韓子晨 王兵兵 萬(wàn)魁 蔣一凡

摘要：通過(guò)多目標(biāo)規(guī)劃建立水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同分析框架，基于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)（長(zhǎng)三角）城市群維度，構(gòu)建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，測(cè)算復(fù)合系統(tǒng)優(yōu)化后的偏離度和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，2001—2020年長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)優(yōu)化后綜合偏離度整體保持在0.135以下的低水平，但波動(dòng)性較大，穩(wěn)定性較差。2001—2020年糧食產(chǎn)量和能源開(kāi)采量均保持上升態(tài)勢(shì)，糧食產(chǎn)量較高。前期能源開(kāi)采量大于糧食產(chǎn)量，2005年后，糧食產(chǎn)量高速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò)能源開(kāi)采量。綜合效益持續(xù)升高，協(xié)同模型的經(jīng)濟(jì)效益較理想。據(jù)此，提出增強(qiáng)水資源-能源-糧食系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)動(dòng)性和共生性、科學(xué)規(guī)劃水資源調(diào)配、能源開(kāi)采和糧食生產(chǎn)等資源一體化調(diào)配方案、提高資源整體投入產(chǎn)出水平、拓寬資源跨區(qū)流動(dòng)路徑等建議。

關(guān)鍵詞：水資源-能源-糧食系統(tǒng)；協(xié)同模型；一體化配置；綜合偏離度；綜合經(jīng)濟(jì)效益；長(zhǎng)江三角洲地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：F326.11；F426.2；TV213.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）04-0197-08

Research on the collaborative model and resource allocation of the water-energy-food system in the Yangtze River Delta：Based on the core position of water

Abstract： Through multi-objective planning， the collaborative analysis framework of the water-energy-food system was established. Based on the dimension of Yangtze River Delta urban agglomeration， the cooperative model of the water-energy-food system was constructed， and the deviation degree and economic benefit of the optimized composite system were calculated. The results showed that the comprehensive deviation degree of the water-energy-food system from 2001 to 2020 remained at a low level below 0.135，with large volatility and poor stability. From 2001 to 2020， both food output and energy exploitation maintained an upward trend， and food output was larger. In the early stage， energy exploitation was greater than the food output. After 2005， the food output increased rapidly， far exceeding the energy exploitation. The comprehensive benefit continued to rise， and the economic benefit of the synergistic model was relatively ideal. Accordingly， some suggestions of enhancing the linkage and symbiosis of the water-energy-food system， scientifically planning the integrated resource allocation project of water resources allocation， energy exploitation and food production， improving the overall input-output level of resources， and broadening the cross-regional flow path of resources were put forward.

Key words： water-energy-food system； collaborative model； integrated configuration； comprehensive deviation； comprehensive economic benefit； Yangtze River Delta

作為人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，水資源、能源和糧食系統(tǒng)都是自然資源系統(tǒng)的重要組成部分，三者既相互促進(jìn)又彼此制約。中國(guó)資源時(shí)空分布不均，人均水資源量、人均耕地面積僅為世界平均水平的1/4，能源消費(fèi)量卻位列世界第一，要素跨區(qū)域流動(dòng)機(jī)制障礙較大，關(guān)鍵性資源供需關(guān)系較為緊張。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化、工業(yè)化的持續(xù)深入，資源供需失衡、水污染嚴(yán)重、能源粗放擴(kuò)張、糧食浪費(fèi)等問(wèn)題日益凸顯。與此同時(shí)，水旱災(zāi)害頻發(fā)、能源對(duì)外依存度畸高、耕地面積銳減等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻，復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的管理難度和運(yùn)營(yíng)成本不斷提升，水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同性和適配性亟待增強(qiáng)。鑒于此，本研究基于復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同分析框架構(gòu)建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，通過(guò)多目標(biāo)規(guī)劃和算法迭代求解最優(yōu)目標(biāo)下水資源、能源、糧食一體化調(diào)配方案。以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)（長(zhǎng)三角）為例進(jìn)行實(shí)證分析，量化分析長(zhǎng)三角地區(qū)的綜合效益、優(yōu)化能源開(kāi)采量和糧食生產(chǎn)量、綜合偏離度等代表性指標(biāo)，深入探索長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展模式。科學(xué)測(cè)度評(píng)估長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同水平，針對(duì)區(qū)域水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展現(xiàn)狀和不足提出改進(jìn)建議。

本研究之所以選擇以水資源為核心構(gòu)建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，從而實(shí)現(xiàn)各資源系統(tǒng)要素的一體化配置，是因?yàn)樗Y源是復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的中心，在水資源-能源-糧食系統(tǒng)中居于首要地位，在水資源-能源-糧食系統(tǒng)的進(jìn)化演變中發(fā)揮樞紐作用。具體來(lái)看，對(duì)于糧食系統(tǒng)而言，水資源是糧食生產(chǎn)的基本要素，從作物生長(zhǎng)到再加工的整個(gè)糧食生產(chǎn)過(guò)程都離不開(kāi)充沛的水資源。對(duì)于能源系統(tǒng)而言，水資源則是能源開(kāi)采的基礎(chǔ)條件，從化石燃料開(kāi)采加工到電力產(chǎn)生的能源生產(chǎn)全過(guò)程均需在水的采洗、冷卻、傳導(dǎo)等作用下實(shí)現(xiàn)。

深入研究水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模式和作用機(jī)制，優(yōu)化水資源、能源、糧食系統(tǒng)要素配置和利用效率，探索新發(fā)展格局下水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展道路，對(duì)于推動(dòng)長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)綠色一體化示范區(qū)建設(shè)具有重要意義。

1 文獻(xiàn)綜述

2011年德國(guó)波恩召開(kāi)的水-糧食-能源安全紐帶關(guān)系會(huì)議首次將水、能源和糧食之間的關(guān)系總結(jié)為“水資源-能源-糧食紐帶關(guān)系”，強(qiáng)調(diào)利用水資源-能源-糧食紐帶關(guān)系可以解決全球資源環(huán)境面臨的諸多挑戰(zhàn)。水資源-能源-糧食紐帶關(guān)系旨在開(kāi)拓一種全新的思維模式，將人們對(duì)水資源、能源、糧食這3個(gè)獨(dú)立資源部門(mén)的研究層次上升到一個(gè)更全面綜合的層次，即水資源-能源-糧食復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)［1］。水資源-能源-糧食紐帶關(guān)系決定了要實(shí)現(xiàn)水資源、能源和糧食的高效利用，不能只針對(duì)單一資源進(jìn)行規(guī)劃和配置，必須在綜合考慮水資源、能源、糧食系統(tǒng)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上建立協(xié)同管理體系［2］。

梳理國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，圍繞水資源、能源、糧食三者協(xié)同發(fā)展模式的研究尚不多見(jiàn)，但是對(duì)于兩種資源耦合的協(xié)同研究相對(duì)豐富，可以分為水資源和能源、水資源和糧食、能源和糧食協(xié)同3個(gè)方面進(jìn)行闡述。首先是水資源和能源的協(xié)同。水資源和能源協(xié)同發(fā)展的研究主要體現(xiàn)在3個(gè)維度，即經(jīng)濟(jì)上的協(xié)同、物理上的協(xié)同和管理機(jī)制上的協(xié)同［3］。經(jīng)濟(jì)協(xié)同研究多采用系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析，主張建立一個(gè)兩者協(xié)同的方法論框架［4］。物理協(xié)同研究主要采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的方法［2］研究協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性以及部門(mén)間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。管理機(jī)制協(xié)同研究主要是基于對(duì)相關(guān)國(guó)家能源-水資源問(wèn)題展開(kāi)分析，提出二者的綜合規(guī)劃，建立協(xié)同管理與控制機(jī)制體系［5］。其次是水資源和糧食的協(xié)同。水資源和糧食的協(xié)同研究主要關(guān)注兩方面問(wèn)題。第一個(gè)是農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配［6，7］，第二個(gè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源的時(shí)空匹配［8］，著重分析不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的協(xié)調(diào)程度［9，10］。最后是能源和糧食的協(xié)同。能源和糧食的協(xié)同研究主要關(guān)注國(guó)際能源價(jià)格與糧食價(jià)格的互動(dòng)關(guān)系［11，12］，以及能源投入與糧食產(chǎn)出效率的關(guān)系研究［13，14］，相比于前兩類(lèi)數(shù)量較少。

隨著研究層次和認(rèn)識(shí)內(nèi)容的不斷深入和豐富，學(xué)者逐步構(gòu)建水資源-能源-糧食的協(xié)同分析框架［15，16］，探討解決復(fù)合資源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展問(wèn)題的途徑。彭少明等［17］基于協(xié)同學(xué)原理構(gòu)建水資源-能源-糧食整體分析框架，建立具有總分結(jié)構(gòu)和互饋關(guān)聯(lián)的協(xié)同優(yōu)化模型，提出黃河流域糧食生產(chǎn)、能源開(kāi)發(fā)與水資源調(diào)配一體優(yōu)化的布局方案，為本研究提供了良好的思路借鑒和啟示。

2 水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型的構(gòu)建

構(gòu)建水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型以科學(xué)配置資源系統(tǒng)要素，通過(guò)水資源一體化調(diào)配有序安排能源開(kāi)采和糧食生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)綜合效益最優(yōu)，思維推導(dǎo)過(guò)程如圖1所示。對(duì)于目標(biāo)函數(shù)，本研究嘗試建立具有總分結(jié)構(gòu)的水資源-能源-糧食協(xié)同分析框架，構(gòu)建包含多目標(biāo)規(guī)劃的水資源-能源-糧食協(xié)同模型，為水資源-能源-糧食系統(tǒng)的綠色協(xié)同發(fā)展提供決策依據(jù)。以水資源為基底條件和初始起點(diǎn)，將水資源按照一定比例分配給能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置和最大效益目標(biāo)，首先以綜合效益最大化為第一層目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建水資源調(diào)配模型。通過(guò)公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)綜合效益可以轉(zhuǎn)化為能源系統(tǒng)、糧食系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的綜合效益。由于水資源在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略全局中居于核心地位，自來(lái)水廠多為國(guó)營(yíng)企業(yè)，水價(jià)和成本相對(duì)固定，相比于能源和糧食在綜合效益中所占比重較小，所以為了簡(jiǎn)化討論可以將綜合效益近似看作能源系統(tǒng)效益和糧食系統(tǒng)效益。要想使綜合效益最大，就是要讓能源開(kāi)采效益和糧食生產(chǎn)效益最大化，也就是讓能源開(kāi)采量乘以單產(chǎn)利潤(rùn)與糧食生產(chǎn)量乘以單產(chǎn)利潤(rùn)的總和最大化。其次將能源開(kāi)采量最大化和糧食生產(chǎn)量最大化并列設(shè)為第二層目標(biāo)，構(gòu)建能源開(kāi)采模型和糧食生產(chǎn)模型。在保證水資源-能源-糧食系統(tǒng)綜合效益最大的前提下，在資源存量約束條件下盡可能多地生產(chǎn)糧食和開(kāi)采能源，以滿足現(xiàn)實(shí)中龐大的市場(chǎng)需求。因?yàn)榭紤]到可能存在綜合效益較為理想但能源開(kāi)采量和糧食生產(chǎn)量較少的情況，這樣做也是為了避免通過(guò)減少糧食、能源產(chǎn)品供給，抬高水資源-能源-糧食系統(tǒng)要素價(jià)格，從而獲取更高的綜合效益的情況發(fā)生。同時(shí)也最大程度地保證能源、糧食等基礎(chǔ)資源自給率，在宏觀層面上捍衛(wèi)國(guó)家戰(zhàn)略資源安全和保障普惠民生。最后以綜合偏離度最小化為第三層目標(biāo)，構(gòu)建綜合偏離度模型?；谏鲜鰞蓪幽繕?biāo)設(shè)定，盡可能使資源條件約束下水資源、能源、糧食系統(tǒng)三者的綜合效益和資源自給率最大化，卻忽略了水資源、能源、糧食系統(tǒng)之間發(fā)展的均衡性和協(xié)調(diào)性。考慮到相等的綜合效益結(jié)果可能對(duì)應(yīng)某個(gè)系統(tǒng)發(fā)展水平較低，而其余系統(tǒng)發(fā)展水平非常理想的情況，增設(shè)綜合偏離度為第三層目標(biāo)，使水資源、能源、糧食系統(tǒng)更充分均勻地配置利用資源。綜合偏離度旨在衡量?jī)?yōu)化后的水資源-能源-糧食系統(tǒng)資源使用量和可利用資源總量的差距，通過(guò)對(duì)各資源子系統(tǒng)優(yōu)化效果與最理想狀態(tài)間的距離賦權(quán)求和，全面反映復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的模型優(yōu)化效果和協(xié)同發(fā)展水平。各模型之間采用嵌套、耦合的模式，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)互饋，通過(guò)系統(tǒng)要素信號(hào)反饋、數(shù)據(jù)迭代與修正調(diào)節(jié)，使變量滿足上述條件，沿著預(yù)設(shè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，由此可以求出水資源調(diào)配量、糧食生產(chǎn)量、能源開(kāi)采量、綜合效益、綜合偏離度等代表性指標(biāo)數(shù)值。

對(duì)于約束條件，本研究結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況和實(shí)際需要設(shè)定變量限制范圍，通過(guò)構(gòu)建協(xié)同模型科學(xué)測(cè)算評(píng)估水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同水平?；谒Y源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同分析框架，水資源調(diào)配模型、能源開(kāi)采模型、糧食生產(chǎn)模型等彼此銜接，迭代互動(dòng)，共同構(gòu)成水資源-能源-糧食協(xié)同模型這一整體。以水資源為切入口，首先，將各地區(qū)的供水量之和小于長(zhǎng)三角地區(qū)供水量總和設(shè)為第一個(gè)約束條件。其次，各地區(qū)不同作物種植面積之和不得超過(guò)該地區(qū)種植面積總和。同理，各地區(qū)不同能源開(kāi)采規(guī)模之和不得超過(guò)該地區(qū)能源開(kāi)采規(guī)模總和。最后，各地區(qū)不同作物需水量之和需小于等于糧食供水量，各地區(qū)不同能源系統(tǒng)需水量之和需小于等于能源系統(tǒng)供水量。當(dāng)水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型滿足上述約束條件時(shí)，通過(guò)最優(yōu)規(guī)劃和算法迭代最終求出的目標(biāo)值即為滿足條件的最優(yōu)解。

3 水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型的實(shí)現(xiàn)方案

3.1 水資源調(diào)配模型

水資源調(diào)配模型利用扣除其他行業(yè)分水指標(biāo)后的流域水資源可利用量作為糧食生產(chǎn)和能源開(kāi)采的基礎(chǔ)水量。通過(guò)構(gòu)建水資源調(diào)配模型合理開(kāi)源、科學(xué)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和區(qū)域綜合效益最大化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的綜合效益計(jì)算公式如下所示。

式中，[B（w）]表示綜合效益；[θ（j，t）]、[C（j，t）]分別表示[j]地區(qū)[t]時(shí)段供水的單位收益和單位成本（水、能源、糧食成本是定值）；[QS（j，t）]表示t時(shí)段供水量；[J]表示流域總分區(qū)數(shù)。

如圖1所示，綜合效益主要來(lái)源于糧食生產(chǎn)和能源開(kāi)采產(chǎn)生的效益。由于供水單位成本可以轉(zhuǎn)化為能源開(kāi)采成本和糧食生產(chǎn)成本，供水單位成本結(jié)果相對(duì)固定，所以可以將綜合效益分解轉(zhuǎn)化為能源開(kāi)采量乘以能源市場(chǎng)單價(jià)和糧食生產(chǎn)量乘以糧食單價(jià)的總和。綜合效益分解公式如下所示。

其中，式（2）表示將供水量分解為糧食供水量和能源供水量；式（3）表示將供水收益分解為糧食供水收益和能源供水收益。[QFS（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時(shí)段糧食系統(tǒng)供水量；[QES（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時(shí)段能源系統(tǒng)供水量；[FWI（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時(shí)段的糧食生產(chǎn)效益；[EWI（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時(shí)段能源生產(chǎn)效益；[FP（j，k）]表示[j]地區(qū)[k]作物的市場(chǎng)單價(jià)；[Ep（j，m）]表示[j]地區(qū)[m]能源的市場(chǎng)單價(jià)；[PFj，k]為[j]地區(qū)[k]作物的糧食單產(chǎn)；[ASj，k]為[j]地區(qū)[k]作物的種植面積；[PE（j，m）]為[j]地區(qū)[m]種能源下的能源單位產(chǎn)出；[ES（j，m）]為[j]地區(qū)[m]種能源下的能源生產(chǎn)規(guī)模。

3.2 糧食生產(chǎn)模型

糧食生產(chǎn)模型在初配水量基礎(chǔ)上開(kāi)展規(guī)模布局和結(jié)構(gòu)技術(shù)層面的升級(jí)優(yōu)化，向水資源調(diào)配模型反饋取用水費(fèi)用及收益等情況，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)確定區(qū)域糧食產(chǎn)量。通過(guò)糧食生產(chǎn)模型系統(tǒng)規(guī)劃水旱組合、確定結(jié)構(gòu)品種，保障區(qū)域糧食安全和產(chǎn)量穩(wěn)定。糧食生產(chǎn)模型構(gòu)建目標(biāo)為糧食產(chǎn)量最大化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的糧食總產(chǎn)量計(jì)算公式如下所示。

式中，[TF]表示地區(qū)糧食總產(chǎn)量；[K]為長(zhǎng)三角地區(qū)種植糧食作物的種類(lèi)數(shù)。

3.3 能源開(kāi)采模型

能源開(kāi)采模型在初配水量基礎(chǔ)上開(kāi)展規(guī)模布局和結(jié)構(gòu)技術(shù)層面的升級(jí)優(yōu)化，向水資源調(diào)配模型反饋取用水費(fèi)用及收益等情況，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)確定區(qū)域能源開(kāi)采量。通過(guò)能源開(kāi)采模型科學(xué)布局規(guī)模、選擇類(lèi)型組合，確保國(guó)家能源安全和穩(wěn)定供應(yīng)。糧食生產(chǎn)模型構(gòu)建目標(biāo)為能源產(chǎn)量最大化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的能源開(kāi)采量計(jì)算公式如下所示。

式中，[TE]表示地區(qū)能源開(kāi)采量；[M]為長(zhǎng)三角地區(qū)能源種類(lèi)數(shù)。

3.4 綜合偏離度模型

通過(guò)水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型使復(fù)合系統(tǒng)規(guī)劃目標(biāo)的綜合偏離度最小化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的綜合偏離度計(jì)算公式如下所示。

式中，[f]表示水資源-能源-糧食系統(tǒng)綜合偏離度，代表水資源-能源-糧食系統(tǒng)實(shí)際發(fā)展情況與規(guī)劃最優(yōu)狀態(tài)的偏離程度；[ωi（i=1，2，3）]分別表示水資源、能源、糧食3個(gè)子系統(tǒng)發(fā)展情況對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)權(quán)重；[S1]、[S?1]分別表示區(qū)域?qū)嶋H耗水量、水資源優(yōu)化后消耗量；[S2]、[S?2]分別表示能源實(shí)際開(kāi)采量、能源優(yōu)化后開(kāi)采總量；[S3、S?3]分別表示糧食實(shí)際產(chǎn)量、糧食優(yōu)化后生產(chǎn)量。

3.5 約束條件

為實(shí)現(xiàn)綜合效益最大、糧食生產(chǎn)量最大、能源開(kāi)采量最大和綜合偏離度最小的多層目標(biāo)規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況和實(shí)際需要確定約束條件，設(shè)定限制范圍。當(dāng)水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型滿足以下約束條件時(shí)，通過(guò)最優(yōu)規(guī)劃和算法迭代最終求出的目標(biāo)值即為滿足條件的最優(yōu)解。約束條件公式如下所示。

其中，第一行約束條件表示各地區(qū)的供水量之和小于總的供水量；第二行約束條件表示[j]地區(qū)各種作物的種植面積之和小于等于[j]地區(qū)總的種植面積；第三行約束條件表示[j]地區(qū)各種能源的生產(chǎn)規(guī)模之和小于等于[j]地區(qū)總的生產(chǎn)規(guī)模；第四行約束條件表示[j]地區(qū)各種作物的需水量之和小于等于糧食供水量；第五行約束條件表示[j]地區(qū)各種能源的需水量之和小于等于能源供水量。[AVMW（t）]表示[t]時(shí)段整個(gè)流域的供水量；[TCA（j）]表示[j]地區(qū)總的耕地面積；[TEP（j）]表示[j]地區(qū)總的能源生產(chǎn)規(guī)模。

3.6 水資源調(diào)配與其他系統(tǒng)的函數(shù)關(guān)聯(lián)

1）水資源調(diào)配模型與糧食生產(chǎn)模型之間主要通過(guò)作物生育期需水和作物水分生產(chǎn)函數(shù)等參數(shù)建立聯(lián)系。作物生育期需水量公式如下所示。

式中，[QF（j，k）]表示[j]地區(qū)[k]作物下的生育期需水量，受生育期需水定額[ETc]、有效降水[Pe]、地下水補(bǔ)給[Ge]和地下水位變化[ΔW]影響。[ηf]為灌溉水利用系數(shù)，本研究參考已有研究的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)［18］。對(duì)于生育期需水定額，使用植被生態(tài)需水定額表示，即[Penman-Monteith]公式，如下所示。

[ETc=Ks×Kt×ET0] （9）

式中，[ETc]表示植被生態(tài)需水定額（mm）；[Kt]表示植被生態(tài)耗水系數(shù)，即植被最大需水量與潛在耗水量的比例系數(shù)；[Ks]表示土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)；[ ET0]表示植被潛在蒸騰量（mm）。對(duì)于植被潛在蒸騰量，根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的定義， 植被潛在蒸騰量是指從表面開(kāi)闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、供水充足、完全遮蓋地面8～15 cm高的綠色草地上所蒸發(fā)、騰發(fā)的速率，其主要與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)。根據(jù)研究區(qū)域多年氣象資料， 采用FAO推薦的Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算，如下所示。

式中，[ET0]表示植被潛在蒸騰量（mm）；[Δ]表示飽和水汽壓對(duì)溫度曲線的斜率（[kPa/℃]）；[Rn]表示參考作物表面凈輻射［[MJ/]（[m2·d]）］；[G]表示土壤熱通量（[MJ/m2·d]）；[γ]表示干濕表常數(shù)（[kPa/℃]）；[es]表示飽和水汽壓（[kPa]）；[ea]表示實(shí)際水汽壓（[kPa]）；[U2]表示地表2 m的平均風(fēng)速（[m/s]）；T表示溫度。對(duì)于植被生態(tài)耗水系數(shù)，計(jì)算公式如下所示。

[Kt=MDVI×k] （11）

式中，[MDVI]為植被覆蓋度；k為植被生態(tài)耗水系數(shù)。

對(duì)于土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)，其與土壤含水量及土壤質(zhì)地有關(guān)，反映了土壤水分條件對(duì)植物蒸散量的影響， 采用Jensen公式計(jì)算土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)，如下所示。

式中，[S]表示土壤的實(shí)際含水量（g/kg）[;S?]表示土壤臨界含水量（g/kg），一般表示田間持水量的70%～80%；[Sw]表示土壤凋萎含水量（g/kg），公式如下所示。

[Sw=f×（1.34-1.5）] （13）

2）水資源調(diào)配模型與能源開(kāi)采模型之間通過(guò)能源生產(chǎn)過(guò)程需水和能源投入產(chǎn)出函數(shù)等參數(shù)聯(lián)系。能源開(kāi)采需水量公式如下所示。

式中，[QE（j，m）]表示[j]地區(qū)[m]種能源下的單位產(chǎn)品需水量；[Xin（j，m）]表示單位能源需水量，通常受能源類(lèi)型、生產(chǎn)工藝、技術(shù)水平等影響；[ηe]表示能源工業(yè)用水效率系數(shù)。

4 典型案例分析

長(zhǎng)三角作為國(guó)際六大世界城市群之一，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最發(fā)達(dá)和開(kāi)放程度最高的區(qū)域之一。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，資源時(shí)空分布不均、利用配置效率低下及供需失衡等環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。

長(zhǎng)三角具有豐富的資源要素，年平均降水量超過(guò)1 000 mm，人均水資源量約1 280.7 m3。同時(shí)長(zhǎng)三角也是中國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，2021年糧食總產(chǎn)量高達(dá)8 445萬(wàn)t。但是長(zhǎng)三角地區(qū)能源儲(chǔ)量相對(duì)較少，高度依賴(lài)區(qū)域外輸入，能源保供面臨巨大壓力。

新發(fā)展格局下黨中央強(qiáng)調(diào)加快長(zhǎng)三角綠色一體化發(fā)展示范區(qū)建設(shè)，積極探索利于要素流動(dòng)和資源配置的新型治理模式。因此，本研究以長(zhǎng)三角地區(qū)作為典型案例，分析以水資源為核心的長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食協(xié)同模式，對(duì)于探索區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要示范意義。

4.1 綜合效益

運(yùn)用式（2）計(jì)算能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)的多期平均供水量，如圖2所示。對(duì)于能源系統(tǒng)，三大主要能源供水量比例較為均勻。其中石油和天然氣供水比重相近，接近40%。對(duì)比之下，煤炭作為高污染低能效資源，供水量在主要能源種類(lèi)中占比最低，符合碳中和下清潔能源行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于糧食系統(tǒng)，水稻作為中國(guó)南方最主要的農(nóng)作物，供水量遠(yuǎn)超其他糧食作物，在國(guó)家主糧供應(yīng)和戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備中發(fā)揮重要作用。對(duì)比之下，大豆由于主產(chǎn)區(qū)在東北，長(zhǎng)三角種植面積相對(duì)較少，所以供水量占比最小，約為水稻的50%。

根據(jù)能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)供水量數(shù)據(jù)，利用式（3）測(cè)算長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)優(yōu)化后綜合效益，如圖3所示。2001—2020年綜合效益總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，但是增速波動(dòng)較大，2018年增速達(dá)到峰值38.67%。這是因?yàn)?018年上海舉行首屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)，58個(gè)“一帶一路”沿線國(guó)家超過(guò)? ?1 000多家企業(yè)參展。作為世界上首個(gè)以進(jìn)口為主題的大型國(guó)家級(jí)展會(huì)，進(jìn)博會(huì)不僅有助于化解過(guò)剩庫(kù)存和經(jīng)濟(jì)杠桿帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為國(guó)際產(chǎn)能合作創(chuàng)造廣闊的機(jī)遇空間，還可以有效緩解中國(guó)資源消耗、生態(tài)失衡和環(huán)境污染等問(wèn)題，動(dòng)態(tài)有序地調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)國(guó)際資本投資的科學(xué)分布，進(jìn)一步凸顯協(xié)同模式下世界各國(guó)的長(zhǎng)期比較優(yōu)勢(shì)，彰顯中國(guó)開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)的縱向聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。但是自從2019年新冠肺炎疫情突然暴發(fā)，綜合效益增速一路暴跌，2020年已跌至1.94%，接近最低水平。這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)疫情多點(diǎn)式、重復(fù)性、突發(fā)性暴發(fā)，資源系統(tǒng)供給鏈的不確定性因素增多，食品安全和人民健康難以保障，加劇了水資源-能源-糧食系統(tǒng)的脆弱性。疫情期間對(duì)人員流動(dòng)和物資運(yùn)輸?shù)膰?yán)格限制不僅影響水資源-能源-糧食系統(tǒng)相關(guān)資源的有效供給，還對(duì)能源、糧食系統(tǒng)的生產(chǎn)、加工、流通、貿(mào)易等環(huán)節(jié)造成巨大的沖擊，導(dǎo)致水資源-能源-糧食系統(tǒng)的綜合效益增速持續(xù)下降。

4.2 糧食產(chǎn)量和能源開(kāi)采量

分別利用式（4）和式（5）求出長(zhǎng)三角糧食產(chǎn)量TF和能源開(kāi)采量TE，如圖4所示。整體來(lái)看，糧食產(chǎn)量和能源開(kāi)采量一直保持上升態(tài)勢(shì)，糧食產(chǎn)量較高。前期能源開(kāi)采量大于糧食產(chǎn)量，2005年后，糧食產(chǎn)量高速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò)能源開(kāi)采量。

具體來(lái)看，2001—2020年經(jīng)過(guò)優(yōu)化的水資源-能源-糧食系統(tǒng)的糧食產(chǎn)量迅猛增長(zhǎng)且增速較高，一直穩(wěn)定在5%水平之上。協(xié)同模型下糧食系統(tǒng)的優(yōu)化效果極為明顯，優(yōu)化后發(fā)展?fàn)顟B(tài)非常理想。糧食產(chǎn)量在2020年達(dá)到峰值8 912.334 1萬(wàn)t，達(dá)到最優(yōu)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。這是因?yàn)殚L(zhǎng)三角地區(qū)擁有優(yōu)厚的自然條件和政策紅利，基礎(chǔ)設(shè)施工程完善，流域灌溉用水充沛，農(nóng)業(yè)市場(chǎng)化和機(jī)械化程度較高，引領(lǐng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展浪潮，為糧食產(chǎn)量穩(wěn)步提升和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展提供重要保障。但是受疫情影響，資源環(huán)境系統(tǒng)遭受了巨大的破壞和沖擊，2019—2020年糧食產(chǎn)量增速不增反降，降至5.49%，接近20年來(lái)的歷史最低水平。

2001—2020年能源開(kāi)采量穩(wěn)步上升，并在2020年達(dá)到峰值2 696.914 4萬(wàn)t。這是因?yàn)殚L(zhǎng)三角作為中國(guó)能源消費(fèi)高地，近年來(lái)著力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和低碳化發(fā)展。通過(guò)建立長(zhǎng)三角能源企業(yè)合作機(jī)制，促進(jìn)區(qū)域間能源基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，打造長(zhǎng)三角新能源物流示范線路，切實(shí)推動(dòng)區(qū)域資源環(huán)境系統(tǒng)的綠色協(xié)同發(fā)展。能源開(kāi)采量增速前期總體較為平穩(wěn)，但在2017年末波動(dòng)起伏較大，達(dá)到峰值23.63%迅速跌至谷底2.06%。這是因?yàn)?018年初中美貿(mào)易戰(zhàn)爆發(fā)，美國(guó)對(duì)中國(guó)發(fā)動(dòng)了迄今為止經(jīng)濟(jì)史上規(guī)模最大的貿(mào)易戰(zhàn)。貿(mào)易摩擦不斷升級(jí)，一度擴(kuò)大至對(duì)中方價(jià)值5 000億美元商品加征25%關(guān)稅，幾乎覆蓋所有對(duì)中國(guó)出口的美國(guó)商品，并對(duì)中國(guó)投資美國(guó)關(guān)鍵科技技術(shù)進(jìn)行限制。這不僅引發(fā)全球經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩和心理恐慌，損害企業(yè)和人民利益，還對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈沖擊。能源行業(yè)海外需求銳減，發(fā)展態(tài)勢(shì)低迷。由于新冠疫情突然暴發(fā)，2020年作為能源系統(tǒng)物質(zhì)基礎(chǔ)的糧食產(chǎn)量，比2019年增速減慢4.21%。新冠疫情的橫行肆虐對(duì)自然資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)都造成了極大的沖擊，扭轉(zhuǎn)了能源行業(yè)原本的向好態(tài)勢(shì)。

4.3 綜合偏離度

利用式（6）測(cè)算長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)綜合偏離度，如圖5所示。2001—2020年模型優(yōu)化效果較好，偏離數(shù)值在0.134 8～0.021 5浮動(dòng)。但是綜合偏離度波動(dòng)較大，水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展和優(yōu)化過(guò)程較為波折，穩(wěn)定性較差，受到諸如金融危機(jī)、新冠疫情等因素影響。2007年綜合偏離度最高，這是因?yàn)?007年次貸問(wèn)題風(fēng)波不斷，大量金融創(chuàng)新產(chǎn)品潛藏巨大風(fēng)險(xiǎn)，大量高風(fēng)險(xiǎn)的貸款流入到社會(huì)中，經(jīng)濟(jì)波動(dòng)和經(jīng)濟(jì)危機(jī)的深化直接激化了能源和糧食市場(chǎng)供需矛盾，自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性加劇，水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性大大削弱。2014年后，水資源-能源-糧食系統(tǒng)綜合偏離度總體趨于較低水平，穩(wěn)定在0.066 5以下。2016年綜合偏離度達(dá)到最低值0.021 5，水資源-能源-糧食系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與理想化狀態(tài)的偏離程度最小，即水資源-能源-糧食系統(tǒng)的優(yōu)化效果最佳。這是因?yàn)?016年國(guó)務(wù)院下發(fā)《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》《合肥市城市總體規(guī)劃》等，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮安徽合肥作為國(guó)家現(xiàn)代制造業(yè)基地和綜合交通樞紐的作用，推動(dòng)長(zhǎng)三角實(shí)現(xiàn)更高水平協(xié)同開(kāi)放和更高質(zhì)量一體化發(fā)展，促進(jìn)水資源-能源-糧食系統(tǒng)綠色協(xié)同發(fā)展。

5 小結(jié)與建議

5.1 小結(jié)

本研究基于水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型，基于水的核心地位實(shí)證分析復(fù)合資源一體化配置效率和經(jīng)濟(jì)效益，探索長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食協(xié)同發(fā)展模式，結(jié)論如下。

1）2001—2020年長(zhǎng)三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)優(yōu)化后綜合效益持續(xù)升高，增速波動(dòng)幅度較大，2018年達(dá)到峰值。能源系統(tǒng)內(nèi)部供水量排序?yàn)槭?天然氣>煤，糧食系統(tǒng)內(nèi)部供水量排序?yàn)樗?小麥>玉米>大豆。

2）整體來(lái)看，糧食產(chǎn)量和能源開(kāi)采量一直保持上升態(tài)勢(shì)，糧食產(chǎn)量較高。前期能源開(kāi)采量大于糧食產(chǎn)量，2005年后，糧食產(chǎn)量高速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò)能源開(kāi)采量。具體來(lái)看，2001—2020年經(jīng)過(guò)優(yōu)化的能源開(kāi)采量穩(wěn)步上升，并在2020年達(dá)到峰值2 696.914 4萬(wàn)t。能源開(kāi)采量增速前期總體較為平穩(wěn)，但在2017年末波動(dòng)起伏較大，達(dá)到峰值23.63%迅速跌至谷底2.06%。糧食產(chǎn)量在2020年達(dá)到峰值? ? ? ? ? 8 912.334 1萬(wàn)t，增速一直穩(wěn)定在5%水平之上。

3）綜合偏離度近20年來(lái)整體水平較低，穩(wěn)定在0.135以下，但波動(dòng)幅度較大。2016年綜合偏離度達(dá)到最低值0.021 5。

5.2 建議

根據(jù)實(shí)證分析結(jié)果，提出如下幾點(diǎn)建議以促進(jìn)水資源-能源-糧食系統(tǒng)綠色協(xié)同發(fā)展。

1）發(fā)揮各子系統(tǒng)比較優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)橫縱向協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，形成各司其職、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的資源協(xié)同管理新格局，推動(dòng)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)高質(zhì)量發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟(jì)布局。通過(guò)強(qiáng)化多部門(mén)協(xié)同合作，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源環(huán)境協(xié)同發(fā)展，提高水資源-能源-糧食系統(tǒng)的綜合效益。

2）科學(xué)規(guī)劃水資源一體化調(diào)配方案，最大化糧食產(chǎn)量和能源開(kāi)采量。通過(guò)總控模型和反饋機(jī)制提出水資源調(diào)配、能源開(kāi)采和糧食生產(chǎn)的優(yōu)化方案，提高資源整體投入產(chǎn)出水平。拓寬資源跨區(qū)流動(dòng)路徑，破除跨區(qū)域市場(chǎng)要素流動(dòng)障礙，引導(dǎo)資源從富集區(qū)域流向匱乏區(qū)域，緩解資源相對(duì)匱乏區(qū)域水資源、能源、糧食等相關(guān)產(chǎn)品與服務(wù)的供需矛盾。

3）強(qiáng)化水資源-能源-糧食系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)動(dòng)性和共生性，提升水資源-能源-糧食系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性。一方面，淘汰高消耗的生產(chǎn)模式，改良生產(chǎn)技術(shù)與工藝，增加科技研發(fā)、水利工程、能源建設(shè)等方面的投入，提高水資源、能源、糧食之間的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，加快科研成果轉(zhuǎn)化，科學(xué)謀劃頂層設(shè)計(jì)，為統(tǒng)籌規(guī)劃水資源-能源-糧食系統(tǒng)的資源調(diào)配方案和優(yōu)化效果提供依據(jù)。

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