李心晴 张力小 张鹏鹏 郝岩 熊欣

摘要 食物、能源和水资源是人类生存和发展不可或缺、不可替代的基础性资源，三者之间存在错综复杂的关联关系。城市是社会经济与资源消耗的集聚地，也是食物、能源和水资源供需矛盾冲突最为激烈的区域，食物安全、化石能源枯竭和淡水资源短缺等全球性问题已成为未来城市可持续发展面临的最大挑战。系统分析与模拟城市食物-能源-水资源的供给、需求及其关联关系，对保障城市资源供给安全、推动资源系统管理具有重要的实践意义。文章基于Stella建模平台，构建了区域关联和要素关联耦合作用下城市食物、能源与水资源供需的动态模型，以北京市为例，定量模拟了2016—2035年食物-能源-水资源系统的动态变化及其关联特征。结果表明：①2035年，北京城市居民粮食需求量预计约216万t，肉类83万t，总能源需求量约9165万tce，总需水量约46亿m3，而由本地独立生产和供给的资源量仅分别为21万t、23万t、1650万tce和33亿m3，本地供需缺口都呈现增大趋势，必须依赖外部地区的资源投入满足本地需求。②食物-能源-水资源要素之间相互作用的绝对量增加且生产“外包”特征明显，本地食物-能源-水资源关联关系向运输、处理等供应链后端环节偏移。③要素关联关系上，食物与水资源的耦合作用最强，能源和食物的关联程度明显增大，水资源和能源的关联程度较稳定。区域关联关系上，食物-能源-水资源系统区域间关联性增强。④城市资源的系统管理需要综合考虑食物-能源-水资源供需过程中的多重权衡关系，建立多区域、多要素一体化的资源协同管理机制。

关键词 食物-能源-水;关联关系;动态模拟;Stella

中图分类号 X24文献标识码 D63文章编号 1002-2104（2021）05-0174-11DOI：10.12062/cpre.20201017

食物、能源与水资源（food，energyandwater，FEW）是人类生存和发展不可或缺、不可替代的基础性资源[1]。当前人类取得了超越任何历史时期的技术经济成就，然而全球食物、能源和水资源的总体态势仍然严峻[2]。食物安全、淡水资源短缺和化石能源枯竭已成为全球性问题。城市是社会经济与资源消耗的集聚地，也是食物、能源与水资源供需矛盾最为突出的区域[3]。高强度的资源需求造成了严重的资源超载问题，如何保障城市食物-能源-水资源系统的供需安全是推动城市可持续发展面临的巨大挑战。食物-能源-水资源之间存在着错综复杂的关联关系，一种资源的约束可能会限制其他资源的开发利用[4]。随着资源稀缺程度增加，“关联关系”约束下食物-能源-水资源呈现的协同或拮抗作用愈加强烈，更加剧了城市内的资源冲突。同时，城市是一个高度开放的系统，资源的生产和消费在空间上呈现明显分离[5-6]，日益增长的区域输入影响着城市食物-能源-水资源的供需系统，城市社会经济与环境变化也会影响其他区域的资源安全[7]，使城市食物-能源-水资源的供需管理更为复杂。2014年，德国技术合作组织（GIZ）与地方政府环境行动理事会（ICLEI）在合作项目中首次提出“UrbanNexus”的概念[8]，将食物-能源-水资源关联关系与城市可持续发展联系起来，强调必须重视城市食物-能源-水资源的系统管理。因此，有必要从关联视角出发，充分考虑城市系统的开放性特征和区域传导效应[9]，对未来食物-能源-水资源系统的供需变化及资源开发利用的协调与安全性进行“前瞻性”预判，以服务城市资源安全与协同管理[10]。

1文献综述

城市化进程的不断推进对食物-能源-水资源提出了更高要求，全球气候变化和公共卫生事件的突发更增加了保障城市食物-能源-水资源供需安全的不确定性和风险。如何应对未来不断扩大的资源需求以及快速退化的资源生产是城市管理决策者亟待解决的问题[11]。长期以来，城市系统大多是以单一、割裂、机械的方式考虑食物、能源与水资源，试图通过对资源供需开展现状评估[12-14]或预警分析[15-18]在单要素领域提出应对资源危机的有效措施，这种传统的“孤岛式”的资源管理忽视了食物-能源-水资源要素间的关联关系，不能充分反映资源利用在管理实践中的复杂性，甚至会带来新的资源困境，不利于实现资源整体分析和综合管理[19]。

2011年波恩会议之后，“关联关系”作为环境管理的新范式，逐渐成为世界性的热点议题。目前学术界对食物-能源-水资源系统存在客观复杂的相互作用基本达成共识，并逐渐形成以食物-能源-水资源为核心的多要素、多尺度的研究框架[9，20]。在此基础上，有关食物-能源-水资源的模型开始发展起来，主要用于量化与评价复杂食物-能源-水资源系统的行为模式和互动关系，如多尺度综合评价模型（MuSIASEM）[21]、WEF关联关系研究工具（WEFNexusTool2.0）[22]等，此类模型可以通过情景分析探索国家尺度资源利用的最优方案，但主要侧重静态分析，不利于掌握食物-能源-水资源系统的运行规律;而气候-土地-能源-水模型（CLEWs）[23]、区域综合建模和分析平台（PRIMA）[24]等虽可以实现不同国家或区域食物-能源-水资源安全的动态评估，但往往由于模型固化、参数复杂，在面对特定研究对象与问题时缺乏一定的灵活性，难以实现对城市资源安全的整体把握。为此，部分学者借助不同的建模平台开发了专门的模型分析工具，譬如Lin等[25]开发了基于GIS的区域环境评估工具（GREAT），李桂君等[26]和王慧敏等[27]构建了食物-能源-水資源系统动力学模型等，虽可有效模拟地方性区域未来食物-能源-水资源的变化趋势，为城市动态模拟研究提供借鉴，但并未考虑其开放性特征，对多维关联关系的复杂性思考较为简单。因此，文章旨在综合考虑城市食物-能源-水资源要素间、系统间、区域间的多重关联关系，构建灵活的城市食物-能源-水资源动态模型，服务于城市资源系统管理。

作为首都的北京是中国快速城市化过程的缩影，独特的区位条件和超大城市的定位决定了北京承受着日益紧张的资源压力。文章以北京市为例，基于Stella建模平台，提出城市食物-能源-水资源系统模型的建模范例，模拟北京城市发展过程中食物-能源-水资源的供给与需求，分析食物-能源-水资源彼此间关联强度的变化规律，以期为北京城市发展规划实施以及构建韧性城市管理方法提供定量化决策依据。

2研究方法及数据来源

2.1模型构建

Stella是基于交互式界面的动态建模与政策分析平台，在复杂系统关联关系量化与结构分析等方面具有独特优势，操作灵活且不需要编写复杂的程序代码，大大提高了建模的交互性与通用性。本研究综合考虑食物-能源-水资源要素之间的依存关系（resourcesdependence，RD）、与社会经济系统之间的供给关系（resourcesprovision，RP）以及城市与区域之间的耦合关系（resourcescross-region，RR）（图1），基于Stella平台进行建模，模型包括四个模块（图2），模块中变量的含义如表1所示。

模块I是社会经济模块，主要包含常住人口和GDP两个重要参数，是生产生活中食物-能源-水资源需求的直接驱动因素。GDP以2010年可比价表示，综合分析世界银行（WorldBank）与法国巴黎银行（BNPParibas）数据库资料、《2017—2018年中国宏观经济分析与预测》及《北京蓝皮书：北京经济发展报告（2018—2019）》等研究报告以设定增长率。人口动态变化采用逻辑斯蒂增长函数表示，参考《北京城市总体规划（2016—2035年）》将2035年人口目标设定为2300万人。

模块Ⅱ是城市食物供需模块，主要包括粮食和肉类。北京本地粮食生产假设全部供本地消费，由粮食种植面积与养殖规模的变化来进行模拟，需求量由常住人口与居民人均家庭食物消费量来估算，供需缺口决定外地调入量。食物对能源的消耗主要考虑生产（种植/养殖）-加工（碾米、屠宰等）-运输存储-烹饪煮熟四个过程，而对水资源需求则主要考虑生产-加工-烹饪煮熟三个环节。

模块Ⅲ是城市能源供需模块，主要考虑了煤炭、石油、天然气、电力和热力五种能源类型。北京市本地完全自给的能源生产活动仅有部分原煤开采以及可再生能源的开发。能源需求主体包括生产与生活需求。其中，生产需求包括食物和水资源系统需要的能源以及其他产业（主要指除农业、水生产和供应业、水利环境公共设施管理业以外的产业）的能源消耗;生活需求主要包括家庭食物加工与其他能耗之和。此外，能源生产和加工过程中的水资源消耗量，主要包括煤炭生产、火力发电、热力供应、油品加工以及可再生能源的生产等环节。同时，综合《北京城市总体规划（2016—2035年）》及北京市可再生能源发展的现状与未来趋势，设定太阳能、地热能（含余热）、生物质能、风能的发展情景。

模块Ⅳ是城市水资源供需模块，本地供水主体包括地表水、地下水及回用水三部分，而需水主体包括农业、工业、生活和市政景观四部分。其中，地表水和地下水的供给量由历年统计数据推算，回用水利用量根据回用率估算。农业需水主要由农业灌溉用水驱动;工业需水由能源产业需水和一般工业（除能源生产、加工以外的工业活动）需水共同决定;生活需水等于食物烹饪需水与人口和其他人均生活用水量乘积的和;市政景观需水由人口和经济发展水平估算。以“原水提取”“水处理与分配”和“废水处理与回收”三个环节计算水资源开发利用过程中的能源消耗[28]。以食物氮排放灰水足迹作为水系统受到食物系统影响的表征指标，标准采用《水污染物综合排放标准（北京市地方标准）》（DB11/307-2013）中B排放限值。

2.2关联指标构建

资源之间相互影响的程度不能仅仅从绝对量来反映，如，食物消耗的能源较多，但其他经济部门能源需求的增加会导致食物对能源系统构成的实际影响可能较小。鉴于此，文章构建了要素关联指数，该指数指食物-能源-水资源交互作用量和需求量的比值，以表征系统内要素间的关联程度。

其中：γij为资源i对资源j的单向关联指数;IDij为资源i对j的交互影响量;TDj为资源j的总需求量;γi-j为资源i和j的关联指数，在此基础上，以Lγi-j表示区内的要素关联程度，由实际发生在城市边界以内的资源交互行为计算，两指数差值为本应由城市负担却外溢至区域的部分，反映城市食物-能源-水资源供需对区域资源系统的影响程度。

2.3数据及验证

为便于与《北京城市总体规划（2016—2035年）》中设定的目标进行对比，本研究将模拟时间节点设定为2035年，模拟步长为1年。在对人口与GDP进行参数率定与验证的基础上，采用历史检验法，利用2000—2016年食物、能源和水资源实际供、需总量历史数据进行模型验证，相关数据来自2001—2017年历年《北京市统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《北京市水资源公报》《全国农产品成本收益资料汇编》《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查技术报告》及文献调研资料[29-41]。由于食物需求统计量存在统计口径的缺口，本文选择已有研究中的数据进行验证[42]，如图3所示，总体模拟效果较好，模型可靠性较高。

3结果与分析

3.1食物-能源-水资源供需总量及结构的变化

如图3a、3b所示，北京市居民食物的需求量总体上呈饱和增长趋势。2000—2015年期间，北京市居民粮食和肉类的人均消费量基本稳定在88kg和34kg左右，随着人口规模逐渐扩大，2035年北京城市粮食需求预计为216万t，肉类83万t。从生产端来看，随着城市产业结构调整、建设用地不断扩展以及农业生产空间不断被调减，粮食作物播种面积已由2000年30.8万hm2降至2015年的10.4万hm2，仅约0.13万hm2用地可服务于畜禽养殖，本地供给能力持续下降，2035年预计仅可保留约21万t粮食和23万t肉类的生产量，本地供需缺口将不断拉大。

能源作为社会经济发展的物质基础和基本动力，与经济发展呈现强烈的耦合关系（图3c、3d）。北京市生产總值可比值从2000年的0.47万亿元预计增加到2035年的6.91万亿元，而能源需求将由4144万tce增加至约9165万tce，略超过《北京城市总体规划（2016—2035年）》中“2035年力争控制能源消费总量在9000万tce左右”的目标。需要说明的是，北京市曾以煤炭作为城市生产生活的重要能源，近年来随着“去煤炭化”进程的推进，陕京天然气管道、燃气热电中心等能源基础设施建成并投入使用，北京的能源消费趋于清洁和多元，以天然气、电力和油品为主的能源消费结构将成为最主要格局，到2035年将占总消费量的90%以上。2020年本地煤矿关闭之后，北京化石能源消费将全部依靠调入，本地主要生产可再生能源，结构上以太阳能和地热能为主，总量上预计2035年实现消费占比达到18%，距《北京城市总体规划（2016—2035年）》中20%的目标仍有一些距离。

水资源供求关系在南水北调中线通水之后基本可实现总量平衡，但这种“紧平衡”状态却是极度脆弱的（图3e、3f）。模拟结果显示，2035年北京市水资源总需求量达46亿m3，较2015年增加约19%。结构上表现为工农业需水大幅下降，生活需求和市政景观需求成为水资源的需求主体（83%），这与北京市产业结构转型和生态环境建设密切相关。在供给方面，北京市属于重度缺水地区，2000—2015年期间本地供水以地表水和地下水为主，之后北京市大力推动水资源的回收与再利用，2015年之后再生水可利用量达到10亿m3，已成为除自然水体外稳定的“第二水源”，预计2035年可利用量为16亿m3，占本地水资源供给量的50%。相较于食物与能源来说，水资源的空间流动性较差，非自然水资源调度成本较高，2035年北京本地供水将面临13亿m3缺口，供需矛盾依然严峻。

3.2食物-能源-水资源系统关联性分析

随着城市资源供需与结构性变化，食物-能源-水资源要素之间的关联性也会发生显著变化。由图4a、4b可以看出，食物与能源之间的相互作用明显加强。食物对能源需求的正向驱动突出，从2000年的64万tce增加到2035年的188万tce，但增幅在2015年之后随食物需求总量趋于平稳而下降。结构上呈现供应链前端低能耗、后端高能耗的特征。尽管外部调入量不断增加，但是相比较食物运输和加工而言，食物生產所引起的外部能源消耗的影响虽在增加但始终较小，到2035年仅有16万tce左右的能源需求量由外部地区承担。能源受到食物子系统的支撑作用增加，生物质能的利用水平显著提高，预计2035年的年利用量将达到294万tce。

北京市食物和水资源的相互作用在总量上同向变化（图4c、4d），且均呈现向区外转移的趋势。食物系统对水资源的影响体现在对水量和水质的双重压力。就总量来说，食物对水资源的需求持续小幅增加，预计2035年将超过14亿m3。化肥的使用、牲畜和人类粪便的排放将产生约18亿m3的灰水负荷（2035年），其中因食物消费行为而排放的氮是食物生产行为的1.8倍，易造成水质性缺水问题。由于城市食物子系统越来越依赖外部区域（如黑龙江、河北和山东等）的粮肉调入来满足不断增长的需求，2035年食物的水资源需求中将有12亿m3被转嫁到其他区域，约29%的灰水负荷由城市腹地分担。由此可见，食物生产活动的外包对缓解本地的水资源紧张发挥了积极作用，但显然加剧了区域水资源的压力。

北京市能源与水资源对彼此的需求呈现不同程度增加，但能源对水的驱动作用更强。如图4e、4f所示，2035年能源共计需水量约7亿m3，相比2000年增加了近3倍，其中约55%的能源水资源需求发生在区外。外部能源产品的输入，大大减少了本地能源生产对水资源的需求压力。目前北京市本地能源需水活动主要为二次能源的加工，其中以热电生产为主，后期可再生能源的开发将消耗更多的水资源。同时期内，水资源对能源的需求驱动基本稳步增长，预计2035年需求总量将达到约34万tce。由于北京市愈加重视综合提升水资源利用水平，自来水的生产运输、污废水的收集处理以及回用水的再生逐渐成为水资源耗能的主体，2035年需消耗能源约23万tce。为了满足北京市的水资源需求，南水北调工程的输水量连年上升，将有8%的水资源能源需求量被输水源头丹江口及工程沿线的其他地区承担。

3.3食物-能源-水资源系统关联程度分析

基于上述研究，对北京市食物-能源-水资源系统的关联指数进行综合分析，如图5所示。

食物和水系统的强关联关系发挥了主导作用，更高的需求风险或伴随更高的关联风险。农业技术水平的显著提高和农业结构的升级优化，减少了食物与水资源彼此约束的相对量，关联指数γW-F由0.28波动下降至0.26。同时，食物生产活动的区外转移，使本地食物和水资源系统呈现解耦特征，2035年关联指数LγW-F仅为0.11，相比2000年将下降近60%。

水和能源系统的关联关系最稳定，关联强度虽有增加但对整体影响不大。新能源综合利用模式的推广和水资源利用水平的提高，增加了要素之间的资源依存量，关联指数LγE-W由2000年的0.014增加至2035年的0.017，但该增量相对总量仍然较小，能源和水系统的资源压力主要来自其他社会经济活动的需求。另一方面，能源和水资源长期高度对外依存的供给模式并没有发生显著变化，要素关联和区内要素关联指数同比增长，差值约为0.006。

能源和食物系统的关联强度不高，但潜力较大。近年来，生物质能的开发利用，加速了食物和能源系统的耦合，关联指数LγF-E快速上涨，2035年将达到0.024。同时，关联指数LγF-E的改变使总体的要素关联也发生了变化，关联指数γF-E将增至0.025，食物和能源的关联关系对区域作用最小，仅0.001的关联强度被转移到其他地区。

总体来看，城市是高度开放的经济系统，对资源严重稀缺的北京市而言，外围地区分担了北京市高强度的资源压力，本地食物-能源-水资源系统的关联关系外溢，区域间互联互通的作用加强，食物-能源-水资源关联关系也更加复杂。因此，保障城市资源的安全应由市域内统筹向市域内外两个统筹的方向转变，外部资源的供应应该纳入城市政策的制定过程中。

4讨论

4.1重视城市与区域之间的战略对接

北京市长期处于超负荷运转的状态，新兴资源产业的发展虽然逐渐缓和了部分资源供需矛盾，但本地供给增量极度有限，在应对大体量资源需求时依然杯水车薪。2035年北京消费的食物-能源-水资源中，分别将有约85%、82%和28%依靠外地调入。要全面保障北京市的资源安全，首先需要建立长效稳定的区域合作关系并有意识地预备多样的城市外交路径，提高资源可持续输配的冗余性及综合性，使城市资源系统能够更从容地承受、应对并适应各种急性冲击和慢性压力。其次，人口和功能的集中以及对外高度依赖的发展模式，伴随着严重的“虹吸效应”，形成了城市与区域间食物-能源-水资源的利益权衡。研究表明，北京市本地资源生产能力快速退化，促使食物-能源-水资源系统产生了溢出效应，辐射加剧了外部地区资源要素间的关联性与内部约束。因此，城市资源管理有必要融入区域发展整体格局，明确城市定位，加强优势互补与资源分享，促进区域内各相关主体的协调发展。

4.2谨慎推行本地新兴资源保障措施

面对持续膨胀的资源压力，近年来北京市通过“开源节流”的方式不断推进资源保障工作。“开源”是指通过开发新能源、发展都市农业以及增加回用水产出等方式发掘本地资源新动能，此类措施虽逐渐盘活了北京市的自有资源，但实际上缺乏对食物-能源-水资源三要素之间依赖性权衡的考虑。模拟结果显示，新能源的开发减轻了能源压力但会导致能源需水的显著增加，而食物和水资源的强关联关系更加暴露了都市农业的推广可能成为水资源压力的新来源。因此新兴资源保障措施的推行需要基于食物-能源-水资源“三位一体”的规划视角，避免一味追求单领域资源效益而造成不利的连锁反应。

“节流”重点在于强调资源总量与强度的双控建设。研究结果显示，北京城市内食物-能源-水资源的生产功能弱化，消费者角色凸显，资源需求受到社会经济系统的强力拉动，表现出系统间强烈的约束性权衡。加强资源消费端管控，是减轻食物-能源-水资源系统供给压力的重要举措，并可以为“开源”工作创造更大的发展空间。因此，城市食物-能源-水资源系统的协同管理可优先关注资源消费的减量提质，推广绿色消费理念和消费模式的转型升级，提高资源利用效率，促进资源环境约束下社会经济的和谐增长。

5结论

文章基于Stella建模平台，构建了城市食物-能源-水资源供需与关联关系模型，動态模拟了2000—2035年北京市食物-能源-水资源的供需总量以及关联结构，并通过关联指数分析了食物-能源-水资源之间关联程度的变化特征，为解析城市食物-能源-水资源互动行为的复杂性、识别关键关联环节提供了参考范例。主要结论如下。

（1）模拟期内，北京市食物-能源-水资源需求总量呈现不同幅度的增长。食物的需求量在快速增加之后趋于饱和，能源始终保持较快的增长趋势，水资源在少量下降后反弹增长。食物的本地生产能力持续下降，水资源和能源有一定提高，供需矛盾依旧突出。

（2）总量上，食物-能源-水资源要素间的相互作用均有不同幅度的增加。结构上，资源生产环节的外包特征明显，运输、处理等供应链后端环节对本地食物-能源-水资源要素关联的贡献增大。

（3）就食物-能源-水资源系统关联程度而言，食物和水资源耦合性最强，但有减弱趋势;食物和能源关联指数上涨最快，能源和水资源基本稳定。区域间食物-能源-水资源系统关联程度增大，本地食物-能源-水资源系统的复合压力向外部地区转移。

不难发现，随着城市化过程的不断推进，本地有限的资源供给并不能满足高强度的资源需求。城市与外部支撑区域的联系更加密切，食物-能源-水资源“消费在内、供给在外”特征明显，关联关系“外包”特征明显。建设北京市国际一流和谐宜居之都的规划目标，需要强化食物-能源-水资源的供需安全保障。显然，实现相关规划目标，需要综合考虑食物-能源-水资源要素之间、资源系统与社会经济系统之间、北京与周边区域之间的权衡关系，不断推进多区域、多要素一体化资源协同管理。

需要说明的是，文章重点关注北京本土主要的食物生产对象，而由于食物消费具有多元性且成品多依赖外地直接输入，食物对水资源和能源实际造成的影响或被低估，因此未来将进一步丰富模型结构，构建区域联动的城市食物-能源-水资源模型。另外，文章定量把握了北京市食物-能源-水资源安全演化的基本态势，基于现有发展模式提供了基准情景参照，而规划决策的提出和系统响应是一个持续渐进的动态过程，在以后的研究中，将结合多情景分析法，演示未来可能的发展变化以减少模型的不确定性，探究城市食物-能源-水资源系统对不同导向发展模式的响应，以拟定资源利用的最优方案，尽量避免权衡作用的负面影响。

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（责任编辑：王爱萍）