量来计算指标信息熵的一种方法，熵值越小，表明各指标间的差异性越大，则指标在各子系统内的权重越大，反之越小[24]。各项评价指标的权重计算结果见表1。

表1 新疆W-E-F系统综合评价指标体系

2.4 综合评价指数模型

为了直观衡量W-E-F系统各子系统的发展水平，本研究利用线性加权法计算各子系统的评价指数。公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：fx、gy、hz分别为水、能源和粮食子系统的评价指数；Ei、Ej、Ek分别为水、能源和粮食子系统各指标的权重；n为各子系统所选取的指标数量。

2.5 耦合协调度模型

耦合在WEF nexus关系中指水、能源和粮食系统在发展过程中相互依赖、相互作用的过程[25]。参考相关学者的研究结果，构建W-E-F系统耦合度模型如下：

(6)

式中：C为耦合度，C∈[0,1]。0≤C<0.2为低水平耦合阶段； 0.2≤C<0.6为颉颃阶段； 0.6≤C<0.8为磨合阶段； 0.8≤C<1为高水平耦合阶段。耦合度值越高代表水-能源-粮食系统之间的耦合作用程度越好。

由于耦合度模型不能充分反映W-E-F系统整体耦合协调水平，为此构建耦合协调度模型如下：

(7)

T=αfx+βgy+γhz

(8)

式中：D为耦合协调度，D∈[0,1]，其值越大代表W-E-F系统协调发展水平越高，反之越差；T为W-E-F系统的综合评价指数；α、β、γ为各子系统的权重，在W-E-F系统中，3个子系统同等重要，故α=β=γ=1/3。

Chen等[14]在前人研究成果[26-27]的基础上，结合干旱地区的自然特征对耦合协调度分类标准进行调整[14]，如表2所示，本文借鉴此分类标准对耦合协调度进行划分。

表2 耦合协调度分类标准

2.6 灰色预测模型

灰色GM(1，1)预测模型是基于灰色系统理论并遵循现实信息优先原则，利用数学方法对时间序列短、具有饱和状态的样本数据进行精准预测[28]。如果各个子系统向良好水平发展，则W-E-F系统耦合协调度逐渐接近于1，趋近饱和状态。因此该模型在W-E-F系统耦合协调度发展预测方面得到广泛应用[29-30]。本研究利用灰色GM(1，1)模型，根据2004-2011年新疆W-E-F系统耦合协调度的原始数据预测2020-2031年耦合协调度的变化趋势。建模过程如下：

(1)选定原始数据时间序列X(0)共有n个观察值：

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(9)

(2)原始序列X(0)一次累加得到新序列X(1)：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}

(10)

(3)新序列X(1)白化微分方程为：

(11)

(12)

耦合协调度预测模型的表达式为：

(13)

(k=1, 2, … ,n)

3 结果与分析

3.1 综合评价指数时序分析

计算得出的2000-2019年新疆W-E-F系统综合评价指数及各子系统评价指数变化趋势如图1所示。

图1 2000-2019年新疆W-E-F系统综合评价指数及各子系统评价指数变化趋势

对图1中的计算结果分析如下：

(1)2000-2019年新疆W-E-F系统的综合评价指数呈波动增大的发展态势，其值由0.39增大至0.61。主要原因是该时段粮食和能源子系统消费结构得以优化，保持向好发展态势，致使综合评价指数显著提升。

(2)水资源子系统评价指数波动较大，呈现先减小后增大的发展趋势。2000-2003年评价指数大幅减小，减幅为62.3%；2003-2010年由0.24增大至 0.47；2011-2014年又显著减小，且2014年达到最低，为0.19；2014年之后水资源评价指数直线上升，至2019年增幅达到48%。形成这一变化过程的主要原因是2001年中央政府实施对口帮扶政策，粮食种植面积显著增加[20]，农业用水占比过重，并且全疆人口2014年增加至2 298×104人，人口的迅速增加导致人均水资源量由2000年的3 398 m3减少至3 130 m3。2014年之后随着节水技术的提高，用水结构得到明显改善，生态环境用水量增加，使水资源评价指数逐年增大[31]。

(3)能源子系统经历两个发展阶段：2000-2012年发展缓慢，评价指数由0.36增加到0.43；2013-2017年发展速度较快，评价指数由0.57增加至0.71；但2018年又大幅减小至0.53。1995年新疆政府实施“一黑一白战略”，大力发展煤炭等化石能源产业，使21世纪初新疆一次能源生产量持续增加[18]；此外，“十二五”时期，新疆工业快速发展，生产技术提高，能源消费结构得到优化，促使单位GDP所消耗的能源量逐渐减少[18]，能源消耗弹性系数由2011年的1.64减小至2017年的0.88。与此同时，能源子系统的评价指数于2017年达到了峰值，为0.71。

(4)粮食子系统总体保持良好的发展态势。2000-2015年评价指数由0.18增大至0.83；2015-2018年评价指数波动减小，由峰值0.83减小至0.65，2019年又增加至0.75。2002年，“稳疆兴疆，富民固边”战略的提出给新疆带来了投资发展的新机遇，其中，农田种植业资金投入占到总投资一半以上，使新疆粮食种植面积由144.56×104hm2增加至234.62×104hm2。

3.2 耦合度和耦合协调度时序分析

根据公式(6)～(8)，计算2000-2019年新疆W-E-F系统的耦合度C和耦合协调度D，并对其进行类型划分，结果见表3和图2。

由表3和图2可以看出，2000-2019年新疆W-E-F系统的耦合程度较高，耦合度值在0.85～1.00之间波动，均为高水平耦合，说明W-E-F系统的各个子系统之间内在关联程度较好，同时，粮食和能源子系统评价指数总体保持增加的发展趋势，对W-E-F系统耦合度的贡献程度较大。2014年W-E-F系统耦合度明显下降，耦合度值减小至0.85，其主要原因是该年度水资源系统评价指数较低，仅为0.19，对W-E-F系统耦合度的发展起到负面影响。随后，新疆“三条红线”用水政策得到深入落实，使用水结构改善，水资源利用效率得到提高，2015年水资源子系统评价指数开始增大，至2019年，水资源子系统评价指数提升至0.43(图1)，耦合度提升至0.97。2000-2019年新疆W-E-F系统耦合协调度分为3种类型，即濒临失调、初级协调和中级协调(表3)。其中，2015-2019年耦合协调度由0.72增大至0.77。主要原因是2014年之后，由于农田水利设施的改善，有效灌溉面积不断增加，同时生态环境用水量增多，使耦合协调度上升为中级协调[32]。

表3 2000-2019年新疆W-E-F系统的耦合发展类型划分

图2 2000-2019年新疆W-E-F系统耦合度和耦合协调度变化趋势

3.3 耦合协调度灰色预测

根据公式(9)～(13)对2020-2031年新疆W-E-F系统耦合协调度进行灰色预测，结果如图3所示。

图3 2020-2031年新疆W-E-F系统耦合协调度预测

由图3可知，预测新疆W-E-F系统耦合协调度将由2020年的0.76增大至2031年的0.88，平均年增幅为0.01，虽然增长幅度较小，但始终保持平稳增长的发展态势，并于2025年过渡到高级协调阶段。整体而言，未来新疆W-E-F系统各子系统相互作用程度将不断加强，始终保持高水平耦合，促使W-E-F系统耦合协调度不断提高。节约水资源、提高能效，增强农业生产力是政府所追求的目标[33]。例如，2001年政府投资107×108元加强塔里木河流域水资源管理，主要包括灌区节水工程、平原水库的改造以及地下水的合理利用[17]，截至2019年，南疆地区农田灌溉效率提升至0.56。在2001-2021年，塔里木河下游共经历21次生态输水工程，生态输水量共计84.45×108m3[34]，并于2021年8月2日开始第22次生态输水工程。农田灌溉效率的提高以及生态用水量的持续增多，无疑会促进未来水资源子系统的发展，提高新疆W-E-F系统的耦合协调度。

为了验证预测结果的真实性，将2004-2011年的数据作为训练集、2012-2019年的数据作为测试集对模型预测结果进行有效性检验，检验结果见表4。

表4 耦合协调度预测结果检验

表4中显示，各年份耦合协调度预测误差绝对值在0～0.03之间，表明预测精度较高。

4 讨 论

4.1 W-E-F系统协调发展影响因素

用水结构是影响新疆W-E-F系统协调发展的主要因素之一。不同于湿润地区，新疆为灌溉农业，农业用水占比过大，导致新疆总体上结构型缺水严重。因此，水资源是制约W-E-F系统协调发展的关键。蒲傲婷[35]指出，以2016年为例，新疆农业用水占比为94%，而生态环境用水占比仅为1.1%。Fang等[17]指出，地表水和地下水是新疆塔里木河流域农业用水的主要来源。流域农业灌溉用水所占比重为96%，但仅产生了40%的生产总值[36]。因此，农作物的灌溉用水量远远超过了地区水资源生产力，使得地区水资源压力日趋严重。农业用水比重作为水资源子系统的主要评价指标之一，其值越大，则水资源子系统的发展越差。因此，在新疆W-E-F系统中，水资源子系统发展波动较大，发展水平较低。但是，随着节水技术的发展以及用水结构的改善，农业灌溉效率得到显著提高[32]。这在一定程度上缓解了水资源子系统发展不稳定的局面，导致近年来水资源子系统发展水平有所提高。

粮食种植面积是影响新疆W-E-F系统协调发展的另一重要因素。作为中国主要粮食产区，新疆粮食种植面积不断增加，尤其在2001-2010年，在中央对口帮扶政策下，新疆利用农业资源优势，大力发展农业生产[37]。根据新疆统计年鉴，2000-2019年新疆粮食种植面积增加了90×104hm2。粮食种植面积的扩大和单位粮食产量的增加对粮食子系统的发展起到了积极作用。

4.2 适用性和不确定性

目前，对于新疆W-E-F系统耦合协调发展的长时间序列研究较少，与王玉宝等[38]对新疆各市W-E-F系统安全性评价分析相比，本研究利用综合评价指数和耦合协调度模型定量评价了2000-2019年新疆W-E-F系统耦合协调发展水平，为新疆水-能源-粮食系统协同优化发展提供了详实的结果。研究结果表明，水资源子系统是新疆W-E-F系统耦合协调发展的主要短板，得益于资源和环境优势，通过以能补粮[39]和以粮补水[40]的方式弥补水资源短板，成为W-E-F系统耦合协调发展的主要驱动力。在政策倾斜和节水技术提高的背景下，灰色GM(1，1)模型预测未来12 a的W-E-F系统耦合协调度发展的预测结果良好。

在本研究中，不确定性主要来源于评价指标体系的构建，综合评价指数模型在衡量子系统发展能力上效果显著，具有普遍适用性[13]。但就W-E-F系统耦合协调发展水平而言，由于数据的可获取性和评价体系构建的科学性等因素，导致综合评价指标体系并不能完全反映系统的耦合发展水平[12]。其次，本研究仅在系统内部对W-E-F系统耦合协调度进行分析，同时进行短期预测，并未考虑外部因素(如气候变化)对W-E-F系统耦合协调发展的影响。新疆作为一个农业大区，对气候变化的响应十分敏感，因此还需要探究未来气候变化背景下W-E-F系统耦合协调度的发展变化。

5 结 论

本文构建了W-E-F系统的综合评价指标体系，利用耦合协调度模型和灰色GM(1，1)预测模型，分析了新疆W-E-F系统耦合协调度的时序变化，并对影响因素进行了探讨。研究结果可为进一步提高新疆W-E-F系统耦合协调发展提供理论参考。主要结论如下：

(1)2000-2019年新疆W-E-F系统的综合评价指数增大态势明显，由2000年的0.39增大至2019年的0.61。水资源子系统评价指数波动较大，介于0.19～0.64之间；具有资源优势的能源子系统评价指数随时间的推移而波动增大；政策支持和灌溉技术的进步致使粮食子系统评价指数增幅较大。

(2)2000-2019年新疆W-E-F系统的耦合度一直保持高水平耦合，表明3个子系统之间存在着密切的联系。耦合协调度目前处于中级协调，并在未来12 a内继续保持良性耦合的发展趋势，预测耦合协调度值将于2025年达到0.82，过渡到高级协调发展阶段。

(3)从新疆W-E-F系统的耦合协调发展趋势来看，水资源仍然是制约各子系统耦合协调发展的主导因素。农业用水比重过大，导致用水比例失衡。因此，在未来系统耦合协调发展的过程中，应重点加快调整用水结构，以减轻水资源对其他子系统的制约作用。其次，优化能源消费结构，利用生物质能来提高粮食产量，从而降低粮食生产的水足迹，实现以能补粮、以粮补水的平衡发展。