黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

趙良仕，劉思佳，孫才志

(遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029)

黃河流域是中國(guó)重要的煤炭、電力能源及糧食主產(chǎn)地，是“一帶一路”沿線和中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有戰(zhàn)略性作用的重要區(qū)域。由于其生態(tài)脆弱性以及流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重壓力，資源與生態(tài)環(huán)境成為制約黃河流域發(fā)展的關(guān)鍵性因素。2019年9月，習(xí)近平主席主持召開黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)并發(fā)表重要講話，明確了當(dāng)前黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)，主要包括加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等。探究區(qū)域水-能源-糧食系統(tǒng)及其內(nèi)部耦合關(guān)系是資源環(huán)境領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，也是促進(jìn)實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性研究。因此，科學(xué)評(píng)價(jià)黃河流域水-能-糧安全系統(tǒng)內(nèi)部耦合協(xié)調(diào)機(jī)制和安全狀況，對(duì)于促進(jìn)流域水-能源-糧食資源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展，加快推動(dòng)流域資源可持續(xù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

2011年11月，德國(guó)聯(lián)邦政府在波恩會(huì)議上首次將水安全、能源安全和糧食安全之間的關(guān)系總結(jié)為一種“紐帶關(guān)系”，認(rèn)為3種資源之間存在相互依存的聯(lián)系。2013年，聯(lián)合國(guó)亞太經(jīng)濟(jì)社會(huì)理事發(fā)布了《亞太地區(qū)水-糧食-能源紐帶關(guān)系報(bào)告》，指出水-能源-糧食在不同地區(qū)間也存在聯(lián)系且日趨緊密。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同的時(shí)空尺度下對(duì)水-能源-糧食系統(tǒng)進(jìn)行了研究[1-3]。基于全國(guó)視角，已有關(guān)于水-能源-糧食系統(tǒng)發(fā)展的協(xié)調(diào)程度和系統(tǒng)內(nèi)部壓力的研究成果[4-5]。還有以省、地級(jí)市為研究區(qū)域，探討水-能源-糧食耦合協(xié)調(diào)度的空間相關(guān)性及影響因素[6]，張洪芬等[7]，鄧鵬等[8]、畢博等[9]分別以京津冀地區(qū)、江蘇省和遼寧省為研究區(qū)，研究了地區(qū)水-能源-糧食耦合協(xié)調(diào)程度、時(shí)序演化及發(fā)展趨勢(shì)等問題。分析已有研究成果，目前對(duì)于水-能源-糧食紐帶關(guān)系研究方法包括耦合協(xié)調(diào)度模型[10-11]、PSR模型[12-13]、SD模型[14-15]等。我國(guó)水-能源-糧食系統(tǒng)紐帶三維關(guān)系的研究近年來逐漸增多，但總數(shù)依然相對(duì)較少，特別是定量研究。水-能源-糧食系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)機(jī)制研究尺度多集中于全國(guó)、省、市級(jí)區(qū)域，缺少如流域等中觀尺度視角的研究成果。水-能源-糧食三者作為強(qiáng)流動(dòng)性的社會(huì)基礎(chǔ)資源，地區(qū)資源協(xié)調(diào)能力與周邊地區(qū)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。從流域等中觀尺度出發(fā)，相關(guān)研究能夠更好地反映地區(qū)真實(shí)的資源統(tǒng)籌和可持續(xù)發(fā)展水平，為地區(qū)提出更具針對(duì)性的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性政策建議。

基于黃河流域視角，已有研究成果包括礦產(chǎn)和能源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等單個(gè)因素或相結(jié)合[16-20]；結(jié)合影響流域水資源鏈分配的因素分析流域水資源管理對(duì)策[21-24]；流域城市化、城市群發(fā)展[25-26]；流域人地與空間協(xié)調(diào)[27]及探討流域高質(zhì)量發(fā)展[28-29]等。彭少明等[30]從提高流域資源承載力出發(fā)，研究了黃河流域水-能源-糧食的一體優(yōu)化布局。從已有研究成果來看，目前對(duì)黃河流域的研究集中于水、能源、糧食中的兩種資源組合，或與資源環(huán)境要素相結(jié)合。如果一味集中于系統(tǒng)內(nèi)部某種資源承載力的提高，必然會(huì)給其他資源造成負(fù)面壓力；系統(tǒng)內(nèi)部任何一個(gè)子系統(tǒng)安全受到威脅，其他子系統(tǒng)也會(huì)受到連鎖反應(yīng)[31-32]。當(dāng)前黃河流域不能僅以提高地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源承載力為目標(biāo)，而是應(yīng)從流域生態(tài)脆弱性出發(fā)，整體把握流域水-能源-糧食3種資源的開發(fā)和利用趨勢(shì)，明確流域各子系統(tǒng)發(fā)展方式中存在的問題，將地區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)與轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展相結(jié)合。綜上，亟須以中觀尺度視角聚焦黃河流域可持續(xù)發(fā)展問題，對(duì)流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)、資源統(tǒng)籌可持續(xù)及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)方面進(jìn)行量化研究。

本文選取黃河流域內(nèi)8個(gè)主要省級(jí)行政區(qū)的水、能源、糧食安全系統(tǒng)共38個(gè)指標(biāo)，采用主成分分析法確定權(quán)重，構(gòu)建黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)，對(duì)流域2007—2017年水-能源-糧食安全系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和分析，建立水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型，探究黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，從流域尺度探討水-能源-糧食實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的可行路徑，以期為黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供對(duì)策和建議。

1 研究區(qū)域概況

黃河流域在中國(guó)十大一級(jí)流域中降水量排名居后位，多年平均降水量遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平，降水時(shí)空分布極不均衡。黃河流域又被稱為“能源流域”，流域內(nèi)擁有中國(guó)一半的煤炭基地和七成的煤電基地，是我國(guó)重要的能源、化工原材料和基礎(chǔ)工業(yè)基地。流域內(nèi)以內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西、陜西為代表的能源大省，面臨傳統(tǒng)產(chǎn)能過剩、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)需轉(zhuǎn)型升級(jí)的困境。此外，流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過多依靠化石能源消耗，也為流域的環(huán)境污染治理和可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力。黃河流域是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)地帶，對(duì)維護(hù)我國(guó)整體糧食安全具有突出作用。黃河僅占全國(guó)河川徑流2%的水量，承擔(dān)著全國(guó)12%的人口、13%的糧食產(chǎn)量以及補(bǔ)給各支流水系的任務(wù)。流域內(nèi)黃淮海平原、汾渭平原等地是我國(guó)谷物主產(chǎn)區(qū)，糧食和肉類產(chǎn)量約占全國(guó)1/3。據(jù)國(guó)務(wù)院新聞辦發(fā)布的《中國(guó)的糧食安全》白皮書顯示，2001—2018年我國(guó)年均進(jìn)口的糧食總量中，稻谷和小麥兩大口糧品種合計(jì)占比不足6%；根據(jù)海關(guān)總署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年黃河流域主要8省(區(qū))進(jìn)口谷物總值僅3.48億美元。水資源短缺已成為新形勢(shì)下影響國(guó)家糧食安全最重要的因素[33]，當(dāng)前黃河流域水資源開發(fā)利用率遠(yuǎn)超國(guó)際公認(rèn)的40%生態(tài)警戒線，水資源利用率低、水資源供給存在巨大缺口。以寧夏回族自治區(qū)為例，2017年寧夏供水總量中，89.9%供水量來源于黃河水源。目前黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依賴于不可更新能源的消耗[34]，經(jīng)濟(jì)總量占全國(guó)比例呈下滑趨勢(shì)。提高人民生活水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求將會(huì)進(jìn)一步加劇流域資源矛盾和生態(tài)環(huán)境壓力。尋找黃河流域資源可持續(xù)、高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展之路迫在眉睫。圖1為黃河流域水資源量及能源、糧食生產(chǎn)總量占全國(guó)比例。

圖1 黃河流域水資源量及能源、糧食生產(chǎn)總量占全國(guó)比例

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來源

水-能源-糧食安全系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)相互作用而組成的復(fù)合系統(tǒng)，且各子系統(tǒng)間存在著密切聯(lián)系。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的可得性與針對(duì)性，在已有研究成果的基礎(chǔ)上選取子系統(tǒng)指標(biāo)，以適用于長(zhǎng)時(shí)段的時(shí)間序列分析需要。本文以2007—2017年為考察期，從3個(gè)子系統(tǒng)中共選取了38個(gè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)水利統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)水資源公報(bào)》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》及各省統(tǒng)計(jì)年鑒等。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及權(quán)重確定

2.2.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為消除不同指標(biāo)量綱或數(shù)量級(jí)不同所造成的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，部分缺失數(shù)據(jù)已統(tǒng)一采用線性擬合法估算而得。根據(jù)指標(biāo)的不同功效分為正、負(fù)指標(biāo)，正、負(fù)向指標(biāo)的計(jì)算公式分別為

X′ij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

X′ij=(Xmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中：Xij、X′ij分別為第i年指標(biāo)j的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Xjmax、Xjmin分別為歷年來指標(biāo)j的最大值和最小值。

2.2.2指標(biāo)權(quán)重確定

主成分分析是設(shè)法將原來眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)，這幾個(gè)綜合指標(biāo)既能盡量多地反映原來較多指標(biāo)所反映的信息，同時(shí)它們之間又是彼此獨(dú)立的，是一種降維處理方法。利用主成分分析法可以客觀地確定各指標(biāo)權(quán)重，有效避免人為主觀因素的影響，具有直觀和可操作性，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)果的客觀性和可信性。利用SPSS19.0，采用主成分分析法獲取指標(biāo)權(quán)重的具體過程為：①求出標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣；②得到相關(guān)系數(shù)矩陣的特征根和特征向量，以及特征根對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率；③取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%且特征值大于1的前t個(gè)主成分綜合原始數(shù)據(jù)信息，記其方差貢獻(xiàn)率為：A=(A1，A2，…，At)，利用載荷數(shù)與特征根得到主成分線性組合中的系數(shù)；④以方差貢獻(xiàn)率作為主成分權(quán)重，對(duì)指標(biāo)在主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均；⑤最后將指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行歸一化，得到最終每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

2.3 水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)

運(yùn)用線性加權(quán)法計(jì)算水、能源、糧食安全子系統(tǒng)的綜合指數(shù)，以衡量各子系統(tǒng)的發(fā)展水平，計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：Wi、Ei、Fi分別為第i年水、能源、糧食安全子系統(tǒng)的綜合指數(shù)，該指數(shù)越高說明發(fā)展水平越高；wj為各子系統(tǒng)指標(biāo)j的權(quán)重；X′ij、Y′ij、Z′ij分別為各子系統(tǒng)第i年指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

2.4 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)模型目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地理學(xué)中，用于研究系統(tǒng)及內(nèi)部的耦合、協(xié)調(diào)和反饋的機(jī)理與機(jī)制。根據(jù)已有研究成果[7-8,35]，本文借助耦合度模型定量分析黃河流域水、能源、糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)之間相互作用的程度，構(gòu)建黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合度模型：

(6)

式中Ci為第i年的耦合度，反映子系統(tǒng)間相互作用、相互影響程度的強(qiáng)弱，0≤Ci≤1，值越大表明子系統(tǒng)之間越協(xié)調(diào)，當(dāng)Ci=1時(shí)表明子系統(tǒng)間處于最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)。

表1 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于耦合度在某些情況下不足以充分表征水-能源-糧食安全系統(tǒng)的整體功能或發(fā)展水平。為了能更好地反映流域系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的高低，構(gòu)建了耦合協(xié)調(diào)度模型，其計(jì)算公式為

(7)

其中

Ti=αWi+βEi+γFi

式中：Di為第i年的耦合協(xié)調(diào)度；Ti為第i年的水-能源-糧食安全系統(tǒng)的綜合指數(shù)；α、β、γ為各子系統(tǒng)重要程度的權(quán)重，本文認(rèn)為3個(gè)子系統(tǒng)同等重要，因此設(shè)定α=β=γ=1/3。

為了更好地分析系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度和所處的階段，參考已有的研究成果[6-11]將耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行等級(jí)和類型的劃分(表2)。

表2 耦合協(xié)調(diào)度類型及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)

分別測(cè)算2007—2017年黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)中3個(gè)子系統(tǒng)綜合指數(shù)，從而得到黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)的變化情況(圖2)。由圖2可見，水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)在研究期內(nèi)整體波動(dòng)幅度相對(duì)較小，但年平均增長(zhǎng)率為-0.39%，呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)；能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)總體波動(dòng)幅度不大，前期呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從2010年開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)率為 -0.98%，也呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)在2007年處于最低位水平，在2007—2017年呈現(xiàn)出良好的上升態(tài)勢(shì)，2017年增長(zhǎng)為3個(gè)子系統(tǒng)中最高位水平，上漲幅度最大，漲幅波動(dòng)最大，年平均增長(zhǎng)率在1.02%左右。由3個(gè)子系統(tǒng)綜合指數(shù)的變化趨勢(shì)可見，黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)在研究期內(nèi)前期呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，波動(dòng)幅度較小，研究期間內(nèi)的綜合指數(shù)從2007年的0.404提高至2016年的0.562，年平均增長(zhǎng)率為2.04%。但由于受到研究期后期子系統(tǒng)綜合指數(shù)下降影響，流域安全系統(tǒng)綜合指數(shù)也略有下降，可見黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)內(nèi)部相互耦合關(guān)聯(lián)，3個(gè)子系統(tǒng)共同影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。

圖2 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)變化

黃河流域整體水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)均值為0.512，處在中等水平。流域內(nèi)各地區(qū)自然資源條件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r各不相同，影響了水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)的發(fā)展水平。其中，水、糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)較好，能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)均值小于0.5，為3個(gè)子系統(tǒng)中最低值。流域水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)均值為0.518，青海、寧夏與流域年均水平基本持平，甘肅、山西、山東均高于流域年均水平，內(nèi)蒙古、陜西、河南與流域年均水平仍有較大差距。能源安全方面，青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西略高于流域年均值，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的山西、河南、山東3省能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)較低，較流域年均水平仍有一定差距。流域糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)最高，年均值為0.523，反映出黃河流域作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，流域內(nèi)糧食安全子系統(tǒng)發(fā)展水平較好，其中青海、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西4省年均值高于流域年均水平，而河南、山東作為我國(guó)傳統(tǒng)糧食產(chǎn)地，綜合指數(shù)水平卻低于流域年均值，反映出兩省在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中存在一定問題。

圖3為2007—2017年黃河流域及各省水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)均值。由圖3可見，上游青海、甘肅兩省3個(gè)子系統(tǒng)綜合指數(shù)均在流域平均值以上，耦合協(xié)調(diào)度穩(wěn)步上升，增長(zhǎng)速度較快，兩省水電發(fā)電量占比大，清潔能源發(fā)展?jié)摿Υ?。寧夏地區(qū)的水資源供需缺口極大，開發(fā)利用率極高，供給安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)仍位居流域中等水平；同時(shí)，能源與糧食安全子系統(tǒng)的年均綜合指數(shù)不高，與地區(qū)人均能源消耗量較高、能源自給率在研究期后期有所下降、人口增速相對(duì)較快等因素有一定關(guān)聯(lián)。內(nèi)蒙古水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)位居流域末位，表現(xiàn)在地區(qū)水資源量不穩(wěn)定，易發(fā)生自然災(zāi)害；人均用水量大，同時(shí)作為農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)用水占比高。陜西的水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)較低，地區(qū)水資源供給不穩(wěn)定，水資源開發(fā)率逐年攀升；能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)與流域平均水平持平，能源自給率高；糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)居流域前列，地區(qū)農(nóng)業(yè)災(zāi)害得到有效控制，同時(shí)地區(qū)農(nóng)業(yè)用水需求增長(zhǎng)不明顯，糧食生產(chǎn)水平逐年提高。山西能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)與流域平均水平有一定差距，煤炭能源消費(fèi)占比大，能源利用效率低，地區(qū)能源及工業(yè)結(jié)構(gòu)亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)；糧食安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)也低于流域平均水平，自然災(zāi)害較多，人均糧食產(chǎn)量波動(dòng)大，受地區(qū)地形因素影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程受阻。河南3個(gè)子系統(tǒng)綜合指數(shù)均低于流域平均水平，地區(qū)用水總量居流域首位，人均用水量大，地區(qū)水資源缺口極大，地下水開發(fā)過載；水資源利用不合理、效率低；能源供給缺口大，工業(yè)用水占比20%以上，地區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理；河南是我國(guó)農(nóng)業(yè)大省，但農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地區(qū)人民生活帶來負(fù)面影響較大，地區(qū)糧食消費(fèi)價(jià)格指數(shù)和糧食流動(dòng)成本較高。山東水安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)略高于流域平均水平，近年來通過技術(shù)手段和出臺(tái)相關(guān)政策把控，地區(qū)水資源承載力有所改善；能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)略低，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，能源消耗量大，能源自給率為流域最低水平，工業(yè)污染嚴(yán)重；地區(qū)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害頻發(fā)，不利于保障糧食穩(wěn)定生產(chǎn)。

綜上，黃河流域各省由于自然資源條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同，水、能源、糧食各安全子系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同水平，進(jìn)而影響地區(qū)水-能源-糧食安全系統(tǒng)整體水平。各子系統(tǒng)綜合指數(shù)均較好的省區(qū)，水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)也呈現(xiàn)較好水平。黃河流域各省水-能源-糧食安全系統(tǒng)內(nèi)部存在一定的耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，任意子系統(tǒng)的發(fā)展或滯后均會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，必須統(tǒng)籌考慮三者內(nèi)部的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，才能更有效地推動(dòng)水-能源-糧食安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)高效發(fā)展。

(a) 水子系統(tǒng)

3.2 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)分析

利用耦合協(xié)調(diào)度模型測(cè)算2007—2017年黃河流域及流域主要8省(區(qū))水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度(圖4)。研究期內(nèi)，流域耦合協(xié)調(diào)度處于由初級(jí)耦合向中級(jí)耦合過渡的階段，從0.622增長(zhǎng)到0.746，由初級(jí)協(xié)調(diào)水平上升到中級(jí)協(xié)調(diào)水平，呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但同時(shí)受到3個(gè)子系統(tǒng)漲幅波動(dòng)及負(fù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的影響，增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢，年平均增長(zhǎng)率為1.1%。流域內(nèi)各主要省區(qū)的耦合協(xié)調(diào)度及流域上、中、下游地區(qū)在各子系統(tǒng)方面的表現(xiàn)也各有特點(diǎn)。黃河流域上游省區(qū)及內(nèi)蒙古的耦合協(xié)調(diào)度在研究初期水平較低，中下游省區(qū)耦合協(xié)調(diào)度水平略優(yōu)于上游；8省(區(qū))的耦合協(xié)調(diào)度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但各省增速差別明顯。青海、甘肅、內(nèi)蒙古、山東4省(區(qū))耦合協(xié)調(diào)度增長(zhǎng)速度較快，年平均增長(zhǎng)率均大于3%；寧夏、陜西、山西、河南增速較慢，年平均增長(zhǎng)率在0.5%～1.8%之間。流域內(nèi)各省水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平不盡相同：青海、甘肅、山東發(fā)展態(tài)勢(shì)明顯向好，由2007年的勉強(qiáng)協(xié)調(diào)水平發(fā)展到2017年的中級(jí)良好水平左右；寧夏、陜西發(fā)展呈上升態(tài)勢(shì)，耦合協(xié)調(diào)度增長(zhǎng)速度較緩，但整體平穩(wěn)向好；內(nèi)蒙古、山西、河南耦合協(xié)調(diào)度波動(dòng)上升，耦合協(xié)調(diào)度在研究期內(nèi)波動(dòng)較大，但整體依然保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度變化

流域上游地區(qū)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)水平較弱，水-能源-糧食三者耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展較快，在水安全子系統(tǒng)中評(píng)價(jià)較高。上游地區(qū)水資源量較充足，地下水開采量及水資源開發(fā)利用率等整體較低，可持續(xù)水平較高。用水總量少，但在農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)下，上游地區(qū)人均用水量要高于中下游地區(qū)。同時(shí)，上游地區(qū)人口密度較低，由于自身經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展水平影響，水資源利用效率低于中下游地區(qū)，水污染排放總量較少。上游地區(qū)生態(tài)用水占比高于中下游地區(qū)，有利于促進(jìn)地區(qū)生態(tài)良性循環(huán)，維護(hù)和改善地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境。上游地區(qū)承擔(dān)著流域保護(hù)、涵養(yǎng)水源的重要任務(wù)，必須關(guān)注上游地區(qū)的水資源生態(tài)建設(shè)問題。

流域中游及上游部分地區(qū)是能源安全子系統(tǒng)良好穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，但地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，資源整體可持續(xù)水平較低。中游地區(qū)是全國(guó)重要的能源工業(yè)基地，煤、電等能源產(chǎn)量大，同時(shí)具有發(fā)展水電的自然優(yōu)勢(shì)，能源自給率高，同時(shí)也是東部地區(qū)重要的能源供應(yīng)地之一。能源消費(fèi)量、利用效率、污染排放量均處于流域中等水平，符合地區(qū)實(shí)際發(fā)展情況；地區(qū)工業(yè)用水占比與下游地區(qū)基本持平，但用水效率低于下游地區(qū)。這部分地區(qū)由于自身資源優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來過度依靠能源資源發(fā)展，對(duì)流域的水資源和生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響較為嚴(yán)重。轉(zhuǎn)變能源等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高地區(qū)水資源利用效率等將是該地區(qū)未來發(fā)展的主要方向。

流域下游及部分中上游過渡地區(qū)是流域糧食生產(chǎn)的重要保障。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為地區(qū)水資源與能源帶來巨大壓力，不利于地區(qū)水-能源-糧食耦合協(xié)調(diào)度提高和資源可持續(xù)發(fā)展。下游地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大，發(fā)展水平較高；經(jīng)濟(jì)水平在流域內(nèi)居于前列，地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，發(fā)展水平較高，恩格爾系數(shù)小于流域內(nèi)其他地區(qū)，糧食消費(fèi)價(jià)格指數(shù)及糧食流通成本略高于流域內(nèi)其他地區(qū)。同時(shí)，流域下游地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的雙重壓力，地區(qū)水資源和能源壓力處于流域內(nèi)高位水平，地區(qū)內(nèi)部水-能源-糧食三者的矛盾更加尖銳，不利于水-能源-糧食耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

結(jié)合黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)變化，分析流域安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前流域內(nèi)水、能源資源為系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展帶來負(fù)向壓力；研究期末，由于水、能源安全子系統(tǒng)綜合指數(shù)雙重負(fù)增長(zhǎng)的壓力，糧食安全子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)也略有下降。如果不積極采取措施，水資源與能源資源將長(zhǎng)期處于低效不安全發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并會(huì)對(duì)糧食系統(tǒng)產(chǎn)生限制和嚴(yán)重不利影響，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)安全與耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.3 耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測(cè)

利用Matlab建立灰色預(yù)測(cè)模型(GM(1,1))，預(yù)測(cè)2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展趨勢(shì)(圖5)，經(jīng)擬合度檢驗(yàn)，平均相對(duì)殘差為0.034，平均級(jí)比偏差為0.028 3，殘差檢驗(yàn)和級(jí)比偏差檢驗(yàn)的結(jié)果都表明該模型對(duì)原數(shù)據(jù)的擬合程度較好。

圖5 黃河流域2018—2027年耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測(cè)

由圖5可見，2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度基本穩(wěn)定在0.73～0.76之間，增長(zhǎng)幅度不明顯，整體保持中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；預(yù)測(cè)中期曲線呈現(xiàn)輕微凹型，表明預(yù)測(cè)中期流域安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)指數(shù)有輕微下降，但下降后仍處于中級(jí)耦合協(xié)調(diào)水平，且在預(yù)測(cè)后期有所回升?？梢姡?018年流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度達(dá)到一定水平后，在保持當(dāng)前資源開發(fā)利用方式的情況下，未來一定時(shí)期流域的耦合協(xié)調(diào)程度將一直處于中級(jí)協(xié)調(diào)水平，未能向更優(yōu)耦合協(xié)調(diào)水平發(fā)展。黃河流域當(dāng)前發(fā)展方式存在問題，阻礙了流域向高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。在流域內(nèi)水資源供需矛盾日趨尖銳，而經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和能源工業(yè)存在一定的發(fā)展慣性的情況下，必須積極轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，才能推動(dòng)流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平進(jìn)一步提高。因此，需要關(guān)注流域內(nèi)水資源供給及利用效率；流域中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，重點(diǎn)包括能源行業(yè)等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型等問題；農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、機(jī)械化邁進(jìn)，同時(shí)關(guān)注流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)、減災(zāi)和抗災(zāi)問題，保障地區(qū)糧食生產(chǎn)穩(wěn)定。由于水-能源-糧食安全系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的機(jī)制較為復(fù)雜，誤差值總體上保持在較小范圍內(nèi)，個(gè)別波動(dòng)較大年份反映在圖像上距離擬合曲線較遠(yuǎn)，需要最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)精度。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

a. 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)綜合指數(shù)處于中等水平，指數(shù)特征與流域整體水-能源-糧食特征基本吻合。3個(gè)安全子系統(tǒng)具有各自特點(diǎn)和相對(duì)獨(dú)立性，但子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，任意子系統(tǒng)的發(fā)展水平均會(huì)影響流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)整體。提升各子系統(tǒng)及地區(qū)發(fā)展水平有利于推動(dòng)整體安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

b. 黃河流域2007—2017年水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度經(jīng)歷初級(jí)和中級(jí)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平，年均值為0.71。耦合協(xié)調(diào)度整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，年增幅1.1%。流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度仍有較大發(fā)展空間和潛力。

c. 黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)雖然整體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，但其中水安全子系統(tǒng)和能源安全子系統(tǒng)呈現(xiàn)輕微負(fù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，當(dāng)前兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)整體存在一定負(fù)向壓力，表明目前流域內(nèi)水資源與能源的開發(fā)和利用現(xiàn)狀存在較大問題，已經(jīng)阻礙流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)特別關(guān)注。

d. 預(yù)測(cè)2018—2027年黃河流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)果顯示耦合協(xié)調(diào)度仍將保持在中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展水平。如果不采取積極有力的措施改善水資源供需矛盾，突破流域能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等桎梏，流域水-能源-糧食安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展受限，嚴(yán)重影響流域資源分配利用和可持續(xù)發(fā)展水平，無法推動(dòng)流域整體生態(tài)環(huán)境可持續(xù)建設(shè)。

4.2 建議

a. 高質(zhì)量發(fā)展是黃河流域的核心戰(zhàn)略，必須兼顧水-能源-糧食安全系統(tǒng)資源協(xié)調(diào)與地區(qū)發(fā)展。提高地區(qū)整體安全系統(tǒng)協(xié)調(diào)性，必須在制定發(fā)展方向與規(guī)劃上，統(tǒng)籌考慮水-能源-糧食的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系。

b. 水、能源、糧食各子系統(tǒng)資源供需矛盾、利用效率低等問題均會(huì)影響到其他子系統(tǒng)。必須加強(qiáng)資源綜合管理，加強(qiáng)各部門之間的配合和協(xié)作。在制定某單個(gè)子系統(tǒng)的相關(guān)政策時(shí)，應(yīng)關(guān)注對(duì)其他子系統(tǒng)的不利影響。

c. 水、能源、糧食各子系統(tǒng)需要積極采取措施，協(xié)調(diào)流域資源平衡發(fā)展。水資源矛盾是當(dāng)前黃河流域的基礎(chǔ)性問題。因地制宜，通過嚴(yán)格把控高耗水高污染項(xiàng)目、引水入黃、提高水資源利用效率等方法緩解供需矛盾。

d. 黃河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀依然不容樂觀。流域生態(tài)退化問題嚴(yán)重，水資源過度開發(fā)、能源過度開采、流域生態(tài)保育用地與農(nóng)業(yè)用地的平衡、污染嚴(yán)重以及流域自身地理、生態(tài)特點(diǎn)等問題使得黃河流域的生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。水、能源、糧食三者協(xié)調(diào)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)以流域生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)為核心內(nèi)涵，從自然恢復(fù)、人地關(guān)系協(xié)調(diào)的角度審視流域資源可持續(xù)問題，進(jìn)而加強(qiáng)資源與生態(tài)的綜合高效管理，推進(jìn)流域資源可持續(xù)和高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展。