張洪芬，曾靜靜，曲建升,，李恒吉，劉莉娜，吳金甲，徐 麗

(1.蘭州大學資源環(huán)境學院，蘭州 730000；2.中國科學院蘭州文獻情報中心/全球變化研究信息中心，蘭州 730000)

0 引 言

水資源、能源和糧食作為維持社會穩(wěn)定發(fā)展的生存資源，存在著相輔相成，相互依賴的關系，因此也在發(fā)展過程中存在潛在的沖突關系。首先，能源的生產加工需要水資源的參與，例如傳統(tǒng)能源的開采、熱過程的冷卻、水電站發(fā)電等都需要消耗大量的水資源。若在能源發(fā)展過程中不考慮水資源的可持續(xù)發(fā)展，勢必會導致水資源短缺問題，限制能源的發(fā)展。其次，水資源的生產和供應需要消耗大量能源，包括水資源的生產、運輸、凈化、分配甚至是最終的使用[1]。因此，能源稀缺將會對水資源鏈產生影響。最后，糧食的生產與水資源和能源緊密相關。一方面，農業(yè)是最大的水資源消耗部門，淡水使用量占到了全球淡水使用量的 70%，未來隨著人口增長，糧食需求增加帶來的水需求也會與日俱增[2]。另一方面，糧食的生產，運輸、加工等過程也離不開能源的消耗。因此，有必要對水資源、能源和糧食系統(tǒng)之間的發(fā)展狀況進行深入研究。

目前，對水資源、能源和糧食系統(tǒng)的研究集中于定性研究三種資源之間的關聯(lián)關系及研究框架。其中，最具代表性的是2011年Hoff[3]在波恩會議上提出的WEF系統(tǒng)早期研究框架，將水資源與能源和糧食聯(lián)系起來并考慮了與氣候變化、社會和環(huán)境之間的關系，為WEF系統(tǒng)研究提供了思路。Keairns等[4]在闡述水資源、能源和糧食關聯(lián)關系的基礎上探討了WEF系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及其驅動因素。Petra Hellegers等[5]介紹了WEF系統(tǒng)的研究背景，強調了與這一系統(tǒng)相關的水政策問題，并對水資源、能源和糧食之間存在的沖突及其影響進行了剖析。McCornick[6]對WEF系統(tǒng)的關系和資源之間的平衡做了一般性描述。也有少數(shù)學者探索了WEF系統(tǒng)的研究方法。例如Catherine等[7]提出在研究中應該整合物理和經濟模型，以應對WEF系統(tǒng)的政策挑戰(zhàn)；Gloria Salmoral等[8]從食品消費角度論證了用生命周期方法研究WEF系統(tǒng)關聯(lián)關系的優(yōu)勢；李良等[9]建議在定量化研究中將水資源模型、能源模型及糧食模型進行耦合，并建立系統(tǒng)與風險的關聯(lián)傳導機制。

盡管水資源、能源和糧食系統(tǒng)的概念發(fā)展趨于成熟，但其定量研究方法仍處于探索階段。現(xiàn)有定量研究大多側重于三者之中的兩者，Yi Jin等[10]等利用投入產出表評估了中國的能源和水資源的協(xié)同保護效應；Sovacool等(2009)[11]將能源作為影響因素之一量化了水資源短缺程度； Xydis等[12]研究了糧食和能源之間的耦合關系等。但是，水資源、能源和糧食三者是一個緊密聯(lián)系的系統(tǒng)，只有將三者看作一個整體加以重視才能讓水資源、能源和糧食都得到持續(xù)的協(xié)調發(fā)展。耦合協(xié)調度可以反映系統(tǒng)各要素之間的相互作用程度及其在發(fā)展過程中的和諧程度，體現(xiàn)了系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢[13]，其不僅可以反映系統(tǒng)之間的相互作用、相互影響程度和協(xié)調發(fā)展程度，而且可以對系統(tǒng)的發(fā)展做綜合評價。因此，本文選用耦合協(xié)調模型對水資源、能源和糧食三者之間的協(xié)調發(fā)展進行分析。

在經濟發(fā)達、人口聚集的區(qū)域，水資源、能源和糧食的需求量也相應較大，從而面臨著更大的資源壓力。因此，對水資源、能源和糧食高強度流動區(qū)的系統(tǒng)耦合協(xié)調度進行評價，可以讓我們更直觀地了解這些地區(qū)的WEF系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展水平，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，進而為地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。京、津、冀區(qū)域處于環(huán)渤海地區(qū)和東北亞的核心區(qū)域是中國北方經濟最發(fā)達的地區(qū)之一，也是中國重要的經濟增長極[14]。在經濟快速發(fā)展過程中，此區(qū)域集聚了大量人口和產業(yè)，由此帶來的水資源、能源和糧食需求壓力不斷增加。因此，本文選取京、津、冀地區(qū)作為研究對象，探究WEF系統(tǒng)之間的協(xié)調發(fā)展狀況，以期為此區(qū)域的資源協(xié)調發(fā)展提供理論支撐。

1 耦合協(xié)調度指標體系與模型計算

1.1 評價指標體系構建

本文在考慮三種資源之間的依賴關系的基礎上，遵循指標選取的系統(tǒng)性、典型性、科學性和可操作性原則，綜合已有研究成果[15-20]，構建京津冀WEF系統(tǒng)綜合評價指標體系如表1所示。

表1 WEF系統(tǒng)綜合評價指標體系Tab.1 WEF system comprehensive evaluation index system

水資源和能源主要考慮資源總量、資源利用結構和資源利用效率。降雨量和入境水量是衡量一個地區(qū)水資源總量的重要指標。在水資源利用結構中，農業(yè)、工業(yè)和生活消費水量占總用水量的比重越小，生態(tài)用水量占總用水量的比重越大，說明地區(qū)的水資源利用結構越合理。單位GDP水耗可以反映一個地區(qū)的水資源利用效率，其值越小，水資源利用效率越高，越有利于水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。一次能源生產總量、外省調入量和本省調出量可以反映地區(qū)的能源總量。農業(yè)、工業(yè)和生活消費量占比可以反映能源利用結構，占比越大說明能源消費量越大，不利于地區(qū)污染治理及能源的可持續(xù)供給。萬元GDP能耗反映能源利用效率，其值越小，效率越高，對能源系統(tǒng)的發(fā)展越有利。糧食系統(tǒng)主要考慮糧食總量，與水資源、能源的聯(lián)系以及生產安全。其中，正向指標對系統(tǒng)發(fā)展起正向促進作用，數(shù)值越大越優(yōu)，負向指標起逆向阻礙作用，數(shù)值越小越優(yōu)。

1.2 數(shù)據(jù)標準化和指標賦權

由于數(shù)據(jù)可獲取性限制，本研究所需數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國農業(yè)統(tǒng)計年鑒》及北京、天津、河北統(tǒng)計年鑒中2005-2016年的數(shù)據(jù)。由于各個指標間的度量單位及正負類型不同，因此，采用Max-Min標準化法對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理[21]，其計算公式為：

(1)

不同的指標對系統(tǒng)的影響程度存在差異，為避免主觀賦權對經驗的依賴，保證指標權重的客觀性，本文采用客觀賦權法中的熵值法進行賦權[22]。由于各指標權重是根據(jù)各地區(qū)指標數(shù)據(jù)間的聯(lián)系程度和信息量計算得到，因此，京、津、冀同一指標有不同的權重，更符合地區(qū)發(fā)展的差異。京、津、冀各指標權重如表2所示。

表2 京、津、冀WEF系統(tǒng)評價指標權重Tab.2 Weights of evaluation indexes of Beijing, Tianjin and Hebei WEF systems

1.3 耦合協(xié)調度模型計算

利用已構建的WEF系統(tǒng)評價指標體系，對京、津、冀地區(qū)的WEF系統(tǒng)做出綜合評價所運用的綜合評價函數(shù)如下所示：

(2)

(3)

(4)

式中：f(x)，g(y)，h(z)分別表示水資源、能源和糧食各子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，a、b、c為各指標的權重；x′、y′、z′為標準化后的數(shù)據(jù)；i、,j、k為各系統(tǒng)內選取的指標數(shù)量。

本文的耦合度公式參考姜磊[23]的研究，采用如下計算公式：

(5)

利用計算出的耦合度，可以計算出WEF系統(tǒng)的整體綜合評價得分，計算公式如下：

T=αf(x)+νg(y)+γh(z)

(6)

(1)

為了更好地對京津冀地區(qū)WEF系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展程度進行分析，本文根據(jù)已有研究成果[24,25]，采用均勻函數(shù)法對耦合協(xié)調度進行等級劃分(表3)。

表3 耦合協(xié)調度等級劃分標準Tab.3 Classification standard of coupling coordination degree

2 水-能源-糧食耦合協(xié)調度分析

本文利用前文所述綜合評價函數(shù)及耦合協(xié)調模型，對2005-2016年京、津、冀的水資源、能源和糧食發(fā)展狀況進行了評價，并在此基礎上對京、津、冀地區(qū)的水資源、能源和糧食系統(tǒng)發(fā)展的耦合協(xié)調度進行了計算。為了解此地區(qū)的WEF系統(tǒng)發(fā)展狀況，本文將從綜合評價指數(shù)及耦合協(xié)調度兩個方面對京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)的發(fā)展狀況進行分析。

2.1 綜合評價指數(shù)分析

從圖1中可以看出，京、津、冀地區(qū)的WEF系統(tǒng)綜合評價指數(shù)均呈緩慢上升趨勢，其中，北京的WEF系統(tǒng)綜合評價指數(shù)從2005年的0.279上升至2016年的0.611，天津從2005年的0.360上升至2016年的0.622，河北從2005年的0.308上升至2016年的0.726。2016年，河北的WEF系統(tǒng)綜合評價指數(shù)最高。

北京地區(qū)的水資源評價指數(shù)呈波動上升趨勢，2008年、2012年有異常升高現(xiàn)象，2014年有異常降低現(xiàn)象。這主要是由于2008年和2012年北京的降雨量較高，降雨量分別為638和708 mm，明顯高于平均值539 mm；2014年北京的降雨量為439 mm，為歷年最低水平，入境水量為3.59 億m3，低于歷年平均值4.8 億m3。2008-2011年北京糧食綜合發(fā)展指數(shù)高于其他年份，因為這期間北京糧食種植面積增加，而糧食受災面積大幅度下降。2012年之后，北京糧食種植面積和糧食總產量均下降，因此，糧食評價指數(shù)呈緩慢下降趨勢。北京能源綜合評價指數(shù)呈緩慢上升趨勢，整體波動較小。

圖1 京津冀WEF歷年綜合評價指數(shù)Fig.1 Comprehensive evaluation index of Beijing, Tianjin and Hebei WEF over the years

河北水資源綜合評價指數(shù)在較大的波動中呈上升趨勢，2005-2008年以及2014-2016年上升較快，2008-2014年則相對平緩。這主要得益于河北的降雨量與入境水量、生態(tài)用水量的持續(xù)增加。2006年，受降雨量減少及工業(yè)用水量增加、生活生態(tài)用水量減少的影響，河北的水資源發(fā)展綜合評價得分偏低。2011年，河北水資源綜合評價得分偏低則是受到降雨量減少與環(huán)保固定資產投資比例降低的影響，致使這一階段水資源發(fā)展狀況不穩(wěn)定。2012年，河北的降雨量達到606.4 mm，遠大于平均值558 mm，因此，2012年水資源的綜合評價得分偏高。河北的能源發(fā)展綜合評價得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，受一次能源生產總量和外省調入量波動影響較大。2012年，河北能源評價得分偏高是由于本年度一次能源生產量達到最高，此后，一次能源生產量減少，本省調出量逐漸增加，生活消費量增加，能源綜合評價指數(shù)緩慢下降。河北的糧食系統(tǒng)綜合評價指數(shù)上升較快，領先于水資源和能源系統(tǒng)，這得益于從2005-2016年，河北省的單位面積產量從2.96 t/hm2增加至3.97 t/hm2，單位糧食產量消耗水資源量從578.09 m3下降至338.10 m3，農用柴油使用量從458.11 萬t下降至218.70 萬t。

天津WEF系統(tǒng)綜合評價指數(shù)從2005年的0.49上升至2016年的0.63，2012年受水資源評價指數(shù)下降影響，評分略有下降，總體仍呈緩慢上升趨勢。其中水資源評價指數(shù)從2005年的0.2上升至2016年的0.63，2013年有異常下降情況是由于本年分天津降雨量從2005-2012年的平均每年582.05 mm下降至462.3 mm，生態(tài)用水量占比從2012年的5.8%下降至3.7%所致。天津的能源評價指數(shù)從2005年的0.34上升至2016年的0.70，上升過程較平穩(wěn)，發(fā)展較穩(wěn)定。天津的糧食評價指數(shù)從2005年的0.49上升至2016年的0.63，上升過程波動較大，2011年和2014年評價指數(shù)較高。2011年，天津的糧食受災面積僅為0.81 萬hm2，遠低于平均值5.5 萬hm2，2014年，天津糧食受災面積為1 萬hm2，糧食產量波動系數(shù)僅為0.007，均低于多年平均值，因此2011年、2014年天津糧食綜合評價指數(shù)偏高。

2.2 耦合協(xié)調度分析

根據(jù)京、津、冀WEF系統(tǒng)的綜合評價得分，計算得到的耦合協(xié)調度如圖2所示。耦合度代表了WEF系統(tǒng)中水資源、能源和糧食系統(tǒng)發(fā)展的關聯(lián)程度，協(xié)調度代表三者之間的協(xié)調發(fā)展程度。京津冀地區(qū)WEF系統(tǒng)的耦合度值均在0.9以上，三個系統(tǒng)之間的關聯(lián)程度較高；地區(qū)之間的耦合度標準差在0.027～0.055范圍內波動，離散程度較小。從圖2中可以看到，京、津、冀地區(qū)的WEF系統(tǒng)的協(xié)調度值在0.50～0.85，排除個別異常年份，均呈波動上升趨勢，即京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展水平在逐步提高。根據(jù)耦合協(xié)調度類型劃分標準，京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)發(fā)展歷經勉強協(xié)調、初級級協(xié)調到中級協(xié)調，繼而向良好協(xié)調發(fā)展(圖2)。

圖2 京津冀WEF系統(tǒng)耦合協(xié)調度Fig.2 Coupling coordination degree of Beijing-Tianjin-Hebei WEF system

如圖2所示，京、津、冀WEF系統(tǒng)耦合協(xié)調度發(fā)展可以劃分為三個階段，2005-2008年的快速上升階段，2009-2012年的穩(wěn)定發(fā)展階段，2013-2016年的波動上升階段。①在快速上升階段，耦合協(xié)調度為天津>北京>河北，結合圖1可知，這一階段北京的水資源、能源和糧食耦合協(xié)調發(fā)展狀況相差不多；天津的糧食發(fā)展狀況優(yōu)于能源發(fā)展和水資源發(fā)展；河北的糧食、水資源和能源發(fā)展波動較大，其中水資源的發(fā)展相對落后。②在穩(wěn)定發(fā)展階段，天津的WEF耦合協(xié)調度始終大于北京，河北的WEF耦合協(xié)調度發(fā)展較快，后期超越天津和北京。這一時期，北京的糧食系統(tǒng)得到快速發(fā)展，水資源系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)步上升，能源發(fā)展相對落后；天津能源、糧食和水資源發(fā)展平穩(wěn)，糧食發(fā)展仍領先于能源和水資源；河北的糧食發(fā)展優(yōu)先于能源和水資源，能源發(fā)展狀況得到提升。③在波動上升階段，WEF耦合協(xié)調度為河北>天津>北京。這一時期，北京WEF系統(tǒng)發(fā)展波動最大，水資源系統(tǒng)得到充分發(fā)展，能源發(fā)展緩慢上升，糧食系統(tǒng)發(fā)展則相對落后。天津的能源系統(tǒng)發(fā)展仍在緩慢上升，糧食系統(tǒng)發(fā)展進入平緩狀態(tài)，水資源系統(tǒng)發(fā)展雖然落后，但增長速度較快。河北的能源發(fā)展狀況相較于水資源和糧食的上升狀態(tài)，呈明顯下降趨勢，需加強能源系統(tǒng)與水資源和糧食系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展。

綜上，京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展狀況目前處于中級協(xié)調水平，正在向良好協(xié)調水平過度，WEF系統(tǒng)的耦合協(xié)調度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。在今后的發(fā)展中，北京地區(qū)需加強糧食系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展，天津需要鞏固水資源的穩(wěn)定發(fā)展，河北則需要提高能源系統(tǒng)的發(fā)展程度。京、津、冀地區(qū)在加強弱勢系統(tǒng)發(fā)展的同時，要考慮WEF三個系統(tǒng)之間的相互影響和相互依賴的關系，滿足三個系統(tǒng)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展，而不是單獨考慮其中一個或兩個系統(tǒng)的發(fā)展從而致使其他系統(tǒng)發(fā)展的失衡。

3 結 語

本文通過構建WEF系統(tǒng)的綜合評價指標和耦合協(xié)調模型，從綜合評價指數(shù)和耦合協(xié)調度分析了2005-2016年京、津、冀地區(qū)的WEF系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的動態(tài)變化趨勢，本文分析所得結果如下。

(1)從對京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)綜合評價的時間序列分析可知，京、津、冀WEF系統(tǒng)綜合評價指數(shù)均呈上升趨勢。河北的綜合評價指數(shù)上升速度最快，波動也相對較大，天津綜合評價指數(shù)上升相對平穩(wěn)，北京近兩年綜合評價指數(shù)上升趨勢不明顯甚至有停滯趨勢。因糧食種植面積減少，北京需要加強糧食系統(tǒng)的發(fā)展，提高單位面積產量及灌溉用水效率。天津需要提高水資源系統(tǒng)的發(fā)展，引進先進的工業(yè)技術，提高農業(yè)和工業(yè)的用水效率，持續(xù)降低單位GDP水耗。河北則需加強能源系統(tǒng)的發(fā)展，積極發(fā)展可再生能源，提高能源使用的清潔度和安全度?？傮w來看，京、津、冀地區(qū)的糧食系統(tǒng)發(fā)展優(yōu)于能源和水資源系統(tǒng)的發(fā)展，因此，應加強能源和水資源系統(tǒng)與糧食系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展。

(2)京、津、冀地區(qū)WEF系統(tǒng)的耦合度均在0.9以上，表明三個系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)程度較好。WEF系統(tǒng)耦合協(xié)調度均在波動中上升，歷經勉強協(xié)調、初級協(xié)調和中級協(xié)調三種類型向良好協(xié)調類型演進，上升空間較大。從時間序列上劃分，京、津、冀WEF系統(tǒng)發(fā)展可以分為三個階段，2005-2008年的快速上升階段，2009-2012年的平穩(wěn)發(fā)展階段以及2013-2016年的波動上升階段。

(3)雖然京、津、冀地區(qū)的WEF系統(tǒng)耦合協(xié)調度呈上升發(fā)展趨勢，但是尚未達到穩(wěn)定的良好協(xié)調狀態(tài)，因此，在考慮WEF系統(tǒng)間的相互作用關系的同時，應結合社會和環(huán)境影響，加強水資源、能源和糧食部門間的政策合作，提高資源利用效率及資源管理效率。