韓子晨 王兵兵 萬魁 蔣一凡

摘要：通過多目標規(guī)劃建立水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同分析框架，基于長江三角洲地區(qū)（長三角）城市群維度，構建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，測算復合系統(tǒng)優(yōu)化后的偏離度和經(jīng)濟效益。結果表明，2001—2020年長三角水資源-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，但波動性較大，穩(wěn)定性較差。2001—2020年糧食產(chǎn)量和能源開采量均保持上升態(tài)勢，糧食產(chǎn)量較高。前期能源開采量大于糧食產(chǎn)量，2005年后，糧食產(chǎn)量高速增長，遠超過能源開采量。綜合效益持續(xù)升高，協(xié)同模型的經(jīng)濟效益較理想。據(jù)此，提出增強水資源-能源-糧食系統(tǒng)內部的聯(lián)動性和共生性、科學規(guī)劃水資源調配、能源開采和糧食生產(chǎn)等資源一體化調配方案、提高資源整體投入產(chǎn)出水平、拓寬資源跨區(qū)流動路徑等建議。

關鍵詞：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)濟效益；長江三角洲地區(qū)

中圖分類號：F326.11；F426.2；TV213.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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

作為人類生存和發(fā)展的基礎性資源，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，三者既相互促進又彼此制約。中國資源時空分布不均，人均水資源量、人均耕地面積僅為世界平均水平的1/4，能源消費量卻位列世界第一，要素跨區(qū)域流動機制障礙較大，關鍵性資源供需關系較為緊張。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化、工業(yè)化的持續(xù)深入，資源供需失衡、水污染嚴重、能源粗放擴張、糧食浪費等問題日益凸顯。與此同時，水旱災害頻發(fā)、能源對外依存度畸高、耕地面積銳減等現(xiàn)實挑戰(zhàn)日趨嚴峻，復合生態(tài)系統(tǒng)的管理難度和運營成本不斷提升，水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同性和適配性亟待增強。鑒于此，本研究基于復合生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同分析框架構建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，通過多目標規(guī)劃和算法迭代求解最優(yōu)目標下水資源、能源、糧食一體化調配方案。以長江三角洲地區(qū)（長三角）為例進行實證分析，量化分析長三角地區(qū)的綜合效益、優(yōu)化能源開采量和糧食生產(chǎn)量、綜合偏離度等代表性指標，深入探索長三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展模式?？茖W測度評估長三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同水平，針對區(qū)域水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展現(xiàn)狀和不足提出改進建議。

本研究之所以選擇以水資源為核心構建水資源-能源-糧食系統(tǒng)的協(xié)同模型，從而實現(xiàn)各資源系統(tǒng)要素的一體化配置，是因為水資源是復合生態(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)的進化演變中發(fā)揮樞紐作用。具體來看，對于糧食系統(tǒng)而言，水資源是糧食生產(chǎn)的基本要素，從作物生長到再加工的整個糧食生產(chǎn)過程都離不開充沛的水資源。對于能源系統(tǒng)而言，水資源則是能源開采的基礎條件，從化石燃料開采加工到電力產(chǎn)生的能源生產(chǎn)全過程均需在水的采洗、冷卻、傳導等作用下實現(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，對于推動長三角經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)綠色一體化示范區(qū)建設具有重要意義。

1 文獻綜述

2011年德國波恩召開的水-糧食-能源安全紐帶關系會議首次將水、能源和糧食之間的關系總結為“水資源-能源-糧食紐帶關系”，強調利用水資源-能源-糧食紐帶關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-糧食紐帶關系旨在開拓一種全新的思維模式，將人們對水資源、能源、糧食這3個獨立資源部門的研究層次上升到一個更全面綜合的層次，即水資源-能源-糧食復合生態(tài)系統(tǒng)［1］。水資源-能源-糧食紐帶關系決定了要實現(xiàn)水資源、能源和糧食的高效利用，不能只針對單一資源進行規(guī)劃和配置，必須在綜合考慮水資源、能源、糧食系統(tǒng)耦合關系的基礎上建立協(xié)同管理體系［2］。

梳理國內外文獻，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，但是對于兩種資源耦合的協(xié)同研究相對豐富，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個方面進行闡述。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個維度，即經(jīng)濟上的協(xié)同、物理上的協(xié)同和管理機制上的協(xié)同［3］。經(jīng)濟協(xié)同研究多采用系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析，主張建立一個兩者協(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)絡分析的方法［2］研究協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性以及部門間的動力學關系。管理機制協(xié)同研究主要是基于對相關國家能源-水資源問題展開分析，提出二者的綜合規(guī)劃，建立協(xié)同管理與控制機制體系［5］。其次是水資源和糧食的協(xié)同。水資源和糧食的協(xié)同研究主要關注兩方面問題。第一個是農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配［6，7］，第二個是經(jīng)濟發(fā)展與水資源的時空匹配［8］，著重分析不同地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用的協(xié)調程度［9，10］。最后是能源和糧食的協(xié)同。能源和糧食的協(xié)同研究主要關注國際能源價格與糧食價格的互動關系［11，12］，以及能源投入與糧食產(chǎn)出效率的關系研究［13，14］，相比于前兩類數(shù)量較少。

隨著研究層次和認識內容的不斷深入和豐富，學者逐步構建水資源-能源-糧食的協(xié)同分析框架［15，16］，探討解決復合資源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展問題的途徑。彭少明等［17］基于協(xié)同學原理構建水資源-能源-糧食整體分析框架，建立具有總分結構和互饋關聯(lián)的協(xié)同優(yōu)化模型，提出黃河流域糧食生產(chǎn)、能源開發(fā)與水資源調配一體優(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)同模型的構建

構建水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型以科學配置資源系統(tǒng)要素，通過水資源一體化調配有序安排能源開采和糧食生產(chǎn)，從而實現(xiàn)復合生態(tài)系統(tǒng)綜合效益最優(yōu)，思維推導過程如圖1所示。對于目標函數(shù)，本研究嘗試建立具有總分結構的水資源-能源-糧食協(xié)同分析框架，構建包含多目標規(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，將水資源按照一定比例分配給能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)。為了實現(xiàn)資源最優(yōu)配置和最大效益目標，首先以綜合效益最大化為第一層目標函數(shù)，構建水資源調配模型。通過公式推導發(fā)現(xiàn)綜合效益可以轉化為能源系統(tǒng)、糧食系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的綜合效益。由于水資源在國家發(fā)展戰(zhàn)略全局中居于核心地位，自來水廠多為國營企業(yè)，水價和成本相對固定，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，就是要讓能源開采效益和糧食生產(chǎn)效益最大化，也就是讓能源開采量乘以單產(chǎn)利潤與糧食生產(chǎn)量乘以單產(chǎn)利潤的總和最大化。其次將能源開采量最大化和糧食生產(chǎn)量最大化并列設為第二層目標，構建能源開采模型和糧食生產(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)糧食和開采能源，以滿足現(xiàn)實中龐大的市場需求。因為考慮到可能存在綜合效益較為理想但能源開采量和糧食生產(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)要素價格，從而獲取更高的綜合效益的情況發(fā)生。同時也最大程度地保證能源、糧食等基礎資源自給率，在宏觀層面上捍衛(wèi)國家戰(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，構建綜合偏離度模型?；谏鲜鰞蓪幽繕嗽O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)調性?？紤]到相等的綜合效益結果可能對應某個系統(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，增設綜合偏離度為第三層目標，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優(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，通過對各資源子系統(tǒng)優(yōu)化效果與最理想狀態(tài)間的距離賦權求和，全面反映復合生態(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)實時關聯(lián)、動態(tài)互饋，通過系統(tǒng)要素信號反饋、數(shù)據(jù)迭代與修正調節(jié)，使變量滿足上述條件，沿著預設方向運轉，由此可以求出水資源調配量、糧食生產(chǎn)量、能源開采量、綜合效益、綜合偏離度等代表性指標數(shù)值。

對于約束條件，本研究結合現(xiàn)實情況和實際需要設定變量限制范圍，通過構建協(xié)同模型科學測算評估水資源-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，水資源調配模型、能源開采模型、糧食生產(chǎn)模型等彼此銜接，迭代互動，共同構成水資源-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三角地區(qū)供水量總和設為第一個約束條件。其次，各地區(qū)不同作物種植面積之和不得超過該地區(qū)種植面積總和。同理，各地區(qū)不同能源開采規(guī)模之和不得超過該地區(qū)能源開采規(guī)?？偤?。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。當水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型滿足上述約束條件時，通過最優(yōu)規(guī)劃和算法迭代最終求出的目標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)同模型的實現(xiàn)方案

3.1 水資源調配模型

水資源調配模型利用扣除其他行業(yè)分水指標后的流域水資源可利用量作為糧食生產(chǎn)和能源開采的基礎水量。通過構建水資源調配模型合理開源、科學調度，實現(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，綜合效益主要來源于糧食生產(chǎn)和能源開采產(chǎn)生的效益。由于供水單位成本可以轉化為能源開采成本和糧食生產(chǎn)成本，供水單位成本結果相對固定，所以可以將綜合效益分解轉化為能源開采量乘以能源市場單價和糧食生產(chǎn)量乘以糧食單價的總和。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]時段糧食系統(tǒng)供水量；[QES（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時段能源系統(tǒng)供水量；[FWI（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時段的糧食生產(chǎn)效益；[EWI（j，t）]表示[j]地區(qū)[t]時段能源生產(chǎn)效益；[FP（j，k）]表示[j]地區(qū)[k]作物的市場單價；[Ep（j，m）]表示[j]地區(qū)[m]能源的市場單價；[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上開展規(guī)模布局和結構技術層面的升級優(yōu)化，向水資源調配模型反饋取用水費用及收益等情況，根據(jù)相關數(shù)據(jù)確定區(qū)域糧食產(chǎn)量。通過糧食生產(chǎn)模型系統(tǒng)規(guī)劃水旱組合、確定結構品種，保障區(qū)域糧食安全和產(chǎn)量穩(wěn)定。糧食生產(chǎn)模型構建目標為糧食產(chǎn)量最大化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的糧食總產(chǎn)量計算公式如下所示。

式中，[TF]表示地區(qū)糧食總產(chǎn)量；[K]為長三角地區(qū)種植糧食作物的種類數(shù)。

3.3 能源開采模型

能源開采模型在初配水量基礎上開展規(guī)模布局和結構技術層面的升級優(yōu)化，向水資源調配模型反饋取用水費用及收益等情況，根據(jù)相關數(shù)據(jù)確定區(qū)域能源開采量。通過能源開采模型科學布局規(guī)模、選擇類型組合，確保國家能源安全和穩(wěn)定供應。糧食生產(chǎn)模型構建目標為能源產(chǎn)量最大化。水資源-能源-糧食系統(tǒng)的能源開采量計算公式如下所示。

式中，[TE]表示地區(qū)能源開采量；[M]為長三角地區(qū)能源種類數(shù)。

3.4 綜合偏離度模型

通過水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型使復合系統(tǒng)規(guī)劃目標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個子系統(tǒng)發(fā)展情況對水資源-能源-糧食系統(tǒng)總體目標的貢獻權重；[S1]、[S?1]分別表示區(qū)域實際耗水量、水資源優(yōu)化后消耗量；[S2]、[S?2]分別表示能源實際開采量、能源優(yōu)化后開采總量；[S3、S?3]分別表示糧食實際產(chǎn)量、糧食優(yōu)化后生產(chǎn)量。

3.5 約束條件

為實現(xiàn)綜合效益最大、糧食生產(chǎn)量最大、能源開采量最大和綜合偏離度最小的多層目標規(guī)劃，結合現(xiàn)實情況和實際需要確定約束條件，設定限制范圍。當水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同模型滿足以下約束條件時，通過最優(yōu)規(guī)劃和算法迭代最終求出的目標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]時段整個流域的供水量；[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 水資源調配與其他系統(tǒng)的函數(shù)關聯(lián)

1）水資源調配模型與糧食生產(chǎn)模型之間主要通過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)驗數(shù)據(jù)［18］。對于生育期需水定額，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]表示土壤水分調節(jié)系數(shù)；[ ET0]表示植被潛在蒸騰量（mm）。對于植被潛在蒸騰量，根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的定義， 植被潛在蒸騰量是指從表面開闊、高度一致、生長旺盛、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?shù)氐臍夂驐l件有關。根據(jù)研究區(qū)域多年氣象資料， 采用FAO推薦的Penman-Monteith公式進行計算，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]表示實際水汽壓（[kPa]）；[U2]表示地表2 m的平均風速（[m/s]）；T表示溫度。對于植被生態(tài)耗水系數(shù)，計算公式如下所示。

[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)。

對于土壤水分調節(jié)系數(shù)，其與土壤含水量及土壤質地有關，反映了土壤水分條件對植物蒸散量的影響， 采用Jensen公式計算土壤水分調節(jié)系數(shù)，如下所示。

式中，[S]表示土壤的實際含水量（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）水資源調配模型與能源開采模型之間通過能源生產(chǎn)過程需水和能源投入產(chǎn)出函數(shù)等參數(shù)聯(lián)系。能源開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，通常受能源類型、生產(chǎn)工藝、技術水平等影響；[ηe]表示能源工業(yè)用水效率系數(shù)。

4 典型案例分析

長三角作為國際六大世界城市群之一，是中國經(jīng)濟發(fā)展最發(fā)達和開放程度最高的區(qū)域之一。但是，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，資源時空分布不均、利用配置效率低下及供需失衡等環(huán)境問題日趨嚴峻。

長三角具有豐富的資源要素，年平均降水量超過1 000 mm，人均水資源量約1 280.7 m3。同時長三角也是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，2021年糧食總產(chǎn)量高達8 445萬t。但是長三角地區(qū)能源儲量相對較少，高度依賴區(qū)域外輸入，能源保供面臨巨大壓力。

新發(fā)展格局下黨中央強調加快長三角綠色一體化發(fā)展示范區(qū)建設，積極探索利于要素流動和資源配置的新型治理模式。因此，本研究以長三角地區(qū)作為典型案例，分析以水資源為核心的長三角水資源-能源-糧食協(xié)同模式，對于探索區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要示范意義。

4.1 綜合效益

運用式（2）計算能源系統(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中占比最低，符合碳中和下清潔能源行業(yè)發(fā)展趨勢。對于糧食系統(tǒng)，水稻作為中國南方最主要的農(nóng)作物，供水量遠超其他糧食作物，在國家主糧供應和戰(zhàn)略資源儲備中發(fā)揮重要作用。對比之下，大豆由于主產(chǎn)區(qū)在東北，長三角種植面積相對較少，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）測算長三角水資源-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，但是增速波動較大，2018年增速達到峰值38.67%。這是因為2018年上海舉行首屆中國國際進口博覽會，58個“一帶一路”沿線國家超過? ?1 000多家企業(yè)參展。作為世界上首個以進口為主題的大型國家級展會，進博會不僅有助于化解過剩庫存和經(jīng)濟杠桿帶來的經(jīng)濟風險，為國際產(chǎn)能合作創(chuàng)造廣闊的機遇空間，還可以有效緩解中國資源消耗、生態(tài)失衡和環(huán)境污染等問題，動態(tài)有序地調整產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟結構，帶動國際資本投資的科學分布，進一步凸顯協(xié)同模式下世界各國的長期比較優(yōu)勢，彰顯中國開放型經(jīng)濟的縱向聯(lián)動效應。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。這是因為國內疫情多點式、重復性、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。疫情期間對人員流動和物資運輸?shù)膰栏裣拗撇粌H影響水資源-能源-糧食系統(tǒng)相關資源的有效供給，還對能源、糧食系統(tǒng)的生產(chǎn)、加工、流通、貿易等環(huán)節(jié)造成巨大的沖擊，導致水資源-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)量和能源開采量

分別利用式（4）和式（5）求出長三角糧食產(chǎn)量TF和能源開采量TE，如圖4所示。整體來看，糧食產(chǎn)量和能源開采量一直保持上升態(tài)勢，糧食產(chǎn)量較高。前期能源開采量大于糧食產(chǎn)量，2005年后，糧食產(chǎn)量高速增長，遠超過能源開采量。

具體來看，2001—2020年經(jīng)過優(yōu)化的水資源-能源-糧食系統(tǒng)的糧食產(chǎn)量迅猛增長且增速較高，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)展狀態(tài)非常理想。糧食產(chǎn)量在2020年達到峰值8 912.334 1萬t，達到最優(yōu)發(fā)展狀態(tài)。這是因為長三角地區(qū)擁有優(yōu)厚的自然條件和政策紅利，基礎設施工程完善，流域灌溉用水充沛，農(nóng)業(yè)市場化和機械化程度較高，引領現(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年來的歷史最低水平。

2001—2020年能源開采量穩(wěn)步上升，并在2020年達到峰值2 696.914 4萬t。這是因為長三角作為中國能源消費高地，近年來著力推進能源結構轉型和低碳化發(fā)展。通過建立長三角能源企業(yè)合作機制，促進區(qū)域間能源基礎設施互聯(lián)互通，打造長三角新能源物流示范線路，切實推動區(qū)域資源環(huán)境系統(tǒng)的綠色協(xié)同發(fā)展。能源開采量增速前期總體較為平穩(wěn)，但在2017年末波動起伏較大，達到峰值23.63%迅速跌至谷底2.06%。這是因為2018年初中美貿易戰(zhàn)爆發(fā)，美國對中國發(fā)動了迄今為止經(jīng)濟史上規(guī)模最大的貿易戰(zhàn)。貿易摩擦不斷升級，一度擴大至對中方價值5 000億美元商品加征25%關稅，幾乎覆蓋所有對中國出口的美國商品，并對中國投資美國關鍵科技技術進行限制。這不僅引發(fā)全球經(jīng)濟動蕩和心理恐慌，損害企業(yè)和人民利益，還對水資源-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)勢低迷。由于新冠疫情突然暴發(fā)，2020年作為能源系統(tǒng)物質基礎的糧食產(chǎn)量，比2019年增速減慢4.21%。新冠疫情的橫行肆虐對自然資源和經(jīng)濟社會系統(tǒng)都造成了極大的沖擊，扭轉了能源行業(yè)原本的向好態(tài)勢。

4.3 綜合偏離度

利用式（6）測算長三角水資源-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。但是綜合偏離度波動較大，水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展和優(yōu)化過程較為波折，穩(wěn)定性較差，受到諸如金融危機、新冠疫情等因素影響。2007年綜合偏離度最高，這是因為2007年次貸問題風波不斷，大量金融創(chuàng)新產(chǎn)品潛藏巨大風險，大量高風險的貸款流入到社會中，經(jīng)濟波動和經(jīng)濟危機的深化直接激化了能源和糧食市場供需矛盾，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年綜合偏離度達到最低值0.021 5，水資源-能源-糧食系統(tǒng)的發(fā)展狀態(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。這是因為2016年國務院下發(fā)《長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》《合肥市城市總體規(guī)劃》等，強調發(fā)揮安徽合肥作為國家現(xiàn)代制造業(yè)基地和綜合交通樞紐的作用，推動長三角實現(xiàn)更高水平協(xié)同開放和更高質量一體化發(fā)展，促進水資源-能源-糧食系統(tǒng)綠色協(xié)同發(fā)展。

5 小結與建議

5.1 小結

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證分析復合資源一體化配置效率和經(jīng)濟效益，探索長三角水資源-能源-糧食協(xié)同發(fā)展模式，結論如下。

1）2001—2020年長三角水資源-能源-糧食系統(tǒng)優(yōu)化后綜合效益持續(xù)升高，增速波動幅度較大，2018年達到峰值。能源系統(tǒng)內部供水量排序為石油>天然氣>煤，糧食系統(tǒng)內部供水量排序為水稻>小麥>玉米>大豆。

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

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

5.2 建議

根據(jù)實證分析結果，提出如下幾點建議以促進水資源-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，加強橫縱向協(xié)調聯(lián)動，形成各司其職、運轉高效的資源協(xié)同管理新格局，推動形成優(yōu)勢互補高質量發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟布局。通過強化多部門協(xié)同合作，促進經(jīng)濟社會與資源環(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）科學規(guī)劃水資源一體化調配方案，最大化糧食產(chǎn)量和能源開采量。通過總控模型和反饋機制提出水資源調配、能源開采和糧食生產(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)流動路徑，破除跨區(qū)域市場要素流動障礙，引導資源從富集區(qū)域流向匱乏區(qū)域，緩解資源相對匱乏區(qū)域水資源、能源、糧食等相關產(chǎn)品與服務的供需矛盾。

3）強化水資源-能源-糧食系統(tǒng)內部的聯(lián)動性和共生性，提升水資源-能源-糧食系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應性和協(xié)調性。一方面，淘汰高消耗的生產(chǎn)模式，改良生產(chǎn)技術與工藝，增加科技研發(fā)、水利工程、能源建設等方面的投入，提高水資源、能源、糧食之間的轉換效率。另一方面，加快科研成果轉化，科學謀劃頂層設計，為統(tǒng)籌規(guī)劃水資源-能源-糧食系統(tǒng)的資源調配方案和優(yōu)化效果提供依據(jù)。

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