山東省水－能源－糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系變化研究

潘洪瑞，姜 欣，張保祥，李佩茹，王紅瑞，宋美華

(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；3.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；4.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東德州 253074；5.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

水、能源和糧食是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源。受人口增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣候變化等因素影響,全球?qū)λ?、能源和糧食的需求量逐年增大,資源短缺問題愈發(fā)嚴(yán)重。水、能源、糧食之間的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重要保證,研究水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2011 年11 月在德國波恩召開的水-能源-糧食關(guān)聯(lián)關(guān)系會(huì)議首次提出水、能源、糧食的紐帶關(guān)系,指出3 個(gè)子系統(tǒng)并非單獨(dú)發(fā)展而是相互依存、相輔相成的關(guān)聯(lián)關(guān)系［1］。之后學(xué)者們逐漸引入經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)、生態(tài)、社會(huì)等多方面因素,對水資源-能源、水資源-糧食、能源-糧食關(guān)系進(jìn)行了廣泛研究［2］。關(guān)偉等［3］運(yùn)用虛擬水理論評價(jià)模型對能源貿(mào)易中虛擬水的流動(dòng)狀況及流動(dòng)影響進(jìn)行分析研究,提供了能-水關(guān)系研究新視角,為協(xié)同能源與水資源的區(qū)域能源轉(zhuǎn)型發(fā)展提供量化依據(jù)。糧食用水效率、需水預(yù)測是當(dāng)前水資源-糧食關(guān)聯(lián)耦合研究的熱點(diǎn)［4-5］,能源-糧食關(guān)聯(lián)關(guān)系研究主要集中在能源價(jià)格波動(dòng)對糧食價(jià)格波動(dòng)的影響分析［6］和糧食生產(chǎn)效率對能源-糧食系統(tǒng)安全協(xié)同的研究［7］。隨著水、能源、糧食三者耦合關(guān)系研究的發(fā)展,學(xué)者們從不同尺度、多個(gè)視角開展了水-能源-糧食的紐帶關(guān)系理論探討與實(shí)證研究［8］。常遠(yuǎn)等［9］提出了中國水-能源-糧食協(xié)調(diào)發(fā)展的策略和實(shí)際應(yīng)用,對我國相關(guān)領(lǐng)域政策的制定提出了建議；孫才志等［10］利用黃河流域九省(區(qū))能源、糧食耗水量數(shù)據(jù),對耗水壓力時(shí)空演化特征進(jìn)行分析,評估了流域能源、糧食生產(chǎn)耗水與區(qū)域水資源之間的平衡關(guān)系。秦騰［11］認(rèn)為水-能源-糧食紐帶效應(yīng)是抑制中國用水量增長的關(guān)鍵因素。孫才志等［12］采用哈肯模型、蒲傲婷［13］采用實(shí)碼加速遺傳投影尋蹤模型、王雨等［14］采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,分別對研究區(qū)水-能源-糧食系統(tǒng)的演變趨勢進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的政策建議?，F(xiàn)有研究已經(jīng)注意到不同區(qū)域間水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的差異,但是對耦合協(xié)調(diào)變化機(jī)理的探討仍需深化。

山東省是糧食生產(chǎn)和能源消耗大省,水資源短缺問題較為突出?！笆濉逼陂g,山東省萬元工業(yè)增加值用水量和萬元GDP 用水量逐年降低,用水效率顯著提升；糧食產(chǎn)量連續(xù)7 a 穩(wěn)定在5 000 萬t 以上,2020年糧食總產(chǎn)量占全國的8.14%；2015—2020 年一次性能源生產(chǎn)量均值僅占能源消耗量的32.87%,能源短缺問題突出。本文以山東省為研究區(qū),建立水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型,分析評價(jià)2000—2020 年水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展情況,以期為山東省資源管理和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文所用數(shù)據(jù)主要來源于2000—2020 年《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》《山東省水資源公報(bào)》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》等,個(gè)別缺失數(shù)據(jù)通過線性回歸法補(bǔ)全。為解決各指標(biāo)單位不統(tǒng)一問題,對所選指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理:

式中:Xij、分別為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的原始值和處理后的值；maxXj、minXj分別為第j項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)最大值和最小值。

1.2 水－能源－糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型

水、能源、糧食子系統(tǒng)相互作用機(jī)理見圖1。水資源、能源、糧食子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系可利用耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型進(jìn)行分析,其中耦合度表征子系統(tǒng)間的相互關(guān)系,協(xié)調(diào)發(fā)展度表征整個(gè)系統(tǒng)的綜合發(fā)展情況。

圖1 水、能源、糧食子系統(tǒng)相互作用機(jī)理

耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型方法簡便、結(jié)果直觀,廣泛應(yīng)用于不同尺度和領(lǐng)域的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究中［15-17］。本文參考王淑佳等［18］、姜磊等［19］的研究,采用以下耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型:

式中:Uk,i、Uh,i分別為子系統(tǒng)k、h第i年的發(fā)展水平評價(jià)指數(shù)；λij為各子系統(tǒng)第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；mk為子系統(tǒng)k指標(biāo)個(gè)數(shù)；n為子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；C為耦合度,表示子系統(tǒng)間離散程度和耦合關(guān)系的強(qiáng)弱；T為耦合系統(tǒng)的綜合評價(jià)指數(shù),表示耦合系統(tǒng)的發(fā)展水平；D為耦合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展度,反映系統(tǒng)耦合程度,體現(xiàn)協(xié)調(diào)狀況好壞,表征子系統(tǒng)間促進(jìn)或制約關(guān)系；αk為子系統(tǒng)k的權(quán)重,研究表明［18］,各子系統(tǒng)的重要性及權(quán)重相等時(shí),會(huì)降低該模型的使用效度,而山東省水資源子系統(tǒng)發(fā)展波動(dòng)性較大、糧食子系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)定迅速、能源子系統(tǒng)發(fā)展較為滯后,因此取α水＝0.35,α能源＝0.35,α糧食＝0.30。

參考文獻(xiàn)［20］,將水-能源-糧食系統(tǒng)耦合度劃分為4 個(gè)等級(jí):［0,0.3］為低水平耦合,(0.3,0.5］為拮抗,(0.5,0.8］為磨合,(0.8,1.0］為高水平耦合；按協(xié)調(diào)發(fā)展度劃分為10 個(gè)階段:［0,0.1］為極度失調(diào),(0.1,0.2］為嚴(yán)重失調(diào),(0.2,0.3］為中度失調(diào),(0.3,0.4］為輕度失調(diào),(0.4,0.5］為瀕臨失調(diào),(0.5,0.6］為勉強(qiáng)協(xié)調(diào),(0.6,0.7］為初級(jí)協(xié)調(diào),(0.7,0.8］為中級(jí)協(xié)調(diào),(0.8,0.9］為良好協(xié)調(diào),(0.9,1.0］為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。

為進(jìn)一步分析山東省水、能源、糧食子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系,引入對比系數(shù)［21］以反映子系統(tǒng)間相對發(fā)展水平情況:

式中:Qk-h為第i年的子系統(tǒng)k與子系統(tǒng)h的對比系數(shù)。

結(jié)合山東省實(shí)際情況,按對比系數(shù)將水、能源、糧食子系統(tǒng)發(fā)展分為5 種類型:［0,0.6)為極度受損型,［0.6,0.8)為嚴(yán)重受損型,［0.8,1.0)為較為短缺型,［1.0,1.5)為較為豐富型,［1.5,∞)為特別豐富型。

1.3 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

為全面反映水-能源-糧食系統(tǒng)耦合發(fā)展情況,按照系統(tǒng)性、典型性、科學(xué)性和全面性原則,將水資源、能源子系統(tǒng)指標(biāo)分為總量、結(jié)構(gòu)、效益三部分,總量指標(biāo)反映資源豐富程度及平衡情況,結(jié)構(gòu)指標(biāo)反映資源消耗結(jié)構(gòu),效益指標(biāo)反映資源利用效率和效益；將糧食子系統(tǒng)分為生產(chǎn)安全、流通安全、消費(fèi)安全三部分,生產(chǎn)安全指標(biāo)反映糧食產(chǎn)量情況,流通安全指標(biāo)反映糧食消費(fèi)流動(dòng)情況,消費(fèi)安全指標(biāo)反映糧食生產(chǎn)與消費(fèi)平衡情況。采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,指標(biāo)選取及其權(quán)重見表1。

表1 山東省水－能源－糧食耦合系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1 水－能源－糧食系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)分析

根據(jù)式(1)～式(5)計(jì)算得出2000—2020 年山東省水-能源-糧食系統(tǒng)綜合評價(jià)指數(shù)(T)與子系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)(見圖2)。研究期系統(tǒng)綜合評價(jià)指數(shù)T發(fā)展較為穩(wěn)定,在0.529 上下波動(dòng)；水資源子系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)(UW)波動(dòng)性較大,2002 年降至最小值0.066,2002 年之后在0.626 上下波動(dòng)；能源子系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)(UE)在2005 年前呈緩慢下降趨勢,2005 年后趨于穩(wěn)定,在0.429上下波動(dòng)；糧食子系統(tǒng)評價(jià)指數(shù)(UF)在2004 年前持續(xù)下降,2004 年后波動(dòng)上升。

圖2 山東省水－能源－糧食系統(tǒng)綜合評價(jià)指數(shù)

2002 年UW降至最小值0.066,根據(jù)《山東省水資源公報(bào)》的數(shù)據(jù)計(jì)算得知,2002 年之前用水結(jié)構(gòu)不合理且用水效率低,農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量分別高于研究期平均用水量的13%和33%,萬元GDP 用水量達(dá)到研究期峰值272.06 m3,而水資源總量降至最低值98.14 億m3,水資源子系統(tǒng)整體發(fā)展較差；2002 年后,雖然農(nóng)業(yè)用水量、萬元GDP 用水量下降,用水結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化,用水效率逐漸提高,但受干旱影響,2006 年、2014 年、2019 年全省降水量分別比多年平均值偏少16.1%、23.7%、17.8%,水資源總量分別比多年平均值偏少34.1%、51.0%、35.6%［22］,UW下降幅度較大。

2000—2020 年山東省能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示,山東省工業(yè)能源消耗占比較大,生活能源消費(fèi)占比增大并在2020 年達(dá)到峰值10.6%。2005 年后山東省工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段,能耗效益年均提高5.79%,但能源生產(chǎn)量一直低于消耗量,其中2020 年一次性能源生產(chǎn)量只占能源消耗量的29%,需從外省調(diào)入才能保證生產(chǎn)、生活消費(fèi)需求［23］。

2000—2004 年雖然年均糧食產(chǎn)量和單產(chǎn)恢復(fù)性增長,但糧食產(chǎn)量波動(dòng)率均為負(fù)值,UF持續(xù)下降并于2004 年達(dá)到最低點(diǎn)0.388。由《山東統(tǒng)計(jì)年鑒2014》可知,2013 年糧食產(chǎn)量與種植面積增加,單產(chǎn)有所下降,糧食消費(fèi)量較2012 年增加34%,糧食自給率下降24.3%,糧食價(jià)格上升,使得UF驟降,但仍高于2004 年前的水平。

2.2 水、能源、糧食子系統(tǒng)發(fā)展程度對比分析

利用式(8)得出的山東省水、能源、糧食子系統(tǒng)對比系數(shù)見圖3。水資源與糧食子系統(tǒng)對比系數(shù)(QW-F)在2000—2006 年波動(dòng)幅度較大,2007 年后總體呈下降趨勢并逐漸小于1,表明水資源、糧食子系統(tǒng)發(fā)展趨于協(xié)同,且逐漸以糧食子系統(tǒng)為主導(dǎo)。2000—2002 年水資源與能源子系統(tǒng)的對比系數(shù)(QW-E)逐年下降并于2002 年降至最小值,2002 年后QW-E在1.41 上下波動(dòng),水資源子系統(tǒng)發(fā)展類型為較為豐富型,能源子系統(tǒng)發(fā)展略為滯后。糧食與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)(QF-E)呈上升趨勢,2008 年前緩慢增長至1.0,表明兩者發(fā)展基本同步；2008 年后QF-E在1.332 上下波動(dòng),表明糧食子系統(tǒng)發(fā)展類型為較為豐富型,而糧食生產(chǎn)安全指標(biāo)逐年增大,使第一產(chǎn)業(yè)能源消耗量增加,進(jìn)而加大了能源子系統(tǒng)消費(fèi)壓力。受2002 年山東夏、秋大旱影響,2002 年QW-F、QW-E分別達(dá)到最低點(diǎn)0.247、0.113,水資源子系統(tǒng)發(fā)展類型為極度受損型,水資源子系統(tǒng)不能支持糧食及能源子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。2003—2005 年QW-F＞2.0,水資源子系統(tǒng)發(fā)展類型為特別豐富型,水資源子系統(tǒng)發(fā)展處于主導(dǎo)地位,但糧食產(chǎn)量波動(dòng)率連續(xù)4 a 為負(fù)值。

圖3 山東省水、能源、糧食子系統(tǒng)對比系數(shù)

2.3 山東省水－能源－糧食系統(tǒng)耦合度、協(xié)調(diào)發(fā)展度分析

山東省2000—2020 年水-能源-糧食系統(tǒng)耦合度與協(xié)調(diào)發(fā)展度變化見圖4。2000—2007 年耦合度(C)變化幅度較大,2007 年后穩(wěn)定在0.800 左右,處于磨合等級(jí),子系統(tǒng)間相互作用較強(qiáng)；協(xié)調(diào)發(fā)展度(D)2000—2002 年逐年下降,2002 年后穩(wěn)定在0.650 上下,處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段,表明山東省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合程度較高,協(xié)調(diào)狀況良好。2002 年山東省水-能源-糧食系統(tǒng)C、D均降至最低點(diǎn)(C＝0.446,D＝0.408),原因是當(dāng)年降水量較多年平均值偏少37.9%,農(nóng)業(yè)用水量較2001 年增加3%,系統(tǒng)處于拮抗瀕臨失調(diào)階段,子系統(tǒng)離散程度較高。2006 年水-能源-糧食系統(tǒng)耦合度升至最高值0.969,協(xié)調(diào)發(fā)展度為0.660,原因是QW-F、QW-E、QF-E在1.0 上下波動(dòng),此時(shí)3 個(gè)子系統(tǒng)發(fā)展離散程度低,協(xié)調(diào)狀況良好,系統(tǒng)處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段。

圖4 山東水－能源－糧食系統(tǒng)耦合度與協(xié)調(diào)發(fā)展度

隨著社會(huì)發(fā)展,能源子系統(tǒng)進(jìn)入較穩(wěn)定發(fā)展階段,糧食產(chǎn)量波動(dòng)率大于200%,糧食自給率常年在400%以上,糧食生產(chǎn)安全指標(biāo)大幅度增大,糧食子系統(tǒng)進(jìn)入波動(dòng)增長階段,同時(shí)節(jié)水意識(shí)和用水效率提升、用水量降低。2002 年、2006 年、2014 年、2019 年旱災(zāi)導(dǎo)致水資源總量減少,UW下降,協(xié)調(diào)發(fā)展度降低,水資源子系統(tǒng)一定程度上抑制了水-能源-糧食系統(tǒng)的發(fā)展。2018 年、2020 年系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況良好,但能源生產(chǎn)量較低,需從外省大量調(diào)入以維持供需平衡,同時(shí)QW-E和QF-E在1.5 上下波動(dòng),說明能源子系統(tǒng)發(fā)展滯后于水資源和糧食子系統(tǒng),但對水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展影響較小,系統(tǒng)處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段。

山東省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合度、協(xié)調(diào)發(fā)展度在波動(dòng)中上升,但均未達(dá)到高水平耦合優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài),說明耦合協(xié)調(diào)關(guān)系仍存在較大的上升空間。水資源稟賦對耦合協(xié)調(diào)關(guān)系影響較大,自然災(zāi)害是影響糧食單產(chǎn)的首要因素,提高抗旱減災(zāi)能力是確保水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的重要前提［25-26］。當(dāng)前山東省仍然以煤炭和石油作為主要消費(fèi)能源,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)占比一直居高不下,在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,進(jìn)一步優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)、提高能源使用效率,深化新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換,是推動(dòng)山東省綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的重要措施［27-28］。山東省糧食單產(chǎn)總體呈上升趨勢,但耕地減少和“非糧化”趨勢明顯,供糧穩(wěn)定性不足,在通過技術(shù)進(jìn)步提高糧食單產(chǎn)進(jìn)入瓶頸的情況下,確保耕地面積、提高糧食作物種植比例是提升糧食保障能力的有效手段［29-31］。孫才志等［10］的研究表明,山東省年平均能源耗水量和糧食生產(chǎn)耗水量在黃河流域各省(區(qū))中最高,未來山東省面對不斷增長的水資源、能源與糧食需求,需要進(jìn)一步推動(dòng)水資源節(jié)約集約利用、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)山東省水-能源-糧食系統(tǒng)整體發(fā)展較為穩(wěn)定,其中:能源子系統(tǒng)發(fā)展趨于穩(wěn)定,糧食子系統(tǒng)發(fā)展呈波動(dòng)上升趨勢,水資源子系統(tǒng)發(fā)展波動(dòng)性較大但發(fā)展水平總體高于能源、糧食子系統(tǒng),保障水資源子系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高能源子系統(tǒng)發(fā)展水平是促進(jìn)山東省水-能源-糧食系統(tǒng)整體發(fā)展的重要途徑。

(2)山東省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)情況良好,子系統(tǒng)相互影響程度較高,處于初級(jí)協(xié)調(diào)階段,但均未達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)階段,耦合協(xié)調(diào)關(guān)系仍存在較大的上升空間。

(3)隨著山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r日趨穩(wěn)定,能源、糧食子系統(tǒng)發(fā)展水平和用水效率不斷提升,干旱導(dǎo)致的水資源短缺與能源生產(chǎn)消費(fèi)不平衡成為影響山東省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的最大因素,導(dǎo)致子系統(tǒng)對比系數(shù)、離散程度增大,部分年份處于瀕臨失調(diào)階段。

3.2 建 議

水資源、能源、糧食3 個(gè)子系統(tǒng)是相互依存、相互影響的關(guān)系,任何一個(gè)子系統(tǒng)的政策措施制定,都有可能影響水-能源-糧食系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。當(dāng)前各子系統(tǒng)的政策制定和發(fā)展規(guī)劃對水-能源-糧食系統(tǒng)紐帶關(guān)系考慮不夠,本文為促進(jìn)山東省水-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提出以下建議。

(1)全面貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路,實(shí)施深度節(jié)水控水,加強(qiáng)現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè),合理利用南水北調(diào)東線工程、膠東調(diào)水工程、黃水東調(diào)工程等跨流域調(diào)水工程,優(yōu)化水資源空間配置格局,提高抗旱減災(zāi)應(yīng)急能力；沿海地區(qū)擴(kuò)大海水淡化、海水直接利用規(guī)模,提升區(qū)域水資源保障能力。

(2)優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)和效率,提高核能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源占比,提升火力發(fā)電行業(yè)用水效率,降低能源開發(fā)利用耗水,適當(dāng)發(fā)展生物質(zhì)能；促進(jìn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換,推動(dòng)高耗水高耗能產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型；制定再生水、海水等非常規(guī)水源利用政策時(shí),充分考慮制水過程中的能源消耗。

(3)牢牢守住糧食安全底線,實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略,推廣應(yīng)用旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù),重點(diǎn)推動(dòng)引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉工程建設(shè),提高農(nóng)業(yè)用水效率；適度推進(jìn)秸稈生物質(zhì)能利用項(xiàng)目推廣；大力開展節(jié)約糧食行動(dòng),實(shí)施虛擬水戰(zhàn)略。