水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)演化與空間特征分析
——以河北省為例

王晶，葉寧杰

（1.燕山大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心，河北秦皇島 066004）

0 引言

水，能源和糧食是支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，三者相互影響，緊密關(guān)聯(lián)，具有重要的紐帶關(guān)系。2011 年1 月，世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布《全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告（第六版）》［1］中將WEF 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)群作為三大重要風(fēng)險(xiǎn)群之一，WEF關(guān)聯(lián)關(guān)系概念為學(xué)者們研究資源安全與可持續(xù)發(fā)展提供了新的切入點(diǎn)［2］。該領(lǐng)域的定性研究集中于對(duì)WEF系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系的探討，隨著定量研究工作不斷深入，相關(guān)的量化研究方法日益完善。

在資源系統(tǒng)評(píng)估方面：Salmoral 等將生命周期理論引入到WEF 系統(tǒng)復(fù)雜聯(lián)系的研究當(dāng)中［3］；白景鋒等綜合主成分分析法和地理加權(quán)回歸評(píng)價(jià)WEF 系統(tǒng)壓力指數(shù)的時(shí)空變動(dòng)［4］；李紅芳等采用Copula函數(shù)對(duì)WEF 協(xié)同安全水平進(jìn)行了測(cè)算［5］；指標(biāo)體系法適用于測(cè)算復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)調(diào)性發(fā)展水平，于磊等利用該方法對(duì)區(qū)域系統(tǒng)的安全性和協(xié)調(diào)發(fā)展水平進(jìn)行定量評(píng)價(jià)［6］。

在模型構(gòu)建方面：Hussien等開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于評(píng)估家庭規(guī)模上的水-能源-糧食關(guān)系的集成模型［7］；陳軍飛等基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure State Response，PSR）模型對(duì)區(qū)域資源系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)［8］；趙良仕等根據(jù)WEF 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立耦合模擬模型和耦合協(xié)調(diào)度模型，證明了耦合協(xié)調(diào)模型極具適用性［9］；Zeff 等利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，對(duì)具有關(guān)聯(lián)性的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了模擬［10］；Guan 等利用WEAP 模型對(duì)WEF 系統(tǒng)進(jìn)行量化和建模［11］。王慧敏等結(jié)合PSR 模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究系統(tǒng)間資源傳遞過(guò)程，由此構(gòu)建WEF協(xié)同安全框架［12］。

在眾多量化方法中，綜合評(píng)價(jià)體系法和耦合協(xié)調(diào)模型在研究復(fù)合系統(tǒng)安全性和協(xié)調(diào)發(fā)展水平方面表現(xiàn)出極強(qiáng)的適用性和靈活性。已有研究中大多僅從時(shí)間維度出發(fā)對(duì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)性簡(jiǎn)單評(píng)估，在研究維度方面缺乏層次性，難以全面揭示W(wǎng)EF系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)律。本文在耦合協(xié)調(diào)模型的基礎(chǔ)上，引入探索性空間數(shù)據(jù)分析，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對(duì)河北省WEF 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的波動(dòng)趨勢(shì)和空間集聚形勢(shì)進(jìn)行全面細(xì)致地實(shí)證分析，豐富了該領(lǐng)域的研究維度和深度。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

WEF 系統(tǒng)中各子系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)，受多重因素影響，單一指標(biāo)無(wú)法對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。借鑒已有研究［13］，考慮河北省資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)的可獲性，在通過(guò)一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從總量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)和效益指標(biāo)三個(gè)層級(jí)，構(gòu)建WEF系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表1。總量指標(biāo)反映資源存量和消耗量，體現(xiàn)該系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力和安全性水平；結(jié)構(gòu)指標(biāo)體現(xiàn)資源消耗結(jié)構(gòu)；效益指標(biāo)體現(xiàn)資源能源的生產(chǎn)和利用效率。

表1 WEF系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 The comprehensive evaluation index system of WEF system

由于糧食系統(tǒng)的發(fā)展水平取決于糧食生產(chǎn)力對(duì)人類(lèi)健康安全的滿足程度，糧食作為生存資料通過(guò)加工、儲(chǔ)存、流通等環(huán)節(jié)幾乎全部用于生活消耗，消耗渠道單一，無(wú)明顯結(jié)構(gòu)特征，因此，糧食系統(tǒng)僅以總量指標(biāo)和效益指標(biāo)劃分更符合實(shí)際。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

以2010-2020 年作為考察期，采用不同的指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)、《河北水資源公報(bào)》、《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及河北省各市《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等。

1.3 基于綜合賦權(quán)法的權(quán)重優(yōu)化

為確保各指標(biāo)更真實(shí)地反映系統(tǒng)的發(fā)展水平，防止指標(biāo)權(quán)重嚴(yán)重偏離實(shí)際，結(jié)合熵權(quán)法和層次分析法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，根據(jù)離差平方和最小原則優(yōu)化最終權(quán)重，步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。消除量綱影響，根據(jù)指標(biāo)的實(shí)際作用可分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

式中：Xij為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；Xjmax，Xjmin分別為歷年來(lái)各原始指標(biāo)中的最大值和最小值；X'ij為處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（2）熵權(quán)法權(quán)重。

式中：Pij表示第i年第j項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)在該指標(biāo)中的比重；ej為熵值；n為Pij的數(shù)量；gi為變異系數(shù)；WE為評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重值。

（3）層次分析法權(quán)重。

（4）根據(jù)離差平方和最小原則優(yōu)化權(quán)重。

式中：為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的各指標(biāo)數(shù)據(jù)；WE為熵值法得出的權(quán)重值；αi，βi分別為熵值法和層次分析法的權(quán)重系數(shù)，設(shè)使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的權(quán)重系數(shù)為α，β(α+β=1)，權(quán)重優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1。

1.4 探索性空間數(shù)據(jù)分析

探索性空間數(shù)據(jù)分析［14］通過(guò)構(gòu)建空間權(quán)重矩陣、全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。空間權(quán)重矩陣借助GeoDa 軟件構(gòu)建，此處步驟省略。全局空間自相關(guān)以全局莫蘭指數(shù)（Moran's I）表現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)性，公式為：

Moran's I取值區(qū)間為［-1，1］，Moran's I>0 時(shí)，表示存在空間正相關(guān)，耦合協(xié)調(diào)度高或低的區(qū)域空間集聚，空間差異較小；Moran's I=0 時(shí)，表示無(wú)空間相關(guān)關(guān)系，觀測(cè)值分布是隨機(jī)的；Moran's I<0 時(shí)，表示存在空間負(fù)相關(guān)，耦合協(xié)調(diào)度趨于分散，空間差異較大。

局部空間自相關(guān)在已知空間關(guān)聯(lián)程度基礎(chǔ)上具體分析觀測(cè)值的局部空間特征和集聚趨勢(shì)，公式為：

式中Ii為局部莫蘭指數(shù)，其他參數(shù)意義與公式（7）相同。常以Moran 散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，散點(diǎn)圖的四個(gè)象限：第一象限（HH）表明該地與相鄰地區(qū)觀測(cè)值均較高；第二象限（LH）集聚表明該地觀測(cè)值低于相鄰地區(qū)；第三象限（LL）表明該地區(qū)與相鄰地區(qū)觀測(cè)值均較低；第四象限（HL）表明該地觀測(cè)值高于相鄰地區(qū)。

2 模型構(gòu)建

2.1 WEF系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

根據(jù)WEF系統(tǒng)的紐帶關(guān)系和特征分別計(jì)算水資源、能源和糧食三個(gè)子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，用于表示各子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，公式如下：

式中：Ww、Ee、Ff為三大系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，αl、βl、xl分別為對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重（見(jiàn)表1），wl、el、fl分別為子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)。

2.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度模型［15］適用于對(duì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系和整體耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平進(jìn)行分析，模型公式如下：

式中：C為耦合度，0≤C≤1.0，C的值越大，表示系統(tǒng)之間聯(lián)系緊密，為有序結(jié)構(gòu)，耦合程度越高。

耦合度僅體現(xiàn)三者的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱，無(wú)法衡量三者間的協(xié)同發(fā)展水平高低，既可以是低發(fā)展水平的耦合，也可以是高發(fā)展水平的耦合。為更充分地反映系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平高低，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型，公式如下：

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；T為WEF 系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，T=(WW+Ee+Ff)/3。

為準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)所處的發(fā)展階段，參考已有研究［16，17］，對(duì)耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展階段進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 耦合協(xié)調(diào)度劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standards for dividing the degree of coupling coordination

3 結(jié)果分析

3.1 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分析

根據(jù)公式（7），計(jì)算得出河北省WEF 系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)如圖1所示。

圖1 WEF系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Fig.1 WEF System Composite Evaluation Index

由圖1 可知，WEF 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)在0.42～0.58 波動(dòng)，年均值0.48，處于中等發(fā)展水平。2012年后能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)持續(xù)下滑，發(fā)展水平最低明顯低于其他子系統(tǒng)，年平均下降率為0.17%。由于水資源總量充足以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提升，中后期水資源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。由于能源系統(tǒng)下降幅度太大，導(dǎo)致WEF系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)長(zhǎng)期停滯不前，河北省作為高耗能地區(qū)，能源系統(tǒng)極具脆弱性，河北省的重化工業(yè)伴隨著石油、煤炭消耗量增長(zhǎng)，造成相對(duì)突出的能源危機(jī)。

3.2 WEF系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調(diào)度分析

3.2.1 系統(tǒng)整體耦合度與耦合協(xié)調(diào)度分析

為識(shí)別對(duì)系統(tǒng)整體耦合協(xié)調(diào)水平影響最大的關(guān)鍵子系統(tǒng)，將分別對(duì)系統(tǒng)整體和子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 WEF系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度Fig.2 WEF system coupling and coupling coordination

由圖2 可知：耦合度在0.9～1 區(qū)間小幅度波動(dòng)，長(zhǎng)期保持在高度耦合狀態(tài)，體現(xiàn)出系統(tǒng)間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。耦合協(xié)調(diào)度波動(dòng)較大，處于初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展向中等協(xié)調(diào)發(fā)展的過(guò)度階段，2010-2014 年，先升后降，2014 年后穩(wěn)步提升，直至2109 年后出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。河北省水、能源和糧食之間為中等協(xié)調(diào)發(fā)展水平，穩(wěn)定性弱，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)資源系統(tǒng)綜合治理。

3.2.2 子系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度分析

為找出影響系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的重要因素，需進(jìn)一步對(duì)子系統(tǒng)的耦合性和協(xié)調(diào)發(fā)展水平進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 子系統(tǒng)兩兩組合的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度Fig.3 The subsystem combines two coupling degrees and coupling coordination

由圖3可知，兩兩子系統(tǒng)長(zhǎng)期保持高度耦合，其中水糧系統(tǒng)的耦合度最高且最為穩(wěn)定，水能系統(tǒng)耦合程度相對(duì)較弱。水糧系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度系統(tǒng)度快速提升，率先由中等協(xié)調(diào)進(jìn)入高度協(xié)調(diào)發(fā)展水平，對(duì)提升整體耦合協(xié)調(diào)水平具有拉動(dòng)作用。水能系統(tǒng)與能糧系統(tǒng)在0.61～0.78 區(qū)間小幅度波動(dòng)，增長(zhǎng)緩慢，水能系統(tǒng)與能糧系統(tǒng)發(fā)展水平略低產(chǎn)生較大負(fù)面影響。此現(xiàn)象表明，單一系統(tǒng)的改善難以提升系統(tǒng)整體耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平，河北省應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化能源系統(tǒng)，提升能源加工使用效率，持續(xù)推進(jìn)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。

3.3 WEF系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的空間分布特征

3.3.1 空間相關(guān)性分析

基于耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算河北省11 個(gè)城市WEF 系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度，利用GeoDa 將耦合協(xié)調(diào)度值合并到河北省地理數(shù)據(jù)表，構(gòu)建空間權(quán)重矩陣，依次算出歷年全局Moran's I值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 耦合協(xié)調(diào)度全局Moran’s I值Tab.3 Coupling coordination global Moran's I values

由表3 可知，全局Moran's I值均為正，河北省WEF 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度耦合協(xié)調(diào)度呈空間正相關(guān)性，這種空間相關(guān)關(guān)系在0.141～0.421區(qū)間上下浮動(dòng)，耦合協(xié)調(diào)度有空間集聚趨勢(shì)。為更具體地表現(xiàn)耦合協(xié)調(diào)度的空間分布特征，選擇2010、2015 和2020年進(jìn)行局部自相關(guān)檢驗(yàn)。

3.3.2 空間分布特征

為具體放映地區(qū)內(nèi)部的空間集聚情況，繪制2010、2015 和2020年的Moran散點(diǎn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 耦合協(xié)調(diào)度的Moran散點(diǎn)圖Fig.4 Moran scatter plot of coupled coordination

圖4 中，坐標(biāo)系將表征各城市的點(diǎn)分為4 種空間集聚類(lèi)型，整體來(lái)看，2010 年、2015 年和2020 年的多數(shù)城市分布于HH 和LL 象限，表示大部分城市與相鄰地區(qū)的耦合協(xié)調(diào)度值差異較小。

空間集聚圖是Moran 散點(diǎn)圖在地圖上的反映，能夠直觀表現(xiàn)這種自相關(guān)關(guān)系在地理空間特征，所選年份在通過(guò)5%顯著性水平檢驗(yàn)下的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 耦合協(xié)調(diào)度的空間集聚圖Fig.5 Spatial agglomeration diagram of coupling coordination

由圖4可知，河北省東北部均為低低集聚，主要原因是承德市地理面積大，農(nóng)業(yè)占比高，唐山市發(fā)展重工業(yè)，有大量水資源、鋼鐵和煤炭消耗，導(dǎo)致該地區(qū)資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度較低。秦皇島市臨近承德市與唐山市，受到兩地溢出效應(yīng)，2020 年屬于低低集聚。河北省中部地區(qū)在低高集聚和高高集聚之間變換，說(shuō)明河北中部及相鄰區(qū)域的耦合協(xié)調(diào)度具有不穩(wěn)定性。總體來(lái)看，河北省資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)東北低，中間高的特征，但大多數(shù)城市的耦合協(xié)調(diào)度空間分布較為分散，空間集聚狀態(tài)不穩(wěn)定，WEF系統(tǒng)整體耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平受到地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和資源特征的影響造成空間集聚模式的差異，地理位置接近區(qū)域具有較強(qiáng)的溢出效應(yīng)，但并非判斷系統(tǒng)發(fā)展水平差異的決定因素。

4 結(jié)論

（1）河北省WEF 系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)處于中等水平，系統(tǒng)間高度耦合。2012 年后，水資源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)穩(wěn)步提升，能源系統(tǒng)持續(xù)下滑，產(chǎn)生較大負(fù)面影響，導(dǎo)致WEF 系統(tǒng)整體的發(fā)展水平增長(zhǎng)緩慢。

（2）河北省WEF 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度在0.64～0.73 區(qū)間內(nèi)水平波動(dòng)，處于中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展階段，具有不穩(wěn)定性和滯后性。水糧系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度增長(zhǎng)速度最快，率先進(jìn)入高度協(xié)調(diào)發(fā)展水平。能源系統(tǒng)與其他兩個(gè)子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平較低，河北省應(yīng)重點(diǎn)改善能源系統(tǒng)這個(gè)短板，提升能源加工轉(zhuǎn)換效率，大力推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。

（3）河北省WEF 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度具有空間正相關(guān)性，東北地區(qū)為低低集聚，中部地區(qū)為高高集聚或低高集聚，大部分城市資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度空間分布具有隨機(jī)性。WEF 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平受到地理位置和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的雙重影響，提升系統(tǒng)整體的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平，不僅要加強(qiáng)資源流動(dòng)強(qiáng)度，更應(yīng)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。