京津冀地區(qū)水-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展評(píng)價(jià)

鄭 雪，周 浩，張野馳，王 晶

（1.河北省秦皇島水文勘測(cè)研究中心，河北 秦皇島 066000；2.燕山大學(xué)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心，河北 秦皇島 066004）

水、能源和糧食是人類(lèi)生產(chǎn)生活和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略性支撐要素，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)長(zhǎng)久發(fā)展的必要物質(zhì)條件。全球?qū)τ谒?、能源和糧食的需求仍在上升，然而三者的安全問(wèn)題正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為解決這一問(wèn)題，2011 年世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的《全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》首次將三者作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，并將水-能源-糧食（Water-Energy-Food，W-E-F）系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)列為未來(lái)的三大核心風(fēng)險(xiǎn)群之一[1]。

水、能源、糧食三者既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，既相互制約也相互依存，任何一個(gè)要素失衡都會(huì)影響到其他2 個(gè)要素和整個(gè)WEF 系統(tǒng)的發(fā)展，針對(duì)要素失衡和WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了綜合性研究。學(xué)者主要采用耦合協(xié)調(diào)度模型[2]、DEA 模型[3]、協(xié)同學(xué)[4]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[5]、水足跡模型等[6]方法從不同層面和視角對(duì)WEF 系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、分析影響因素等，取得了一系列的成果。如，支彥玲等基于協(xié)同進(jìn)化理論構(gòu)建協(xié)同評(píng)估框架，對(duì)我國(guó)西北地區(qū)水資源、能源和糧食系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行評(píng)估[7]；趙勇等基于京津冀地區(qū)水資源管理需求，構(gòu)建了水-能-糧-生協(xié)同調(diào)控模型，通過(guò)多情景模擬提出了京津冀協(xié)同調(diào)控方案[8]；鄧鵬等以江蘇省為研究對(duì)象，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型對(duì)WEF 系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進(jìn)行評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)未來(lái)的變化情況[9]。

上述國(guó)內(nèi)外研究雖然從不同角度對(duì)WEF 系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展情況進(jìn)行了研究，但大多以省份、國(guó)家層面為主，較少以經(jīng)濟(jì)體為研究對(duì)象分析系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展水平，因此本文根據(jù)水、能源、糧食相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，以京津冀地區(qū)為研究對(duì)象，以協(xié)同學(xué)理論為基礎(chǔ)，從水資源系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)3個(gè)方面選取指標(biāo)構(gòu)建協(xié)同度評(píng)價(jià)模型，為保障區(qū)域WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所需數(shù)據(jù)來(lái)源于2010—2020 年的《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》以及北京、天津和河北三地的統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展公報(bào)等，個(gè)別缺失數(shù)據(jù)通過(guò)插值法補(bǔ)齊。

1.2 研究方法

1.2.1 協(xié)同理論

協(xié)同理論是由德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·哈肯于1971 年提出的，用于研究復(fù)雜系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。WEF 系統(tǒng)包含水資源子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)和糧食子系統(tǒng)，這三者之間互相作用、互相影響，可通過(guò)協(xié)同理論來(lái)研究各子系統(tǒng)在不同時(shí)間和空間條件下的特征和演變規(guī)律。系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的協(xié)調(diào)程度被稱(chēng)之為協(xié)同度，其大小反映系統(tǒng)的有序程度，是分析子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的重要指標(biāo)，本研究的協(xié)同度是指水資源、能源、糧食三大子系統(tǒng)之間的協(xié)同程度。

1.2.2 復(fù)合系統(tǒng)整體協(xié)同度法

WEF 系統(tǒng)由3 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)可表示為：S=f(S1,S2,S3)，系統(tǒng)的協(xié)同度由各子系統(tǒng)的協(xié)同度決定，子系統(tǒng)可由參量S1=(x11,x12,x13,…,x1n)、S2=(x21,x22,x23,…,x2n）、S3=(x31,x32,x33,…,x3n）來(lái)表示，若xik為正向指標(biāo)，則取值越大系統(tǒng)的有序度就越高；反之，若xik為負(fù)向指標(biāo)，則取值越小系統(tǒng)的有序度越高。各子系統(tǒng)的有序度可由下式求得：

式中：μj(xik)∈(0,1)為子系統(tǒng)的協(xié)同有序度，取值越大，則參量xik對(duì)系統(tǒng)的有序發(fā)展貢獻(xiàn)越大；αik、βik為系統(tǒng)穩(wěn)定臨界點(diǎn)上序參量的最大值和最小值。

再利用線性加權(quán)法即可求得系統(tǒng)Si的有序度，其計(jì)算公式為：

式中：μj(Si)表示子系統(tǒng)的有序度，取值越大，則表明子系統(tǒng)內(nèi)各參量對(duì)子系統(tǒng)有序度的貢獻(xiàn)越大；wk為第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；μj(S1)，μj(S2)，μj(S3)分別表示水資源系統(tǒng)S1、能源系統(tǒng)S2和糧食系統(tǒng)S3的有序度；其余變量含義同上。

現(xiàn)假定系統(tǒng)初始位置時(shí)刻為t0，各子系統(tǒng)的有序度為，當(dāng)系統(tǒng)演進(jìn)到t1時(shí)刻時(shí)，子系統(tǒng)的有序度為，將P定義為系統(tǒng)的協(xié)同度，則有：

式中：P∈[-1,1]，其值越大，表示系統(tǒng)的協(xié)同能力越強(qiáng)，反之越弱。

2 WEF系統(tǒng)協(xié)同度評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

WEF 系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)乎經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境，不僅需要考慮各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，還需要考慮系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)作用。考慮到水資源、能源和糧食3 個(gè)子系統(tǒng)既相互關(guān)聯(lián)又各自獨(dú)立，本文從水資源、能源、糧食3 個(gè)層面根據(jù)頻度分析法確定了2 層共25個(gè)指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為消除序參量之間的量綱差異，統(tǒng)一數(shù)據(jù)的變化范圍，本文采取歸一化處理法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

對(duì)于正向指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式中：yik表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；xik表示初始數(shù)值；xkmax和xkmin表示第k個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。正向指標(biāo)表示值越大對(duì)系統(tǒng)越好的指標(biāo)，負(fù)向指標(biāo)表示值越小對(duì)系統(tǒng)越好的指標(biāo)。

再利用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)的權(quán)重越大，代表在協(xié)同度評(píng)價(jià)模型中所起的作用越大。

2.2.1 信息熵計(jì)算

評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵Ek可表示為：

2.2.2 權(quán)重計(jì)算

第k個(gè)指標(biāo)權(quán)重wk的計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，各指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 WEF系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重

3 WEF系統(tǒng)協(xié)同度評(píng)價(jià)實(shí)證分析

3.1 京津冀地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度

2010—2020 年，京津冀地區(qū)水資源系統(tǒng)的有序度整體上處于上升狀態(tài)，大致可以分為2個(gè)階段：①2010—2014 年，這一階段有序度基本上低于0.5，由于京津冀地區(qū)屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，并且用水量大、廢水排放量高，使得有序度較低；②2015—2020 年，這一階段有序度基本處于0.5～0.6，由于京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)和南水北調(diào)工程的全面建成通水，在一定程度上緩解了京津冀地區(qū)的水源緊缺問(wèn)題，水資源系統(tǒng)有序度得到了提高，但人口基數(shù)大，用水對(duì)外省依賴(lài)度高，因此有效度不高。

北京、天津和河北三地中，北京和天津的水資源系統(tǒng)有序度低于河北，這是因?yàn)楸本┖吞旖虻娜司Y源量低于河北，而人均用水量卻比河北高，因此整體上要低于河北。三地水資源系統(tǒng)有序度不高主要受限于水資源不足，水資源已成為制約三地發(fā)展的瓶頸。京津冀及各地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度，詳見(jiàn)表2。

表2 京津冀及各地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度

3.2 京津冀地區(qū)能源系統(tǒng)有序度

京津冀及各地區(qū)的能源系統(tǒng)有序度整體上偏低，且無(wú)明顯變化規(guī)律。從京津冀地區(qū)整體上來(lái)看，自2015年開(kāi)始能源系統(tǒng)有序度均大于0.5，高于2010—2014年這一時(shí)間段，根據(jù)序參量的權(quán)重可知，人均能源生產(chǎn)量、能源自給率和清潔能源發(fā)電占比對(duì)能源系統(tǒng)有序度的影響較大，自節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展等政策實(shí)施以來(lái)，清潔能源的使用迎來(lái)了一波高峰，能源自給率和清潔能源發(fā)電占比的提高使得系統(tǒng)的有序度得到了提高。從各地區(qū)來(lái)看，天津的有序度要高于北京和河北，這是由于天津的人均能源消耗量低于后兩者，而人均能源產(chǎn)量和能源自給率高于兩者。京津冀及各地區(qū)能源系統(tǒng)有序度，詳見(jiàn)表3。

表3 京津冀及各地區(qū)能源系統(tǒng)有序度

3.3 京津冀糧食系統(tǒng)有序度

京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，根據(jù)序參量的權(quán)重可知，居民恩格爾系數(shù)、作物受災(zāi)率和單位播種面積動(dòng)力投入這3個(gè)指標(biāo)對(duì)糧食系統(tǒng)有序度影響較大，近些年來(lái)，隨著居民收入不斷提高，恩格爾系數(shù)開(kāi)始降低，并且隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，有序度得到了明顯的提高。從各地區(qū)來(lái)看，河北的糧食系統(tǒng)有序度幾乎一直高于北京和天津，河北作為農(nóng)業(yè)大省，人均糧食產(chǎn)量遠(yuǎn)高于后兩者，為周邊省市提供了糧食保障。京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度，詳見(jiàn)表4。

表4 京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度

3.4 WEF系統(tǒng)協(xié)同度

依據(jù)式（4）計(jì)算WEF系統(tǒng)的協(xié)同度，京津冀各地的WEF 系統(tǒng)協(xié)同程度存在一定差距，從整體上看各地WEF系統(tǒng)協(xié)同度表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，如圖1所示。

圖1 京津冀及各地區(qū)WEF系統(tǒng)協(xié)同度水平

從圖1 可以看出，各地WEF 系統(tǒng)協(xié)同度變化可分為2個(gè)階段：第一階段為2011—2016年，這一階段各地協(xié)同度變化無(wú)規(guī)律，有增有減，處于較低的狀態(tài)，表明這一時(shí)期京津冀各地WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展情況較差。第二階段為2017—2020 年，這一階段各地的WEF 系統(tǒng)協(xié)同度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，各要素得到了有效協(xié)同并且逐年提高，其中北京的增幅最大、增速最快，天津的增幅最小、增速最慢。

京津冀地區(qū)的WEF 系統(tǒng)協(xié)同度高低與北京、天津和河北三地的協(xié)同度高低息息相關(guān)，任一地區(qū)的協(xié)同度低下都導(dǎo)致整個(gè)京津冀地區(qū)的協(xié)同度處于較低的水平，只有京津冀三地協(xié)同發(fā)展，增強(qiáng)WEF系統(tǒng)上的合作與交流，才能推動(dòng)WEF系統(tǒng)協(xié)同快速發(fā)展。

4 結(jié)論

根據(jù)協(xié)同理論構(gòu)建區(qū)域WEF系統(tǒng)協(xié)同度評(píng)價(jià)模型，基于京津冀地區(qū)2010—2020 年的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)京津冀及各地區(qū)水資源、能源、糧食系統(tǒng)的有序度和WEF系統(tǒng)的協(xié)同度進(jìn)行定量評(píng)估，主要結(jié)論如下。

（1）京津冀地區(qū)WEF 系統(tǒng)的有序度和協(xié)同度整體上呈上升趨勢(shì)，其中水資源和能源系統(tǒng)有序度變化可以劃分成2 個(gè)階段：2010—2014 年這一階段有序度較低，幾乎都低于0.5；2015—2020 年這一階段有序度高于前一階段，均高于0.5。京津冀地區(qū)WEF系統(tǒng)協(xié)同度自2017年開(kāi)始變化明顯，上升速度較快，增幅較大，整體協(xié)同水平得到進(jìn)一步提高。

（2）在京津冀三地的水資源、能源、糧食系統(tǒng)中，河北的水資源和糧食系統(tǒng)的有序度高于天津和北京，這主要與人均擁有量高而人均消耗量較低有關(guān)；而天津的能源系統(tǒng)的有序度高于河北和北京，這主要與人均產(chǎn)量和自給率較高有關(guān)。