孙才志 郝帅

摘要：

针对目前水资源-能源-粮食（Water-Energy-Food，WEF）系统协调度研究中存在的不足，构建了中国省际WEF系统协调度评价指标体系，采用综合評价模型及力学均衡模型对1997～2019年30个省（直辖市、自治区）的WEF协调度进行测度，并针对各类型区提出了相应的优化调整措施。研究结果表明：① 研究期内，中国水资源系统、能源系统及粮食系统的评价指数均呈上升态势，东、中、西三大区域各系统的评价指数与全国变化趋势基本一致；各系统评价指数在空间分布上存在差异。② 就协调类型而言，东部地区与中部地区除个别年份以外，其状态类型分布情况与全国状态类型分布相对一致，而西部地区则除个别年份以外均处于基本协调状态。③ 研究时段内，中国30个省（直辖市、自治区）出现高水资源系统-低粮食系统类型的次数最高，达到189次，占比27.4%，而高能源系统-低粮食系统的类型出现次数最低，仅25次，占比3.6%。基于研究结论，可针对各类型区的特点提出相应的优化调控措施，为促进中国WEF系统协调发展提供理论依据。

关 键 词：

水资源-能源-粮食； 协调度； 力学均衡模型； 分类调控； 中国

中图法分类号： TV213

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.002

0 引 言

2011年，波恩会议首次提出“NEXUS”，认为需要把水资源、能源及粮食作为一个纽带系统进行研究［1-2］。而波恩会议也成为水资源-能源-粮食（以下简称“WEF”）关联关系研究的里程碑式事件［3-4］。当前，中国正处于新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化快速推进阶段，因此，探究WEF系统的协调发展对于促进中国区域社会经济的可持续发展具有重要意义。

目前，关于WEF系统的研究已经取得了丰富的研究成果，如：Wang等提出了一个WEF与贫困之间关系的理论框架，并采用改进的耦合协调度模型和地理检测器来评估黄河流域WEF与贫困的时空耦合及其影响因素［5］；Sun等以协同学理论为基础，构建了WEF系统协同和竞争的评估模型，同时借助Logistic模型和加速遗传算法模型，构建了协同演化模型（SEM）对系统状态进行识别，并以中国30个省份为例进行了实证研究［6］；Zhu等建立了基于水-能源-粮食纽带关系（WEFN）的韧性大城市评价指标体系，并采用熵权-TOPSIS方法和障碍度模型测度了郑州市的韧性水平及其调控措施和优化路径［7］；Hua等利用驱动力-压力-状态-影响-反应模型和水足迹理论，从5个层面评价了1997～2016年中国31个省的粮食和能源之间的协同作用和对水的竞争关系［8］；Li等基于可靠性、协调性和韧性三个维度构建了一个综合指标体系，并测度了黄河流域2005～2021年WEF耦合完全风险的冲突［9］；邓鹏［10］、毕博［11］等构建了WEF系统耦合协调度评价指标体系，通过熵权法对指标进行权重确定，采用耦合协调度模型分别对江苏省和辽宁省的WEF系统耦合协调情况及其时空演变特征进行评价；徐辉［12］、赵良仕［13］等以黄河流域为研究对象，采用耦合协调度模型、灰色预测模型对研究区2008～2018年的WEF耦合机理进行了分析；Xu［14］、李成宇［15］、支彦玲［16］等通过构建WEF评价指标体系，采用耦合协调度模型对中国省级尺度WEF系统进行了分析。

综上所述，目前关于WEF系统协调度研究仍有以下不足：① 传统的耦合协调度模型在模型效度、模型信度方面较弱［17］；② 传统耦合协调度模型在计算协调度（D）时将各子系统按等权重处理，难以体现各系统的差异性［18-19］；③ 传统耦合协调模型难以动态识别出各个要素之间的协调程度及匹配问题［20-21］。而基于物理学领域合力求解思想的力学平衡模型（Mechanical Equilibrium Model）常被用于表达多要素之间的均衡关系，该模型在评价多要素协调性过程中，不仅能够较为客观地反映出多个不同方向力量作用下评价对象的状态，也能动态识别出各个要素之间的协调程度及匹配问题，便于有针对性地提出调控措施［22-23］。鉴于此，本文首先构建了WEF系统协调度评价指标体系，在此基础上，尝试将力学均衡模型引入WEF系统协调度研究中，并以中国30个地区（不包括西藏、香港、澳门、台湾）为研究对象，将WEF系统协调度评价指标体系与力学平衡模型相结合，刻画了1997～2019年中国WEF系统协调特征及发展态势，并提出相应的差异性优化调控策略。

1 研究方法与数据来源

1.1 中国WEF系统协调度评价指标体系构建

参考现有研究成果［6，15-16］，从水资源供给、水资源消耗、水环境、能源生产、能源消费、污染气体排放、粮食生产、粮食消耗8个方面，选取水资源系统12项、能源系统13项及粮食系统14项，共选取39项指标，构建中国WEF系统协调度评价指标体系。相比现有研究成果［15-16］，本文在能源生产和粮食生产维度分别将能源生产过程中的水资源消耗、粮食生产过程中的能源消耗纳入评价指标体系，同时将能碳强度纳入污染气体排放维度，相比以往研究更能全面反映能源生产、消费过程中的环境污染，具体评价指标体系如表1所列。

1.3 中国WEF系统协调度测度

如图1所示，假设其他条件为均质条件，则可以将“水资源系统-能源系统-粮食系统”之间的关系抽象为笛卡尔坐标系（Cartesian coordinates）中三个方向上的作用力，若三个作用力达到平衡状态时，则合力为0，即F位于坐标原点（即均衡点），此时表明三个系统之间达到了均衡，处于协调状态；反之，若一个或几个系统未达到或超过目标值，此时得到的F则偏离均衡点，表明三个系统之间未达到协调状态。

1.4 数据来源

本文所涉及的数据来源于1998～2020年的《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国固定资产投资年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国劳动统计年鉴》《中国电力年鉴》及各省（市、区）的相关统计年鉴。需要说明的是，指标中所涉及到的能源生产过程中直接和间接蓝水计算参考文献［24-25］。

2 结果分析

2.1 中国WEF系统评价指数时空演变特征

利用公式（1）计算得到1997～2019年中国30个地区水资源系统、能源系统及粮食系统的评价指数，并参考现有研究成果将其分为4个级别，即：低水平（0＜Ui≤0.25）、中等水平（0.25＜Ui≤0.50）、较高水平（0.50＜Ui≤0.75）和高水平（0.75＜Ui≤1.00）。限于篇幅，本文按照等时段原则仅列出1997，2004，2012年及2019年相关数据（见表2），同时绘制研究时段内全国及东、中、西三大地区各系统评价指数变化趋势图（见图2）。

由图2可知： 1997年，中国水资源系统评价指数的平均值为0.255，整体接近低水平状态；宁夏水资源系统评价指数最低，仅为0.008，浙江最高，达到0.389；除北京、浙江、福建等13个地区的水资源评价指数处于中等水平外，其余17个地区的水资源评价指数均处于低水平状态。全国能源系统评价指数平均值为0.267，整体介于0.217～0.337，其中黑龙江的能源评价指数最高，达到0.337，上海最低，仅为0.217。就粮食系统评价指数而言，1997年仅海南、贵州、甘肃、青海、宁夏及新疆的粮食系统评价指数处于低水平状态，其中青海最小，仅为0.233，全国粮食系统评价指数平均水平为0.279，整体处于中等水平。

2019年研究期末，除北京、河北、甘肃以外，其余地区水资源系统评价指数相较于2012年状态保持不变，宁夏仍处于0.200以下；能源系统中，9个地区呈下降态势，降幅介于1.2%～11.5%，其中黑龙江能源评价指数降幅最大，山东、河南、北京、河北、江苏提升幅度均超过20%，仍处于中等水平；全国粮食评价指数平均值提升至0.486，增幅27.6%，就各个地区的变化情况来看，除辽宁、浙江呈小幅度下降以外，其余地区均呈现7.3%～79.4%的提升幅度，与此同时，河北、福建、广东等11个地区由2012年的中等水平提升至较高水平，河南则提升至高水平状态（0.785）。

2.2 中国WEF系统协调度时空分异特征

根据式（2）～（8）计算得到各地区合力F，进而测度三个系统的协调性。同时采用自然断点法将中国WEF系统协调度分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，即：Ⅰ级为高度协调状态（|F|＜0.194）、Ⅱ级为基本协调状态（0.194≤|F|＜0.324）、Ⅲ级为拮抗状态（0.324≤|F|≤0.499）、Ⅳ级为失调状态（0.499＜|F|）。

2.2.1 中国WEF系统协调度时间演变特征分析

根据已获得的计算结果及协调性状态划分准则，绘制中国及三大区域WEF系统协调性时间变化趋势图，结果如图3所示。

由图3可知，研究时期内，中国WEF系统协调度呈现出波动变化的趋势，具体表现为三个发展阶段：① 1997～2004年的波动下降阶段；② 2004～2014年的波动上升阶段；③ 2014～2019年的波动变化态势。就整体变化程度而言，研究时期内，全国协调度增幅19.74%，年均增加0.82%。就三大区域而言，中部地区的协调度增幅最大，为44.17%，其次为东部地区（13.11%）和西部地区（5.06%），年均增长率也呈现中部地区（1.68%）大于东部地区（0.56%）大于西部地区（0.22%）的变化趋势。就协调类型而言，全国在1997～2009年间整体处于基本协调状态，2010～2019年则逐渐转变为拮抗状态。就三大区域而言，东部地区与中部地区除个别年份以外，其状态类型分布情况与全国状态类型分布相对一致，而西部地区则除个别年份以外均处于基本协调状态。

2.2.2 中国WEF系统协调度空间演变特征分析

为能够进一步揭示中国WEF系统协调度的空间分布特征及演變规律，按照等时段原则选取1997，2004，2012，2019年相关数据绘制中国WEF系统协调度水平空间分布图，结果见图4。

由图4可知，1997年，系统协调度处于Ⅰ级高度协调状态的主要有4个地区，而处于Ⅳ级失调状态的仅有宁夏、浙江两个地区，研究初期中国WEF系统的协调度在整体上处于基本协调状态（0.301）。相比1997年，2004年内蒙古由Ⅱ级基本协调状态转变为Ⅳ级失调状态，黑龙江、山西由Ⅲ级拮抗状态转变为失调状态，陕西则由高度协调状态转变为失调状态，辽宁、河南、江苏等7个地区则转变为完全协调状态，北京、河北、山东等7个地区由拮抗状态转为基本协调状态，浙江、宁夏、新疆等9个地区的协调状态保持不变，此时中国WEF系统协调度为0.240。2012年，新疆、北京、河北等11个地区的协调度呈现上升态势，由基本协调状态转变为拮抗状态；福建、海南由完全协调状态转变为拮抗状态，河南、广东则由完全协调状态转变为基本协调状态；甘肃、云南、贵州则由失调状态转变为完全协调状态，其余地区状态保持不变，此时中国WEF系统协调度提升至0.356，整体处于拮抗状态。研究末期，处于完全协调类型的主要包括甘肃、辽宁、安徽等9个地区，处于基本协调类型的地区个数降至7个，处于拮抗状态类型的地区包括新疆、山东、浙江等6个地区，而处于失调状态类型的地区主要包括黑龙江、内蒙古、北京等8个地区，主要集中在中国的北方地区，此时中国WEF系统协调度为0.360，整体仍然处于拮抗状态。

2.3 中国WEF系统协调度差异性调控策略

利用几何间隔法将合力偏离度（θ）划分为6个级别，如表3所列，并得到1997～2019年中国WEF系统评价指数偏离度（限于页面，仅列出部分年份），结果如表4所列。同时绘制中国水资源系统评价指数、能源系统评价指数及粮食系统评价指数在各自对应方向上的强度效率图，如图5所示。结合表3、表4及图4可将中国30个地区进行分类，结果如表5所列。

結合表3、图5及表5可知：

（1） 在粮食系统-能源系统作用类型区，安徽、湖北处于高粮食系统-低能源系统，未来安徽、湖北应注重粮食系统与能源系统的协调发展，可因地制宜地推进生物能源的发展，进而弥补区域能源系统的不足；四川则处于高能源系统-低粮食系统类型中，未来四川在农业生产过程中要加大能源投入，进一步提升粮食的生产效率，进而促进粮食系统评价指数的快速提升。

（2） 在水资源系统-能源系统作用类型区，有4个地区处于高水资源系统-低能源系统类型，未来这4个地区一方面要注重提升能源的利用效率，另一方面要加强能源建设，促使能源系统的提升。4个地区的能源系统强度效率均为正值，其中山西、内蒙古、陕西的能源系统强度效率提升显著，这表明随着时间的推移，上述地区受能源系统的影响越来越大；而水资源系统强度效率则为负值，这表明水资源系统低于既定目标值，未来需要不断提升能源生产过程中的水资源利用效率，降低污染物排放量，缓解区域水环境及水资源压力。

（3） 在粮食系统-水资源系统作用类型区，9个地区处于高水资源-低粮食系统，其中水资源系统强度效率除个别年份以外均为正值，相反，粮食系统则低于既定目标值，未来应加大农业生产投资，逐步提升单位粮食产量，促进粮食系统的快速发展；10个地区处于高粮食系统-低水资源系统，说明在上述地区的协调度类型变化中，粮食系统处于正向影响，而水资源系统处于负向影响，未来应逐步加强科技投入，实施“藏粮于地，藏粮于技”战略，加快建设高标准农田，提升农业用水效率，降低农业污染物排放，缓解区域水资源压力。

3 结论与展望

3.1 结 论

（1） 研究期内，中国水资源系统、能源系统及粮食系统的评价指数均呈上升态势，三大地区各系统的有序发展水平与全国变化趋势基本一致；各系统评价指数在空间分布上存在差异，西北、华北地区的能源系统评价指数较高，华北平原、东北地区则是粮食系统评价指数的高值区，而东部及南部地区则是水资源系统评价指数的高值区。

（2） 就协调类型而言，全国在1997～2009年间整体处于基本协调状态，2010～2019年则逐渐转变为拮抗状态，各区域WEF系统协调度在空间分布上具有较为显著的空间差异性。

（3） 研究时段内，中国30个地区出现高水资源系统-低粮食系统类型的次数最高，占比27.4%，其次为高粮食系统-低水资源系统的类型次数次之，占比23.6%，而高能源系统-低粮食系统的类型出现次数最低，占比3.6%；处于粮食系统-水资源系统作用类型区、水资源系统-能源系统作用类型区以及粮食系统-能源系统作用类型区的区域个数分别为19，8个和3个。

3.2 展 望

本文采用力学平衡模型对中国省际WEF系统的协调度进行了测度分析，虽然在一定程度上避免了传统耦合协调模型在权重处理方面难以体现系统差异性的问题，但需要注意的是，基于物理学领域合力求解思想的力学平衡模型在探讨三个系统作用力状态特征时，仅能够探究三个系统之间的两两作用关系，而第三系统通常为不确定状态。此外，本文在构建指标体系过程中，相关指标均为可量化指标，而一些难以量化如政策实施程度等对系统具有重要影响的指标并未涉及。因此，未来一方面需要进一步优化评价方法，综合考虑水资源、能源及粮食三种系统作用状态，进而对区域资源利用、产业布局及可持续发展提供参考；另一方面要在指标体系构建过程中充分考虑难以定性但具有重要影响的指标，同时要重点探讨区域政策对WEF系统的影响程度。

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（编辑：郑 毅）

Abstract：

Aiming at inadequate studies on coordination degree of water-energy-food system（WEF）at present，we constructed a WEF system coordination evaluation index system，and measured the WEF coordination of 30 provincial regions in China from 1997 to 2019 using a comprehensive evaluation model and a mechanistic equilibrium model，and proposed corresponding optimization and adjustment measures for different types of regions.The results show that ① The evaluation indices of China′s water resources system，energy system and food system all show an increasing trend during the study period，and the evaluation indices of each system in eastern China，central China and western China are basically consistent with the national change trend；there are differences in the spatial distribution of the evaluation indices of each system.② As for the coordination types，the distribution of state types in eastern China and central China is relatively consistent with the distribution of state types of whole China except for a few years，while the western China is in a basic coordination state except for a few years.③ During the study period，high water system-low food system type in 30 provincial regions of China occurred the most，189 times，accounting for 274%，while the high energy system-low food system types occurred the least，only 25 times，accounting for 36%.The corresponding optimal regulation measures were proposed with the characteristics of the type area.

Key words：

water-energy-food；coordination degree；mechanical equilibrium model；classified regulation；China