山西省水-能源-糧食系統耦合協調時空變化特征研究

王 凱，李景保，李 歡

(湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

1 研究背景

水、能源和糧食是經濟社會發展所必需的基礎要素，其內外關聯效應的優劣是實現可持續發展的關鍵。21世紀以來，隨著世界人口和經濟的迅速增長，W-E-F(water-energy-food)供求壓力日益凸顯。金融危機前后國際油價經歷兩輪上漲，同時歐美開始大規模發展生物質能源，導致糧食價格急劇上升。隨后美國率先掀起頁巖油氣革命，有效提升了能源供應，卻又極大加劇了相關地區的水資源壓力。可見W-E-F問題的日益突出已使全球可持續發展面臨嚴峻挑戰，同時也揭示了三者面臨的內在矛盾和外部壓力。在此背景下W-E-F問題受到國際社會的普遍關注，并將三者的關聯關系稱為W-E-F Nexus[1-3]。我國現階段正處于人口和經濟發展雙重壓力之下，水資源、能源和耕地均存在不同程度的短缺，且空間組合效果較差。能源和糧食產量雖居世界首位，但獲取代價較高且難以自給，水資源匱乏的北方地區成為其主產區，導致生態環境問題凸顯。此外，保障生態和糧食安全的壓力又使得建設用地供應受限。由此可見，大規模的能源開發利用和糧食增產壓力抬高了經濟發展的生態環境和土地成本，W-E-F問題已成為阻礙中國經濟社會發展的關鍵問題。

作為可持續發展領域的研究熱點，國外學者已對W-E-F Nexus進行了大量研究。一方面闡釋了W-E-F Nexus的理論框架和現實意義，分析其內外關聯機制，為后續的研究奠定了理論基礎[2,4]；另一方面引入跨學科的方法并開發專用的模型工具，主要從跨國流域、地區和國家等尺度上進行實證研究并提出政策建議[5-8]。國內關于W-E-F系統的研究起步較晚，在引進國外研究成果的基礎上[9]，主要基于仿真預測、運行效率、耦合協調、系統優化、供求壓力、安全評價等視角，引入相關學科的方法進行定量研究[10-15]，同時也表現出對地域差異的重視。此外，隨著可持續發展研究的不斷深化，近年來城市W-E-F關聯關系的地位開始得到重視，基于城市維度的研究成果正迅速增加[16-17]。

山西省位于華北地區，屬經濟發展滯后的資源型省份。2018年人均GDP僅為全國平均水平的70%，同年煤炭產量占全國比重達24.9%。但人均水資源量不足全國平均水平的1/5，W-E-F系統內部及其與生態環境之間存在突出的矛盾。長期以來高投入的糧食生產以及大規模的能源開發利用對生態環境造成了極大的損害，2018年全省100個地表水監測斷面中水質優良比例僅為58%，同期全國空氣質量最差的20個城市中山西即占6席。未來伴隨著經濟社會發展、頁巖氣開發及乙醇汽油的推廣，W-E-F系統外部及彼此間的需求還將繼續增長，山西的可持續發展將面臨更大的壓力。因此亟待提高W-E-F系統的內外協調水平，保障其對經濟社會發展的支持能力，同時減輕對生態環境的壓力。

當前國內關于W-E-F系統的研究主要集中在全國和省域尺度，較少關注資源型地區系統內部的時空變化特征。考慮到W-E-F關聯關系具有明顯的地方特性，本文以山西省為研究區，立足于W-E-F系統的內外關聯關系，構建適合該區域的評價指標體系。通過測算其發展水平和耦合協調狀況，分析W-E-F系統的時空差異及其變化特征，以期為促進山西省W-E-F系統協調優化發展提供理論參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文所需的原始數據來源于2008-2018年的《山西統計年鑒》《山西省水資源公報》以及各地市的統計公報，少數缺失數據采用線性擬合法插補。由于原始數據的量綱和作用方向不同，首先對其進行標準化處理，以便具有可比性。

正向指標：

Xi=(xi-min{xi})/(max{xi}-min{xi})

(1)

負向指標：

Xi=(max{xi}-xi)/(max{xi}-min{xi})

(2)

式中:Xi為i指標標準化后的指標值;xi為i指標的原始值；max{xi}、min{xi}分別為i指標的最大值和最小值。

2.2 指標體系構建及權重的確定

遵循完整性、獨立性、可行性等原則，參考相關研究并結合山西省的實際情況[18-22]，基于W-E-F系統的內涵，對各子系統分別從多個維度選取指標，將各子系統內相關系數大于0.8的重復指標剔除,最后得到21個評價指標，以此構建山西省W-E-F系統耦合協調評價指標體系(表1)。其中單位GDP用水量和單位GDP能耗皆按2005年不變價處理后計算，以便具有可比性；同時因數據缺乏且各市皆以糧食為主要種植作物，糧食生產地均增加值由種植業地均增加值近似替代，能源消費結構則以電力消費結構替代。

表1 山西省W-E-F系統耦合協調評價指標體系

本文采用熵權法確定各評價指標的權重，熵權法通過測度各指標的觀測值內部差異程度來計算其權重值。指標觀測值的內部差異越大，其權重值也越大，反之越小。由于其采用客觀計量方法，一定程度上避免了定性方法的缺陷。

2.3 綜合評價指數模型

在計算出各指標標準化值和權重的基礎上，采用相關研究中廣泛使用的線性加權模型計算W-E-F各子系統的綜合評價指數[20]，公式如下：

(3)

式中：βk為各子系統的評價指數；wi為各指標的權重值；m為各子系統的指標數量。

據此可分別計算出3個子系統在不同年份和地區的評價指數，進而對其發展水平的時空變化進行測度。W-E-F 3個子系統的評價指數值分別以f(x)、g(y)、h(z)表示。

2.4 耦合協調模型及類型劃分

耦合是指系統間或者系統內部諸要素間通過各種相互作用而彼此影響的現象，耦合度即是對這種相互作用程度強弱的度量。W-E-F三者在生產、消耗與管理過程中皆存在緊密的關聯關系，通過測算其耦合程度可以揭示其相互作用程度的強弱。W-E-F耦合度模型雖然能綜合反映三者耦合作用的強弱，但無法反映三者間相互發展水平的高低，即系統協調水平[23]。耦合協調度可衡量各子系統相互作用中良性耦合程度的大小，體現協調狀況的優劣程度。因此采用耦合協調度模型，以便更好地評價W-E-F三者耦合發展的協調程度。根據相關研究確定耦合度和耦合協調度計算方法[12]：

(4)

(5)

T=af(x)+bg(y)+ch(z)

(6)

式中:C為耦合度，C∈[0，1]，其值越高代表3大子系統間相互作用程度越強；D為耦合協調度，D∈[0，1]，其值越高表明W-E-F系統越趨向于協調發展；T為W-E-F系統的綜合評價指數，反映系統的整體發展水平；a、b、c為3個子系統的權系數。本文認為3個子系統對可持續發展具有同等的重要性，故取a=b=c=1/3。

通過參考相關文獻[12]確定耦合協調類型劃分的標準，詳見表2。

表2 耦合度和耦合協調度類型劃分

3 結果分析

3.1 W-E-F各子系統及系統耦合協調水平時序變化特征

根據公式(1)～(6)，計算山西省2008-2017年W-E-F各子系統及其綜合評價指數、系統耦合度和耦合協調度。為直觀顯示，將其繪制為折線圖(如圖1所示)，并分析判斷各子系統及其耦合程度和耦合協調水平的時序變化特征。

圖1 2008-2017年山西省W-E-F系統發展水平的時序變化過程

3.1.1 W-E-F各子系統時序變化特征 對圖1(a)進行分析得出：

(1)水資源子系統的變化以2014年為界可分為波動上升期和波動恢復期兩個階段。2008-2014年水資源評價指數提升了1.16倍，其原因首先是總權重為0.364的用水結構得到改善，其中生態用水占比從1.3%上升到2014年的4.76%，是貢獻最大的指標；其次是人均工業廢水排放的下降和用水效益的提升，這與產業結構的優化密切相關，2008-2014年第三產業占GDP比重上升了7.3個百分點。在此期間權重最大的人均用水量增長17.3%，負向拉動效應顯著，主要原因是灌溉面積增加導致用水量顯著增長。2015年因降水減少使人均水資源量下降15.7%，并引發農業用水占比上升導致進入波動恢復期。總體來看，水資源系統受氣候波動和經濟發展影響較大。

(2)能源子系統可分為2015年前后的上升期和下降期。2008-2015年間因全國經濟快速發展促使人均能源產量增長了22.4%，能源消費結構也顯著優化，單位能耗大幅降低24.2%。但同時權重最大的人均能耗增長了23%，在2013年已達到峰值，對能源子系統構成拖累，這與金融危機后大規模的基建投資及其拉動的重化工業發展有很大關系。2016年起能源子系統出現下滑，究其原因，首先是因供給側改革淘汰過剩產能以及國家調整能源消費品種結構導致煤炭產量下降，加之能源消耗隨經濟發展有所增長，從而導致占權重達0.377的能源供需關系顯著惡化；其次是由于能源消費彈性系數較2015年的低點有所反彈，但仍處于集約發展狀態。

(3)糧食子系統在九年間發展較快且沒有顯著波動，這與全國農業發展態勢基本一致。2006年廢除農業稅以來，國家加大對農業的扶持力度，農業基礎設施顯著改善，九年間農田有效灌溉比例提高8.68個百分點，農村人均用電量增長49%。糧食生產補貼和臨儲制度實施后農民種糧收入和積極性顯著提高，糧食在九年間增產31.7%，糧食地均產出增長了1.6倍。但同時權重最大的地均化肥施用量在已經較高的基礎上增長了13%，導致糧食種植的生態化水平進一步退化，生態環境負面影響加重。

總體來看，山西省W-E-F系統屬水資源滯后型，其中糧食子系統穩定性最好且提升幅度最大，能源子系統次之，水資源子系統穩定性最差且增幅最低。2008-2017年各子系統均獲得顯著發展，很大程度上是經濟發展和政府政策支持的綜合結果。產業結構的優化促使水能消耗結構得到改善，資源型產業比重的下降使得單位GDP的水能消耗也隨之下降，政府對農業的扶持則是糧食子系統發展的主要原因。對3個子系統負向拉動效應明顯的指標分別為人均用水量、人均能源消費量和地均化肥施用量，表明經濟社會發展對資源環境的依賴和破壞程度加深。

3.1.2 W-E-F系統耦合度和協調水平變化特征 由圖1(b)可看出，山西省W-E-F系統在2008-2017年間一直保持高水平耦合狀態，表明各子系統間相互作用程度較高。W-E-F系統綜合評價指數2008-2017年增長了130%，耦合協調度從0.55上升到0.83，由勉強協調發展到良好協調，基本呈穩步發展態勢。

由于系統耦合度接近于1且比較穩定，因此系統耦合協調度的變化趨勢與綜合評價指數相似，可分為2008-2014年的穩定上升期和2015-2017的波動上升期。前一階段先后由水資源子系統和糧食子系統發揮主要帶動作用，其推動因素主要為用水結構優化、工業污水排放下降以及糧食生產投入產出水平的提升等方面，這得益于經濟快速發展和政策支持。后一階段因2015年以來水資源和能源子系統的大幅下降而發生波動，起到負向拉動的因素從大到小依次是農業用水占比、人均一次能源產量、能源消費彈性系數、人均用水量、生態用水占比、人均能源消費量。

3.2 W-E-F系統空間差異變化特征及其內部關聯效應

W-E-F系統的空間差異及其變化對其整體發展水平具有重要影響,采用2008-2017年山西省各地市的面板數據計算其耦合協調水平。結果顯示大多數地市系統發展水平的時序變化方向基本一致，故以2008年和2017年為例分析W-E-F系統的空間差異及其變化特征。首先基于ArcGIS軟件，采用自然斷點法將測算結果劃分為4個等級。山西省各地市2017年W-E-F系統發展水平空間分異及2008-2017年變動幅度見圖2。

3.2.1 W-E-F各子系統的空間差異 經計算，2017年W-E-F各子系統綜合評價指數的變異系數分別為0.19、0.26、0.22，再結合對圖2(a)～2(c)的分析表明：

(1)3個子系統發展水平的空間差異顯著。其中水資源子系統在呂梁表現最好，除表現較差的運城和朔州外其余各市間的差異較小。其差異主要在耗水結構和水資源供需兩方面，其中農業和生態用水占比在運城和朔州最差。這是由各地區農業發展水平和經濟結構的差異所導致的，地理環境和資源基礎對其影響較大。

(2)能源子系統在太原和北部的大同、忻州等地發展水平較高，在晉西北的朔州和晉東南的晉城較差。其首要原因是能源消費結構的差異，大同和太原產業轉型升級效果較好，2017年戰略性新興產業占工業比重分別達到9.7%和14.5%。產業結構也在很大程度上影響著能源需求和單位GDP能耗，而各市的資源稟賦在一定程度上塑造了產業結構。

(3)糧食子系統在山西中南部發展較好，尤以晉中和運城最高，陽泉則屬全省最低，與糧食主產區的分布相符。其主要差異體現在灌溉比例和產出水平上，其中種植業地均產出的市際差異最大。由于山西黃土高原地形復雜，山地丘陵和盆地相間分布，各市農業發展條件差異很大。太原、晉中和運城3市皆位于汾河谷地，灌溉和耕作條件顯著優于其它地區。

3.2.2 W-E-F系統協調水平的空間差異 由圖2(d)可知，2017年各市W-E-F系統協調程度差異明顯，處于中級協調水平占55%，初級協調水平占45%，協調度最高值為最低值的1.2倍。

圖2 山西省各地市2017年W-E-F系統發展水平空間差異及2008-2017年變動幅度

協調水平最高的地區為山西中北部的太原、忻州和晉中市，前兩者主要受能源子系統的推動，第三產業能耗比重分別超過全省9.9和16.5個百分點，能源消費結構較優。晉中水資源和糧食子系統發展水平居中，主要由糧食子系統拉動，其境內分布有汾河谷地，農業生產條件較好，糧食生產地均增加值和人均肉類產量居全省首位。

呂梁和大同協調水平屬第二梯隊。呂梁主要受水資源子系統帶動，其用水結構和水資源供需關系較好，2017年水資源開發利用率僅有30.1%，為全省最優，但其位于西部呂梁山區，地形以丘陵和山地為主，水土流失嚴重，糧食生產條件較差，糧食子系統發展水平偏低。大同屬山西第二大城市，是重要的能源生產基地，能源子系統發展水平較高；境內雖有大片盆地，但受干旱、內澇和鹽堿的威脅，糧食和水資源系統發展水平居全省中間位置，3個子系統間差異較小。

陽泉、長治、臨汾和晉城4市屬第三梯隊。陽泉位于太行山區，農業發展條件較差，2017年人均耕地面積僅為全省平均水平的39.8%，灌溉比例僅有15.9%，糧食子系統發展水平屬全省最低；因其農業對水資源的壓力較小，水資源子系統發展水平較高。臨汾和長治兩市相鄰，發展水平相近，且系統內部差異較小，這與其相似的資源基礎和地理環境有很大關系。晉城是全省第五大能源生產基地，但其能源子系統對協調水平起到顯著的負向拉動作用，主要由能耗結構的落后所導致；同時因多年平均降水量為全省最高，加之多山地形使得耕地灌溉面積較小，單位GDP耗水量較低，因而水資源子系統發展水平較高。

協調程度最低為朔州和運城，其能源和水資源子系統嚴重滯后。一方面重化工業在經濟結構中的比重較高，使得能源消費結構較差且人均能耗較高，其中朔州是山西最大的能源輸出基地；另一方面因兩市分布有大片盆地，農業發展條件較好，2017年灌溉比例分別為47.9%和61.4%，均超過全省平均水平，導致較差的水耗結構和較高的人均用水量，使得水資源系統壓力過大，不利于W-E-F系統協調發展。

3.2.3 W-E-F系統空間差異的變化特征 W-E-F系統協調水平的空間差異逐漸變大，趨于不平衡發展。經計算，2008年和2017年各市耦合協調度的變異系數分別為0.047、0.057，表明2008-2017年各市協調水平的差異有所擴大，這是因各市協調水平發展路徑的分化所致。由圖2(e)可知，陷入停滯的地區包括晉城、陽泉和朔州，2008-2017年增幅均不足9%。朔州水資源和能源子系統均沒有明顯的發展，主要因灌溉面積增加和重化工業發展導致對水、能源的需求迅速增長，水能消耗結構也未得到顯著優化；陽泉主要因糧食子系統而陷入停滯，地形因素使農業發展空間受限；晉城主要受能源子系統衰退的拖累，其能耗水平在九年間大幅上升且能耗結構未得到顯著改善。

W-E-F各子系統的變異系數分別從2008年的0.17、0.21、0.15增大到2017年的0.19、0.26、0.22。由圖2(e)可以發現，糧食和能源子系統區域差異的顯著擴大，是導致W-E-F系統空間差異擴大的重要原因。糧食子系統中，晉中、運城的較快增長和陽泉的停滯是區域不平衡加劇的原因所在，各市投入產出水平的增長差異較大，糧食子系統發展的推動因素包括玉米收購價的上漲，政府對糧食種植的補貼，農田基礎設施的改善以及單產的提升等方面。能源子系統方面，太原、忻州的大幅提升和朔州、晉城的停滯加劇了空間分異，其變化差異主要在于能耗水平和結構兩個方面，這與各市的產業結構有很大關系，朔州和晉城工業結構以重化工業為主，2017年煤炭行業增加值占規模以上工業比重超過60%，經濟發展對能源的依賴程度依然較高。水資源子系統提升最顯著的是呂梁和晉中，主要表現為人均水資源量和生態用水占比的提升，增長最慢的是朔州和運城，其人均用水量大幅上升且用水結構未有顯著優化，尤其是運城的農業用水量因灌溉面積擴大而增長了65%。

3.2.4 W-E-F系統內部關聯效應 W-E-F系統內部存在復雜的動態關聯關系，兩部門間的關系及其變化會對另一部門產生間接影響并發生反饋。各子系統之間既可以相互支持，也可能相互損害。在經濟社會和環境等外圍因素的影響下，部門間以復雜網絡的形式發生非線性循環傳導作用[9]，并對整個資源系統和生態環境產生影響，最終作用于經濟社會發展。隨著系統外部壓力的不斷增加，由關聯關系所引發的系統內部矛盾日益激化，長期以來，能源和糧食自給被視為優先目標，水資源系統付出了較大的代價。為比較系統內部差異，將2017年山西省各地市W-E-F各子系統發展水平繪制為柱狀圖，如圖3所示。

圖3 2017年山西省各地市W-E-F各子系統發展水平

首先，糧食和水資源子系統之間普遍存在矛盾，其導致的水資源壓力也會影響到能源的開發利用，反映了由外部壓力和資源稟賦交互作用所導致的系統內部矛盾。各市水資源和糧食子系統綜合評價指數的相關系數從2008年的-0.32減小到2017年的-0.55，負相關程度顯著增強。其原因在于農業用水效率偏低，較高的灌溉比例抬高了農業用水比重、人均用水量和單位GDP水耗，從而引起水資源子系統反向變動。灌溉比例較低的忻州、呂梁、陽泉和長治等地水資源子系統評價指數皆高出糧食子系統30%以上，朔州、晉中、運城則與之相反。

其次，能源與水資源和糧食子系統之間也面臨著不同程度的沖突。各市能耗總量與廢水排放總量、城鎮工業用水量相關系數分別為0.617、0.485，且能耗主要來自工業，表明能源開發利用對水資源子系統造成一定的損害，并通過耗水和水污染對糧食生產造成不利影響。能源和糧食子系統之間協調關系相對較好，但二者的相互需求不斷增長，進而也會對水資源造成壓力。2017年各市人均糧食產量和一產用電比例的相關系數為0.62，相比2008年有所上升，表明糧食生產愈加依賴于能源支持，同時由于投入增加、生活水平提升、城鎮化等因素，糧食在生產資料、加工、享用等階段的能耗也在增長。相比之下，能源對糧食的直接壓力較小，目前主要表現為乙醇汽油推廣對糧食的需求，其實質是對水土資源的爭奪。

對于各地市內部W-E-F子系統間的不平衡程度，從圖3可以發現，太原、大同、臨汾和長治等市各子系統間差異相對較小，發展較為平衡，其余各市無論協調水平高低其內部差異都較大，運城、忻州、朔州尤為明顯，今后應注重扶持落后子系統的發展，以便提高協調發展水平，使系統整體效能達到最佳。

4 結論與建議

本文通過構建山西省W-E-F系統評價指標體系，運用綜合評價指數和耦合協調模型，將時間序列和空間維度相結合，研究2008-2017年山西省各地市W-E-F系統耦合協調水平及其變化特征，并探究了系統內部的關聯效應，得到如下幾點結論：

(1)2008-2017年山西省W-E-F系統綜合評價指數增長了130%，耦合協調度從0.55上升到0.83，總體呈穩定發展態勢。但其各子系統間存在顯著差異，總體屬水資源滯后型。得益于政策支持，糧食子系統發展最快且穩定性好，水資源子系統發展較慢且波動性最大，對能源和糧食子系統的支撐能力脆弱，不利于山西省的可持續發展。

(2)2008-2017年盡管山西省W-E-F系統總體上獲得顯著發展，但各子系統存在顯著且不斷擴大的空間差異。其差異大小為能源>糧食>水資源，各子系統短板區域主要位于朔州、運城、陽泉和晉城等地。這與不同地區的經濟結構和資源環境狀況密切相關。未來需立足于各區域的現實條件，采取針對性的政策措施，以部門間的協同作為保障，著力提升低協調區滯后子系統的發展水平，推動W-E-F系統的協調發展。

(3)W-E-F系統的內部矛盾較為突出，主要發生在糧食能源與水資源子系統之間，這與傳統的資源驅動型發展方式和分割式的治理機制有很大關系。作為一個不可分割的整體，W-E-F各子系統的發展必須盡可能降低對其他子系統的不利影響。在保障能源和糧食安全的同時，也要注重對水資源的合理開發和保護，使其能夠為經濟社會發展提供長遠穩定的支撐。

(4)水糧關系的改善一方面需要加大投入，采取因地制宜的節水策略，提高節水灌溉比例；另一方面要通過改革推進戶籍城鎮化，從而有效轉移農業剩余人口，以適度規模經營促進節水灌溉技術的推廣，減輕糧食生產對水資源的壓力。水能關系的改善首先需要優化能源生產結構，通過技術進步提升各類清潔能源的產量。其次是要改善能源消費結構，加快傳統產業轉型升級，推動高技術產業和現代服務業的發展，降低重化工業的能耗比重。最后要減輕能源利用的環境損害，加強高能耗產業的技術改造，有序推進農村清潔取暖進程，降低散煤使用量。