2000-2016年甘肅省水資源—能源—糧食耦合協調特征研究

黨 銳, 張 軍, 周冬梅, 劉 洋, 馬靖靖, 朱小燕, 馬 靜

(1.甘肅農業大學 管理學院， 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農業大學 資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅省節水農業工程技術研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

水資源、能源和糧食是人類目前存在和未來發展的重要基礎，也是制約一個地區發展的重要因素[1-2]。水資源是糧食和能源生產的基礎，能源生產進一步提高水資源利用效率和糧食生產效率，三者之間相互依賴，緊密聯系[3-4]。在此背景下“水-能源-糧食紐帶”概念被提出[5]，進一步促進了從綜合角度對自然系統和經濟社會系統耦合關系研究，特別是對深入分析水-能源-糧食之間的耦合作用關系提供了新的思路，為實現區域內資源協調平衡利用提供了有力的方法支持。

目前，國內外學者在W-E-F系統方面做了大量研究，Li等[6]和Saladini 等[7]從W-E-F可持續發展進行討論，將農業-水-能源-糧食可持續管理(AWEFSM)模型應用于中國西北地區的實際案例進行研究,可以有效幫助決策者對水-能源-糧食的協同管理；Christopher等[8]將W-E-F系統作為一個耦合的自然-人類系統來研究，使W-E-F系統能夠更好地實現彈性和可持續性的發展目標；Zhang等[9]從W-E-F系統的概念、研究方法及問題進行闡述，有助于解決W-E-F系統發展過程中的挑戰性問題；白景鋒等[10]運用主成分分析法和地理加權回歸模型對中國水-能源-糧食壓力從時空兩個方面進行研究，研究得出W-E-F壓力隨時間呈“升-降-穩”的特點，空間上從東南沿海向西北內陸W-E-F總壓力逐漸遞減；鄧鵬等[11]和畢博等[12]運用耦合協調模型對W-E-F系統的耦合協調關系進行研究，研究發現W-E-F系統間的發展水平尚未跨入高度發展協調階段，還有很大的提升空間；Wang等[13]采用壓力、狀態和響應(PSR)模型評價水-能源-糧食關系的可持續性，研究得出中國W-E-F的可持續性處于一般狀態水平；鮑淑君等[14]從W-E方面分析了W-E系統的紐帶關系和協同發展，得出我國要注重政策和技術的一致性與可行性，宏觀政策與微觀技術相結合，用市場機制解決能源產業與水的問題；劉渝等[15]和康紹忠[16]從水資源生態安全和糧食安全方面構建評價指標體系進行研究，研究得出水資源生態質量與糧食安全質量下降；彭少明等[17]運用大系統分解協調技術及逐步優化方法和嵌套遺傳算法，實現復雜巨系統的優化求解，使糧食增收、能源增產。目前他們的研究尺度大都是從國家以及流域大范圍進行研究，為此，本文以甘肅省為研究對象，結合甘肅省自然資源空間分布的差異性，以及經濟結構發展的多元性特征，構建W-E-F系統的評價指標，運用耦合協調模型和地理加權回歸模型，分別從省域和市域空間尺度對甘肅省2000-2016年的W-E-F系統的耦合特征從時間和空間兩個方面以及驅動因素進行定量研究，以期揭示甘肅省水-能源-糧食系統協調發展機制，也為經濟社會可持續發展和地方政府決策提供參考依據。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區概況

甘肅省處于92°13′～108°46′E，32°31′～42°57′N，位于我國西部地區黃河中上游，溝通黃土高原、青藏高原和內蒙古高原三大高原，地形復雜多樣。甘肅省氣候干燥，氣溫日較差大，年平均氣溫0～15℃，氣候類型多樣，從南到北包括了亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候、溫帶大陸性氣候和高原山地氣候四大類型。甘肅水資源嚴重匱乏，年降水量42～740mm，大致呈現出東南向西北遞減的趨勢。甘肅省能源種類較多，其中風能資源總儲量達2.37×108kW，是中國太陽能最為豐富的三大區域之一，年太陽總輻射值為4 800 MJ/m3～6 400 MJ/m3。甘肅省下轄12個地級市，分別為蘭州市、嘉峪關市、金昌市、隴南市、白銀市、天水市、武威市、酒泉市、張掖市、慶陽市、平涼市和定西市，2個自治州(臨夏回族自治州和甘南藏族自治州)，共14個地州市(圖1)，土地資源豐富，總土地面積約42.58×104km2，但山地多，平地少，全省山地和丘陵占土地總面積的78.2%，土地利用率為43.55%，糧食產量僅1 091.07×104t。2017年甘肅省人口2 625.71×104人，國民生產總值7 460×108元，其中第一產業859.8×108元；第二產業2 561.8×108元；第三產業4 038.4×108元[18]。隨著經濟社會的快速發展，化石能源枯竭、水資源短期以及糧食安全等問題日益嚴重，制約著經濟社會的可持續發展，甘肅省作為國家重要的生態屏障，也是“一帶一路”經濟帶的重要陸路節點，具有重要的戰略地位。

2.2 數據來源

本文從2001-2017年《甘肅省統計年鑒》《甘肅水資源公報》以及甘肅經濟信息網中獲取甘肅省14個地州市年降水量、水資源總量、總用水量、農田灌溉用水、總人口、糧食產量、有效灌溉面積、糧食播種面積、煤炭、液化石油氣、天然氣及電力等各項指標的數據。

2.3 研究方法

2.3.1 綜合指數法 綜合指數法是指運用極差標準化對原數據進行歸一化處理，并用加權求和的綜合指數計算方法，分別計算出水-能源-糧食各系統的綜合指數。在計算綜合指數之前，用熵值法確定各項指標的權重[19]。綜合指數可計算各子系統的發展水平，其計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

2.3.2 耦合度模型 耦合指兩個或兩個以上的實體相互依賴于對方的一個量度[11]。本文中耦合是指水-能源-糧食各系統間的相互作用、相互影響的程度。結合其他學者的相關研究[11-12、20]，構建本文的耦合度模型：

(4)

式中：D為耦合度， 0≤D≤1，表示W-E-F各系統之間的協調發展程度，耦合度越大，表明各系統之間的協調關聯性越好。參考文獻[19-20]的研究成果，將耦合度分為4個等級，見表1。

表1 耦合度等級分類

2.3.3 耦合協調度模型 由于耦合度在某種情況下不能充分地反映系統內部之間的耦合協調程度的高低，為了更好地分析W-E-F系統內部要素之間在發展過程中的協調程度，本文以耦合度為基礎，構建耦合協調模型，其公式如下[21-22]：

(5)

H=αW(w)+βE(e)+γF(f)

(6)

式中：N為W-E-F系統的耦合協調度，0≤N≤1；D為耦合度；H為水資源、能源、糧食的綜合評價指數；W(w)、E(e)、F(f)分別為水資源、能源、糧食的綜合評價指數；α、β、γ分別為水資源、能源、糧食各子系統的重要程度；考慮到水資源、能源和糧食之間依存關系，以及維持經濟社會可持續發展中的作用，本研究認為W-E-F三者同等重要，故α=β=γ=1/3。本文為了便于與其他研究成果作比較，采用廖重斌[23]和張玉萍等[24]的耦合協調度劃分標準，將其分為10種耦合協調類型，見表2。

2.3.4 地理加權回歸法 W-E-F系統的耦合協調受到地理空間因素的影響[10、25]，運用地理加權回歸(GWR)模型，定量分析其影響因素，本文構建的地理加權回歸模型如下[26]：

(7)

式中：Yi為甘肅省各個市i的W-E-F系統的耦合協調度; (μi+vi)為各個市i的位置，βi為各個市i的回歸常數;j為各個市i的第j個回歸參數;xij為自變量,表示xj在各個市i的值；n為自變量數；εi為隨機誤差。

2.4 評價指標體系構建

以甘肅省14個地州市為研究單元，依據科學性、系統性和差異性等原則，并在借鑒前人研究基礎上，從水資源系統、能源系統和糧食系統3個方面，選取14個評價指標(表3)，在水資源系統，選取年降水量、水資源總量、總用水量、人均水資源量以及農田灌溉用水5個指標；在能源系統，選取煤炭、液化石油氣、天然氣及電力4個指標；在糧食資源系統，選取糧食產量、糧食人均占有量、糧食消耗量、有效灌溉面積、糧食播種面積5個指標。

表2 耦合協調度的等級分類及評價標準

3 結果與分析

3.1 甘肅省水-能源-糧食時間序列變化分析

根據綜合評價指數、耦合度以及耦合協調度的公式計算出甘肅省2000-2016年水-能源-糧食系統的綜合評價指數Z(z)、耦合度D、耦合協調度N(表4)。

表3 W-E-F的指標體系及權重

表4 甘肅省2000-2016年W-E-F系統綜合指數、耦合度以及耦合協調度

為了能更直觀地反映2000-2016年甘肅省W-E-F系統的發展軌跡，將表4中各子系統的綜合評價指數、耦合度及耦合協調度計算結果繪制為圖2、3。

由圖2可知，甘肅省2000-2016年W-E-F的綜合評價指數的變化除了水資源系統的變化波動較大之外，能源系統與糧食系統的變化較穩步發展。W-E-F系統綜合指數變化趨勢分為3個階段，2000 -2001年處于上升階段，處于輕度協調衰退類，2002-2007年處于波段變化階段，2008-2016年處于“N”形的變化趨勢，主要由于在此階段水資源系統指數變化波動較大，水資源系統對W-E-F的綜合指數變化影響顯著。

水資源系統指數處于0.10 ～ 0.80，基本呈現“2N+M”的變化趨勢，變化幅度較大。2001-2003年處于下降階段，主要受嚴重自然災害(降水量)的影響較大，2003-2007年呈現“M”的變化趨勢，由于2004、2006年水資源總量和年降水量達到最大值，2007-2016年呈現“N”的發展趨勢，由于2007年年降水量和水資源總量分別比上年少25.40%、23.51%，2011年水資源總量比上年多10.50%，2014年水資源總量比多年平均值減少24.19%，導致水資源系統指數在此時間段呈現“N”的變化趨勢。能源系統指數基本介于0.10～0.70，其發展趨勢大體分為兩個階段，2000-2003年為第1階段，呈現劇烈波動特征，其中2001年最大為0.667，2004年最小為0.073，主要受液化石油氣使用的影響；2004-2016年為第2階段，呈現出波動上升趨勢特征，主要是由于受到“西氣東輸 ”工程的影響，天然氣開始在甘肅省廣泛大量使用，天然氣的使用量由2004年的2.1936×108m3增加到2016年的16.8571×108m3，年均使用量以1.5倍的速率增長。糧食綜合評價指數隨時間呈明顯上升的趨勢，主要是由于2000-2016年糧食的產量、播種面積以及有效灌溉面積逐年增加。

由圖3可知，2000-2016年甘肅省W-E-F系統耦合度D介于0.21～0.32。耦合度年際間基本上保持平穩狀態，波動較小，處于低水平耦合階段和頡頏階段，說明甘肅省W-E-F系統之間的耦合程度較低，與甘肅省生態、經濟、社會發展程度相適應。大體分為2個階段，2004年以前為第1階段耦合度較高，表明甘肅省水資源-能源-糧食系統耦合相適應。2004年降到最低值0.215，其主要原因是2004年甘肅省在3個時段分別發生了干旱、低溫凍害以及汛期的自然災害，其中5月中旬至7月中旬的干旱時段最嚴重，導致糧食產量下降，全省受災面積達613 336.40 hm2[27]。第2階段從2005年開始，耦合度有所增加，但沒有達到2003年之前狀態，表明甘肅省水資源-能源-糧食系統耦合程度降低，主要原因是經濟社會發展導致水資源和能源的需求增大。

甘肅省W-E-F系統的耦合協調度N介于0.27～0.42，說明甘肅省W-E-F系統協調發展水平較低，協調類型大多為失調衰退型，且耦合協調度變化趨勢大致與W-E-F綜合指數的變化趨勢相似，說明甘肅省W-E-F系統協調發展水平較低，不利于甘肅省生態-經濟-社會的協調發展。2000年耦合協調度低于耦合度，值為0.304，處于輕度失調衰退類，2000-2001年處于急劇上升階段，主要是受此階段水資源與能源資源急劇上升的影響，2001年之后耦合協調度的發展趨勢基本都高于耦合度，耦合協調類型由2002年的輕度失調衰退類發展為2016年瀕臨失調衰退類過渡階段。雖然2012年W-E-F系統的耦合協調度達到最大值0.414，W-E-F系統的耦合協調度處于最好階段，但其最大值低于0.5，尚未進入勉強協調發展階段。

3.2 甘肅省水-能源-糧食的空間格局變化分析

本文進一步研究了2000-2016年甘肅省14個地級市的平均W-E-F的綜合評價指數(圖4)、耦合度以及耦合協調度(圖5)的空間分布特征。由圖4可知，2000-2016年17a甘肅省平均水資源空間分布不均勻，中部地區低于河西地區、甘南以及隴南，主要受水資源的影響，其中中部地區降水量較少；河西地區有三大內陸河流域，水資源相對豐富。能源資源綜合評價指數高的區域集中于中西部，蘭州、酒泉最突出，與經濟發展水平區域分布一致；其次是慶陽、天水、武威等，武威地區主要受煤炭使用量多的影響；嘉峪關、甘南、金昌的能源資源綜合評價指數最低，甘南地區主要受天然氣的影響。糧食資源的綜合評價指數較水資源、能源資源的綜合評價指數較高，糧食資源綜合指數較高區域分布于隴南，主要受糧食產量最高的影響；其次是張掖、定西、天水、平涼、慶陽等地區，其中張掖受灌溉面積的影響較大；嘉峪關綜合指數最小，主要受其有效灌溉面積和產量較低的影響較大。

由圖5可知，2000-2016年W-E-F的平均耦合度較低，基本處于低水平耦合和頡頏兩個階段，除武威、酒泉耦合度處于頡頏階段，其余各市處于低水平耦合階段。W-E-F的耦合協調度基本處于失調衰退和瀕臨衰退階段，其中協調度較高的區域主要分布于東西兩端以及中部的部分城市，酒泉、蘭州等地較高，其次是白銀、定西、平涼、臨夏、甘南州處于中度失調衰退類，低協調度主要集中于嘉峪關區域。說明2000-2016年甘肅省W-E-F耦合系統發展不協調、不平衡，且地區間W-E-F系統耦合度存在顯著差異。

圖2 2000-2016年甘肅省W-E-F系統綜合評價指數變化趨勢

圖3 2000-2016年甘肅省W-E-F系統耦合協調變化趨勢

圖4 2000-2016年甘肅省平均W-E-F的綜合評價指數分布

圖5 2000-2016年甘肅省平均W-E-F的耦合度和耦合協調度

3.3 甘肅省水-能源-糧食耦合協調變化的驅動力分析

以甘肅省14個地級市2000-2016年的平均耦合協調度作為因變量的原始值，選取社會因素、經濟因素和生態因素3個方面包括常住人口、城鎮化、地區GDP、人均耕地面積、有效灌溉面積5個指標作為自變量的原始值，對所有的變量進行取對數。并計算自變量的方差膨脹系數(VIF)和Kappa系數進行多重共線性檢驗，得到各指標的K值均小于0.20，VIF均小于5，所以自變量間不存在多重共線性問題。本文選取“自適應”核函數的AICc的方法，結果顯示擬合結果R2均在0.76以上，AICc值小于50，由GWR結果表明，地區GDP對W-E-F協調度的影響不顯著，R2約為0.16。圖6為2000-2016年甘肅省GWR模型自變量回歸系數估算空間分布。由圖6可知，2000-2016年甘肅省W-E-F系統的協調變化因素，其中正向因素按影響程度從大到小次序為常住人口、人均耕地面積、有效灌溉面積；而城鎮化與W-E-F協調度之間存在既有正向又有逆向的影響。白景鋒等[10]研究認為社會因素人口密度是影響W-E-F壓力的第一驅動力，生產條件有效灌溉面積和人均耕地面積是第二驅動力，經濟因素城市化率和人均GDP是第三驅動力；趙榮欽等[28]從自然、社會、經濟3個方面對水-土-能-碳的耦合機制研究，認為經濟因素是影響水-土-能的決定性因素；張慧等[29]在糧食生產的基礎上對耕地壓力的影響因素進行分析，研究得出社會經濟因素對耕地壓力的變動更顯著；與本研究結果一致性。

圖6 2000-2016年甘肅省GWR模型自變量回歸系數估算空間分布

常住人口對W-E-F系統的影響最為顯著。常住人口與W-E-F協調度變化為正相關，空間上呈現從西北向東南遞減，其影響最大值集中在張掖、酒泉，說明人口的增加使農村勞動力增加，有利于提高W-E-F系統協調度的，而影響程度最小值主要集中在定西、甘南、隴南、天水、平涼、慶陽，人口對不同地區W-E-F系統的影響存在差異。其次是人均耕地面積與W-E-F協調度變化為正相關，其影響強度在空間上呈現自西向東逐漸遞減，其影響最大值在酒泉、嘉峪關、張掖，而影響最小值在隴南、天水、平涼、慶陽，說明人均耕地面積對不同地區W-E-F系統的影響存在顯著的差異。有效灌溉面積與W-E-F系統協調度變化呈現正相關，空間上呈現從西北向東北遞減，其影響范圍最大值均集中在酒泉、嘉峪關、張掖，而影響程度最小的主要集中在平涼、慶陽，與有效灌溉面積在空間上呈現自西向東逐漸遞減的變化趨勢相吻合，說明增加有效灌溉面積可以提高W-E-F系統的協調度。城鎮化對W-E-F的協調變化的影響有明顯的區域差異，在西北方向呈現逆向影響，即城鎮化率越高，則W-E-F協調度越小；在東部方向呈現正向影響，即城鎮化程度越高，則W-E-F協調度越大。與本文研究的與農業相關的W-E-F協調有很大的關系，隨著城鎮化加快，耕地面積銳減、農村勞動力大量外流，對糧食產量產生了一定的負向影響，使得城鎮化在某些地區的W-E-F的協調度較低。由此可見，不同因素在空間上具有不同的影響方向和影響程度。

4 結 論

本文以甘肅省為研究對象，通過選取W-E-F系統的評價指標體系，構建W-E-F系統耦合模型，研究了2000-2016年W-E-F系統的耦合協調度時空特征，得到以下主要結論：

(1)甘肅省W-E-F系統的綜合評價指數呈顯“N”型變化趨勢。受年降水量的影響，水資源系統評價指數隨時間變化較大，對W-E-F的綜合評價指數的貢獻最大；受液化石油氣和“西氣東輸”的工程影響，能源綜合評價指數變化較大，但總體呈顯緩慢上升趨勢；糧食的綜合評價指數隨時間呈明顯的上升趨勢。雖然W-E-F 3個子系統的變化趨勢不同，但3個子系統的評價指數之間具有一定的關聯關系，提高各自的發展水平，有助于W-E-F整體的協調發展。

(2)甘肅省W-E-F系統的耦合度處于0.21～0.32，變化不大且基本保持平穩狀態，處于低水平耦合階段和頡頏階段，說明W-E-F 3個系統之間的耦合不協調；W-E-F系統的耦合協調度處于0.27～0.42，呈顯波動上升的趨勢，耦合協調類型大多為失調衰退型。雖然2012年W-E-F系統的耦合協調度達到最大值0.414，但它的最大值小于0.50，尚未跨入勉強協調發展階段，有很大的發展提升空間。

(3)甘肅省W-E-F系統的耦合度、耦合協調度存在空間分布差異性。2000-2016年甘肅省耦合度變化趨勢由甘肅省河西走廊-隴中-隴南地區耦合度由頡頏階段向低水平耦合階段變化；耦合協調度由隴中黃土高原部分區域的嚴重失調衰退類向河西走廊、隴南地區、甘南的輕度失調衰退類過渡。

(4)由GWR研究發現，不同因素在不同區域的影響方向和程度是不同的。常住人口、人均耕地面積、有效灌溉面積與W-E-F協調度的變化是同向，城鎮化與W-E-F協調度變化既有正向又有負向的影響，而地區GDP對W-E-F協調度變化的影響不顯著。