黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略研究

姜珊 ，王建華 ，劉合 ，朱永楠 ，何國華 ，李溦 ，黃洪偉

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，西安 712199）

一、前言

黃河上中游地區(qū)（包括內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省、陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)）是我國能源富集區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)，但也是水資源短缺、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)安全用水矛盾突出的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，合理推動水資源、糧食、能源協(xié)同發(fā)展至關(guān)重要。目前，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已被列為國家重大戰(zhàn)略[1]，但流域內(nèi)上、中、下游地區(qū)情況差異明顯，發(fā)展定位也不盡相同。黃河上游地區(qū)約占總流域面積的51.3%，以生態(tài)保護(hù)為主，2021年的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）僅為全國平均值的78%；黃河中游地區(qū)約占總流域面積的45.7%，擁有豐富的煤炭資源，2021 年的人均GDP為7.13萬元；黃河下游地區(qū)面積僅為2.3×104km2，但GDP相當(dāng)于上中游7個省份之和[2]。因此，實現(xiàn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵點和難點在上中游地區(qū)。面對新發(fā)展要求、新宏觀形勢，研究不確定條件下水資源、糧食、能源的協(xié)同安全發(fā)展，對實現(xiàn)黃河上中游地區(qū)的持續(xù)、穩(wěn)健發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

2011 年在德國波恩召開的水 - 糧食 - 能源安全紐帶關(guān)系會議，首次將三者關(guān)系確定為紐帶關(guān)系[3]。此后，水 - 糧食 - 能源的集成耦合與協(xié)同保障成為各國學(xué)者和研究機構(gòu)關(guān)注的重要課題，研究范圍從內(nèi)部耦合關(guān)系[4,5]向外部影響因素[6,7]拓展，研究方法從一般的全生命周期[8,9]向復(fù)雜的耦合多要素模型[10,11]發(fā)展。但無論是從理論體系的完整性，還是對現(xiàn)實需求的實際支撐角度來看，當(dāng)前研究仍處于起步階段，整體視角下的水 - 糧食 - 能源協(xié)同策略研究尤為缺乏，使面向可持續(xù)發(fā)展的地區(qū)綜合管理未能獲得堅實支撐。

本文在科學(xué)認(rèn)識水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系及其演變規(guī)律、資源利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等復(fù)雜關(guān)聯(lián)與互饋機制的基礎(chǔ)上，聚焦水、糧食、能源矛盾極為突出的黃河上中游地區(qū)，研判地區(qū)發(fā)展新形勢，凝練面臨的機遇與挑戰(zhàn)，提出新發(fā)展理念下地區(qū)水 - 糧食 - 能源協(xié)同安全發(fā)展的保障策略建議，以期進(jìn)一步明確水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展的重要性，加快構(gòu)建水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)安全體系，支撐黃河流域重大國家戰(zhàn)略的實施。

二、水 - 糧食 - 能源協(xié)同推動黃河上中游地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展

（一）水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展的基本內(nèi)涵

國際上對水 - 糧食 - 能源的關(guān)系描述為“Nexus”，將其定義為不同事物之間的復(fù)雜聯(lián)系，既強調(diào)水、糧食、能源資源系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，又突出外部環(huán)境對核心資源的影響[12]。我國將水 - 糧食 - 能源的關(guān)系稱為紐帶關(guān)系，強調(diào)在氣候變化、人口增長、城鎮(zhèn)化發(fā)展等背景下，水、糧食、能源資源的多重因果聯(lián)系。水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及能源開采加工至關(guān)重要，還具有流通性和循環(huán)性，參與自然環(huán)境中一系列物理、化學(xué)、生物過程，且通過經(jīng)濟(jì)脈絡(luò)進(jìn)行流動，是水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系的核心要素（見圖1）。

水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)既受內(nèi)部供需不穩(wěn)定的影響，也受外部環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r、生產(chǎn)水平、發(fā)展政策等的影響。水 - 糧食 - 能源協(xié)同安全發(fā)展指在區(qū)域環(huán)境容量承載范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部要保證水、糧食、能源在數(shù)量與質(zhì)量方面的安全和充足，系統(tǒng)外部則要優(yōu)化三者間的資源配置，提升資源流動與轉(zhuǎn)化效率；通過社會、政府調(diào)控，最大程度地提升系統(tǒng)抗風(fēng)險能力，增強系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境適應(yīng)性，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益，形成相對安全、風(fēng)險較低的資源供應(yīng)循環(huán)，以三者協(xié)調(diào)推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

（二）區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展與水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展的新形勢

1. 國家發(fā)展的新要求帶來的全新挑戰(zhàn)

《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》（2021 年）提出，統(tǒng)籌推進(jìn)“山水林田湖草沙”綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，著力優(yōu)化水資源配置，著力促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展，讓黃河成為造福人民的幸福河[13]?！蛾P(guān)于全面加強資源節(jié)約工作的意見》（2022 年）強調(diào)，把節(jié)約放在資源開發(fā)利用的突出位置，水資源、糧食、能源作為國家發(fā)展最為重要的基礎(chǔ)性自然資源，也是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，要求推進(jìn)一體化節(jié)約、全過程管理和全鏈條節(jié)約。面對國家治理的現(xiàn)實需要和水 -糧食 - 能源耦合系統(tǒng)復(fù)雜化對資源管理賦予的全新任務(wù)，保障黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)的協(xié)同安全，構(gòu)建黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)的需求保障路徑，是推動我國經(jīng)濟(jì)社會健康發(fā)展的迫切需要和必然要求。

2. 碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提出更高要求

《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》（2021 年）提出，構(gòu)建新發(fā)展格局，堅持系統(tǒng)觀念，處理好發(fā)展和減排、整體和局部、短期和中長期的關(guān)系，統(tǒng)籌穩(wěn)增長和調(diào)結(jié)構(gòu)，把碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）納入經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全局[14]。實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，需對經(jīng)濟(jì)、政策、技術(shù)等多方面進(jìn)行系統(tǒng)性變革，將會顯著影響我國未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。能源資源型產(chǎn)業(yè)是黃河上中游地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的主要產(chǎn)業(yè)，形成了以煤為主，衍生火電、煤化工、鋼鐵等高耗能產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。面對“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的剛性約束和未來水資源、糧食、能源需求增加的現(xiàn)實需求，發(fā)展先進(jìn)的深度脫碳技術(shù)將成為該區(qū)域發(fā)展的必然要求，因而處理好水 - 糧食 - 能源 - 碳排放之間的動態(tài)平衡關(guān)系，對新時期黃河上中游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局的調(diào)整具有重要意義。

3. 區(qū)域發(fā)展帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的新機遇

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸進(jìn)入“新常態(tài)”階段，第三產(chǎn)業(yè)逐漸成為產(chǎn)業(yè)主體，基本實現(xiàn)了創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展、開放發(fā)展和共享發(fā)展[15]。自2012 年起，黃河上中游地區(qū)的GDP 增長率呈下降趨勢且低于全國平均水平，2016年第三產(chǎn)業(yè)占比超過第二產(chǎn)業(yè)。依托地區(qū)資源優(yōu)勢和西部大開發(fā)戰(zhàn)略，黃河上中游5省份已逐漸發(fā)展成為國家能源重化工基地，工業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)過度重工業(yè)化傾向，工業(yè)高級化特征尚未顯現(xiàn)，優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)仍集中在能源、礦產(chǎn)資源、裝備制造等方面，單一的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)使經(jīng)濟(jì)整體會比較脆弱?！耙粠б宦贰背h和黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略為區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長提供了新的機遇[16]，需要因地制宜構(gòu)建現(xiàn)代化工業(yè)體系，培育地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新優(yōu)勢。黃河上中游地區(qū)化石能源儲量豐富，具有得天獨厚的新能源資源優(yōu)勢和開發(fā)條件，可以進(jìn)一步增強能源開發(fā)利用和調(diào)配能力，延伸重點產(chǎn)業(yè)鏈，加快提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色、智能發(fā)展。推動區(qū)域能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展事關(guān)國家能源安全[17]，也對促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、提升居民收入水平和鞏固脫貧成果具有重要意義。

三、黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）化石能源富集，是國家能源安全保障戰(zhàn)略基地

在全國14 個億噸級大型煤炭基地中[18]，位于黃河上中游地區(qū)的有7個。黃河上中游地區(qū)的煤炭資源總量占全國的52.2%，累計原煤產(chǎn)量占全國的49.3%，一次能源產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的50%以上。依托豐富的能源資源，黃河上中游地區(qū)建成了一批能源和重化工基地、鋼鐵生產(chǎn)基地、鋁業(yè)生產(chǎn)基地、機械制造和冶金工業(yè)基地，帶動了經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，形成了以煤炭、電力、化工等低附加值行業(yè)為支柱的工業(yè)體系[19]，“倚重倚能”特征非常明顯。2000—2019 年，我國能源消費量平均每年增長約11.2%，一次能源生產(chǎn)量平均每年增長8.9%，能源消費增速明顯高于生產(chǎn)增速。作為能源的主要輸出區(qū)，2015—2019 年黃河上中游地區(qū)平均每年外運（輸）原煤1.63×109t、原油2.6×107t、天然氣5.01×1010m3、電力5.01×1011kW·h。當(dāng)前，在國內(nèi)能源需求和國際環(huán)境不確定性“雙升”態(tài)勢下，針對我國石油和天然氣對外依存度較高的情況，穩(wěn)定并提升我國能源自給率極為重要。此外，黃河上中游地區(qū)連接著中亞諸國的油氣通道，確保油氣通道安全暢通和提高保障能力也是實現(xiàn)國家能源安全、地區(qū)穩(wěn)定的重要支撐。

（二）農(nóng)產(chǎn)品豐富，是國家糧食安全重要保障區(qū)

由于光熱資源充足、灌溉條件好，黃河上中游地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重點地區(qū)。隨著東南沿海地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，糧食生產(chǎn)和流通格局從“南糧北運”變?yōu)椤氨奔Z南運”[20]。黃河上中游地區(qū)的耕地面積約占全國耕地總面積的17%，糧食總產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的12%，擁有青銅峽灌區(qū)、河套灌區(qū)、汾河灌區(qū)等大中型灌區(qū)55個[21]，是確保國家糧食安全的重要地區(qū)。2012—2021年我國糧食產(chǎn)量連續(xù)10年保持在6×108t以上，其中水稻、小麥、玉米三大谷物的自給率超過98%[22]。盡管我國糧食產(chǎn)量連創(chuàng)新高，但年消費量約為7×108t，為“把中國人的飯碗牢牢端在自己手中”，我國制定了1.8×109畝（1 畝≈666.7 m2）的耕地紅線[23]。目前，黃河上中游地區(qū)宜農(nóng)荒地約為3×107畝，占全國宜農(nóng)荒地總量的30%，是我國重要的后備耕地[24]，擁有較大的開發(fā)潛力。

（三）干旱問題突出，是嚴(yán)重資源性缺水區(qū)域

黃河上中游地區(qū)深居內(nèi)陸，區(qū)域內(nèi)水資源的空間分布格局為東多西少，年際和年內(nèi)分布不均的特征十分顯著。根據(jù)中國水資源公報[25]，黃河上中游地區(qū)多年平均年降水量為357 mm，遠(yuǎn)低于全國平均降水量（661 mm）；年平均蒸發(fā)量達(dá)到1660 mm[26]，強烈的蒸發(fā)作用加大了區(qū)域水分的消耗。此外，該區(qū)域降水情況在時間上的分配也極不均勻，全年60%～80%的降水量集中在夏季。從2000—2019 年人均水資源量來看，除內(nèi)蒙古自治區(qū)多年的平均人均水資源量（1941 m3）相對較高外，寧夏、山西兩省份的多年平均人均水資源量僅為163 m3、312 m3，屬于“極度缺水”區(qū)域[27]。

黃河上中游地區(qū)的水源單一，經(jīng)濟(jì)社會供水依賴于地表水量。受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和降水情況影響，2000年之后，黃河上中游農(nóng)業(yè)用水占比始終保持在70%以上，工業(yè)用水量僅占總用水量10%，農(nóng)業(yè)用水占比偏高，用水效率偏低，造成該區(qū)域單位水產(chǎn)出水平遠(yuǎn)低于東部地區(qū)，用水效益亟待提高。此外，受自然條件和灌溉方式的影響，黃河上中游地區(qū)在灌溉、生產(chǎn)、生活過程中產(chǎn)生了大量退水，帶來了一定的水資源浪費，影響了黃河干流的水量和整體調(diào)度，不利于灌區(qū)乃至黃河流域生態(tài)的健康發(fā)展[28]。

（四）水 - 糧食 - 能源矛盾突出，是協(xié)調(diào)發(fā)展的重點地區(qū)

黃河上中游地區(qū)以不到全國4%的水資源，生產(chǎn)了全國12%的糧食和50%以上的一次能源，但區(qū)域生產(chǎn)總值僅占全國7%，水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)要素的空間錯配特征十分顯著，是我國水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系表現(xiàn)最顯著、矛盾最突出的區(qū)域之一。受氣候和下墊面變化影響，2001—2017年黃河水資源總量較1956—2000年降低了8.7%[29]，水資源短缺成為制約區(qū)域糧食、能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。針對黃河上中游地區(qū)能源和糧食生產(chǎn)過程中的水資源消耗問題，已有研究較為全面[30]。為提高水資源利用效率，該區(qū)域大力發(fā)展節(jié)水灌溉，推廣噴灌、微灌、低壓管道輸水灌溉等節(jié)水技術(shù)；加大工業(yè)節(jié)水改造力度，推進(jìn)工業(yè)用水循環(huán)利用和再生水回用改造。但由于水資源、糧食、能源隸屬于不同行業(yè)和部門，交叉與綜合研究較為薄弱，目前尚未提出基于多要素內(nèi)在互饋機制的跨行業(yè)、多部門協(xié)同保障方案。

由于水資源本地條件不足，水資源開發(fā)利用程度已超出了合理開采的上限，嚴(yán)重擠占生態(tài)用水，水資源供需矛盾突出，地理空間上的資源錯配是水 - 糧食 - 能源關(guān)系中的核心矛盾。黃河上中游地區(qū)水、糧食、能源的協(xié)同發(fā)展不僅關(guān)系著黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，也影響著京津冀、東南沿海等地區(qū)的資源供需態(tài)勢。為此，需要深入開展水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系研究，構(gòu)建以水資源節(jié)約集約利用為核心的水 - 糧食 - 能源協(xié)同安全體系，嚴(yán)格落實“四水四定”，科學(xué)確定與水資源相適應(yīng)的糧食生產(chǎn)和能源生產(chǎn)發(fā)展模式。

四、黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

（一）能源結(jié)構(gòu)升級，化石能源仍是最重要的基礎(chǔ)資源

我國已進(jìn)入全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的新發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)總量的持續(xù)擴大，對能源的剛性需求將長期存在。2030 年，我國能源消費總量將控制在6×109tce以內(nèi)，非化石能源、天然氣占能源總消費量的比重分別達(dá)20%、15%[31]，化石能源仍是我國最重要的基礎(chǔ)資源。針對中東部地區(qū)能源需求持續(xù)旺盛而資源逐漸枯竭的現(xiàn)狀，黃河上中游地區(qū)作為我國能源接替區(qū)和資源戰(zhàn)略儲備區(qū)，發(fā)揮的作用日益重要。黃河上中游地區(qū)豐富的能源資源優(yōu)勢、優(yōu)越的開采條件、良好的發(fā)展基礎(chǔ)、便捷的能源外運通道使其成為我國能源格局中的重要組成部分。

目前，黃河上中游地區(qū)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，煤炭生產(chǎn)占一次能源生產(chǎn)的比例達(dá)90%，新能源裝機量占該地區(qū)發(fā)電總裝機量的36%，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能源安全與綠色發(fā)展的難度較大，風(fēng)電和光伏發(fā)電存在配套措施、政策銜接、設(shè)備更新等問題?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（2022 年）[32]指出，推進(jìn)內(nèi)蒙古鄂爾多斯、陜西榆林、山西晉北等煤制油氣戰(zhàn)略基地，山西、內(nèi)蒙古西、陜北等地煤炭供應(yīng)保障基地，黃河上游、黃河幾子彎大型風(fēng)電太陽能發(fā)電基地建設(shè)?；茉慈允钱?dāng)前一段時間黃河上中游地區(qū)的主要供給能源。

（二）保障國家糧食安全作用凸顯，水資源成為制約發(fā)展的關(guān)鍵因素

近年來，黃河上中游地區(qū)的糧食生產(chǎn)量增加了87%，對全國糧食的貢獻(xiàn)率從9%增高至12%。由于缺少區(qū)域間糧食貿(mào)易的相關(guān)數(shù)據(jù)，假定各地區(qū)人均消費量相同，糧食流通量等于本地糧食生產(chǎn)量減去糧食消費量，其正、負(fù)值代表糧食輸出量和糧食輸入量[33]。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對黃河上中游地區(qū)的糧食貿(mào)易情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)（見圖2），2000—2019年水稻輸入量較大且較穩(wěn)定，年均輸入量為1.64×107t；小麥從2009年起由輸出逐步轉(zhuǎn)為輸入；玉米是黃河上中游地區(qū)主要的輸出糧食且輸出量呈增長趨勢，年均輸出量為1.72×107t。這表明近20 年黃河上中游地區(qū)由糧食輸入?yún)^(qū)逐步轉(zhuǎn)為糧食輸出區(qū)，且作為玉米主產(chǎn)的區(qū)地位得到了提升。鑒于我國南方地區(qū)受土地資源和農(nóng)業(yè)勞動力等資源限制，東北地區(qū)糧食生產(chǎn)受耕地和生態(tài)環(huán)境等制約，華北地區(qū)因地下水超采嚴(yán)重而致區(qū)域水資源承載壓力較大[34]，黃河上中游地區(qū)作為重要糧食產(chǎn)區(qū)在保障國家糧食安全方面的作用將逐漸凸顯。

從用水指標(biāo)來看，黃河上中游的畝均灌溉水量為463 m3，農(nóng)田灌溉水的有效利用系數(shù)偏低，大水漫灌現(xiàn)象普遍存在。從自然條件來看，該地區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大，即使是種植相同作物、采用同樣節(jié)水設(shè)施，畝均灌溉補水量仍顯著高于其他地區(qū)。此外，該地區(qū)的農(nóng)田灌溉除了維持農(nóng)作物需求之外，還有隱藏的綠洲生態(tài)系統(tǒng)維持功能，如寧蒙引黃灌區(qū)降水量只有180 mm 左右，引黃灌溉成為維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵形式。該地區(qū)的黑山峽河段、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西和甘肅接壤地區(qū)，地形平坦且土地集中連片、光熱資源適宜，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大潛力，在解決水資源短缺的條件下，可成為我國糧食生產(chǎn)的重要增長點。

（三）作為糧食和能源輸出區(qū)，水資源壓力增加

作為“北糧南運”“西電東送”“西氣東輸”的重要組成部分，黃河上中游地區(qū)每年向全國輸送糧食約6×106t，調(diào)出一次能源約8.4×108tce；在糧食和能源貿(mào)易過程中，伴隨大量虛擬水輸出給當(dāng)?shù)卦黾恿怂Y源壓力。為分析近期黃河上中游地區(qū)虛擬水的變化情況，本文基于2012年和2017年多區(qū)域投出產(chǎn)出表[35]，發(fā)現(xiàn)區(qū)域本地虛擬水消費量從2012年的3.28×1010m3下降到2017 的2.92×1010m3（見表1）。其中，農(nóng)業(yè)虛擬水消費量占比從42%上升到47%，農(nóng)業(yè)虛擬水凈輸出量從3.16×109m3增加到4.06×109m3；能源行業(yè)的虛擬水消費量較少，僅占總虛擬水消費量的1.6%，能源行業(yè)的虛擬水凈輸出量大于本地消費量。伴隨農(nóng)產(chǎn)品和能源產(chǎn)品貿(mào)易帶來的虛擬水輸出量占總虛擬水輸出量的85%以上。2017年，黃河上中游地區(qū)向北京、天津、上海、浙江和廣東等省份輸送農(nóng)產(chǎn)品，伴隨的虛擬水流通量達(dá)到5.1×109m3；向河北、江蘇、浙江和廣東等省份輸送能源產(chǎn)品，伴隨的虛擬水流通量達(dá)到1.2×109m3；虛擬水流動呈現(xiàn)出“由貧到富”“由短缺到豐富”的趨勢。

表1 2012年和2017年黃河上中游地區(qū)虛擬水消費情況（單位：×108 m3）

水資源壓力指數(shù)可以用來分析虛擬水流通對區(qū)域水資源的影響情況。水資源壓力指數(shù)指區(qū)域總用水量與可更新水資源總量的比值，其中區(qū)域總用水量等于水資源開發(fā)利用總量扣除過境水利用量和跨流域調(diào)入水量[36]。為分析虛擬水的影響，本文的跨流域調(diào)入水量等于實體調(diào)水量和虛擬水輸入量之和。據(jù)統(tǒng)計，2001—2016年黃河多年平均天然徑流量比1956—2000 年減少17.4%[1]，用水量緩慢增加，導(dǎo)致黃河水資源壓力增大，水資源壓力指數(shù)從2012年的0.44上升到2017年的0.47，屬于水資源高壓力地區(qū)。其中，農(nóng)產(chǎn)品和能源的虛擬水流出量對區(qū)域水資源壓力的貢獻(xiàn)率達(dá)25%，水資源伴隨著貿(mào)易的流通從黃河上中游地區(qū)流向經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，使得該地區(qū)的水資源壓力進(jìn)一步增加。

（四）糧食與能源生產(chǎn)規(guī)模增加，用水競爭加劇

隨著節(jié)水技術(shù)的推廣和用水效率的提高，黃河上中游地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水量不斷下降，農(nóng)業(yè)用水占比由2000年的74.6%下降到2019年的62.8%；而能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使能源產(chǎn)業(yè)（煤炭開采、火電、煤化工、石油化工等）的用水量增加了3.2倍，能源產(chǎn)業(yè)用水量占比從1.3%上升到5.3%。為分析黃河上中游糧食 - 能源生產(chǎn)對水資源的競爭態(tài)勢，本文采用能源 - 糧食生產(chǎn)水資源競爭指數(shù)（EFCI）對其進(jìn)行分析[37]。如圖3所示，2000—2019年，能源與糧食生產(chǎn)的EFCI 總體呈增長趨勢，從0.19 上升到0.36，高于同期全國平均競爭水平（2019年為0.27）。

圖3 黃河上中游地區(qū)能源 - 糧食生產(chǎn)的水資源競爭指數(shù)變化情況

在我國著力改善能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)保護(hù)的政策引導(dǎo)下，煤炭、石油等能源的比重將持續(xù)下降，天然氣以及清潔能源的比重將持續(xù)上升。黃河上中游地區(qū)相關(guān)省份的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將朝更優(yōu)的方向發(fā)展，但其優(yōu)化升級的整體速度低于全國平均水平?；诖耍疚念A(yù)測黃河上中游地區(qū)2035 年、2050 年能源產(chǎn)業(yè)用水量將達(dá)到3.37×109m3、4.104×109m3。就農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測而言，需考慮實際灌溉面積和規(guī)劃灌溉面積2 種情景。情景1：在灌溉面積保持不變的情況下，根據(jù)水利部審查通過的《新形勢下黃河流域水資源供需形勢深化研究》規(guī)劃成果，目前黃河上中游地區(qū)的農(nóng)田有效灌溉面積為6.5×107畝，實際灌溉面積為5.56×107畝，據(jù)此測算，2035年、2050年的農(nóng)業(yè)用水量分別為2.44×1010m3、2.35×1010m3。情景2：在灌溉面積為規(guī)劃面積的情況下，根據(jù)《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃》中的大中型灌區(qū)續(xù)建配套新增加灌溉面積，2035年黃河上中游農(nóng)田的有效灌溉面積為6.94×107畝，據(jù)此測算2035年、2050年的農(nóng)業(yè)用水量分別為2.89×1010m3、2.78×1010m3。若區(qū)域需水量可以得到滿足，糧食和能源用水競爭指數(shù)將上升到0.49。但在水資源量衰減和未來用水需求擴大的雙重作用下，區(qū)域水資源缺口呈擴大趨勢，用水競爭加劇，亟需構(gòu)建水 - 糧食 - 能源復(fù)雜系統(tǒng)的需求保障路徑，推動區(qū)域健康高質(zhì)量發(fā)展。

五、黃河上中游地區(qū)水 - 糧食 - 能源協(xié)同安全保障應(yīng)對舉措

水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系協(xié)同安全保障戰(zhàn)略的目標(biāo)是均衡水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)與內(nèi)外關(guān)聯(lián)要素之間的關(guān)系，使有限的水資源可以最大化支撐糧食、能源行業(yè)的合理開發(fā)利用，避免糧食生產(chǎn)、能源開發(fā)對水系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，實現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和創(chuàng)新效益的最大化。在新發(fā)展理念下，水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系的協(xié)同安全是在“四化一創(chuàng)”之間尋求平衡。水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系協(xié)同安全“四化一創(chuàng)”保障戰(zhàn)略框架如圖4所示，包括水資源對糧食、能源支撐最大化，糧食安全保障最大化，能源生產(chǎn)效益最大化，糧食和能源對水與生態(tài)擾動最小化，水 - 糧食 - 能源安全保障技術(shù)與機制創(chuàng)新。

圖4 水 - 糧食 - 能源紐帶關(guān)系協(xié)同安全“四化一創(chuàng)”保障戰(zhàn)略框架

（一）重視水資源在紐帶關(guān)系中的核心作用，實現(xiàn)水資源支撐作用最大化

黃河上中游地區(qū)的糧食和能源生產(chǎn)不僅要滿足當(dāng)?shù)氐男枨螅€要為國家糧食和能源安全提供重要支撐。近年來，黃河上中游地區(qū)的用水壓力處于高壓力狀態(tài)，當(dāng)前的水資源可利用量和生態(tài)環(huán)境保護(hù)已對區(qū)域糧食生產(chǎn)與化石能源的開發(fā)形成了明顯的約束，部分地區(qū)新增能源用水已經(jīng)無法充分保障。為此，需深入研究水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)間的復(fù)雜規(guī)律，提高水資源和能源的利用效率，在區(qū)域、行業(yè)發(fā)展規(guī)劃時，建議將水資源、糧食、能源同時布局，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)水資源的開發(fā)和利用，以實現(xiàn)資源稟賦特征下的社會經(jīng)濟(jì)最佳發(fā)展模式。多年來，黃河流域的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境和水資源情勢發(fā)生了顯著變化，2014年南水北調(diào)東中線一期工程全面通水后，黃河“八七”分水方案的局限性日益凸顯。建議統(tǒng)籌南水北調(diào)水和黃河水，按照“小調(diào)整、大穩(wěn)定”的原則，分階段適時調(diào)整黃河“八七”水量分配方案，適度向黃河上中游地區(qū)的重點能源基地予以傾斜。

（二）將能源作為區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)能源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶動作用的最大化

黃河上中游地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)后發(fā)地區(qū)，人均GDP僅為東部地區(qū)的55%，但能源種類豐富、儲量大，是區(qū)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展的重要突破口。建議在生態(tài)環(huán)境、水資源保護(hù)及綜合利用的前提下，加大晉陜蒙寧地區(qū)的化石能源勘察工作，逐步提高勘探和詳查比例，形成化石能源資源梯形結(jié)構(gòu)；將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，建立產(chǎn)業(yè)集群布局體系，通過配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)打通區(qū)域能源優(yōu)勢點位，強化區(qū)域協(xié)同發(fā)展與輻射帶動作用；加大可再生能源產(chǎn)業(yè)基地與分布式可再生能源微網(wǎng)建設(shè)，打造多能協(xié)同發(fā)展的多元化產(chǎn)業(yè)模式。此外，為打破“遍地開花”、標(biāo)準(zhǔn)不一的能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，明確區(qū)內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)布局，依據(jù)自然稟賦、市場需求、產(chǎn)品優(yōu)勢等統(tǒng)一規(guī)劃各示范區(qū)能源發(fā)展定位。建議由國家行業(yè)主管部門牽頭，會同自然資源、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)和信息化等有關(guān)部門，組織編制黃河上中游地區(qū)集約綠色能源示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃，協(xié)調(diào)地區(qū)間能源生產(chǎn)及市場，促進(jìn)區(qū)域能源產(chǎn)業(yè)整體高質(zhì)量健康發(fā)展。

（三）強化農(nóng)業(yè)用水支撐，實現(xiàn)糧食安全保障作用最大化

糧食生產(chǎn)是高耗水產(chǎn)業(yè)，糧食貿(mào)易凈輸出虛擬水的不斷增加（達(dá)到4.06×109m3），勢必對黃河上中游地區(qū)的水資源和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響，應(yīng)引起高度重視。建議嚴(yán)格“以水定地”，根據(jù)水資源承載能力，對水資源短缺、水資源開發(fā)過度、生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)劃定灌溉面積控制紅線；在采取種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、強化節(jié)水措施后仍不能滿足灌溉和退減擠占生態(tài)環(huán)境用水要求的地區(qū)，采取有效措施退減灌溉面積。深入研究和論證西部調(diào)水工程，投資建設(shè)農(nóng)田水利工程，為區(qū)域提供水資源保障。在科學(xué)劃定“三區(qū)三線”的背景下，合理利用自然資源，開發(fā)甘肅西部地區(qū)、內(nèi)蒙古西部地區(qū)以及內(nèi)蒙古陜西交界地區(qū)的后備耕地，積極培育黃河上中游干旱半干旱地區(qū)糧食生產(chǎn)新動能，疏解東部地區(qū)糧食生產(chǎn)壓力，改變西部地區(qū)大面積荒漠狀態(tài)，構(gòu)筑穩(wěn)定的生態(tài)屏障。

（四）加強水資源保護(hù)，實現(xiàn)糧食及能源對水資源與生態(tài)環(huán)境干擾最小化

黃河上中游地區(qū)的水資源現(xiàn)狀利用量占用水總量控制指標(biāo)的比重偏高，外延式發(fā)展?jié)摿τ邢蓿叫柰ㄟ^技術(shù)進(jìn)步和政策約束將糧食生產(chǎn)與能源開發(fā)對水資源、生態(tài)環(huán)境的不利影響減少到最小。建議壓減高比例農(nóng)業(yè)用水，借助市場手段高效配置水資源，建立和健全水權(quán)交易制度、規(guī)則及其技術(shù)支撐體系，鼓勵能源企業(yè)出資進(jìn)行灌區(qū)節(jié)水技術(shù)改造，在維持水生態(tài)健康的基礎(chǔ)上保障糧食生產(chǎn)和能源開發(fā)；明確化石能源在生態(tài)環(huán)境治理與能源清潔低碳轉(zhuǎn)型中的定位和作用，強化碳捕集、利用與封存技術(shù)攻關(guān)，為化石能源可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。同時，立足風(fēng)、光、水資源優(yōu)勢，大力發(fā)展清潔可再生能源，多措并舉保障黃河上中游地區(qū)能源外輸。

（五）加強基礎(chǔ)科技研究，發(fā)展水 - 糧食 - 能源安全保障技術(shù)

針對水 - 糧食 - 能源互動理論與協(xié)同保障技術(shù)短板，創(chuàng)新變化條件下水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)互動演化與多目標(biāo)協(xié)同理論，發(fā)展多尺度水 - 糧食 -能源紐帶關(guān)系分析方法和模型，突破不確定條件下水資源協(xié)同配置優(yōu)化技術(shù)。加強前瞻性、顛覆性節(jié)水技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)新水的循序再生利用技術(shù)，在農(nóng)業(yè)方面重點研發(fā)旱作種植、咸水種植等技術(shù)，在能源方面積極研發(fā)保水采煤、無水冷卻、無水壓裂、污水中能源回收利用等技術(shù)。根據(jù)國家糧食和能源中長期發(fā)展規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮實體水與虛擬水兩個維度，從國家層面提出保障水安全、糧食安全和能源安全的適水產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整方案。

六、結(jié)語

黃河上中游地區(qū)土地資源豐富，光熱條件適宜，礦產(chǎn)和能源資源富集，卻是我國水資源最為緊缺的地區(qū)。新時期黃河上中游地區(qū)的供需形勢發(fā)生深刻變化，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議等的實施，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)安全用水之間的矛盾日趨突出；國家能源和糧食安全保障將進(jìn)一步驅(qū)動用水需求的增長，水資源保障問題更為復(fù)雜。實現(xiàn)黃河上中游水 - 糧食 - 能源協(xié)同安全，直接關(guān)系著西部國土的穩(wěn)定和長治久安，也是保障國家均衡、強勁、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

推進(jìn)區(qū)域水 - 糧食 - 能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵是解決水資源問題，應(yīng)依據(jù)水 - 糧食 - 能源系統(tǒng)間的復(fù)雜規(guī)律，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域水資源開發(fā)，糧食和能源生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動，將水資源、糧食、能源同時規(guī)劃和布局，提高資源利用效率，強調(diào)三者間的協(xié)調(diào)安全發(fā)展，以構(gòu)建資源稟賦特征下的社會經(jīng)濟(jì)最佳發(fā)展模式。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務(wù)沖突。

Received date:March 6, 2023;Revised date:May 28, 2023

Corresponding author:Liu He is a professor from Research Institute of Petroleum Exploration and Development, and a member of Chinese Academy of Engineering. His major research field is energy & mining engineering. E-mail: liuhe@petrochina.com.cn

Funding project:National Natural Science Foundation of China(72088101, 51809282); Chinese Academy of Engineering project“Research on the Comprehensive Collaborative Development Strategy of Energy and Water under the Background of Climate Change and Dual Carbon Goals” (2022-XZ-07)