城市食物-能源-水資源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性研究：以北京市為例

李心晴 張力小 張鵬鵬 郝巖 熊欣

摘要 食物、能源和水資源是人類(lèi)生存和發(fā)展不可或缺、不可替代的基礎(chǔ)性資源，三者之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。城市是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與資源消耗的集聚地，也是食物、能源和水資源供需矛盾沖突最為激烈的區(qū)域，食物安全、化石能源枯竭和淡水資源短缺等全球性問(wèn)題已成為未來(lái)城市可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)分析與模擬城市食物-能源-水資源的供給、需求及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)保障城市資源供給安全、推動(dòng)資源系統(tǒng)管理具有重要的實(shí)踐意義。文章基于Stella建模平臺(tái)，構(gòu)建了區(qū)域關(guān)聯(lián)和要素關(guān)聯(lián)耦合作用下城市食物、能源與水資源供需的動(dòng)態(tài)模型，以北京市為例，定量模擬了2016—2035年食物-能源-水資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化及其關(guān)聯(lián)特征。結(jié)果表明：①2035年，北京城市居民糧食需求量預(yù)計(jì)約216萬(wàn)t，肉類(lèi)83萬(wàn)t，總能源需求量約9165萬(wàn)tce，總需水量約46億m3，而由本地獨(dú)立生產(chǎn)和供給的資源量?jī)H分別為21萬(wàn)t、23萬(wàn)t、1650萬(wàn)tce和33億m3，本地供需缺口都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，必須依賴(lài)外部地區(qū)的資源投入滿足本地需求。②食物-能源-水資源要素之間相互作用的絕對(duì)量增加且生產(chǎn)“外包”特征明顯，本地食物-能源-水資源關(guān)聯(lián)關(guān)系向運(yùn)輸、處理等供應(yīng)鏈后端環(huán)節(jié)偏移。③要素關(guān)聯(lián)關(guān)系上，食物與水資源的耦合作用最強(qiáng)，能源和食物的關(guān)聯(lián)程度明顯增大，水資源和能源的關(guān)聯(lián)程度較穩(wěn)定。區(qū)域關(guān)聯(lián)關(guān)系上，食物-能源-水資源系統(tǒng)區(qū)域間關(guān)聯(lián)性增強(qiáng)。④城市資源的系統(tǒng)管理需要綜合考慮食物-能源-水資源供需過(guò)程中的多重權(quán)衡關(guān)系，建立多區(qū)域、多要素一體化的資源協(xié)同管理機(jī)制。

關(guān)鍵詞 食物-能源-水;關(guān)聯(lián)關(guān)系;動(dòng)態(tài)模擬;Stella

中圖分類(lèi)號(hào) X24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 D63文章編號(hào) 1002-2104（2021）05-0174-11DOI：10.12062/cpre.20201017

食物、能源與水資源（food，energyandwater，F(xiàn)EW）是人類(lèi)生存和發(fā)展不可或缺、不可替代的基礎(chǔ)性資源[1]。當(dāng)前人類(lèi)取得了超越任何歷史時(shí)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成就，然而全球食物、能源和水資源的總體態(tài)勢(shì)仍然嚴(yán)峻[2]。食物安全、淡水資源短缺和化石能源枯竭已成為全球性問(wèn)題。城市是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與資源消耗的集聚地，也是食物、能源與水資源供需矛盾最為突出的區(qū)域[3]。高強(qiáng)度的資源需求造成了嚴(yán)重的資源超載問(wèn)題，如何保障城市食物-能源-水資源系統(tǒng)的供需安全是推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。食物-能源-水資源之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，一種資源的約束可能會(huì)限制其他資源的開(kāi)發(fā)利用[4]。隨著資源稀缺程度增加，“關(guān)聯(lián)關(guān)系”約束下食物-能源-水資源呈現(xiàn)的協(xié)同或拮抗作用愈加強(qiáng)烈，更加劇了城市內(nèi)的資源沖突。同時(shí)，城市是一個(gè)高度開(kāi)放的系統(tǒng)，資源的生產(chǎn)和消費(fèi)在空間上呈現(xiàn)明顯分離[5-6]，日益增長(zhǎng)的區(qū)域輸入影響著城市食物-能源-水資源的供需系統(tǒng)，城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境變化也會(huì)影響其他區(qū)域的資源安全[7]，使城市食物-能源-水資源的供需管理更為復(fù)雜。2014年，德國(guó)技術(shù)合作組織（GIZ）與地方政府環(huán)境行動(dòng)理事會(huì)（ICLEI）在合作項(xiàng)目中首次提出“UrbanNexus”的概念[8]，將食物-能源-水資源關(guān)聯(lián)關(guān)系與城市可持續(xù)發(fā)展聯(lián)系起來(lái)，強(qiáng)調(diào)必須重視城市食物-能源-水資源的系統(tǒng)管理。因此，有必要從關(guān)聯(lián)視角出發(fā)，充分考慮城市系統(tǒng)的開(kāi)放性特征和區(qū)域傳導(dǎo)效應(yīng)[9]，對(duì)未來(lái)食物-能源-水資源系統(tǒng)的供需變化及資源開(kāi)發(fā)利用的協(xié)調(diào)與安全性進(jìn)行“前瞻性”預(yù)判，以服務(wù)城市資源安全與協(xié)同管理[10]。

1文獻(xiàn)綜述

城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)對(duì)食物-能源-水資源提出了更高要求，全球氣候變化和公共衛(wèi)生事件的突發(fā)更增加了保障城市食物-能源-水資源供需安全的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。如何應(yīng)對(duì)未來(lái)不斷擴(kuò)大的資源需求以及快速退化的資源生產(chǎn)是城市管理決策者亟待解決的問(wèn)題[11]。長(zhǎng)期以來(lái)，城市系統(tǒng)大多是以單一、割裂、機(jī)械的方式考慮食物、能源與水資源，試圖通過(guò)對(duì)資源供需開(kāi)展現(xiàn)狀評(píng)估[12-14]或預(yù)警分析[15-18]在單要素領(lǐng)域提出應(yīng)對(duì)資源危機(jī)的有效措施，這種傳統(tǒng)的“孤島式”的資源管理忽視了食物-能源-水資源要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，不能充分反映資源利用在管理實(shí)踐中的復(fù)雜性，甚至?xí)?lái)新的資源困境，不利于實(shí)現(xiàn)資源整體分析和綜合管理[19]。

2011年波恩會(huì)議之后，“關(guān)聯(lián)關(guān)系”作為環(huán)境管理的新范式，逐漸成為世界性的熱點(diǎn)議題。目前學(xué)術(shù)界對(duì)食物-能源-水資源系統(tǒng)存在客觀復(fù)雜的相互作用基本達(dá)成共識(shí)，并逐漸形成以食物-能源-水資源為核心的多要素、多尺度的研究框架[9，20]。在此基礎(chǔ)上，有關(guān)食物-能源-水資源的模型開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，主要用于量化與評(píng)價(jià)復(fù)雜食物-能源-水資源系統(tǒng)的行為模式和互動(dòng)關(guān)系，如多尺度綜合評(píng)價(jià)模型（MuSIASEM）[21]、WEF關(guān)聯(lián)關(guān)系研究工具（WEFNexusTool2.0）[22]等，此類(lèi)模型可以通過(guò)情景分析探索國(guó)家尺度資源利用的最優(yōu)方案，但主要側(cè)重靜態(tài)分析，不利于掌握食物-能源-水資源系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律;而氣候-土地-能源-水模型（CLEWs）[23]、區(qū)域綜合建模和分析平臺(tái)（PRIMA）[24]等雖可以實(shí)現(xiàn)不同國(guó)家或區(qū)域食物-能源-水資源安全的動(dòng)態(tài)評(píng)估，但往往由于模型固化、參數(shù)復(fù)雜，在面對(duì)特定研究對(duì)象與問(wèn)題時(shí)缺乏一定的靈活性，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市資源安全的整體把握。為此，部分學(xué)者借助不同的建模平臺(tái)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的模型分析工具，譬如Lin等[25]開(kāi)發(fā)了基于GIS的區(qū)域環(huán)境評(píng)估工具（GREAT），李桂君等[26]和王慧敏等[27]構(gòu)建了食物-能源-水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等，雖可有效模擬地方性區(qū)域未來(lái)食物-能源-水資源的變化趨勢(shì)，為城市動(dòng)態(tài)模擬研究提供借鑒，但并未考慮其開(kāi)放性特征，對(duì)多維關(guān)聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜性思考較為簡(jiǎn)單。因此，文章旨在綜合考慮城市食物-能源-水資源要素間、系統(tǒng)間、區(qū)域間的多重關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建靈活的城市食物-能源-水資源動(dòng)態(tài)模型，服務(wù)于城市資源系統(tǒng)管理。

作為首都的北京是中國(guó)快速城市化過(guò)程的縮影，獨(dú)特的區(qū)位條件和超大城市的定位決定了北京承受著日益緊張的資源壓力。文章以北京市為例，基于Stella建模平臺(tái)，提出城市食物-能源-水資源系統(tǒng)模型的建模范例，模擬北京城市發(fā)展過(guò)程中食物-能源-水資源的供給與需求，分析食物-能源-水資源彼此間關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的變化規(guī)律，以期為北京城市發(fā)展規(guī)劃實(shí)施以及構(gòu)建韌性城市管理方法提供定量化決策依據(jù)。

2研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1模型構(gòu)建

Stella是基于交互式界面的動(dòng)態(tài)建模與政策分析平臺(tái)，在復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系量化與結(jié)構(gòu)分析等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，操作靈活且不需要編寫(xiě)復(fù)雜的程序代碼，大大提高了建模的交互性與通用性。本研究綜合考慮食物-能源-水資源要素之間的依存關(guān)系（resourcesdependence，RD）、與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的供給關(guān)系（resourcesprovision，RP）以及城市與區(qū)域之間的耦合關(guān)系（resourcescross-region，RR）（圖1），基于Stella平臺(tái)進(jìn)行建模，模型包括四個(gè)模塊（圖2），模塊中變量的含義如表1所示。

模塊I是社會(huì)經(jīng)濟(jì)模塊，主要包含常住人口和GDP兩個(gè)重要參數(shù)，是生產(chǎn)生活中食物-能源-水資源需求的直接驅(qū)動(dòng)因素。GDP以2010年可比價(jià)表示，綜合分析世界銀行（WorldBank）與法國(guó)巴黎銀行（BNPParibas）數(shù)據(jù)庫(kù)資料、《2017—2018年中國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)分析與預(yù)測(cè)》及《北京藍(lán)皮書(shū)：北京經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告（2018—2019）》等研究報(bào)告以設(shè)定增長(zhǎng)率。人口動(dòng)態(tài)變化采用邏輯斯蒂增長(zhǎng)函數(shù)表示，參考《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》將2035年人口目標(biāo)設(shè)定為2300萬(wàn)人。

模塊Ⅱ是城市食物供需模塊，主要包括糧食和肉類(lèi)。北京本地糧食生產(chǎn)假設(shè)全部供本地消費(fèi)，由糧食種植面積與養(yǎng)殖規(guī)模的變化來(lái)進(jìn)行模擬，需求量由常住人口與居民人均家庭食物消費(fèi)量來(lái)估算，供需缺口決定外地調(diào)入量。食物對(duì)能源的消耗主要考慮生產(chǎn)（種植/養(yǎng)殖）-加工（碾米、屠宰等）-運(yùn)輸存儲(chǔ)-烹飪煮熟四個(gè)過(guò)程，而對(duì)水資源需求則主要考慮生產(chǎn)-加工-烹飪煮熟三個(gè)環(huán)節(jié)。

模塊Ⅲ是城市能源供需模塊，主要考慮了煤炭、石油、天然氣、電力和熱力五種能源類(lèi)型。北京市本地完全自給的能源生產(chǎn)活動(dòng)僅有部分原煤開(kāi)采以及可再生能源的開(kāi)發(fā)。能源需求主體包括生產(chǎn)與生活需求。其中，生產(chǎn)需求包括食物和水資源系統(tǒng)需要的能源以及其他產(chǎn)業(yè)（主要指除農(nóng)業(yè)、水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、水利環(huán)境公共設(shè)施管理業(yè)以外的產(chǎn)業(yè)）的能源消耗;生活需求主要包括家庭食物加工與其他能耗之和。此外，能源生產(chǎn)和加工過(guò)程中的水資源消耗量，主要包括煤炭生產(chǎn)、火力發(fā)電、熱力供應(yīng)、油品加工以及可再生能源的生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。同時(shí)，綜合《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》及北京市可再生能源發(fā)展的現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)，設(shè)定太陽(yáng)能、地?zé)崮埽ê酂幔⑸镔|(zhì)能、風(fēng)能的發(fā)展情景。

模塊Ⅳ是城市水資源供需模塊，本地供水主體包括地表水、地下水及回用水三部分，而需水主體包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和市政景觀四部分。其中，地表水和地下水的供給量由歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推算，回用水利用量根據(jù)回用率估算。農(nóng)業(yè)需水主要由農(nóng)業(yè)灌溉用水驅(qū)動(dòng);工業(yè)需水由能源產(chǎn)業(yè)需水和一般工業(yè)（除能源生產(chǎn)、加工以外的工業(yè)活動(dòng)）需水共同決定;生活需水等于食物烹飪需水與人口和其他人均生活用水量乘積的和;市政景觀需水由人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平估算。以“原水提取”“水處理與分配”和“廢水處理與回收”三個(gè)環(huán)節(jié)計(jì)算水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的能源消耗[28]。以食物氮排放灰水足跡作為水系統(tǒng)受到食物系統(tǒng)影響的表征指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)采用《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（北京市地方標(biāo)準(zhǔn)）》（DB11/307-2013）中B排放限值。

2.2關(guān)聯(lián)指標(biāo)構(gòu)建

資源之間相互影響的程度不能僅僅從絕對(duì)量來(lái)反映，如，食物消耗的能源較多，但其他經(jīng)濟(jì)部門(mén)能源需求的增加會(huì)導(dǎo)致食物對(duì)能源系統(tǒng)構(gòu)成的實(shí)際影響可能較小。鑒于此，文章構(gòu)建了要素關(guān)聯(lián)指數(shù)，該指數(shù)指食物-能源-水資源交互作用量和需求量的比值，以表征系統(tǒng)內(nèi)要素間的關(guān)聯(lián)程度。

其中：γij為資源i對(duì)資源j的單向關(guān)聯(lián)指數(shù);IDij為資源i對(duì)j的交互影響量;TDj為資源j的總需求量;γi-j為資源i和j的關(guān)聯(lián)指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，以Lγi-j表示區(qū)內(nèi)的要素關(guān)聯(lián)程度，由實(shí)際發(fā)生在城市邊界以?xún)?nèi)的資源交互行為計(jì)算，兩指數(shù)差值為本應(yīng)由城市負(fù)擔(dān)卻外溢至區(qū)域的部分，反映城市食物-能源-水資源供需對(duì)區(qū)域資源系統(tǒng)的影響程度。

2.3數(shù)據(jù)及驗(yàn)證

為便于與《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》中設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，本研究將模擬時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)定為2035年，模擬步長(zhǎng)為1年。在對(duì)人口與GDP進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用歷史檢驗(yàn)法，利用2000—2016年食物、能源和水資源實(shí)際供、需總量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自2001—2017年歷年《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《北京市水資源公報(bào)》《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》《全國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》及文獻(xiàn)調(diào)研資料[29-41]。由于食物需求統(tǒng)計(jì)量存在統(tǒng)計(jì)口徑的缺口，本文選擇已有研究中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[42]，如圖3所示，總體模擬效果較好，模型可靠性較高。

3結(jié)果與分析

3.1食物-能源-水資源供需總量及結(jié)構(gòu)的變化

如圖3a、3b所示，北京市居民食物的需求量總體上呈飽和增長(zhǎng)趨勢(shì)。2000—2015年期間，北京市居民糧食和肉類(lèi)的人均消費(fèi)量基本穩(wěn)定在88kg和34kg左右，隨著人口規(guī)模逐漸擴(kuò)大，2035年北京城市糧食需求預(yù)計(jì)為216萬(wàn)t，肉類(lèi)83萬(wàn)t。從生產(chǎn)端來(lái)看，隨著城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、建設(shè)用地不斷擴(kuò)展以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間不斷被調(diào)減，糧食作物播種面積已由2000年30.8萬(wàn)hm2降至2015年的10.4萬(wàn)hm2，僅約0.13萬(wàn)hm2用地可服務(wù)于畜禽養(yǎng)殖，本地供給能力持續(xù)下降，2035年預(yù)計(jì)僅可保留約21萬(wàn)t糧食和23萬(wàn)t肉類(lèi)的生產(chǎn)量，本地供需缺口將不斷拉大。

能源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本動(dòng)力，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)強(qiáng)烈的耦合關(guān)系（圖3c、3d）。北京市生產(chǎn)總值可比值從2000年的0.47萬(wàn)億元預(yù)計(jì)增加到2035年的6.91萬(wàn)億元，而能源需求將由4144萬(wàn)tce增加至約9165萬(wàn)tce，略超過(guò)《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》中“2035年力爭(zhēng)控制能源消費(fèi)總量在9000萬(wàn)tce左右”的目標(biāo)。需要說(shuō)明的是，北京市曾以煤炭作為城市生產(chǎn)生活的重要能源，近年來(lái)隨著“去煤炭化”進(jìn)程的推進(jìn)，陜京天然氣管道、燃?xì)鉄犭娭行牡饶茉椿A(chǔ)設(shè)施建成并投入使用，北京的能源消費(fèi)趨于清潔和多元，以天然氣、電力和油品為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將成為最主要格局，到2035年將占總消費(fèi)量的90%以上。2020年本地煤礦關(guān)閉之后，北京化石能源消費(fèi)將全部依靠調(diào)入，本地主要生產(chǎn)可再生能源，結(jié)構(gòu)上以太陽(yáng)能和地?zé)崮転橹鳎偭可项A(yù)計(jì)2035年實(shí)現(xiàn)消費(fèi)占比達(dá)到18%，距《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》中20%的目標(biāo)仍有一些距離。

水資源供求關(guān)系在南水北調(diào)中線通水之后基本可實(shí)現(xiàn)總量平衡，但這種“緊平衡”狀態(tài)卻是極度脆弱的（圖3e、3f）。模擬結(jié)果顯示，2035年北京市水資源總需求量達(dá)46億m3，較2015年增加約19%。結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為工農(nóng)業(yè)需水大幅下降，生活需求和市政景觀需求成為水資源的需求主體（83%），這與北京市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和生態(tài)環(huán)境建設(shè)密切相關(guān)。在供給方面，北京市屬于重度缺水地區(qū)，2000—2015年期間本地供水以地表水和地下水為主，之后北京市大力推動(dòng)水資源的回收與再利用，2015年之后再生水可利用量達(dá)到10億m3，已成為除自然水體外穩(wěn)定的“第二水源”，預(yù)計(jì)2035年可利用量為16億m3，占本地水資源供給量的50%。相較于食物與能源來(lái)說(shuō)，水資源的空間流動(dòng)性較差，非自然水資源調(diào)度成本較高，2035年北京本地供水將面臨13億m3缺口，供需矛盾依然嚴(yán)峻。

3.2食物-能源-水資源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析

隨著城市資源供需與結(jié)構(gòu)性變化，食物-能源-水資源要素之間的關(guān)聯(lián)性也會(huì)發(fā)生顯著變化。由圖4a、4b可以看出，食物與能源之間的相互作用明顯加強(qiáng)。食物對(duì)能源需求的正向驅(qū)動(dòng)突出，從2000年的64萬(wàn)tce增加到2035年的188萬(wàn)tce，但增幅在2015年之后隨食物需求總量趨于平穩(wěn)而下降。結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)供應(yīng)鏈前端低能耗、后端高能耗的特征。盡管外部調(diào)入量不斷增加，但是相比較食物運(yùn)輸和加工而言，食物生產(chǎn)所引起的外部能源消耗的影響雖在增加但始終較小，到2035年僅有16萬(wàn)tce左右的能源需求量由外部地區(qū)承擔(dān)。能源受到食物子系統(tǒng)的支撐作用增加，生物質(zhì)能的利用水平顯著提高，預(yù)計(jì)2035年的年利用量將達(dá)到294萬(wàn)tce。

北京市食物和水資源的相互作用在總量上同向變化（圖4c、4d），且均呈現(xiàn)向區(qū)外轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。食物系統(tǒng)對(duì)水資源的影響體現(xiàn)在對(duì)水量和水質(zhì)的雙重壓力。就總量來(lái)說(shuō)，食物對(duì)水資源的需求持續(xù)小幅增加，預(yù)計(jì)2035年將超過(guò)14億m3?；实氖褂?、牲畜和人類(lèi)糞便的排放將產(chǎn)生約18億m3的灰水負(fù)荷（2035年），其中因食物消費(fèi)行為而排放的氮是食物生產(chǎn)行為的1.8倍，易造成水質(zhì)性缺水問(wèn)題。由于城市食物子系統(tǒng)越來(lái)越依賴(lài)外部區(qū)域（如黑龍江、河北和山東等）的糧肉調(diào)入來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的需求，2035年食物的水資源需求中將有12億m3被轉(zhuǎn)嫁到其他區(qū)域，約29%的灰水負(fù)荷由城市腹地分擔(dān)。由此可見(jiàn)，食物生產(chǎn)活動(dòng)的外包對(duì)緩解本地的水資源緊張發(fā)揮了積極作用，但顯然加劇了區(qū)域水資源的壓力。

北京市能源與水資源對(duì)彼此的需求呈現(xiàn)不同程度增加，但能源對(duì)水的驅(qū)動(dòng)作用更強(qiáng)。如圖4e、4f所示，2035年能源共計(jì)需水量約7億m3，相比2000年增加了近3倍，其中約55%的能源水資源需求發(fā)生在區(qū)外。外部能源產(chǎn)品的輸入，大大減少了本地能源生產(chǎn)對(duì)水資源的需求壓力。目前北京市本地能源需水活動(dòng)主要為二次能源的加工，其中以熱電生產(chǎn)為主，后期可再生能源的開(kāi)發(fā)將消耗更多的水資源。同時(shí)期內(nèi)，水資源對(duì)能源的需求驅(qū)動(dòng)基本穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2035年需求總量將達(dá)到約34萬(wàn)tce。由于北京市愈加重視綜合提升水資源利用水平，自來(lái)水的生產(chǎn)運(yùn)輸、污廢水的收集處理以及回用水的再生逐漸成為水資源耗能的主體，2035年需消耗能源約23萬(wàn)tce。為了滿足北京市的水資源需求，南水北調(diào)工程的輸水量連年上升，將有8%的水資源能源需求量被輸水源頭丹江口及工程沿線的其他地區(qū)承擔(dān)。

3.3食物-能源-水資源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度分析

基于上述研究，對(duì)北京市食物-能源-水資源系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)指數(shù)進(jìn)行綜合分析，如圖5所示。

食物和水系統(tǒng)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)揮了主導(dǎo)作用，更高的需求風(fēng)險(xiǎn)或伴隨更高的關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的顯著提高和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)優(yōu)化，減少了食物與水資源彼此約束的相對(duì)量，關(guān)聯(lián)指數(shù)γW-F由0.28波動(dòng)下降至0.26。同時(shí)，食物生產(chǎn)活動(dòng)的區(qū)外轉(zhuǎn)移，使本地食物和水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)解耦特征，2035年關(guān)聯(lián)指數(shù)LγW-F僅為0.11，相比2000年將下降近60%。

水和能源系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系最穩(wěn)定，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度雖有增加但對(duì)整體影響不大。新能源綜合利用模式的推廣和水資源利用水平的提高，增加了要素之間的資源依存量，關(guān)聯(lián)指數(shù)LγE-W由2000年的0.014增加至2035年的0.017，但該增量相對(duì)總量仍然較小，能源和水系統(tǒng)的資源壓力主要來(lái)自其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的需求。另一方面，能源和水資源長(zhǎng)期高度對(duì)外依存的供給模式并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，要素關(guān)聯(lián)和區(qū)內(nèi)要素關(guān)聯(lián)指數(shù)同比增長(zhǎng)，差值約為0.006。

能源和食物系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度不高，但潛力較大。近年來(lái)，生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用，加速了食物和能源系統(tǒng)的耦合，關(guān)聯(lián)指數(shù)LγF-E快速上漲，2035年將達(dá)到0.024。同時(shí)，關(guān)聯(lián)指數(shù)LγF-E的改變使總體的要素關(guān)聯(lián)也發(fā)生了變化，關(guān)聯(lián)指數(shù)γF-E將增至0.025，食物和能源的關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)區(qū)域作用最小，僅0.001的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度被轉(zhuǎn)移到其他地區(qū)。

總體來(lái)看，城市是高度開(kāi)放的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，對(duì)資源嚴(yán)重稀缺的北京市而言，外圍地區(qū)分擔(dān)了北京市高強(qiáng)度的資源壓力，本地食物-能源-水資源系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系外溢，區(qū)域間互聯(lián)互通的作用加強(qiáng)，食物-能源-水資源關(guān)聯(lián)關(guān)系也更加復(fù)雜。因此，保障城市資源的安全應(yīng)由市域內(nèi)統(tǒng)籌向市域內(nèi)外兩個(gè)統(tǒng)籌的方向轉(zhuǎn)變，外部資源的供應(yīng)應(yīng)該納入城市政策的制定過(guò)程中。

4討論

4.1重視城市與區(qū)域之間的戰(zhàn)略對(duì)接

北京市長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，新興資源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展雖然逐漸緩和了部分資源供需矛盾，但本地供給增量極度有限，在應(yīng)對(duì)大體量資源需求時(shí)依然杯水車(chē)薪。2035年北京消費(fèi)的食物-能源-水資源中，分別將有約85%、82%和28%依靠外地調(diào)入。要全面保障北京市的資源安全，首先需要建立長(zhǎng)效穩(wěn)定的區(qū)域合作關(guān)系并有意識(shí)地預(yù)備多樣的城市外交路徑，提高資源可持續(xù)輸配的冗余性及綜合性，使城市資源系統(tǒng)能夠更從容地承受、應(yīng)對(duì)并適應(yīng)各種急性沖擊和慢性壓力。其次，人口和功能的集中以及對(duì)外高度依賴(lài)的發(fā)展模式，伴隨著嚴(yán)重的“虹吸效應(yīng)”，形成了城市與區(qū)域間食物-能源-水資源的利益權(quán)衡。研究表明，北京市本地資源生產(chǎn)能力快速退化，促使食物-能源-水資源系統(tǒng)產(chǎn)生了溢出效應(yīng)，輻射加劇了外部地區(qū)資源要素間的關(guān)聯(lián)性與內(nèi)部約束。因此，城市資源管理有必要融入?yún)^(qū)域發(fā)展整體格局，明確城市定位，加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與資源分享，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)各相關(guān)主體的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.2謹(jǐn)慎推行本地新興資源保障措施

面對(duì)持續(xù)膨脹的資源壓力，近年來(lái)北京市通過(guò)“開(kāi)源節(jié)流”的方式不斷推進(jìn)資源保障工作?！伴_(kāi)源”是指通過(guò)開(kāi)發(fā)新能源、發(fā)展都市農(nóng)業(yè)以及增加回用水產(chǎn)出等方式發(fā)掘本地資源新動(dòng)能，此類(lèi)措施雖逐漸盤(pán)活了北京市的自有資源，但實(shí)際上缺乏對(duì)食物-能源-水資源三要素之間依賴(lài)性權(quán)衡的考慮。模擬結(jié)果顯示，新能源的開(kāi)發(fā)減輕了能源壓力但會(huì)導(dǎo)致能源需水的顯著增加，而食物和水資源的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系更加暴露了都市農(nóng)業(yè)的推廣可能成為水資源壓力的新來(lái)源。因此新興資源保障措施的推行需要基于食物-能源-水資源“三位一體”的規(guī)劃視角，避免一味追求單領(lǐng)域資源效益而造成不利的連鎖反應(yīng)。

“節(jié)流”重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)資源總量與強(qiáng)度的雙控建設(shè)。研究結(jié)果顯示，北京城市內(nèi)食物-能源-水資源的生產(chǎn)功能弱化，消費(fèi)者角色凸顯，資源需求受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的強(qiáng)力拉動(dòng)，表現(xiàn)出系統(tǒng)間強(qiáng)烈的約束性權(quán)衡。加強(qiáng)資源消費(fèi)端管控，是減輕食物-能源-水資源系統(tǒng)供給壓力的重要舉措，并可以為“開(kāi)源”工作創(chuàng)造更大的發(fā)展空間。因此，城市食物-能源-水資源系統(tǒng)的協(xié)同管理可優(yōu)先關(guān)注資源消費(fèi)的減量提質(zhì)，推廣綠色消費(fèi)理念和消費(fèi)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高資源利用效率，促進(jìn)資源環(huán)境約束下社會(huì)經(jīng)濟(jì)的和諧增長(zhǎng)。

5結(jié)論

文章基于Stella建模平臺(tái)，構(gòu)建了城市食物-能源-水資源供需與關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，動(dòng)態(tài)模擬了2000—2035年北京市食物-能源-水資源的供需總量以及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)關(guān)聯(lián)指數(shù)分析了食物-能源-水資源之間關(guān)聯(lián)程度的變化特征，為解析城市食物-能源-水資源互動(dòng)行為的復(fù)雜性、識(shí)別關(guān)鍵關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)提供了參考范例。主要結(jié)論如下。

（1）模擬期內(nèi)，北京市食物-能源-水資源需求總量呈現(xiàn)不同幅度的增長(zhǎng)。食物的需求量在快速增加之后趨于飽和，能源始終保持較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，水資源在少量下降后反彈增長(zhǎng)。食物的本地生產(chǎn)能力持續(xù)下降，水資源和能源有一定提高，供需矛盾依舊突出。

（2）總量上，食物-能源-水資源要素間的相互作用均有不同幅度的增加。結(jié)構(gòu)上，資源生產(chǎn)環(huán)節(jié)的外包特征明顯，運(yùn)輸、處理等供應(yīng)鏈后端環(huán)節(jié)對(duì)本地食物-能源-水資源要素關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)增大。

（3）就食物-能源-水資源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度而言，食物和水資源耦合性最強(qiáng)，但有減弱趨勢(shì);食物和能源關(guān)聯(lián)指數(shù)上漲最快，能源和水資源基本穩(wěn)定。區(qū)域間食物-能源-水資源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度增大，本地食物-能源-水資源系統(tǒng)的復(fù)合壓力向外部地區(qū)轉(zhuǎn)移。

不難發(fā)現(xiàn)，隨著城市化過(guò)程的不斷推進(jìn)，本地有限的資源供給并不能滿足高強(qiáng)度的資源需求。城市與外部支撐區(qū)域的聯(lián)系更加密切，食物-能源-水資源“消費(fèi)在內(nèi)、供給在外”特征明顯，關(guān)聯(lián)關(guān)系“外包”特征明顯。建設(shè)北京市國(guó)際一流和諧宜居之都的規(guī)劃目標(biāo)，需要強(qiáng)化食物-能源-水資源的供需安全保障。顯然，實(shí)現(xiàn)相關(guān)規(guī)劃目標(biāo)，需要綜合考慮食物-能源-水資源要素之間、資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間、北京與周邊區(qū)域之間的權(quán)衡關(guān)系，不斷推進(jìn)多區(qū)域、多要素一體化資源協(xié)同管理。

需要說(shuō)明的是，文章重點(diǎn)關(guān)注北京本土主要的食物生產(chǎn)對(duì)象，而由于食物消費(fèi)具有多元性且成品多依賴(lài)外地直接輸入，食物對(duì)水資源和能源實(shí)際造成的影響或被低估，因此未來(lái)將進(jìn)一步豐富模型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建區(qū)域聯(lián)動(dòng)的城市食物-能源-水資源模型。另外，文章定量把握了北京市食物-能源-水資源安全演化的基本態(tài)勢(shì)，基于現(xiàn)有發(fā)展模式提供了基準(zhǔn)情景參照，而規(guī)劃決策的提出和系統(tǒng)響應(yīng)是一個(gè)持續(xù)漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在以后的研究中，將結(jié)合多情景分析法，演示未來(lái)可能的發(fā)展變化以減少模型的不確定性，探究城市食物-能源-水資源系統(tǒng)對(duì)不同導(dǎo)向發(fā)展模式的響應(yīng)，以擬定資源利用的最優(yōu)方案，盡量避免權(quán)衡作用的負(fù)面影響。

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（責(zé)任編輯：王愛(ài)萍）