山东省水－能源－粮食系统耦合协调关系变化研究

2023-06-08潘洪瑞张保祥李佩茹王红瑞宋美华

人民黄河 2023年6期

潘洪瑞，姜欣，张保祥，李佩茹，王红瑞，宋美华

(1.济南大学水利与环境学院，山东济南 250022；2.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；3.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；4.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院），山东德州 253074；5.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875）

水、能源和粮食是人类社会发展的基础资源。受人口增长、社会经济发展、气候变化等因素影响,全球对水、能源和粮食的需求量逐年增大,资源短缺问题愈发严重。水、能源、粮食之间的协调稳定发展是实现经济社会高质量发展的重要保证,研究水-能源-粮食系统耦合协调关系具有重要的现实意义。

2011 年11 月在德国波恩召开的水-能源-粮食关联关系会议首次提出水、能源、粮食的纽带关系,指出3 个子系统并非单独发展而是相互依存、相辅相成的关联关系［1］。之后学者们逐渐引入经济、生产、生态、社会等多方面因素,对水资源-能源、水资源-粮食、能源-粮食关系进行了广泛研究［2］。关伟等［3］运用虚拟水理论评价模型对能源贸易中虚拟水的流动状况及流动影响进行分析研究,提供了能-水关系研究新视角,为协同能源与水资源的区域能源转型发展提供量化依据。粮食用水效率、需水预测是当前水资源-粮食关联耦合研究的热点［4-5］,能源-粮食关联关系研究主要集中在能源价格波动对粮食价格波动的影响分析［6］和粮食生产效率对能源-粮食系统安全协同的研究［7］。随着水、能源、粮食三者耦合关系研究的发展,学者们从不同尺度、多个视角开展了水-能源-粮食的纽带关系理论探讨与实证研究［8］。常远等［9］提出了中国水-能源-粮食协调发展的策略和实际应用,对我国相关领域政策的制定提出了建议；孙才志等［10］利用黄河流域九省(区)能源、粮食耗水量数据,对耗水压力时空演化特征进行分析,评估了流域能源、粮食生产耗水与区域水资源之间的平衡关系。秦腾［11］认为水-能源-粮食纽带效应是抑制中国用水量增长的关键因素。孙才志等［12］采用哈肯模型、蒲傲婷［13］采用实码加速遗传投影寻踪模型、王雨等［14］采用系统动力学模型,分别对研究区水-能源-粮食系统的演变趋势进行分析,并提出相应的政策建议。现有研究已经注意到不同区域间水-能源-粮食系统耦合协调发展的差异,但是对耦合协调变化机理的探讨仍需深化。

山东省是粮食生产和能源消耗大省,水资源短缺问题较为突出。“十三五”期间,山东省万元工业增加值用水量和万元GDP 用水量逐年降低,用水效率显著提升；粮食产量连续7 a 稳定在5 000 万t 以上,2020年粮食总产量占全国的8.14%；2015—2020 年一次性能源生产量均值仅占能源消耗量的32.87%,能源短缺问题突出。本文以山东省为研究区,建立水-能源-粮食系统耦合协调评价模型,分析评价2000—2020 年水-能源-粮食系统耦合协调发展情况,以期为山东省资源管理和高质量发展提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源与预处理

本文所用数据主要来源于2000—2020 年《山东统计年鉴》《山东省水资源公报》《中国统计年鉴》等,个别缺失数据通过线性回归法补全。为解决各指标单位不统一问题,对所选指标数据进行无量纲化处理:

式中:Xij、分别为第i年第j项指标的原始值和处理后的值；maxXj、minXj分别为第j项指标的原始数据最大值和最小值。

1.2 水－能源－粮食系统耦合协调评价模型

水、能源、粮食子系统相互作用机理见图1。水资源、能源、粮食子系统耦合协调关系可利用耦合协调评价模型进行分析,其中耦合度表征子系统间的相互关系,协调发展度表征整个系统的综合发展情况。

图1 水、能源、粮食子系统相互作用机理

耦合协调评价模型方法简便、结果直观,广泛应用于不同尺度和领域的耦合协调发展研究中［15-17］。本文参考王淑佳等［18］、姜磊等［19］的研究,采用以下耦合协调评价模型:

式中:Uk,i、Uh,i分别为子系统k、h第i年的发展水平评价指数；λij为各子系统第i年第j项指标的权重；mk为子系统k指标个数；n为子系统个数；C为耦合度,表示子系统间离散程度和耦合关系的强弱；T为耦合系统的综合评价指数,表示耦合系统的发展水平；D为耦合系统的协调发展度,反映系统耦合程度,体现协调状况好坏,表征子系统间促进或制约关系；αk为子系统k的权重,研究表明［18］,各子系统的重要性及权重相等时,会降低该模型的使用效度,而山东省水资源子系统发展波动性较大、粮食子系统发展稳定迅速、能源子系统发展较为滞后,因此取α水＝0.35,α能源＝0.35,α粮食＝0.30。

参考文献［20］,将水-能源-粮食系统耦合度划分为4 个等级:［0,0.3］为低水平耦合,(0.3,0.5］为拮抗,(0.5,0.8］为磨合,(0.8,1.0］为高水平耦合；按协调发展度划分为10 个阶段:［0,0.1］为极度失调,(0.1,0.2］为严重失调,(0.2,0.3］为中度失调,(0.3,0.4］为轻度失调,(0.4,0.5］为濒临失调,(0.5,0.6］为勉强协调,(0.6,0.7］为初级协调,(0.7,0.8］为中级协调,(0.8,0.9］为良好协调,(0.9,1.0］为优质协调。

为进一步分析山东省水、能源、粮食子系统间的协调发展关系,引入对比系数［21］以反映子系统间相对发展水平情况:

式中:Qk-h为第i年的子系统k与子系统h的对比系数。

结合山东省实际情况,按对比系数将水、能源、粮食子系统发展分为5 种类型:［0,0.6)为极度受损型,［0.6,0.8)为严重受损型,［0.8,1.0)为较为短缺型,［1.0,1.5)为较为丰富型,［1.5,∞)为特别丰富型。

1.3 评价指标体系构建

为全面反映水-能源-粮食系统耦合发展情况,按照系统性、典型性、科学性和全面性原则,将水资源、能源子系统指标分为总量、结构、效益三部分,总量指标反映资源丰富程度及平衡情况,结构指标反映资源消耗结构,效益指标反映资源利用效率和效益；将粮食子系统分为生产安全、流通安全、消费安全三部分,生产安全指标反映粮食产量情况,流通安全指标反映粮食消费流动情况,消费安全指标反映粮食生产与消费平衡情况。采用熵权法确定指标权重,指标选取及其权重见表1。

表1 山东省水－能源－粮食耦合系统评价指标体系

2 结果与分析

2.1 水－能源－粮食系统评价指数分析

根据式(1)～式(5)计算得出2000—2020 年山东省水-能源-粮食系统综合评价指数(T)与子系统评价指数(见图2)。研究期系统综合评价指数T发展较为稳定,在0.529 上下波动；水资源子系统评价指数(UW)波动性较大,2002 年降至最小值0.066,2002 年之后在0.626 上下波动；能源子系统评价指数(UE)在2005 年前呈缓慢下降趋势,2005 年后趋于稳定,在0.429上下波动；粮食子系统评价指数(UF)在2004 年前持续下降,2004 年后波动上升。

图2 山东省水－能源－粮食系统综合评价指数

2002 年UW降至最小值0.066,根据《山东省水资源公报》的数据计算得知,2002 年之前用水结构不合理且用水效率低,农业和工业用水量分别高于研究期平均用水量的13%和33%,万元GDP 用水量达到研究期峰值272.06 m3,而水资源总量降至最低值98.14 亿m3,水资源子系统整体发展较差；2002 年后,虽然农业用水量、万元GDP 用水量下降,用水结构逐步优化,用水效率逐渐提高,但受干旱影响,2006 年、2014 年、2019 年全省降水量分别比多年平均值偏少16.1%、23.7%、17.8%,水资源总量分别比多年平均值偏少34.1%、51.0%、35.6%［22］,UW下降幅度较大。

2000—2020 年山东省能源消费结构相对稳定,《山东统计年鉴》《中国统计年鉴》数据显示,山东省工业能源消耗占比较大,生活能源消费占比增大并在2020 年达到峰值10.6%。2005 年后山东省工业进入快速发展阶段,能耗效益年均提高5.79%,但能源生产量一直低于消耗量,其中2020 年一次性能源生产量只占能源消耗量的29%,需从外省调入才能保证生产、生活消费需求［23］。

2000—2004 年虽然年均粮食产量和单产恢复性增长,但粮食产量波动率均为负值,UF持续下降并于2004 年达到最低点0.388。由《山东统计年鉴2014》可知,2013 年粮食产量与种植面积增加,单产有所下降,粮食消费量较2012 年增加34%,粮食自给率下降24.3%,粮食价格上升,使得UF骤降,但仍高于2004 年前的水平。

2.2 水、能源、粮食子系统发展程度对比分析

利用式(8)得出的山东省水、能源、粮食子系统对比系数见图3。水资源与粮食子系统对比系数(QW-F)在2000—2006 年波动幅度较大,2007 年后总体呈下降趋势并逐渐小于1,表明水资源、粮食子系统发展趋于协同,且逐渐以粮食子系统为主导。2000—2002 年水资源与能源子系统的对比系数(QW-E)逐年下降并于2002 年降至最小值,2002 年后QW-E在1.41 上下波动,水资源子系统发展类型为较为丰富型,能源子系统发展略为滞后。粮食与能源子系统对比系数(QF-E)呈上升趋势,2008 年前缓慢增长至1.0,表明两者发展基本同步；2008 年后QF-E在1.332 上下波动,表明粮食子系统发展类型为较为丰富型,而粮食生产安全指标逐年增大,使第一产业能源消耗量增加,进而加大了能源子系统消费压力。受2002 年山东夏、秋大旱影响,2002 年QW-F、QW-E分别达到最低点0.247、0.113,水资源子系统发展类型为极度受损型,水资源子系统不能支持粮食及能源子系统协调发展。2003—2005 年QW-F＞2.0,水资源子系统发展类型为特别丰富型,水资源子系统发展处于主导地位,但粮食产量波动率连续4 a 为负值。

图3 山东省水、能源、粮食子系统对比系数

2.3 山东省水－能源－粮食系统耦合度、协调发展度分析

山东省2000—2020 年水-能源-粮食系统耦合度与协调发展度变化见图4。2000—2007 年耦合度(C)变化幅度较大,2007 年后稳定在0.800 左右,处于磨合等级,子系统间相互作用较强；协调发展度(D)2000—2002 年逐年下降,2002 年后稳定在0.650 上下,处于初级协调阶段,表明山东省水-能源-粮食系统耦合程度较高,协调状况良好。2002 年山东省水-能源-粮食系统C、D均降至最低点(C＝0.446,D＝0.408),原因是当年降水量较多年平均值偏少37.9%,农业用水量较2001 年增加3%,系统处于拮抗濒临失调阶段,子系统离散程度较高。2006 年水-能源-粮食系统耦合度升至最高值0.969,协调发展度为0.660,原因是QW-F、QW-E、QF-E在1.0 上下波动,此时3 个子系统发展离散程度低,协调状况良好,系统处于初级协调阶段。

图4 山东水－能源－粮食系统耦合度与协调发展度

随着社会发展,能源子系统进入较稳定发展阶段,粮食产量波动率大于200%,粮食自给率常年在400%以上,粮食生产安全指标大幅度增大,粮食子系统进入波动增长阶段,同时节水意识和用水效率提升、用水量降低。2002 年、2006 年、2014 年、2019 年旱灾导致水资源总量减少,UW下降,协调发展度降低,水资源子系统一定程度上抑制了水-能源-粮食系统的发展。2018 年、2020 年系统协调状况良好,但能源生产量较低,需从外省大量调入以维持供需平衡,同时QW-E和QF-E在1.5 上下波动,说明能源子系统发展滞后于水资源和粮食子系统,但对水-能源-粮食系统耦合协调发展影响较小,系统处于初级协调阶段。

山东省水-能源-粮食系统耦合度、协调发展度在波动中上升,但均未达到高水平耦合优质协调状态,说明耦合协调关系仍存在较大的上升空间。水资源禀赋对耦合协调关系影响较大,自然灾害是影响粮食单产的首要因素,提高抗旱减灾能力是确保水-能源-粮食系统耦合协调发展的重要前提［25-26］。当前山东省仍然以煤炭和石油作为主要消费能源,传统产业占比一直居高不下,在“双碳”目标导向下,进一步优化能源使用结构、提高能源使用效率,深化新旧动能转换,是推动山东省绿色低碳高质量发展的重要措施［27-28］。山东省粮食单产总体呈上升趋势,但耕地减少和“非粮化”趋势明显,供粮稳定性不足,在通过技术进步提高粮食单产进入瓶颈的情况下,确保耕地面积、提高粮食作物种植比例是提升粮食保障能力的有效手段［29-31］。孙才志等［10］的研究表明,山东省年平均能源耗水量和粮食生产耗水量在黄河流域各省(区)中最高,未来山东省面对不断增长的水资源、能源与粮食需求,需要进一步推动水资源节约集约利用、能源结构优化和农业高质量发展。