周露明，謝興華，朱珍德

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098；3. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

水、能源、糧食是人類社會(huì)生產(chǎn)生活不可或缺的資源。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中，水、能源、糧食三者之間相互依存、相互制約，牽一發(fā)而動(dòng)全身[1,2]。在全球人口增長(zhǎng)、資源短缺、環(huán)境惡化的背景下，對(duì)水-能源-糧食紐帶關(guān)系的研究已成為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的重要課題。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)》[3]，將“WEF-Nexus”風(fēng)險(xiǎn)群作為三大重要風(fēng)險(xiǎn)群之一。同年11月，德國(guó)聯(lián)邦政府在波恩召開“水-能源-糧食安全紐帶關(guān)系會(huì)議”，首次指出水、能源、糧食之間存在復(fù)雜的“紐帶關(guān)系”。

WEF-Nexus概念形成的過(guò)程是一個(gè)“資源整合”的過(guò)程，是從可持續(xù)水資源管理的角度出發(fā)，在以水資源為單核心的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展為雙核心、三核心的。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界從不同的角度對(duì)WEF-Nexus進(jìn)行了定義：斯德哥爾摩環(huán)境研究院[4]認(rèn)為，WEF-Nexus 提供了一種應(yīng)對(duì)資源稀缺的路徑，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)跨部門的管理與合作，實(shí)現(xiàn)保障水安全、能源安全和糧食安全，以及提高3種資源利用效率的目的。李桂君等[1]認(rèn)為，WEF-Nexus是一個(gè)連接不同資源用戶意識(shí)和行動(dòng)的過(guò)程，它包含自然資源系統(tǒng)和人類社會(huì)系統(tǒng)兩個(gè)方面，既要關(guān)注資源系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)系，也要關(guān)注對(duì)資源系統(tǒng)所采取的管理方案。

目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于WEF-Nexus的研究主要體現(xiàn)在兩方面：一是闡述并揭示W(wǎng)EF-Nexus 的內(nèi)在機(jī)理；二是模擬不同經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等條件下的WEF-Nexus動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。Daher等[5]開發(fā)了名為“WEF- Nexus Tool 2.0”的工具，以滿足卡塔爾糧食需求為目標(biāo)，計(jì)算了生產(chǎn)糧食所需要消耗的水量、土地面積、能源量等因素；李桂君[1]和王慧敏等[6]先后以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為手段，對(duì)北京市和江蘇省的WEF-Nexus進(jìn)行了仿真分析。目前，對(duì)于WEF-Nexus 的研究已經(jīng)從宏觀概念框架的構(gòu)建轉(zhuǎn)向細(xì)觀定性和定量關(guān)系的總結(jié)。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于生命周期理論與灰色預(yù)測(cè)模型，提出了水-能源-糧食紐帶關(guān)系耦合模擬模型，以江蘇省為例，在考慮水資源耗能需求、能源用水需求和糧食用水需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)2010-2016年的數(shù)據(jù)，模擬了2017-2020年分配給江蘇各產(chǎn)業(yè)部門的水資源、能源和糧食滿足度及全社會(huì)資源自給率，為推動(dòng)地區(qū)水-能源-糧食的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展、提高各部門資源滿足度和整體資源自給率提供理論參考與借鑒。

1 WEF-Nexus耦合模擬模型

1.1 水-能源-糧食紐帶關(guān)系

從資源生命周期流動(dòng)過(guò)程的角度，WEF-Nexus可描述為3種資源之間的相互依存、制約關(guān)系：比如水資源生命周期過(guò)程中的提取、凈化等環(huán)節(jié)需要能源(電能)提供動(dòng)力；能源和糧食生命周期過(guò)程中的生產(chǎn)、消費(fèi)環(huán)節(jié)需要消耗水資源等。具體來(lái)看，WEF-Nexus包括5個(gè)方面：水資源耗能、能源用水、糧食用水、糧食耗能和生物質(zhì)能用糧。在資源相互利用的過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境系統(tǒng)的交互作用，比如政策變化、技術(shù)水平改進(jìn)等因素會(huì)引起資源生產(chǎn)、消費(fèi)量的變化。WEF-Nexus可用圖1來(lái)表達(dá)，圖中箭頭指向表示資源的流動(dòng)方向。

1.2 模型限定與假設(shè)

考慮到WEF-Nexus系統(tǒng)中各因素特征，為保障本文構(gòu)建水-能源-糧食紐帶關(guān)系耦合模擬模型的有效性與適用性，做出如下限定與假設(shè)：

(1)模型適用于模擬某個(gè)區(qū)域內(nèi)的WEF-Nexus，僅考慮區(qū)域內(nèi)資源的生產(chǎn)與消費(fèi)，不考慮外部的進(jìn)出口數(shù)量；

(2)水資源需求/供給量是指地表水、地下水、雨水、海水淡化和再生水量之和；

(3)水資源耗能主要是消耗電能，本文以電能(火電、水電、風(fēng)電、核電、光電之和)代表能源；

(4)谷物在糧食中占比較大，認(rèn)為糧食之間可以相互替代；

(5)能源和糧食運(yùn)輸環(huán)節(jié)的用水量很少，本文不作計(jì)算。

1.3 模型構(gòu)建

斯德哥爾摩環(huán)境研究院認(rèn)為“可用水量”是WEF-Nexus的核心要素[4]，因此在構(gòu)建模型時(shí)以水資源為核心，考慮水資源耗能、能源用水和糧食用水三種資源間的相互作用過(guò)程。水-能源-糧食紐帶關(guān)系耦合模擬模型包括資源供給量預(yù)測(cè)、資源需求量預(yù)測(cè)、資源分配和結(jié)果分析4個(gè)步驟。

1.3.1 資源供給量計(jì)算

資源供給量通過(guò)生命周期理論確定。生命周期是指某個(gè)對(duì)象從出生到死亡的整個(gè)生命各個(gè)階段的總和：水資源的生命周期可分為提取、凈化、輸送、利用和污水處理5個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)均需要能源(電能)提供動(dòng)力；能源和糧食的生命周期可分為生產(chǎn)(種植)、運(yùn)輸和利用3個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)需要消耗水資源。

以水資源為例，其供給量預(yù)測(cè)公式為：

WS=W(E)

(1)

式中：WS為預(yù)測(cè)的水資源供給量；W(E)是根據(jù)水資源耗能量預(yù)測(cè)得到的水資源供給量。

以水資源耗能量為例說(shuō)明式(1)的意義：水資源生命周期的運(yùn)行需要能源提供動(dòng)力，如果用于水資源運(yùn)行過(guò)程的能源達(dá)不到要求，那么可用的水資源量就會(huì)受到限制，只有當(dāng)水資源運(yùn)行需要的能源數(shù)量達(dá)到要求時(shí)，水資源的供給量才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)量(能源用水、糧食用水同理)。在能源數(shù)量有限的條件下，取相應(yīng)的水資源量作為水資源實(shí)際供給量。

同理，能源、糧食供給量為：

ES=E(W)

(2)

FS=F(W)

(3)

式中：ES、FS為最終預(yù)測(cè)的能源、糧食供給量；E(W)、F(W)是指根據(jù)能源用水量、糧食用水量預(yù)測(cè)得到的能源、糧食供給量。

水資源、能源和糧食生命周期過(guò)程中對(duì)其他資源的需求總量和單位需求量可表示為：

(4)

(5)

(6)

灰色預(yù)測(cè)是一種通過(guò)對(duì)系統(tǒng)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的區(qū)別程度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，生成具有一定規(guī)律性的數(shù)列，然后建立微分方程模型[式(7)]預(yù)測(cè)事物未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的方法，在處理小樣本問題時(shí)具有較高精度。

(7)

式中：Y(1)是通過(guò)n個(gè)序列值生成的新序列；T是第n個(gè)序列值；p是發(fā)展系數(shù)；q是灰作用量，p、q一般通過(guò)最小二乘法確定。

灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型表達(dá)式為：

(8)

以水資源為例，首先根據(jù)式(4)求得歷年水資源耗能總量和單位水資源耗能量，然后根據(jù)式(7)～(8)求得預(yù)測(cè)年份的水資源耗能總量和單位水資源耗能量，最后根據(jù)式(9)確定預(yù)測(cè)年份的資源供給量。

(9)

1.3.2 資源需求量計(jì)算

以水資源為例，需求量預(yù)測(cè)公式為：

(10)

式中：WD為水資源需求總量；WCi是指第i個(gè)消費(fèi)部門的水資源需求量，通過(guò)式(7)～(8)計(jì)算得到。

能源、糧食需求量預(yù)測(cè)方法與水資源相同，不再贅述。

1.3.3 資源分配

資源分配是指將預(yù)測(cè)得到的水、能源和糧食供給量按照一定的規(guī)則分配給各產(chǎn)業(yè)消費(fèi)部門。基于數(shù)據(jù)的可獲取性，將水資源消費(fèi)部門分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)等4個(gè)，將能源消費(fèi)部門分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)建筑業(yè)(下文簡(jiǎn)稱工業(yè))等4個(gè)，將糧食消費(fèi)部門分為居民口糧、飼料用糧等5個(gè)。

1.3.4 結(jié)果分析

資源分配的結(jié)果有兩種：一是資源供給量無(wú)法滿足所有消費(fèi)部門的需求，則會(huì)出現(xiàn)資源滿足度介于0～1之間的部門；二是資源供給量超過(guò)了全部消費(fèi)部門的需求量之和，超出的水資源量?jī)?chǔ)存，多余的能源和糧食可以出口到其他地區(qū)。

以水資源為例，其資源自給率公式為：

(11)

(12)

式中：DSW為水資源自給率；DSWi為第i個(gè)消費(fèi)部門的水資源滿足度；WDi為分配給第i個(gè)部門的水資源量。

能源、糧食自給率計(jì)算同理。水-能-糧紐帶關(guān)系耦合模擬模型流程圖如圖2所示。

圖2 WEF-Nexus耦合模擬模型流程圖Fig.2 Flow chart of WEF-Nexus coupling simulation model

2 實(shí)例模擬與分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取江蘇省2010-2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為已知數(shù)據(jù)(剔除數(shù)據(jù)偏離較大的年份)。其中：水資源數(shù)據(jù)取自江蘇省水資源公報(bào)；能源產(chǎn)量和消費(fèi)量、糧食產(chǎn)量和種植面積取自江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒；糧食消費(fèi)量取自薛平平等[7]；水資源耗能計(jì)算方法及參數(shù)取自姜珊[8]；能源、糧食單位用水量參考江蘇工業(yè)用水定額、灌溉用水定額及項(xiàng)瀟智等[9]確定。

2.2 模型檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果的準(zhǔn)確程度，以2010-2016年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別比較水資源、能源和糧食的各個(gè)消費(fèi)部門的資源需求量的預(yù)測(cè)值與2017年實(shí)際值的偏差，檢驗(yàn)公式見式(13)。結(jié)果見表1。

(13)

式中：δ為模型誤差；p為實(shí)際值；q為預(yù)測(cè)值。

從表1可以看出，水、能源和糧食的不同消費(fèi)部門的誤差絕對(duì)值均在5%以內(nèi)，參考李桂君等[1]的成果，誤差在5%以內(nèi)可視為有效，因此模型的誤差基本可控。

2.3 方案模擬

(1)方案一：保持當(dāng)前趨勢(shì)。該方案是指以江蘇省2010-2016年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)WEF-Nexus耦合模擬模型的步驟預(yù)測(cè)2017-2020年水資源、能源和糧食的供給量和需求量。在資源分配時(shí)，基于各產(chǎn)業(yè)消費(fèi)部門的歷史占比，通過(guò)式(7)～式(8)預(yù)測(cè)未來(lái)年份的分配比例，如果各部門的分配比例之和不為1，就通過(guò)等比例縮放使和為1。模擬結(jié)果見表2～表4。

從表2～表4可以看出，2017-2020年間，江蘇省水資源自給率及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水部門的水資源滿足度均保持在100%以上但略有下降趨勢(shì)，水資源自給率平均每年下降2.1%，生態(tài)用水滿足度未達(dá)到100%并下降了7.6%，總體來(lái)說(shuō)江蘇的水資源保障水平暫時(shí)良好，但有變短缺的趨勢(shì)。在能源方面，能源自給率平均每年下降0.15%，能源自給率及各部門的能源滿足度處于85%～90%范圍內(nèi)并呈下降趨勢(shì)，能源保障水平有待提高。在糧食方面，糧食自給率從2017年的104.9%下降到2020年的95%，平均每年下降3.3%，各部門糧食滿足度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是糧食需求量的增幅大于供給量的增幅導(dǎo)致的。

表1 模型檢驗(yàn)誤差 %

表2 水資源供需結(jié)果Tab.2 Results of water supply and demand

(2)方案二：調(diào)整能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)水平。根據(jù)《江蘇省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》：江蘇煤電裝機(jī)比重由2010年的84.1%下降到2015年的75.6%，清潔發(fā)電裝機(jī)比重提高8.6%；同時(shí)，降低能耗強(qiáng)度的目標(biāo)，力爭(zhēng)下降22%左右[10]。方案二作如下調(diào)整：一方面，在保持發(fā)電總量不變的前提下，設(shè)火力發(fā)電比重比方案一逐年減少1.7%，清潔發(fā)電量占比逐年提高1.7%；另一方面，提升農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他行業(yè)的能耗效率，在方案一基礎(chǔ)上逐年提高1%、3%、5%和7%。表5～表6列出了方案二水、能源的模擬結(jié)果與方案一的不同。

表3 能源供需結(jié)果Tab.3 Results of energy supply and demand

表4 糧食供需結(jié)果Tab.4 Results of food supply and demand

表5 方案二水資源供需結(jié)果Tab.5 Results of water supply and demand of scheme Ⅱ

表6 方案二能源供需結(jié)果Tab.6 Results of energy supply and demand of scheme Ⅱ

從表5和表6可以看出，根據(jù)方案二調(diào)整后，2017-2020年間江蘇工業(yè)需水量平均每年降低9.63 億m3(比方案一多1 630 萬(wàn)m3)，工業(yè)用水滿足度平均每年降低0.87%(比方案一少0.83%)，水資源自給率平均每年降低2.03%(比方案一少0.07%)；能源需求量每年分別比方案一少增加10.1、10.5和10.9 億kWh，能源自給率每年分別比方案一少降低1.5%、1.4%和1.4%。從對(duì)比結(jié)果可以看出，調(diào)整能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)水平，發(fā)展水電、風(fēng)電和光電等清潔能源，有效降低了電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的用水量，提高了電力工業(yè)的水資源滿足度；而工業(yè)等行業(yè)能源利用效率的提高則顯著減少了能源需求量，并提升了全社會(huì)的能源自給率。

(3)方案三：調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu)。參考《江蘇省加快推進(jìn)2017年全省種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的意見》[11]，在保持糧食總種植面積和生產(chǎn)效率不變的前提下，設(shè)2017-2020年間水稻種植面積比方案一增長(zhǎng)20%，水稻增加的面積為小麥、玉米被替代的面積。表7～表8列出了方案三水、糧食的模擬結(jié)果與方案一的不同。

表7 方案三水資源供需結(jié)果Tab.7 Results of water supply and demand of scheme Ⅲ

表8 方案三糧食供需結(jié)果Tab.8 Results of food supply and demand of scheme Ⅲ

根據(jù)方案三調(diào)整后，2017-2020年間江蘇農(nóng)業(yè)需水量分別上升58.6、58.7、58.9和59.1 萬(wàn)m3，這是因?yàn)榉N植水稻的單位用水量高于小麥和玉米。但由于農(nóng)業(yè)用水總量較大，僅調(diào)整水稻種植面積對(duì)農(nóng)業(yè)水資源滿足度及全社會(huì)水資源自給率的影響很小。由表8可知，糧食供給量平均每年增加35 萬(wàn)t，糧食自給率保持在100%以上但平均每年降低3.8%；與方案一相比，方案三糧食供給量分別增加225、224、208和203 萬(wàn)t，糧食自給率分別上升6.9%、6.6%、5.9%和5.4%。從對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu)對(duì)WEF-Nexus的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：將部分小麥和玉米的種植面積替換為水稻，在一定程度上提升了糧食產(chǎn)量，提高了糧食供給總量、各消費(fèi)部門糧食滿足度和糧食自給率；但另一方面水稻種植面積的增加使得農(nóng)田灌溉需水量上升，用水總量增加，不利于水資源自給率的提高。因此調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu)時(shí)要因地制宜，兼顧糧食產(chǎn)量與水資源利用量?jī)蓚€(gè)因素。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于生命周期理論和灰色預(yù)測(cè)算法，在考慮水資源耗能、能源用水和糧食用水的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水-能源-糧食紐帶關(guān)系耦合模擬模型。設(shè)置了“保持當(dāng)前趨勢(shì)”、“調(diào)整能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)水平”、“調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu)”3種方案，模擬分析了不同方案下2017-2020年江蘇省水、能源、糧食的供需和分配情況，主要得到以下結(jié)論：

(1)在保持當(dāng)前趨勢(shì)下，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水滿足度及全社會(huì)水資源自給率達(dá)到100%但有下降趨勢(shì)，生態(tài)用水部門因用水量較少、波動(dòng)較大，預(yù)測(cè)顯示滿足度不足100%；工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的能源滿足度均不足90%且仍有下降趨勢(shì)，說(shuō)明江蘇省能源自給率有較大上升空間；糧食自給率在2017、2018年達(dá)到100%以上，2019年后略低于100%，短期內(nèi)變化不大。

(2)水、能源和糧食之間存在紐帶關(guān)系，單個(gè)資源系統(tǒng)中某種因素的變化會(huì)對(duì)另外兩個(gè)資源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，建議政府在制定相關(guān)政策時(shí)充分考慮地方WEF-Nexus。從本文對(duì)江蘇省的模擬結(jié)果來(lái)看，調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少火力發(fā)電比重、發(fā)展清潔電能產(chǎn)業(yè)有助于減少能源工業(yè)用水量，提高全社會(huì)水資源自給率；而調(diào)整糧食種植面積雖然可以增加糧食產(chǎn)量，但有可能消耗更多的水資源，降低水資源自給率。

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