黃河流域“水—能源—糧食”流通及壓力變化特征分析

韓夢雨

（1.河海大學(xué)商學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.山東水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250013）

黃河流域作為我國北方重要的經(jīng)濟走廊，在經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面扮演著至關(guān)重要的角色[1]。當(dāng)前，在黃河流域高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展進程中仍存在資源供求不匹配的問題，尤其是地區(qū)日益增長的資源需求與匱乏的水資源之間的矛盾尤為突出[2]。國家高度重視黃河流域的協(xié)同發(fā)展，2021 年10 月，中共中央、國務(wù)院聯(lián)合發(fā)布了《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，該規(guī)劃綱要明確指出，黃河流域水資源是最大的剛性約束因素；同時強調(diào)了鞏固能源與糧食安全的重要性。黃河流域也是我國重要的能源區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)，擁有廣闊的土地、豐富的能源和礦產(chǎn)資源，水資源短缺已成為制約流域可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，深入研究黃河流域水資源、能源和糧食之間的相互關(guān)系具有重要意義，通過合理調(diào)配和優(yōu)化資源配置以實現(xiàn)黃河流域的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者對“水—能源—糧食”的相關(guān)研究可以歸納為以下幾個方面：一是關(guān)于水資源、能源、糧食三者相互關(guān)系與反饋機制的研究。彭俊杰[3]指出黃河流域水資源、能源、糧食資源要素空間分布不均；水資源短缺問題與保障能源與糧食安全之間的矛盾日益突出，這導(dǎo)致了“水—能源—糧食”之間的關(guān)系更加復(fù)雜化。二是評估流域或行政區(qū)域的“水—能源—糧食”壓力及資源安全。張中浩等[4]以長三角城市群為例，構(gòu)建WEF 系統(tǒng)壓力指數(shù)，揭示了1990—2018 年期間長三角城市群2010 年后，WEF 系統(tǒng)壓力顯著上升，其中水資源壓力保持相對穩(wěn)定、糧食壓力大幅增加、能源壓力有所下降。三是關(guān)于WEF 系統(tǒng)仿真模擬方面的研究。王慧敏等[5]以山東省為例，開展了“水—能源—糧食”紐帶關(guān)系下區(qū)域綠色發(fā)展政策的仿真研究，指出山東省可以通過調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和推動生物質(zhì)能源的發(fā)展來減少農(nóng)業(yè)面源污染和能源開采對水體的污染。

目前，黃河流域資源系統(tǒng)的研究主要集中在水資源評估與管理方面，還沒有足夠的研究關(guān)注到流域資源系統(tǒng)壓力的評估。因此，該研究通過構(gòu)建水資源、能源、糧食系統(tǒng)以及“水—能源—糧食”綜合系統(tǒng)壓力指數(shù)，詳細分析了黃河流域9?。▍^(qū)）所面臨的壓力情況。同時，通過深入探討黃河流域各省份在水資源、能源及糧食資源配置方面的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

經(jīng)濟學(xué)家Leontief 最早提出了投入產(chǎn)出分析方法[6]，該方法用于研究經(jīng)濟系統(tǒng)中各部門在投入和產(chǎn)出方面的相互依賴關(guān)系。分析黃河流域9省（區(qū)）的虛擬資源流動關(guān)系，需要突破單區(qū)域投入產(chǎn)出模型的限制，建立多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，并在此基礎(chǔ)上引入黃河流域各部門的資源消耗量，建立資源拓展型多區(qū)域投入產(chǎn)出模型。

資源消耗系數(shù)是一個重要的生產(chǎn)指標(biāo)，在投入產(chǎn)出表中引入水資源W、能源E、糧食F的消耗量，用于衡量生產(chǎn)過程中單位產(chǎn)品消耗的資源量。其公式為：

式中：W/E/F為單位產(chǎn)品或服務(wù)消耗的資源量，r為水資源、能源、糧食的直接消費量；X為行業(yè)的總產(chǎn)出。

2.2 壓力指數(shù)的構(gòu)建

2.2.1 水資源壓力指數(shù)

水資源壓力指數(shù)（WSI）是用水量與水資源總量的比值，該指數(shù)用于衡量人類生產(chǎn)、生活用水對地區(qū)水資源壓力的影響。計算公式如下：

式中：Wu為直接用水量；Wt為地區(qū)水資源總量。

參考洪思揚等[7]研究成果，構(gòu)建假定水資源壓力指數(shù)（WSI*），該指數(shù)表示向研究區(qū)外其他地區(qū)流出的虛擬水是由該地自身使用的情況下，該地區(qū)的水資源壓力。計算公式如下：

式中：Wnet，in為虛擬水凈流出量，Win、Wout分別為虛擬水流入量、流出量。

當(dāng)WSI-WSI*＞0 時，說明當(dāng)?shù)厮Y源壓力得到緩解。

2.2.2 能源壓力指數(shù)

能源壓力指數(shù)是能源消費量與能源儲備量的比值，反映了能源間的供需關(guān)系。能源儲備量可以準(zhǔn)確反映一個地區(qū)的能源狀況，但由于獲取難度較高，因此研究區(qū)域能源資源狀況通常使用一次能源生產(chǎn)量來表示。計算公式如下：

式中：Eu為能源消費量；EP為地區(qū)一次能源生產(chǎn)量。

構(gòu)建假定能源壓力指數(shù)（ESI*），ESI*的計算公式如下：

式中：Enet，in為虛擬能源凈流出量；Ein、Eout為別為虛擬能源的流入量、流出量。

公式（5）和公式（4）之差Enet，in/EP表示虛擬能源流動對研究區(qū)域能源壓力的影響。當(dāng)ESIESI*＞0，說明當(dāng)?shù)啬茉磯毫Φ玫骄徑狻?/p>

2.2.3 糧食壓力指數(shù)

糧食壓力指數(shù)是糧食生產(chǎn)量與糧食消費量的比值，用于評估本地糧食消費所帶來的壓力。計算公式如下：

式中：Fu為本地糧食消費量；FP為糧食生產(chǎn)量。

虛擬糧食貿(mào)易影響著糧食壓力指數(shù)，故構(gòu)建假定的糧食壓力指數(shù)FSI*，計算公式如下：

式中：Fnet，in為虛擬糧食凈流出量；Fin、Fout分別為虛擬糧食流入量、流出量。

公式（7）和公式（6）之差Fnet，in/FP表示虛擬糧食流動對研究區(qū)域糧食壓力的影響。當(dāng)FSIFSI*＞0 時，說明當(dāng)?shù)丶Z食壓力得到緩解。

2.2.4WEF壓力指數(shù)構(gòu)建

為反映“水—能源—糧食”系統(tǒng)的壓力，構(gòu)建WEF系統(tǒng)壓力指數(shù)（WEF-SI）。由于三者之間存在相互依賴和非線性相互作用關(guān)系，所以采用幾何平均值來表示W(wǎng)EF系統(tǒng)的壓力。

假定的WEF系統(tǒng)壓力指數(shù)為WEF-SI*，計算公式如下：

公式（8）和公式（9）之差表示虛擬資源流通對緩解當(dāng)?shù)豔EF 系統(tǒng)壓力的貢獻。當(dāng)WEF-SI*＜WEF-SI時，說明虛擬資源的流入緩解了當(dāng)?shù)豔EF系統(tǒng)的壓力。

2.3 數(shù)據(jù)來源

基于中國碳排放數(shù)據(jù)庫（CEAD）獲取了2015 年和2017 年中國多區(qū)域投入產(chǎn)出表，水資源數(shù)據(jù)來自《中國水資源公報》；能源生產(chǎn)及消費數(shù)據(jù)取自《中國能源統(tǒng)計年鑒》及黃河流域9 ?。▍^(qū)）相應(yīng)年份的統(tǒng)計年鑒；糧食方面的數(shù)據(jù)，主要從《中國農(nóng)墾年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒》中獲得。

3 資源流動計算結(jié)果

3.1 虛擬水資源

根據(jù)多區(qū)域投入產(chǎn)出模型計算，得出黃河流域2015 年與2017 年的虛擬水資源流動量。2015年，內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏地區(qū)的虛擬水呈現(xiàn)出凈流入狀態(tài)，其中內(nèi)蒙古地區(qū)的虛擬水凈流入量最多，占虛擬水凈流入量的57%，主要來源地為山東和河南；甘肅地區(qū)虛擬水凈流入量居于第二，為21.26 億m3；山東向黃河流域外地區(qū)輸出了81.33 億m3的虛擬水。2017 年，山西省的虛擬水凈流入量最多，達到了54.81 億m3，主要來源地為內(nèi)蒙古與河南。內(nèi)蒙古、甘肅、青海地區(qū)呈現(xiàn)虛擬水的凈流出，3 個地區(qū)大部分虛擬水都是流入到黃河流域內(nèi)的區(qū)域。

3.2 虛擬能源

根據(jù)投入產(chǎn)出表計算得出黃河流域2015 年與2017 年的虛擬能源流動量。2015 年，河南和陜西是虛擬能源凈流入地區(qū)，分別流入196.81 萬tce和556.28 萬tce；其余地區(qū)整體呈現(xiàn)虛擬能源凈流出狀態(tài)，其中內(nèi)蒙古、山西和山東占虛擬能源凈流出量的74%。2017 年，黃河流域的虛擬能源流動中，河南、四川、陜西和寧夏地區(qū)是凈流入地區(qū)，虛擬能源流入量的94%來自黃河流域。其他地區(qū)的虛擬能源呈凈流出狀態(tài)，其中內(nèi)蒙古的虛擬能源凈流出量最大，達到了7 707.08 萬tce，約77%流向了黃河流域以外的地區(qū)。

3.3 虛擬糧食

2015 年黃河流域虛擬糧食貿(mào)易中，河南、內(nèi)蒙古、四川和甘肅地區(qū)是主要的凈輸出區(qū)。河南省虛擬糧食凈流出量最多，其中有311.35 萬t 流向了黃河流域以外，占凈流出量的85%。其余地區(qū)為虛擬糧食凈流入地區(qū)，其中山東最多，為192.21 萬t。2017 年黃河流域中內(nèi)蒙古、河南和四川虛擬糧呈現(xiàn)凈流出狀態(tài)，其中河南的虛擬糧食凈流出量最大為117.73 萬t；凈流量出最小的是四川，為59.30 萬t，其中大部分流向黃河流域外其他區(qū)域。

3.4 資源壓力指數(shù)

黃河流域資源壓力指數(shù)計算結(jié)果見表1，由表1 可知：

表1 黃河流域壓力指數(shù)計算結(jié)果

1）2015 年黃河流域的水資源壓力分布不均，其中寧夏的水資源壓力最大（7.332），山東省次之（1.070），無法滿足本地的用水需求，內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏地區(qū)的水資源壓力得到緩解。2017 年黃河流域水資源壓力仍以寧夏地區(qū)最大（3.152），山東省次之（0.928），其余地區(qū)水資源壓力相對較??；山西、山東、河南、四川、陜西和寧夏地區(qū)水資源壓力得到緩解。

2）2015 年黃河流域能源壓力整體較大，其中以山東最大（2.495），其次是河南（2.062）。大部分?。▍^(qū)）的假定能源壓力指數(shù)大于實際能源壓力指數(shù)，虛擬能源的流出加劇地區(qū)的能源壓力，黃河流域9 ?。▍^(qū)）能源壓力緩解的只有河南和陜西。2017 年黃河流域能源壓力格局與2015 年類似，甘肅的能源壓力加重最為顯著。

3）2015 年黃河流域的糧食壓力整體較小，其中青海（1.263）、山東（0.903）、四川（0.843）的壓力較為顯著。山西、山東、陜西、青海、寧夏地區(qū)糧食壓力有所緩解，其中山東、山西的緩解效果顯著，內(nèi)蒙古地區(qū)的壓力加劇幅度最大。2017 年糧食壓力仍以青海（1.256）最大，山西、山東以及上游地區(qū)的糧食壓力有所緩解。

4）2015 年黃河流域“水—能源—糧食”（WEF）系統(tǒng)中，寧夏地區(qū)壓力最大（1.556），山東省次之（1.341）所有地區(qū)的壓力均有不同程度的加重。2017 年WEF系統(tǒng)壓力格局變化不大，寧夏（1.356）和山東（1.332）仍然面臨較大的壓力。山西、山東、河南、四川、陜西和寧夏地區(qū)壓力有所緩解，其他地區(qū)壓力均有不同程度的增加。

4 結(jié)論與討論

文章基于多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，對黃河流域2015 年和2017 年的水資源、能源、糧食資源的流動進行核算，并構(gòu)建WEF系統(tǒng)壓力指數(shù)，對黃河流域的壓力變化進行研究，通過分析數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，得出以下幾點結(jié)論：

1）黃河流域整體資源稟賦較為有限，2015—2017 年水資源呈現(xiàn)凈流入狀態(tài)，能源和糧食呈現(xiàn)凈流出狀態(tài)。2017 年虛擬水的凈流入量較2015年有所減少，同樣，虛擬能源和虛擬糧食的凈流出量也有所減少。虛擬資源的流通格局與實際分布不符，具體而言，虛擬資源的流通在較大程度上集中在資源相對較匱乏的黃河下游地區(qū)，而上游地區(qū)的省（區(qū)）資源稟賦相對較好，但流通水平較低。

2）黃河流域各?。▍^(qū)）的資源壓力總體趨于穩(wěn)定，僅有水資源壓力均呈現(xiàn)下降趨勢。2015 年與2017 年水資源、能源、糧食以及“水—能源—糧食”系統(tǒng)壓力格局基本相同，整體壓力分布呈現(xiàn)上游、中游和下游地區(qū)逐級遞增的格局，表明黃河流域不同地區(qū)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境發(fā)展存在明顯的差異。

3）黃河流域各?。▍^(qū)）應(yīng)各盡其責(zé)，下游地區(qū)充分發(fā)揮地理和政策優(yōu)勢，上游地區(qū)發(fā)揮資源優(yōu)勢，加強上下游之間的貿(mào)易合作，實現(xiàn)資源的公平分配。這不僅有助于緩解下游地區(qū)的資源壓力，也能推動上游經(jīng)濟增長，縮小上中下游地區(qū)之間的經(jīng)濟差距。