馮梅青， 陳亞寧， 焦 黎， 段偉利， 陳世峰

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054； 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011； 3.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室， 新疆 烏魯木齊 830054)

1 研究背景

“水-能源-糧食(water-energy-food, W-E-F)”是人類生存和發(fā)展所依賴的重要系統(tǒng)，其內部良好的耦合性能夠有力推動區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，該系統(tǒng)內部耦合關系受到人口增長和工業(yè)化等外部因素的影響，導致人類對水、能源和糧食的需求大幅度增加。預計到2050年，人類對水、能源、糧食的需求將分別增加約50%、35%和70%[2-4]。在人口增長、資源短缺和全球變暖的背景下，W-E-F系統(tǒng)的安全問題受到國內外社會的廣泛關注[5]。

學術界對W-E-F系統(tǒng)進行了大量研究，主要集中在以下兩個方面：一是對“水-能源-糧食”的內涵框架和相互關系的定性描述。在2011年11月波恩會議上，“水-能源-糧食”紐帶(WEF nexus)首次被世人所熟知[6]。隨后，WEF nexus研究受到學術界重視，其內在機理也逐漸被深化。Sadeghi等[7]在流域尺度上構建了農業(yè)水、能源和糧食之間的聯(lián)系框架；鄭人瑞等[8]從地球科學角度出發(fā)，指出資源調查和大數(shù)據(jù)分析等科學化監(jiān)測是認識紐帶關系的重要手段。二是對“水-能源-糧食”的研究方法進行定量解釋。Karamian等[9]利用WEFNI模型對伊朗Miandarband平原農業(yè)種植系統(tǒng)的作物WEF nexus關系進行了定量化解釋；Duan等[10]考慮氣候變化和人口增長等外部因素對WEF nexus的影響，仿真不同的社會經(jīng)濟發(fā)展場景，對土庫曼斯坦水和糧食的需求變化進行了預測；Shi等[11]在傳統(tǒng)紐帶關系的基礎上增加了生態(tài)因素的耦合，通過構建貝葉斯網(wǎng)絡模型對錫爾河流域用水進行了分析；王凱等[12]、黨銳等[13]應用耦合協(xié)調度模型對中國部分省份W-E-F系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展關系進行了量化。

新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱新疆)是我國重要的能源和糧食儲備區(qū)，但水資源嚴重匱乏，W-E-F系統(tǒng)安全性十分脆弱[14]。已有學者研究了新疆地區(qū)水資源和糧食對氣候變化的響應[15-17]，以及單一能源要素的變化[18]，但缺乏對W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的研究。因此，從省域尺度量化W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展關系，對新疆社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全具有十分重要的意義。

本文以新疆為研究區(qū)域，構建綜合評價指標體系，選取2000-2019年的數(shù)據(jù)進行實例分析，利用耦合協(xié)調度模型來探究W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展狀況，并通過灰色GM(1，1)模型預測2020-2031年新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調度。研究成果可為地區(qū)“水-能源-糧食”系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的政策制定提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于西北干旱區(qū)，是絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)。該區(qū)域水資源嚴重短缺，多年平均降水量為150 mm，水資源量僅為4.8×104m3/km2[19]。新疆是我國重要的糧食產區(qū)之一，優(yōu)質作物有小麥、玉米和棉花等[20]。新疆能源種類眾多，風能資源總儲量為8.9×108kW；太陽輻射年平均值為580 MJ/m3，是全國太陽能最豐富的地區(qū)之一；石油、煤炭和天然氣更是新疆的優(yōu)勢資源。

2.2 數(shù)據(jù)來源與指標體系構建

本研究所需的原始數(shù)據(jù)來自于2001-2020年的《中國水資源公報》《新疆統(tǒng)計年鑒》《新疆水資源公報》等，部分缺失數(shù)據(jù)采用線性擬合法進行插補。

遵循科學性、全面性和系統(tǒng)性等原則，參考已有的研究成果[21-23]并結合新疆WEF nexus關系的互饋機制，構建該區(qū)域綜合評價指標體系。同時，對系統(tǒng)內評價指標進行相關性檢驗，保留相關系數(shù)小于0.5的指標，最終選定25個評價指標。W-E-F系統(tǒng)綜合評價指標體系見表1。

資源總量、消費結構和經(jīng)濟效益是水資源和能源子系統(tǒng)選取指標的出發(fā)點。在水資源子系統(tǒng)評價指標中，人均水資源量是表征區(qū)域水資源豐沛程度的重要指標；萬元GDP和工業(yè)增加值用水量越少，則區(qū)域水資源消費結構越優(yōu)化，取得的生態(tài)效益越高。在能源子系統(tǒng)評價指標中，工業(yè)、農業(yè)和生活占能源消耗比重越高，說明地區(qū)能源消費結構越不合理；能源消費彈性系數(shù)越小，說明能源消費安全程度越高。糧食子系統(tǒng)從生產和消費兩方面進行指標的選取，糧食生產指標性質為正，其值越大，表明糧食供應越充足；化肥負荷指標性質為負，其值越小，表明在糧食生產過程中能源消費越合理。

2.3 數(shù)據(jù)標準化及權重確定

由于各子系統(tǒng)評價指標的量綱不同，需要對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到無量綱化數(shù)值，使數(shù)據(jù)具有可比性和可測性。根據(jù)指標的不同性質分為正、負指標。

正向指標：

X′i=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

負向指標：

X′i=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：X′i為i指標標準化后的指標值；Xi為i指標的原始數(shù)據(jù)；Xmax、Xmin分別為各項評價指標的最大值和最小值。

本文采用熵值法對各指標進行客觀賦權，在一定程度上避免了人為賦權的主觀性。熵值法是通過分析指標間的離散程度并根據(jù)各項指標所承載的信息量來計算指標信息熵的一種方法，熵值越小，表明各指標間的差異性越大，則指標在各子系統(tǒng)內的權重越大，反之越小[24]。各項評價指標的權重計算結果見表1。

表1 新疆W-E-F系統(tǒng)綜合評價指標體系

2.4 綜合評價指數(shù)模型

為了直觀衡量W-E-F系統(tǒng)各子系統(tǒng)的發(fā)展水平，本研究利用線性加權法計算各子系統(tǒng)的評價指數(shù)。公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：fx、gy、hz分別為水、能源和糧食子系統(tǒng)的評價指數(shù)；Ei、Ej、Ek分別為水、能源和糧食子系統(tǒng)各指標的權重；n為各子系統(tǒng)所選取的指標數(shù)量。

2.5 耦合協(xié)調度模型

耦合在WEF nexus關系中指水、能源和糧食系統(tǒng)在發(fā)展過程中相互依賴、相互作用的過程[25]。參考相關學者的研究結果，構建W-E-F系統(tǒng)耦合度模型如下：

(6)

式中：C為耦合度，C∈[0,1]。0≤C<0.2為低水平耦合階段； 0.2≤C<0.6為頡頏階段； 0.6≤C<0.8為磨合階段； 0.8≤C<1為高水平耦合階段。耦合度值越高代表水-能源-糧食系統(tǒng)之間的耦合作用程度越好。

由于耦合度模型不能充分反映W-E-F系統(tǒng)整體耦合協(xié)調水平，為此構建耦合協(xié)調度模型如下：

(7)

T=αfx+βgy+γhz

(8)

式中：D為耦合協(xié)調度，D∈[0,1]，其值越大代表W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展水平越高，反之越差；T為W-E-F系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)；α、β、γ為各子系統(tǒng)的權重，在W-E-F系統(tǒng)中，3個子系統(tǒng)同等重要，故α=β=γ=1/3。

Chen等[14]在前人研究成果[26-27]的基礎上，結合干旱地區(qū)的自然特征對耦合協(xié)調度分類標準進行調整[14]，如表2所示，本文借鑒此分類標準對耦合協(xié)調度進行劃分。

表2 耦合協(xié)調度分類標準

2.6 灰色預測模型

灰色GM(1，1)預測模型是基于灰色系統(tǒng)理論并遵循現(xiàn)實信息優(yōu)先原則，利用數(shù)學方法對時間序列短、具有飽和狀態(tài)的樣本數(shù)據(jù)進行精準預測[28]。如果各個子系統(tǒng)向良好水平發(fā)展，則W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度逐漸接近于1，趨近飽和狀態(tài)。因此該模型在W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度發(fā)展預測方面得到廣泛應用[29-30]。本研究利用灰色GM(1，1)模型，根據(jù)2004-2011年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度的原始數(shù)據(jù)預測2020-2031年耦合協(xié)調度的變化趨勢。建模過程如下：

(1)選定原始數(shù)據(jù)時間序列X(0)共有n個觀察值：

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(9)

(2)原始序列X(0)一次累加得到新序列X(1)：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}

(10)

(3)新序列X(1)白化微分方程為：

(11)

(12)

耦合協(xié)調度預測模型的表達式為：

(13)

(k=1, 2, … ,n)

3 結果與分析

3.1 綜合評價指數(shù)時序分析

計算得出的2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)綜合評價指數(shù)及各子系統(tǒng)評價指數(shù)變化趨勢如圖1所示。

圖1 2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)綜合評價指數(shù)及各子系統(tǒng)評價指數(shù)變化趨勢

對圖1中的計算結果分析如下：

(1)2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)呈波動增大的發(fā)展態(tài)勢，其值由0.39增大至0.61。主要原因是該時段糧食和能源子系統(tǒng)消費結構得以優(yōu)化，保持向好發(fā)展態(tài)勢，致使綜合評價指數(shù)顯著提升。

(2)水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)波動較大，呈現(xiàn)先減小后增大的發(fā)展趨勢。2000-2003年評價指數(shù)大幅減小，減幅為62.3%；2003-2010年由0.24增大至 0.47；2011-2014年又顯著減小，且2014年達到最低，為0.19；2014年之后水資源評價指數(shù)直線上升，至2019年增幅達到48%。形成這一變化過程的主要原因是2001年中央政府實施對口幫扶政策，糧食種植面積顯著增加[20]，農業(yè)用水占比過重，并且全疆人口2014年增加至2 298×104人，人口的迅速增加導致人均水資源量由2000年的3 398 m3減少至3 130 m3。2014年之后隨著節(jié)水技術的提高，用水結構得到明顯改善，生態(tài)環(huán)境用水量增加，使水資源評價指數(shù)逐年增大[31]。

(3)能源子系統(tǒng)經(jīng)歷兩個發(fā)展階段：2000-2012年發(fā)展緩慢，評價指數(shù)由0.36增加到0.43；2013-2017年發(fā)展速度較快，評價指數(shù)由0.57增加至0.71；但2018年又大幅減小至0.53。1995年新疆政府實施“一黑一白戰(zhàn)略”，大力發(fā)展煤炭等化石能源產業(yè)，使21世紀初新疆一次能源生產量持續(xù)增加[18]；此外，“十二五”時期，新疆工業(yè)快速發(fā)展，生產技術提高，能源消費結構得到優(yōu)化，促使單位GDP所消耗的能源量逐漸減少[18]，能源消耗彈性系數(shù)由2011年的1.64減小至2017年的0.88。與此同時，能源子系統(tǒng)的評價指數(shù)于2017年達到了峰值，為0.71。

(4)糧食子系統(tǒng)總體保持良好的發(fā)展態(tài)勢。2000-2015年評價指數(shù)由0.18增大至0.83；2015-2018年評價指數(shù)波動減小，由峰值0.83減小至0.65，2019年又增加至0.75。2002年，“穩(wěn)疆興疆，富民固邊”戰(zhàn)略的提出給新疆帶來了投資發(fā)展的新機遇，其中，農田種植業(yè)資金投入占到總投資一半以上，使新疆糧食種植面積由144.56×104hm2增加至234.62×104hm2。

3.2 耦合度和耦合協(xié)調度時序分析

根據(jù)公式(6)～(8)，計算2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合度C和耦合協(xié)調度D，并對其進行類型劃分，結果見表3和圖2。

由表3和圖2可以看出，2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合程度較高，耦合度值在0.85～1.00之間波動，均為高水平耦合，說明W-E-F系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間內在關聯(lián)程度較好，同時，糧食和能源子系統(tǒng)評價指數(shù)總體保持增加的發(fā)展趨勢，對W-E-F系統(tǒng)耦合度的貢獻程度較大。2014年W-E-F系統(tǒng)耦合度明顯下降，耦合度值減小至0.85，其主要原因是該年度水資源系統(tǒng)評價指數(shù)較低，僅為0.19，對W-E-F系統(tǒng)耦合度的發(fā)展起到負面影響。隨后，新疆“三條紅線”用水政策得到深入落實，使用水結構改善，水資源利用效率得到提高，2015年水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)開始增大，至2019年，水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)提升至0.43(圖1)，耦合度提升至0.97。2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度分為3種類型，即瀕臨失調、初級協(xié)調和中級協(xié)調(表3)。其中，2015-2019年耦合協(xié)調度由0.72增大至0.77。主要原因是2014年之后，由于農田水利設施的改善，有效灌溉面積不斷增加，同時生態(tài)環(huán)境用水量增多，使耦合協(xié)調度上升為中級協(xié)調[32]。

表3 2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合發(fā)展類型劃分

圖2 2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調度變化趨勢

3.3 耦合協(xié)調度灰色預測

根據(jù)公式(9)～(13)對2020-2031年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度進行灰色預測，結果如圖3所示。

圖3 2020-2031年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度預測

由圖3可知，預測新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度將由2020年的0.76增大至2031年的0.88，平均年增幅為0.01，雖然增長幅度較小，但始終保持平穩(wěn)增長的發(fā)展態(tài)勢，并于2025年過渡到高級協(xié)調階段。整體而言，未來新疆W-E-F系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用程度將不斷加強，始終保持高水平耦合，促使W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度不斷提高。節(jié)約水資源、提高能效，增強農業(yè)生產力是政府所追求的目標[33]。例如，2001年政府投資107×108元加強塔里木河流域水資源管理，主要包括灌區(qū)節(jié)水工程、平原水庫的改造以及地下水的合理利用[17]，截至2019年，南疆地區(qū)農田灌溉效率提升至0.56。在2001-2021年，塔里木河下游共經(jīng)歷21次生態(tài)輸水工程，生態(tài)輸水量共計84.45×108m3[34]，并于2021年8月2日開始第22次生態(tài)輸水工程。農田灌溉效率的提高以及生態(tài)用水量的持續(xù)增多，無疑會促進未來水資源子系統(tǒng)的發(fā)展，提高新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調度。

為了驗證預測結果的真實性，將2004-2011年的數(shù)據(jù)作為訓練集、2012-2019年的數(shù)據(jù)作為測試集對模型預測結果進行有效性檢驗，檢驗結果見表4。

表4 耦合協(xié)調度預測結果檢驗

表4中顯示，各年份耦合協(xié)調度預測誤差絕對值在0～0.03之間，表明預測精度較高。

4 討 論

4.1 W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展影響因素

用水結構是影響新疆W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展的主要因素之一。不同于濕潤地區(qū)，新疆為灌溉農業(yè)，農業(yè)用水占比過大，導致新疆總體上結構型缺水嚴重。因此，水資源是制約W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展的關鍵。蒲傲婷[35]指出，以2016年為例，新疆農業(yè)用水占比為94%，而生態(tài)環(huán)境用水占比僅為1.1%。Fang等[17]指出，地表水和地下水是新疆塔里木河流域農業(yè)用水的主要來源。流域農業(yè)灌溉用水所占比重為96%，但僅產生了40%的生產總值[36]。因此，農作物的灌溉用水量遠遠超過了地區(qū)水資源生產力，使得地區(qū)水資源壓力日趨嚴重。農業(yè)用水比重作為水資源子系統(tǒng)的主要評價指標之一，其值越大，則水資源子系統(tǒng)的發(fā)展越差。因此，在新疆W-E-F系統(tǒng)中，水資源子系統(tǒng)發(fā)展波動較大，發(fā)展水平較低。但是，隨著節(jié)水技術的發(fā)展以及用水結構的改善，農業(yè)灌溉效率得到顯著提高[32]。這在一定程度上緩解了水資源子系統(tǒng)發(fā)展不穩(wěn)定的局面，導致近年來水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平有所提高。

糧食種植面積是影響新疆W-E-F系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展的另一重要因素。作為中國主要糧食產區(qū)，新疆糧食種植面積不斷增加，尤其在2001-2010年，在中央對口幫扶政策下，新疆利用農業(yè)資源優(yōu)勢，大力發(fā)展農業(yè)生產[37]。根據(jù)新疆統(tǒng)計年鑒，2000-2019年新疆糧食種植面積增加了90×104hm2。糧食種植面積的擴大和單位糧食產量的增加對糧食子系統(tǒng)的發(fā)展起到了積極作用。

4.2 適用性和不確定性

目前，對于新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的長時間序列研究較少，與王玉寶等[38]對新疆各市W-E-F系統(tǒng)安全性評價分析相比，本研究利用綜合評價指數(shù)和耦合協(xié)調度模型定量評價了2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展水平，為新疆水-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化發(fā)展提供了詳實的結果。研究結果表明，水資源子系統(tǒng)是新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的主要短板，得益于資源和環(huán)境優(yōu)勢，通過以能補糧[39]和以糧補水[40]的方式彌補水資源短板，成為W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的主要驅動力。在政策傾斜和節(jié)水技術提高的背景下，灰色GM(1，1)模型預測未來12 a的W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度發(fā)展的預測結果良好。

在本研究中，不確定性主要來源于評價指標體系的構建，綜合評價指數(shù)模型在衡量子系統(tǒng)發(fā)展能力上效果顯著，具有普遍適用性[13]。但就W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展水平而言，由于數(shù)據(jù)的可獲取性和評價體系構建的科學性等因素，導致綜合評價指標體系并不能完全反映系統(tǒng)的耦合發(fā)展水平[12]。其次，本研究僅在系統(tǒng)內部對W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度進行分析，同時進行短期預測，并未考慮外部因素(如氣候變化)對W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的影響。新疆作為一個農業(yè)大區(qū)，對氣候變化的響應十分敏感，因此還需要探究未來氣候變化背景下W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度的發(fā)展變化。

5 結 論

本文構建了W-E-F系統(tǒng)的綜合評價指標體系，利用耦合協(xié)調度模型和灰色GM(1，1)預測模型，分析了新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調度的時序變化，并對影響因素進行了探討。研究結果可為進一步提高新疆W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展提供理論參考。主要結論如下：

(1)2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)增大態(tài)勢明顯，由2000年的0.39增大至2019年的0.61。水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)波動較大，介于0.19～0.64之間；具有資源優(yōu)勢的能源子系統(tǒng)評價指數(shù)隨時間的推移而波動增大；政策支持和灌溉技術的進步致使糧食子系統(tǒng)評價指數(shù)增幅較大。

(2)2000-2019年新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合度一直保持高水平耦合，表明3個子系統(tǒng)之間存在著密切的聯(lián)系。耦合協(xié)調度目前處于中級協(xié)調，并在未來12 a內繼續(xù)保持良性耦合的發(fā)展趨勢，預測耦合協(xié)調度值將于2025年達到0.82，過渡到高級協(xié)調發(fā)展階段。

(3)從新疆W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調發(fā)展趨勢來看，水資源仍然是制約各子系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的主導因素。農業(yè)用水比重過大，導致用水比例失衡。因此，在未來系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展的過程中，應重點加快調整用水結構，以減輕水資源對其他子系統(tǒng)的制約作用。其次，優(yōu)化能源消費結構，利用生物質能來提高糧食產量，從而降低糧食生產的水足跡，實現(xiàn)以能補糧、以糧補水的平衡發(fā)展。