黃河流域水-能源-糧食安全系統的耦合協調發展研究

趙良仕，劉思佳，孫才志

(遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心，遼寧 大連 116029)

黃河流域是中國重要的煤炭、電力能源及糧食主產地，是“一帶一路”沿線和中國經濟發展中具有戰略性作用的重要區域。由于其生態脆弱性以及流域內經濟發展的雙重壓力，資源與生態環境成為制約黃河流域發展的關鍵性因素。2019年9月，習近平主席主持召開黃河流域生態保護和高質量發展座談會并發表重要講話，明確了當前黃河流域生態保護和高質量發展的目標，主要包括加強生態環境保護、推進水資源節約集約利用、發展現代農業等。探究區域水-能源-糧食系統及其內部耦合關系是資源環境領域的重要研究內容，也是促進實現區域可持續發展的基礎性研究。因此，科學評價黃河流域水-能-糧安全系統內部耦合協調機制和安全狀況，對于促進流域水-能源-糧食資源統籌協調發展，加快推動流域資源可持續、生態環境保護和高質量發展至關重要。

2011年11月，德國聯邦政府在波恩會議上首次將水安全、能源安全和糧食安全之間的關系總結為一種“紐帶關系”，認為3種資源之間存在相互依存的聯系。2013年，聯合國亞太經濟社會理事發布了《亞太地區水-糧食-能源紐帶關系報告》，指出水-能源-糧食在不同地區間也存在聯系且日趨緊密。國內外學者在不同的時空尺度下對水-能源-糧食系統進行了研究[1-3]。基于全國視角，已有關于水-能源-糧食系統發展的協調程度和系統內部壓力的研究成果[4-5]。還有以省、地級市為研究區域，探討水-能源-糧食耦合協調度的空間相關性及影響因素[6]，張洪芬等[7]，鄧鵬等[8]、畢博等[9]分別以京津冀地區、江蘇省和遼寧省為研究區，研究了地區水-能源-糧食耦合協調程度、時序演化及發展趨勢等問題。分析已有研究成果，目前對于水-能源-糧食紐帶關系研究方法包括耦合協調度模型[10-11]、PSR模型[12-13]、SD模型[14-15]等。我國水-能源-糧食系統紐帶三維關系的研究近年來逐漸增多，但總數依然相對較少，特別是定量研究。水-能源-糧食系統的耦合協調機制研究尺度多集中于全國、省、市級區域，缺少如流域等中觀尺度視角的研究成果。水-能源-糧食三者作為強流動性的社會基礎資源，地區資源協調能力與周邊地區關聯性較強。從流域等中觀尺度出發，相關研究能夠更好地反映地區真實的資源統籌和可持續發展水平，為地區提出更具針對性的區域生態系統適應性政策建議。

基于黃河流域視角，已有研究成果包括礦產和能源、農業生產、生態環境等單個因素或相結合[16-20]；結合影響流域水資源鏈分配的因素分析流域水資源管理對策[21-24]；流域城市化、城市群發展[25-26]；流域人地與空間協調[27]及探討流域高質量發展[28-29]等。彭少明等[30]從提高流域資源承載力出發，研究了黃河流域水-能源-糧食的一體優化布局。從已有研究成果來看，目前對黃河流域的研究集中于水、能源、糧食中的兩種資源組合，或與資源環境要素相結合。如果一味集中于系統內部某種資源承載力的提高，必然會給其他資源造成負面壓力；系統內部任何一個子系統安全受到威脅，其他子系統也會受到連鎖反應[31-32]。當前黃河流域不能僅以提高地區經濟發展、資源承載力為目標，而是應從流域生態脆弱性出發，整體把握流域水-能源-糧食3種資源的開發和利用趨勢，明確流域各子系統發展方式中存在的問題，將地區生態環境可持續與轉向高質量發展相結合。綜上，亟須以中觀尺度視角聚焦黃河流域可持續發展問題，對流域水-能源-糧食安全系統耦合協調、資源統籌可持續及生態環境可持續方面進行量化研究。

本文選取黃河流域內8個主要省級行政區的水、能源、糧食安全系統共38個指標，采用主成分分析法確定權重，構建黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數，對流域2007—2017年水-能源-糧食安全系統進行評估和分析，建立水-能源-糧食安全系統耦合協調度模型，探究黃河流域水-能源-糧食安全系統的耦合協調機制，從流域尺度探討水-能源-糧食實現可持續發展的可行路徑，以期為黃河流域水-能源-糧食安全系統的可持續發展提供對策和建議。

1 研究區域概況

黃河流域在中國十大一級流域中降水量排名居后位，多年平均降水量遠低于全國平均水平，降水時空分布極不均衡。黃河流域又被稱為“能源流域”，流域內擁有中國一半的煤炭基地和七成的煤電基地，是我國重要的能源、化工原材料和基礎工業基地。流域內以內蒙古自治區、山西、陜西為代表的能源大省，面臨傳統產能過剩、產業結構單一、經濟結構需轉型升級的困境。此外，流域的經濟發展過多依靠化石能源消耗，也為流域的環境污染治理和可持續發展帶來了巨大壓力。黃河流域是我國重要的農業經濟地帶，對維護我國整體糧食安全具有突出作用。黃河僅占全國河川徑流2%的水量，承擔著全國12%的人口、13%的糧食產量以及補給各支流水系的任務。流域內黃淮海平原、汾渭平原等地是我國谷物主產區，糧食和肉類產量約占全國1/3。據國務院新聞辦發布的《中國的糧食安全》白皮書顯示，2001—2018年我國年均進口的糧食總量中，稻谷和小麥兩大口糧品種合計占比不足6%；根據海關總署統計數據顯示，2017年黃河流域主要8省(區)進口谷物總值僅3.48億美元。水資源短缺已成為新形勢下影響國家糧食安全最重要的因素[33]，當前黃河流域水資源開發利用率遠超國際公認的40%生態警戒線，水資源利用率低、水資源供給存在巨大缺口。以寧夏回族自治區為例，2017年寧夏供水總量中，89.9%供水量來源于黃河水源。目前黃河流域經濟發展主要依賴于不可更新能源的消耗[34]，經濟總量占全國比例呈下滑趨勢。提高人民生活水平和經濟發展的迫切需求將會進一步加劇流域資源矛盾和生態環境壓力。尋找黃河流域資源可持續、高質量協調發展之路迫在眉睫。圖1為黃河流域水資源量及能源、糧食生產總量占全國比例。

圖1 黃河流域水資源量及能源、糧食生產總量占全國比例

2 研究方法

2.1 指標選取及數據來源

水-能源-糧食安全系統是由各子系統相互作用而組成的復合系統，且各子系統間存在著密切聯系。結合研究區域的實際情況和數據的可得性與針對性，在已有研究成果的基礎上選取子系統指標，以適用于長時段的時間序列分析需要。本文以2007—2017年為考察期，從3個子系統中共選取了38個指標，數據來源于《中國水利統計年鑒》《中國水資源公報》《中國能源統計年鑒》及各省統計年鑒等。

2.2 數據標準化及權重確定

2.2.1數據標準化

為消除不同指標量綱或數量級不同所造成的影響，對原始數據進行標準化處理，部分缺失數據已統一采用線性擬合法估算而得。根據指標的不同功效分為正、負指標，正、負向指標的計算公式分別為

X′ij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

X′ij=(Xmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中：Xij、X′ij分別為第i年指標j的原始值和標準化后的值；Xjmax、Xjmin分別為歷年來指標j的最大值和最小值。

2.2.2指標權重確定

主成分分析是設法將原來眾多具有一定相關性的指標，重新組合成一組新的互相無關的綜合指標，這幾個綜合指標既能盡量多地反映原來較多指標所反映的信息，同時它們之間又是彼此獨立的，是一種降維處理方法。利用主成分分析法可以客觀地確定各指標權重，有效避免人為主觀因素的影響，具有直觀和可操作性，同時增強結果的客觀性和可信性。利用SPSS19.0，采用主成分分析法獲取指標權重的具體過程為：①求出標準化指標數據的相關系數矩陣；②得到相關系數矩陣的特征根和特征向量，以及特征根對應的方差貢獻率；③取累計方差貢獻率大于85%且特征值大于1的前t個主成分綜合原始數據信息，記其方差貢獻率為：A=(A1，A2，…，At)，利用載荷數與特征根得到主成分線性組合中的系數；④以方差貢獻率作為主成分權重，對指標在主成分線性組合中的系數做加權平均；⑤最后將指標權重進行歸一化，得到最終每個指標的權重(表1)。

2.3 水-能源-糧食安全系統綜合指數

運用線性加權法計算水、能源、糧食安全子系統的綜合指數，以衡量各子系統的發展水平，計算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：Wi、Ei、Fi分別為第i年水、能源、糧食安全子系統的綜合指數，該指數越高說明發展水平越高；wj為各子系統指標j的權重；X′ij、Y′ij、Z′ij分別為各子系統第i年指標j的標準化數值。

2.4 耦合協調度模型

耦合協調模型目前已經廣泛應用于地理學中，用于研究系統及內部的耦合、協調和反饋的機理與機制。根據已有研究成果[7-8,35]，本文借助耦合度模型定量分析黃河流域水、能源、糧食安全子系統綜合指數之間相互作用的程度，構建黃河流域水-能源-糧食安全系統耦合度模型：

(6)

式中Ci為第i年的耦合度，反映子系統間相互作用、相互影響程度的強弱，0≤Ci≤1，值越大表明子系統之間越協調，當Ci=1時表明子系統間處于最佳協調狀態。

表1 黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合評價指標體系

由于耦合度在某些情況下不足以充分表征水-能源-糧食安全系統的整體功能或發展水平。為了能更好地反映流域系統耦合協調的高低，構建了耦合協調度模型，其計算公式為

(7)

其中

Ti=αWi+βEi+γFi

式中：Di為第i年的耦合協調度；Ti為第i年的水-能源-糧食安全系統的綜合指數；α、β、γ為各子系統重要程度的權重，本文認為3個子系統同等重要，因此設定α=β=γ=1/3。

為了更好地分析系統間的協調發展程度和所處的階段，參考已有的研究成果[6-11]將耦合協調度進行等級和類型的劃分(表2)。

表2 耦合協調度類型及評價標準

3 結果與分析

3.1 黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數

分別測算2007—2017年黃河流域水-能源-糧食安全系統中3個子系統綜合指數，從而得到黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數的變化情況(圖2)。由圖2可見，水安全子系統綜合指數在研究期內整體波動幅度相對較小，但年平均增長率為-0.39%，呈現輕微下降趨勢；能源安全子系統綜合指數總體波動幅度不大，前期呈現上升趨勢，從2010年開始呈現下降趨勢，年平均增長率為 -0.98%，也呈現負增長趨勢；糧食安全子系統綜合指數在2007年處于最低位水平，在2007—2017年呈現出良好的上升態勢，2017年增長為3個子系統中最高位水平，上漲幅度最大，漲幅波動最大，年平均增長率在1.02%左右。由3個子系統綜合指數的變化趨勢可見，黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數在研究期內前期呈現上升趨勢，波動幅度較小，研究期間內的綜合指數從2007年的0.404提高至2016年的0.562，年平均增長率為2.04%。但由于受到研究期后期子系統綜合指數下降影響，流域安全系統綜合指數也略有下降，可見黃河流域水-能源-糧食安全系統內部相互耦合關聯，3個子系統共同影響著整個系統的穩定發展。

圖2 黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數變化

黃河流域整體水-能源-糧食安全系統綜合指數均值為0.512，處在中等水平。流域內各地區自然資源條件和經濟社會發展狀況各不相同，影響了水-能源-糧食安全系統綜合指數的發展水平。其中，水、糧食安全子系統綜合指數較好，能源安全子系統綜合指數均值小于0.5，為3個子系統中最低值。流域水安全子系統綜合指數均值為0.518，青海、寧夏與流域年均水平基本持平，甘肅、山西、山東均高于流域年均水平，內蒙古、陜西、河南與流域年均水平仍有較大差距。能源安全方面，青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西略高于流域年均值，經濟發展水平較高的山西、河南、山東3省能源安全子系統綜合指數較低，較流域年均水平仍有一定差距。流域糧食安全子系統綜合指數最高，年均值為0.523，反映出黃河流域作為我國重要的農業產區，流域內糧食安全子系統發展水平較好，其中青海、甘肅、內蒙古、陜西4省年均值高于流域年均水平，而河南、山東作為我國傳統糧食產地，綜合指數水平卻低于流域年均值，反映出兩省在農業活動中存在一定問題。

圖3為2007—2017年黃河流域及各省水-能源-糧食安全系統綜合指數均值。由圖3可見，上游青海、甘肅兩省3個子系統綜合指數均在流域平均值以上，耦合協調度穩步上升，增長速度較快，兩省水電發電量占比大，清潔能源發展潛力大。寧夏地區的水資源供需缺口極大，開發利用率極高，供給安全存在一定風險，但水安全子系統綜合指數仍位居流域中等水平；同時，能源與糧食安全子系統的年均綜合指數不高，與地區人均能源消耗量較高、能源自給率在研究期后期有所下降、人口增速相對較快等因素有一定關聯。內蒙古水安全子系統綜合指數位居流域末位，表現在地區水資源量不穩定，易發生自然災害；人均用水量大，同時作為農業大省，農業用水占比高。陜西的水安全子系統綜合指數較低，地區水資源供給不穩定，水資源開發率逐年攀升；能源安全子系統綜合指數與流域平均水平持平，能源自給率高；糧食安全子系統綜合指數居流域前列，地區農業災害得到有效控制，同時地區農業用水需求增長不明顯，糧食生產水平逐年提高。山西能源安全子系統綜合指數與流域平均水平有一定差距，煤炭能源消費占比大，能源利用效率低，地區能源及工業結構亟待轉型升級；糧食安全子系統綜合指數也低于流域平均水平，自然災害較多，人均糧食產量波動大，受地區地形因素影響，農業機械化進程受阻。河南3個子系統綜合指數均低于流域平均水平，地區用水總量居流域首位，人均用水量大，地區水資源缺口極大，地下水開發過載；水資源利用不合理、效率低；能源供給缺口大，工業用水占比20%以上，地區經濟產業結構不合理；河南是我國農業大省，但農業自然災害頻發，給農業生產和地區人民生活帶來負面影響較大，地區糧食消費價格指數和糧食流動成本較高。山東水安全子系統綜合指數略高于流域平均水平，近年來通過技術手段和出臺相關政策把控，地區水資源承載力有所改善；能源安全子系統綜合指數略低，地區經濟發展水平高，能源消耗量大，能源自給率為流域最低水平，工業污染嚴重；地區農業自然災害頻發，不利于保障糧食穩定生產。

綜上，黃河流域各省由于自然資源條件、經濟發展狀況不同，水、能源、糧食各安全子系統呈現出不同水平，進而影響地區水-能源-糧食安全系統整體水平。各子系統綜合指數均較好的省區，水-能源-糧食安全系統綜合指數也呈現較好水平。黃河流域各省水-能源-糧食安全系統內部存在一定的耦合協調機制，任意子系統的發展或滯后均會影響整個系統，必須統籌考慮三者內部的耦合協調關系，才能更有效地推動水-能源-糧食安全系統協調高效發展。

(a) 水子系統

3.2 黃河流域水-能源-糧食安全系統耦合協調分析

利用耦合協調度模型測算2007—2017年黃河流域及流域主要8省(區)水-能源-糧食安全系統耦合協調度(圖4)。研究期內，流域耦合協調度處于由初級耦合向中級耦合過渡的階段，從0.622增長到0.746，由初級協調水平上升到中級協調水平，呈現穩定增長態勢。但同時受到3個子系統漲幅波動及負增長態勢的影響，增長速度相對緩慢，年平均增長率為1.1%。流域內各主要省區的耦合協調度及流域上、中、下游地區在各子系統方面的表現也各有特點。黃河流域上游省區及內蒙古的耦合協調度在研究初期水平較低，中下游省區耦合協調度水平略優于上游；8省(區)的耦合協調度均呈現增長態勢，但各省增速差別明顯。青海、甘肅、內蒙古、山東4省(區)耦合協調度增長速度較快，年平均增長率均大于3%；寧夏、陜西、山西、河南增速較慢，年平均增長率在0.5%～1.8%之間。流域內各省水-能源-糧食安全系統耦合協調發展水平不盡相同：青海、甘肅、山東發展態勢明顯向好，由2007年的勉強協調水平發展到2017年的中級良好水平左右；寧夏、陜西發展呈上升態勢，耦合協調度增長速度較緩，但整體平穩向好；內蒙古、山西、河南耦合協調度波動上升，耦合協調度在研究期內波動較大，但整體依然保持增長趨勢。

圖4 水-能源-糧食安全系統耦合協調度變化

流域上游地區工業、經濟水平較弱，水-能源-糧食三者耦合協調度發展較快，在水安全子系統中評價較高。上游地區水資源量較充足，地下水開采量及水資源開發利用率等整體較低，可持續水平較高。用水總量少，但在農業主導的經濟結構下，上游地區人均用水量要高于中下游地區。同時，上游地區人口密度較低，由于自身經濟結構和發展水平影響，水資源利用效率低于中下游地區，水污染排放總量較少。上游地區生態用水占比高于中下游地區，有利于促進地區生態良性循環，維護和改善地區整體生態環境。上游地區承擔著流域保護、涵養水源的重要任務，必須關注上游地區的水資源生態建設問題。

流域中游及上游部分地區是能源安全子系統良好穩定發展的基礎，但地區生態環境脆弱，資源整體可持續水平較低。中游地區是全國重要的能源工業基地，煤、電等能源產量大，同時具有發展水電的自然優勢，能源自給率高，同時也是東部地區重要的能源供應地之一。能源消費量、利用效率、污染排放量均處于流域中等水平，符合地區實際發展情況；地區工業用水占比與下游地區基本持平，但用水效率低于下游地區。這部分地區由于自身資源優勢，長期以來過度依靠能源資源發展，對流域的水資源和生態環境負面影響較為嚴重。轉變能源等產業結構、提高地區水資源利用效率等將是該地區未來發展的主要方向。

流域下游及部分中上游過渡地區是流域糧食生產的重要保障。經濟發展和農業生產為地區水資源與能源帶來巨大壓力，不利于地區水-能源-糧食耦合協調度提高和資源可持續發展。下游地區農業生產規模大，發展水平較高；經濟水平在流域內居于前列，地區經濟結構相對較好，發展水平較高，恩格爾系數小于流域內其他地區，糧食消費價格指數及糧食流通成本略高于流域內其他地區。同時，流域下游地區由于經濟和農業發展的雙重壓力，地區水資源和能源壓力處于流域內高位水平，地區內部水-能源-糧食三者的矛盾更加尖銳，不利于水-能源-糧食耦合協調發展。

結合黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數變化，分析流域安全系統耦合協調發展趨勢，當前流域內水、能源資源為系統耦合協調發展帶來負向壓力；研究期末，由于水、能源安全子系統綜合指數雙重負增長的壓力，糧食安全子系統綜合評價指數也略有下降。如果不積極采取措施，水資源與能源資源將長期處于低效不安全發展狀態，并會對糧食系統產生限制和嚴重不利影響，進而影響整個系統安全與耦合協調發展。

3.3 耦合協調度預測

利用Matlab建立灰色預測模型(GM(1,1))，預測2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統耦合協調度發展趨勢(圖5)，經擬合度檢驗，平均相對殘差為0.034，平均級比偏差為0.028 3，殘差檢驗和級比偏差檢驗的結果都表明該模型對原數據的擬合程度較好。

圖5 黃河流域2018—2027年耦合協調度預測

由圖5可見，2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統耦合協調度基本穩定在0.73～0.76之間，增長幅度不明顯，整體保持中級協調發展狀態；預測中期曲線呈現輕微凹型，表明預測中期流域安全系統耦合協調指數有輕微下降，但下降后仍處于中級耦合協調水平，且在預測后期有所回升。可見，在2018年流域水-能源-糧食安全系統耦合協調度達到一定水平后，在保持當前資源開發利用方式的情況下，未來一定時期流域的耦合協調程度將一直處于中級協調水平，未能向更優耦合協調水平發展。黃河流域當前發展方式存在問題，阻礙了流域向高質量發展方向轉變。在流域內水資源供需矛盾日趨尖銳，而經濟結構特點和能源工業存在一定的發展慣性的情況下，必須積極轉變發展方式，才能推動流域水-能源-糧食安全系統耦合協調水平進一步提高。因此，需要關注流域內水資源供給及利用效率；流域中下游地區經濟結構轉型升級，重點包括能源行業等產業結構調整、轉型等問題；農業向現代化、機械化邁進，同時關注流域內農業生產防災、減災和抗災問題，保障地區糧食生產穩定。由于水-能源-糧食安全系統內部相互作用的機制較為復雜，誤差值總體上保持在較小范圍內，個別波動較大年份反映在圖像上距離擬合曲線較遠，需要最新的統計數據與預測結果進行對比，以進一步檢驗模型預測精度。

4 結論及建議

4.1 結論

a. 黃河流域水-能源-糧食安全系統綜合指數處于中等水平，指數特征與流域整體水-能源-糧食特征基本吻合。3個安全子系統具有各自特點和相對獨立性，但子系統之間相互關聯，任意子系統的發展水平均會影響流域水-能源-糧食安全系統整體。提升各子系統及地區發展水平有利于推動整體安全系統協調發展。

b. 黃河流域2007—2017年水-能源-糧食安全系統耦合協調度經歷初級和中級耦合協調發展水平，年均值為0.71。耦合協調度整體呈現波動上升趨勢，年增幅1.1%。流域水-能源-糧食安全系統耦合協調度仍有較大發展空間和潛力。

c. 黃河流域水-能源-糧食安全系統雖然整體呈現上升態勢，但其中水安全子系統和能源安全子系統呈現輕微負增長態勢，當前兩個子系統對系統整體存在一定負向壓力，表明目前流域內水資源與能源的開發和利用現狀存在較大問題，已經阻礙流域水-能源-糧食安全系統整體協調發展，應特別關注。

d. 預測2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統耦合協調度發展趨勢，結果顯示耦合協調度仍將保持在中級協調發展水平。如果不采取積極有力的措施改善水資源供需矛盾，突破流域能源、產業結構等桎梏，流域水-能源-糧食安全系統協調發展受限，嚴重影響流域資源分配利用和可持續發展水平，無法推動流域整體生態環境可持續建設。

4.2 建議

a. 高質量發展是黃河流域的核心戰略，必須兼顧水-能源-糧食安全系統資源協調與地區發展。提高地區整體安全系統協調性，必須在制定發展方向與規劃上，統籌考慮水-能源-糧食的協調發展關系。

b. 水、能源、糧食各子系統資源供需矛盾、利用效率低等問題均會影響到其他子系統。必須加強資源綜合管理，加強各部門之間的配合和協作。在制定某單個子系統的相關政策時，應關注對其他子系統的不利影響。

c. 水、能源、糧食各子系統需要積極采取措施，協調流域資源平衡發展。水資源矛盾是當前黃河流域的基礎性問題。因地制宜，通過嚴格把控高耗水高污染項目、引水入黃、提高水資源利用效率等方法緩解供需矛盾。

d. 黃河流域生態環境現狀依然不容樂觀。流域生態退化問題嚴重，水資源過度開發、能源過度開采、流域生態保育用地與農業用地的平衡、污染嚴重以及流域自身地理、生態特點等問題使得黃河流域的生態系統十分脆弱。水、能源、糧食三者協調與經濟發展的同時，應以流域生態恢復和建設為核心內涵，從自然恢復、人地關系協調的角度審視流域資源可持續問題，進而加強資源與生態的綜合高效管理，推進流域資源可持續和高質量協調發展。