中國水-能-糧協調度測度及差異性優化調控

孫才志 郝帥

摘要：

針對目前水資源-能源-糧食（Water-Energy-Food，WEF）系統協調度研究中存在的不足，構建了中國省際WEF系統協調度評價指標體系，采用綜合評價模型及力學均衡模型對1997～2019年30個省（直轄市、自治區）的WEF協調度進行測度，并針對各類型區提出了相應的優化調整措施。研究結果表明：① 研究期內，中國水資源系統、能源系統及糧食系統的評價指數均呈上升態勢，東、中、西三大區域各系統的評價指數與全國變化趨勢基本一致；各系統評價指數在空間分布上存在差異。② 就協調類型而言，東部地區與中部地區除個別年份以外，其狀態類型分布情況與全國狀態類型分布相對一致，而西部地區則除個別年份以外均處于基本協調狀態。③ 研究時段內，中國30個省（直轄市、自治區）出現高水資源系統-低糧食系統類型的次數最高，達到189次，占比27.4%，而高能源系統-低糧食系統的類型出現次數最低，僅25次，占比3.6%。基于研究結論，可針對各類型區的特點提出相應的優化調控措施，為促進中國WEF系統協調發展提供理論依據。

關 鍵 詞：

水資源-能源-糧食； 協調度； 力學均衡模型； 分類調控； 中國

中圖法分類號： TV213

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.002

0 引 言

2011年，波恩會議首次提出“NEXUS”，認為需要把水資源、能源及糧食作為一個紐帶系統進行研究［1-2］。而波恩會議也成為水資源-能源-糧食（以下簡稱“WEF”）關聯關系研究的里程碑式事件［3-4］。當前，中國正處于新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化快速推進階段，因此，探究WEF系統的協調發展對于促進中國區域社會經濟的可持續發展具有重要意義。

目前，關于WEF系統的研究已經取得了豐富的研究成果，如：Wang等提出了一個WEF與貧困之間關系的理論框架，并采用改進的耦合協調度模型和地理檢測器來評估黃河流域WEF與貧困的時空耦合及其影響因素［5］；Sun等以協同學理論為基礎，構建了WEF系統協同和競爭的評估模型，同時借助Logistic模型和加速遺傳算法模型，構建了協同演化模型（SEM）對系統狀態進行識別，并以中國30個省份為例進行了實證研究［6］；Zhu等建立了基于水-能源-糧食紐帶關系（WEFN）的韌性大城市評價指標體系，并采用熵權-TOPSIS方法和障礙度模型測度了鄭州市的韌性水平及其調控措施和優化路徑［7］；Hua等利用驅動力-壓力-狀態-影響-反應模型和水足跡理論，從5個層面評價了1997～2016年中國31個省的糧食和能源之間的協同作用和對水的競爭關系［8］；Li等基于可靠性、協調性和韌性三個維度構建了一個綜合指標體系，并測度了黃河流域2005～2021年WEF耦合完全風險的沖突［9］；鄧鵬［10］、畢博［11］等構建了WEF系統耦合協調度評價指標體系，通過熵權法對指標進行權重確定，采用耦合協調度模型分別對江蘇省和遼寧省的WEF系統耦合協調情況及其時空演變特征進行評價；徐輝［12］、趙良仕［13］等以黃河流域為研究對象，采用耦合協調度模型、灰色預測模型對研究區2008～2018年的WEF耦合機理進行了分析；Xu［14］、李成宇［15］、支彥玲［16］等通過構建WEF評價指標體系，采用耦合協調度模型對中國省級尺度WEF系統進行了分析。

綜上所述，目前關于WEF系統協調度研究仍有以下不足：① 傳統的耦合協調度模型在模型效度、模型信度方面較弱［17］；② 傳統耦合協調度模型在計算協調度（D）時將各子系統按等權重處理，難以體現各系統的差異性［18-19］；③ 傳統耦合協調模型難以動態識別出各個要素之間的協調程度及匹配問題［20-21］。而基于物理學領域合力求解思想的力學平衡模型（Mechanical Equilibrium Model）常被用于表達多要素之間的均衡關系，該模型在評價多要素協調性過程中，不僅能夠較為客觀地反映出多個不同方向力量作用下評價對象的狀態，也能動態識別出各個要素之間的協調程度及匹配問題，便于有針對性地提出調控措施［22-23］。鑒于此，本文首先構建了WEF系統協調度評價指標體系，在此基礎上，嘗試將力學均衡模型引入WEF系統協調度研究中，并以中國30個地區（不包括西藏、香港、澳門、臺灣）為研究對象，將WEF系統協調度評價指標體系與力學平衡模型相結合，刻畫了1997～2019年中國WEF系統協調特征及發展態勢，并提出相應的差異性優化調控策略。

1 研究方法與數據來源

1.1 中國WEF系統協調度評價指標體系構建

參考現有研究成果［6，15-16］，從水資源供給、水資源消耗、水環境、能源生產、能源消費、污染氣體排放、糧食生產、糧食消耗8個方面，選取水資源系統12項、能源系統13項及糧食系統14項，共選取39項指標，構建中國WEF系統協調度評價指標體系。相比現有研究成果［15-16］，本文在能源生產和糧食生產維度分別將能源生產過程中的水資源消耗、糧食生產過程中的能源消耗納入評價指標體系，同時將能碳強度納入污染氣體排放維度，相比以往研究更能全面反映能源生產、消費過程中的環境污染，具體評價指標體系如表1所列。

1.3 中國WEF系統協調度測度

如圖1所示，假設其他條件為均質條件，則可以將“水資源系統-能源系統-糧食系統”之間的關系抽象為笛卡爾坐標系（Cartesian coordinates）中三個方向上的作用力，若三個作用力達到平衡狀態時，則合力為0，即F位于坐標原點（即均衡點），此時表明三個系統之間達到了均衡，處于協調狀態；反之，若一個或幾個系統未達到或超過目標值，此時得到的F則偏離均衡點，表明三個系統之間未達到協調狀態。

1.4 數據來源

本文所涉及的數據來源于1998～2020年的《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國固定資產投資年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國勞動統計年鑒》《中國電力年鑒》及各省（市、區）的相關統計年鑒。需要說明的是，指標中所涉及到的能源生產過程中直接和間接藍水計算參考文獻［24-25］。

2 結果分析

2.1 中國WEF系統評價指數時空演變特征

利用公式（1）計算得到1997～2019年中國30個地區水資源系統、能源系統及糧食系統的評價指數，并參考現有研究成果將其分為4個級別，即：低水平（0＜Ui≤0.25）、中等水平（0.25＜Ui≤0.50）、較高水平（0.50＜Ui≤0.75）和高水平（0.75＜Ui≤1.00）。限于篇幅，本文按照等時段原則僅列出1997，2004，2012年及2019年相關數據（見表2），同時繪制研究時段內全國及東、中、西三大地區各系統評價指數變化趨勢圖（見圖2）。

由圖2可知： 1997年，中國水資源系統評價指數的平均值為0.255，整體接近低水平狀態；寧夏水資源系統評價指數最低，僅為0.008，浙江最高，達到0.389；除北京、浙江、福建等13個地區的水資源評價指數處于中等水平外，其余17個地區的水資源評價指數均處于低水平狀態。全國能源系統評價指數平均值為0.267，整體介于0.217～0.337，其中黑龍江的能源評價指數最高，達到0.337，上海最低，僅為0.217。就糧食系統評價指數而言，1997年僅海南、貴州、甘肅、青海、寧夏及新疆的糧食系統評價指數處于低水平狀態，其中青海最小，僅為0.233，全國糧食系統評價指數平均水平為0.279，整體處于中等水平。

2019年研究期末，除北京、河北、甘肅以外，其余地區水資源系統評價指數相較于2012年狀態保持不變，寧夏仍處于0.200以下；能源系統中，9個地區呈下降態勢，降幅介于1.2%～11.5%，其中黑龍江能源評價指數降幅最大，山東、河南、北京、河北、江蘇提升幅度均超過20%，仍處于中等水平；全國糧食評價指數平均值提升至0.486，增幅27.6%，就各個地區的變化情況來看，除遼寧、浙江呈小幅度下降以外，其余地區均呈現7.3%～79.4%的提升幅度，與此同時，河北、福建、廣東等11個地區由2012年的中等水平提升至較高水平，河南則提升至高水平狀態（0.785）。

2.2 中國WEF系統協調度時空分異特征

根據式（2）～（8）計算得到各地區合力F，進而測度三個系統的協調性。同時采用自然斷點法將中國WEF系統協調度分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，即：Ⅰ級為高度協調狀態（|F|＜0.194）、Ⅱ級為基本協調狀態（0.194≤|F|＜0.324）、Ⅲ級為拮抗狀態（0.324≤|F|≤0.499）、Ⅳ級為失調狀態（0.499＜|F|）。

2.2.1 中國WEF系統協調度時間演變特征分析

根據已獲得的計算結果及協調性狀態劃分準則，繪制中國及三大區域WEF系統協調性時間變化趨勢圖，結果如圖3所示。

由圖3可知，研究時期內，中國WEF系統協調度呈現出波動變化的趨勢，具體表現為三個發展階段：① 1997～2004年的波動下降階段；② 2004～2014年的波動上升階段；③ 2014～2019年的波動變化態勢。就整體變化程度而言，研究時期內，全國協調度增幅19.74%，年均增加0.82%。就三大區域而言，中部地區的協調度增幅最大，為44.17%，其次為東部地區（13.11%）和西部地區（5.06%），年均增長率也呈現中部地區（1.68%）大于東部地區（0.56%）大于西部地區（0.22%）的變化趨勢。就協調類型而言，全國在1997～2009年間整體處于基本協調狀態，2010～2019年則逐漸轉變為拮抗狀態。就三大區域而言，東部地區與中部地區除個別年份以外，其狀態類型分布情況與全國狀態類型分布相對一致，而西部地區則除個別年份以外均處于基本協調狀態。

2.2.2 中國WEF系統協調度空間演變特征分析

為能夠進一步揭示中國WEF系統協調度的空間分布特征及演變規律，按照等時段原則選取1997，2004，2012，2019年相關數據繪制中國WEF系統協調度水平空間分布圖，結果見圖4。

由圖4可知，1997年，系統協調度處于Ⅰ級高度協調狀態的主要有4個地區，而處于Ⅳ級失調狀態的僅有寧夏、浙江兩個地區，研究初期中國WEF系統的協調度在整體上處于基本協調狀態（0.301）。相比1997年，2004年內蒙古由Ⅱ級基本協調狀態轉變為Ⅳ級失調狀態，黑龍江、山西由Ⅲ級拮抗狀態轉變為失調狀態，陜西則由高度協調狀態轉變為失調狀態，遼寧、河南、江蘇等7個地區則轉變為完全協調狀態，北京、河北、山東等7個地區由拮抗狀態轉為基本協調狀態，浙江、寧夏、新疆等9個地區的協調狀態保持不變，此時中國WEF系統協調度為0.240。2012年，新疆、北京、河北等11個地區的協調度呈現上升態勢，由基本協調狀態轉變為拮抗狀態；福建、海南由完全協調狀態轉變為拮抗狀態，河南、廣東則由完全協調狀態轉變為基本協調狀態；甘肅、云南、貴州則由失調狀態轉變為完全協調狀態，其余地區狀態保持不變，此時中國WEF系統協調度提升至0.356，整體處于拮抗狀態。研究末期，處于完全協調類型的主要包括甘肅、遼寧、安徽等9個地區，處于基本協調類型的地區個數降至7個，處于拮抗狀態類型的地區包括新疆、山東、浙江等6個地區，而處于失調狀態類型的地區主要包括黑龍江、內蒙古、北京等8個地區，主要集中在中國的北方地區，此時中國WEF系統協調度為0.360，整體仍然處于拮抗狀態。

2.3 中國WEF系統協調度差異性調控策略

利用幾何間隔法將合力偏離度（θ）劃分為6個級別，如表3所列，并得到1997～2019年中國WEF系統評價指數偏離度（限于頁面，僅列出部分年份），結果如表4所列。同時繪制中國水資源系統評價指數、能源系統評價指數及糧食系統評價指數在各自對應方向上的強度效率圖，如圖5所示。結合表3、表4及圖4可將中國30個地區進行分類，結果如表5所列。

結合表3、圖5及表5可知：

（1） 在糧食系統-能源系統作用類型區，安徽、湖北處于高糧食系統-低能源系統，未來安徽、湖北應注重糧食系統與能源系統的協調發展，可因地制宜地推進生物能源的發展，進而彌補區域能源系統的不足；四川則處于高能源系統-低糧食系統類型中，未來四川在農業生產過程中要加大能源投入，進一步提升糧食的生產效率，進而促進糧食系統評價指數的快速提升。

（2） 在水資源系統-能源系統作用類型區，有4個地區處于高水資源系統-低能源系統類型，未來這4個地區一方面要注重提升能源的利用效率，另一方面要加強能源建設，促使能源系統的提升。4個地區的能源系統強度效率均為正值，其中山西、內蒙古、陜西的能源系統強度效率提升顯著，這表明隨著時間的推移，上述地區受能源系統的影響越來越大；而水資源系統強度效率則為負值，這表明水資源系統低于既定目標值，未來需要不斷提升能源生產過程中的水資源利用效率，降低污染物排放量，緩解區域水環境及水資源壓力。

（3） 在糧食系統-水資源系統作用類型區，9個地區處于高水資源-低糧食系統，其中水資源系統強度效率除個別年份以外均為正值，相反，糧食系統則低于既定目標值，未來應加大農業生產投資，逐步提升單位糧食產量，促進糧食系統的快速發展；10個地區處于高糧食系統-低水資源系統，說明在上述地區的協調度類型變化中，糧食系統處于正向影響，而水資源系統處于負向影響，未來應逐步加強科技投入，實施“藏糧于地，藏糧于技”戰略，加快建設高標準農田，提升農業用水效率，降低農業污染物排放，緩解區域水資源壓力。

3 結論與展望

3.1 結 論

（1） 研究期內，中國水資源系統、能源系統及糧食系統的評價指數均呈上升態勢，三大地區各系統的有序發展水平與全國變化趨勢基本一致；各系統評價指數在空間分布上存在差異，西北、華北地區的能源系統評價指數較高，華北平原、東北地區則是糧食系統評價指數的高值區，而東部及南部地區則是水資源系統評價指數的高值區。

（2） 就協調類型而言，全國在1997～2009年間整體處于基本協調狀態，2010～2019年則逐漸轉變為拮抗狀態，各區域WEF系統協調度在空間分布上具有較為顯著的空間差異性。

（3） 研究時段內，中國30個地區出現高水資源系統-低糧食系統類型的次數最高，占比27.4%，其次為高糧食系統-低水資源系統的類型次數次之，占比23.6%，而高能源系統-低糧食系統的類型出現次數最低，占比3.6%；處于糧食系統-水資源系統作用類型區、水資源系統-能源系統作用類型區以及糧食系統-能源系統作用類型區的區域個數分別為19，8個和3個。

3.2 展 望

本文采用力學平衡模型對中國省際WEF系統的協調度進行了測度分析，雖然在一定程度上避免了傳統耦合協調模型在權重處理方面難以體現系統差異性的問題，但需要注意的是，基于物理學領域合力求解思想的力學平衡模型在探討三個系統作用力狀態特征時，僅能夠探究三個系統之間的兩兩作用關系，而第三系統通常為不確定狀態。此外，本文在構建指標體系過程中，相關指標均為可量化指標，而一些難以量化如政策實施程度等對系統具有重要影響的指標并未涉及。因此，未來一方面需要進一步優化評價方法，綜合考慮水資源、能源及糧食三種系統作用狀態，進而對區域資源利用、產業布局及可持續發展提供參考；另一方面要在指標體系構建過程中充分考慮難以定性但具有重要影響的指標，同時要重點探討區域政策對WEF系統的影響程度。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

Aiming at inadequate studies on coordination degree of water-energy-food system（WEF）at present，we constructed a WEF system coordination evaluation index system，and measured the WEF coordination of 30 provincial regions in China from 1997 to 2019 using a comprehensive evaluation model and a mechanistic equilibrium model，and proposed corresponding optimization and adjustment measures for different types of regions.The results show that ① The evaluation indices of China′s water resources system，energy system and food system all show an increasing trend during the study period，and the evaluation indices of each system in eastern China，central China and western China are basically consistent with the national change trend；there are differences in the spatial distribution of the evaluation indices of each system.② As for the coordination types，the distribution of state types in eastern China and central China is relatively consistent with the distribution of state types of whole China except for a few years，while the western China is in a basic coordination state except for a few years.③ During the study period，high water system-low food system type in 30 provincial regions of China occurred the most，189 times，accounting for 274%，while the high energy system-low food system types occurred the least，only 25 times，accounting for 36%.The corresponding optimal regulation measures were proposed with the characteristics of the type area.

Key words：

water-energy-food；coordination degree；mechanical equilibrium model；classified regulation；China