水-能-糧紐帶系統(tǒng)多維演變解析研究——以京津冀地區(qū)為例

Multidimensional evolution analysis of the water-energy-food nexus system——a case study of the Beijing-Tianjin-Hebei region

李溦，李云玲，趙勇，朱永楠，李原園，宋秋波，姜珊，邢西剛，王慧杰，劉凱

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，100120，北京；2.水利部水利規(guī)劃與戰(zhàn)略研究中心，100120，北京；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

摘要：水、能源和糧食是支撐人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，水-能-糧紐帶系統(tǒng)間相互交織、依存與制約，單一政策改變可能引發(fā)“按下葫蘆浮起瓢”的治理困境，且現(xiàn)狀紐帶系統(tǒng)多維演變?nèi)狈C(jī)理及定量解析?；诖?，解析水-能-糧紐帶系統(tǒng)多維演變內(nèi)涵，提出多維系統(tǒng)計(jì)算方法，以厘清單系統(tǒng)要素內(nèi)部開(kāi)發(fā)狀況、雙系統(tǒng)要素間利用狀況、三系統(tǒng)間耦合安全狀況，并應(yīng)用于京津冀地區(qū)近20年定量演變解析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：京津冀水-能-糧單系統(tǒng)基本處于過(guò)度開(kāi)發(fā)狀態(tài)，高度依賴外部輸入；雙系統(tǒng)間利用水平顯著提升，但仍存在優(yōu)化空間；三系統(tǒng)需關(guān)注多系統(tǒng)耦合協(xié)同優(yōu)化發(fā)展。為此提出以下政策建議：京津冀地區(qū)單資源系統(tǒng)內(nèi)部需嚴(yán)控節(jié)流，從根本上扭轉(zhuǎn)資源利用慣性；雙系統(tǒng)間從結(jié)構(gòu)技術(shù)雙向調(diào)節(jié)提升效率，破解資源錯(cuò)配困局；三系統(tǒng)整體需外聯(lián)內(nèi)協(xié)優(yōu)化重構(gòu)耦合發(fā)展，以“系統(tǒng)協(xié)同”與“節(jié)流-開(kāi)源動(dòng)態(tài)平衡”結(jié)合為核心策略，使水-能-糧系統(tǒng)資源可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水-能-糧紐帶系統(tǒng)；單系統(tǒng)-雙系統(tǒng)-三系統(tǒng)；多維演變；協(xié)同發(fā)展；京津冀地區(qū)

作者簡(jiǎn)介：李溦，工程師，主要從事水利規(guī)劃與戰(zhàn)略研究。

通信作者：李云玲，正高級(jí)工程師，主要從事水利規(guī)劃與戰(zhàn)略研究。E-mai：liyunling@giwp.org.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52025093）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.06.001

引言

水、能源和糧食是人類生存和發(fā)展不可或缺的資源，水-能-糧紐帶系統(tǒng)間相輔相成、相互依賴、相互競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)已有研究顯示，預(yù)計(jì)2050年全球人口約為90億人，人口增長(zhǎng)將導(dǎo)致糧食需求增加約50%，能源需求增加約80%，屆時(shí)水問(wèn)題也將變得緊迫，世界上75%的人口可能面臨可用淡水短缺，水-能-糧資源安全平衡面臨挑戰(zhàn)。尤其自2011年波恩會(huì)議上正式提出水-能-糧紐帶關(guān)系以來(lái)，相關(guān)研究已成為聯(lián)合國(guó)、各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。2015年聯(lián)合國(guó)提出了一套全球性的行動(dòng)計(jì)劃——可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（Sustainable Development Goals，簡(jiǎn)稱SDGs），其中可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)2（消除饑餓）、目標(biāo)6（提供清潔水和衛(wèi)生設(shè)施）以及目標(biāo)7（推動(dòng)可負(fù)擔(dān)的清潔能源）與水-能-糧直接相關(guān)，其余多項(xiàng)目標(biāo)均與水-能-糧紐帶關(guān)系間接相關(guān)。國(guó)際上越來(lái)越多管理者和決策者關(guān)注到水-能-糧協(xié)同發(fā)展的重要性。

梳理現(xiàn)階段水-能-糧相關(guān)研究：研究尺度方面，當(dāng)前主要針對(duì)全球、國(guó)家、城市以及家庭等尺度開(kāi)展了宏觀或精細(xì)化研究；研究方法方面，已有學(xué)者打破單系統(tǒng)建模片面性，開(kāi)發(fā)出諸如CLEWs、WEF Nexus Tool 2.0、Q-Nexus、MuSIASEM、NexSym、PRIMA、WEFO等集成模型并引發(fā)較高關(guān)注；研究?jī)?nèi)容方面，大量研究集中于水-能-糧狀態(tài)評(píng)價(jià)，諸如耦合協(xié)調(diào)水平、協(xié)同發(fā)展水平等。一些關(guān)鍵問(wèn)題有待回答，諸如如何定量解析水-能-糧各自系統(tǒng)、兩兩系統(tǒng)以及三者間開(kāi)發(fā)、利用、消耗之間的變化特征，水-能-糧紐帶系統(tǒng)間存在什么樣的演進(jìn)、轉(zhuǎn)化、平衡關(guān)系等，如何回答上述問(wèn)題并定量揭示多維演變過(guò)程是現(xiàn)階段研究空白。

基于上述考慮，本研究以解析水-能-糧協(xié)同發(fā)展內(nèi)涵為基礎(chǔ)，重點(diǎn)辨析了多維演變過(guò)程中內(nèi)部、外部、時(shí)空、系統(tǒng)等維度內(nèi)涵，提出水-能-糧紐帶系統(tǒng)多維演變過(guò)程，旨在重點(diǎn)解析單系統(tǒng)-雙系統(tǒng)-三系統(tǒng)間的變化傳遞關(guān)系。具體來(lái)看，主要為單系統(tǒng)要素內(nèi)部開(kāi)發(fā)狀況、雙系統(tǒng)要素間利用狀況、三系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)狀況，并以京津冀近20年演變?yōu)槔?，開(kāi)展全鏈條過(guò)程定量演變解析，旨在為推動(dòng)水-能-糧紐帶系統(tǒng)發(fā)展及多要素協(xié)同管理提供理論支撐。

理論闡述

1.影響因素解析

水-能-糧子系統(tǒng)耦合形成復(fù)雜系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部充斥著耦合性、關(guān)聯(lián)性、模糊性，既受單系統(tǒng)內(nèi)部資源稟賦狀況、供需不穩(wěn)定的影響，又受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r、生產(chǎn)水平、發(fā)展政策等外部環(huán)境變化共同影響。氣候變化、自然災(zāi)害、地質(zhì)條件、生物活動(dòng)等自然現(xiàn)象對(duì)各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生影響，如氣候變化導(dǎo)致降雨徑流變化，徑流不足使得供水緊張、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，過(guò)多可能引發(fā)洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致水土流失、農(nóng)田澇漬、能源基地沖毀威脅能源安全等。復(fù)雜系統(tǒng)外部則主要受社會(huì)現(xiàn)象及生態(tài)環(huán)境的不確定變化影響，在人口增長(zhǎng)、城市化、工業(yè)化等強(qiáng)人類活動(dòng)因素驅(qū)動(dòng)下，水資源短缺、糧食供給變化波動(dòng)、能源需求愈加旺盛，影響水-能-糧復(fù)雜系統(tǒng)。

水-能-糧多維系統(tǒng)內(nèi)涵解析

2.多維系統(tǒng)內(nèi)涵解析

（1）時(shí)空維度

從系統(tǒng)論、協(xié)同論視角解析，水-能-糧多維演變受到時(shí)間、空間維度影響，其中時(shí)間維度包括不同季節(jié)之間、高峰期與低谷期之間以及長(zhǎng)時(shí)間序列之間的變化，受不同季節(jié)降水、氣溫波動(dòng)變化影響，水電、農(nóng)業(yè)灌溉及能源需求隨之變化，如夏季用電、冬季取暖高峰，造成能源調(diào)配復(fù)雜。從長(zhǎng)時(shí)間序列看，氣候變化、人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展使三者的供需格局持續(xù)演變，加劇資源變化。空間維度則涵蓋了區(qū)域內(nèi)外、流域之間以及省內(nèi)省際之間的差異，水資源在區(qū)域內(nèi)外、流域之間分布不均，南方優(yōu)于北方，東部?jī)?yōu)于西部。能源生產(chǎn)和消費(fèi)存在顯著空間差異，西北地區(qū)土地資源豐富，光熱條件適宜，礦產(chǎn)和能源資源富集，西南地區(qū)水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)潛力較大，區(qū)域內(nèi)部和省際間差異動(dòng)態(tài)變化。糧食生產(chǎn)也呈現(xiàn)空間分異，到20世紀(jì)90年代初，南北方產(chǎn)糧比例開(kāi)始逆轉(zhuǎn)，北方糧食產(chǎn)量逐步超越南方，形成了“北糧南運(yùn)”的格局。

（2）系統(tǒng)維度

系統(tǒng)維度則隨著對(duì)水-能-糧各個(gè)系統(tǒng)及演變過(guò)程的不斷深化，主要為三個(gè)階段。

第一階段，水、能、糧單個(gè)系統(tǒng)已引發(fā)各學(xué)科學(xué)者重視，究其原因是單個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系已較為復(fù)雜，如水資源單系統(tǒng)內(nèi)部涉及自然水循環(huán)的大氣、坡面、地下、河道等自然水循環(huán)過(guò)程，社會(huì)水循環(huán)涉及取水、輸水、用水、耗水、排水等社會(huì)水循環(huán)過(guò)程，摸清水資源單系統(tǒng)過(guò)程已經(jīng)較為復(fù)雜。為此該階段側(cè)重于單系統(tǒng)開(kāi)發(fā)狀況解析。

第二階段，伴隨著人類活動(dòng)的逐漸增多，研究者開(kāi)始關(guān)注強(qiáng)人類活動(dòng)影響下的關(guān)鍵過(guò)程，著重探討系統(tǒng)內(nèi)部起到關(guān)鍵作用的雙要素利用狀況，如水-能、水-糧等雙系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理，該階段注重兩兩系統(tǒng)之間利用效率水平，如盡可能提升水-能、水-糧、糧-能兩兩系統(tǒng)間的利用效率。

第三階段，隨著在水-能-糧時(shí)間及空間上的深入研究，水-能-糧資源間關(guān)聯(lián)、競(jìng)爭(zhēng)、依存關(guān)系越來(lái)越顯著，相關(guān)研究已經(jīng)不再局限于前期簡(jiǎn)單的水-能-糧單系統(tǒng)或雙系統(tǒng)協(xié)同，亟須綜合考慮不同資源、不同區(qū)域間相互競(jìng)爭(zhēng)、重疊和交叉，若一味秉持本土思維方式，難以實(shí)現(xiàn)在區(qū)域規(guī)劃和管理上的目標(biāo)?；谶@樣的背景，“水-能-糧三維耦合系統(tǒng)協(xié)同”研究成為必然趨勢(shì)。

（3）發(fā)展目標(biāo)

水-能-糧系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程涉及不同資源、不同尺度、不同行業(yè)、不同部門(mén)，終極目的是保障資源安全和滿足人民生活需求，通過(guò)資源的整合和優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)水-能-糧各類要素在時(shí)間上空間上協(xié)同發(fā)展。

3.多維系統(tǒng)計(jì)算方法解析

研究水、能源、糧食開(kāi)發(fā)利用與消費(fèi)通量規(guī)律，揭示水-能-糧系統(tǒng)紐帶關(guān)系，提出水-能-糧單系統(tǒng)-雙系統(tǒng)-三系統(tǒng)多維演進(jìn)過(guò)程解析，具體為單系統(tǒng)各要素內(nèi)部開(kāi)發(fā)安全狀況、雙系統(tǒng)兩兩要素間利用效率狀況、三系統(tǒng)間耦合安全狀況，為構(gòu)建水-能-糧多維系統(tǒng)演進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。其中，單系統(tǒng)開(kāi)發(fā)安全狀況主要表現(xiàn)在各系統(tǒng)內(nèi)部，各子系統(tǒng)內(nèi)部盡可能保證數(shù)量與質(zhì)量充分安全，各子系統(tǒng)內(nèi)部資源開(kāi)發(fā)安全指數(shù)越高，水-能-糧系統(tǒng)越趨于安全。雙系統(tǒng)利用效率狀況主要表現(xiàn)在兩兩系統(tǒng)之間，伴隨著社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程，水-能、水-糧和能-糧間既存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系又存在著合作關(guān)系，因此從兩兩系統(tǒng)間轉(zhuǎn)化效率角度分析，使水-能-糧系統(tǒng)間的資源配置效率得到優(yōu)化。協(xié)同效率水平越高，資源配置和利用效率越高，水-能-糧系統(tǒng)越趨于安全。除需要保障基本的水-能-糧系統(tǒng)供給安全外，更應(yīng)注重三者間的耦合協(xié)同作用。因此，三系統(tǒng)耦合安全狀況為一種全局性、系統(tǒng)性安全狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，水-能-糧系統(tǒng)三者之間的互饋協(xié)調(diào)更加順暢。通過(guò)選取具有代表性的指標(biāo)，構(gòu)建水-能-糧系統(tǒng)耦合安全綜合指標(biāo)體系，運(yùn)用耦合安全協(xié)調(diào)度模型解析水-能-糧系統(tǒng)耦合安全協(xié)調(diào)水平，并計(jì)算單系統(tǒng)邊緣分布函數(shù)以及二維和三維聯(lián)合分布函數(shù)，從而評(píng)估水-能-糧耦合系統(tǒng)安全聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)概率，旨在發(fā)現(xiàn)水-能-糧系統(tǒng)協(xié)同安全存在的問(wèn)題，保障區(qū)域水-能-糧資源安全。

水-能-糧多維系統(tǒng)演變概念

（1）單系統(tǒng)開(kāi)發(fā)狀況計(jì)算方法

深入解析本地區(qū)水、能源、糧食資源開(kāi)發(fā)生產(chǎn)狀況，即明晰本地區(qū)的資源“盤(pán)子”大小。首先摸清資源的種類、數(shù)量、分布等家底，有助于制定科學(xué)合理的資源開(kāi)發(fā)和利用策略。確保資源的可持續(xù)利用，避免過(guò)度開(kāi)采和浪費(fèi)，從而維護(hù)資源的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其次通過(guò)對(duì)資源開(kāi)發(fā)生產(chǎn)狀況的深入了解，可以發(fā)現(xiàn)資源利用中的瓶頸和短板，進(jìn)而提出改進(jìn)措施，提高資源利用效率。由此，考慮能夠表征開(kāi)發(fā)生產(chǎn)狀況的資源開(kāi)發(fā)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，WEF?R指水-能-糧系統(tǒng)資源安全指數(shù)；WEF）分別表示水資源、能源、糧食（=1，2，3）的需求總量；WEF）分別表示水資源、能源、糧食（=1，2，3）的本地供應(yīng)總量。該指標(biāo)大于1則表明本地資源不能夠支撐需求，等于1則表明本地資源恰好能夠支撐需求，小于1則表明本地資源能夠支撐需求，并且存在冗余的匹配空間。

（2）雙系統(tǒng)利用狀況計(jì)算方法

從利用效率方面解析水-能-糧紐帶關(guān)系兩兩過(guò)程演進(jìn)變化狀況，主要包括糧食生產(chǎn)耗水、能源生產(chǎn)耗水、糧食生產(chǎn)耗能、水提取及運(yùn)輸過(guò)程中的耗能、糧食轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能等。

①水資源系統(tǒng)

a.糧食生產(chǎn)耗水

糧食生產(chǎn)水足跡主要包括藍(lán)水足跡和綠水足跡，主要農(nóng)作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類。藍(lán)水足跡是指在糧食生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)作物對(duì)區(qū)域地表水或地下水的消耗量；綠水足跡則通常指糧食生產(chǎn)過(guò)程中消耗的降水及儲(chǔ)存在作物中的水。主要計(jì)算公式如下：

式中，_bluegreen表示區(qū)域種作物生產(chǎn)藍(lán)水、綠水足跡（億m3）；IR_IR分別表示種作物面積灌溉用水（m3/）和糧食灌溉面積（k）；種作物有效降水量（mm）；表示區(qū)域種作物播種面積（k）；種作物復(fù)種指數(shù)。

b.能源生產(chǎn)耗水

人類社會(huì)生活和生產(chǎn)中的主要能源為原煤、原油、焦炭、天然氣、電力。能源水足跡計(jì)算主要分為直接水足跡和間接水足跡兩部分，直接水足跡是指能源生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的水資源量，間接水足跡是指在該過(guò)程中所投入的物質(zhì)資料所消耗的水資源量。直接和間接水足跡主要考慮藍(lán)水和灰水足跡，其中藍(lán)水足跡是指在能源生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)地表徑流及地下水資源的使用量，灰水足跡是指將能源生產(chǎn)過(guò)程中排放的污染物吸收同化所需要的淡水體積。相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中，表示能源水足跡（億m3）_{directindirect}分別指直接水足跡和間接水足跡（億m3）；_{bluedirectreydirect}分別指直接藍(lán)水足跡和直接灰水足跡（億m3）；_{blueindirectgreyindirect}分別指間接藍(lán)水足跡和間接灰水足跡（億m3）。

②能源系統(tǒng)

a.糧食生產(chǎn)耗能

糧食生產(chǎn)中的能源投入分為直接能源投入和間接能源投入，直接能源投入包括使用農(nóng)業(yè)機(jī)械或抽水灌溉過(guò)程中的燃料（如柴油、機(jī)油）和電力，間接能源投入有化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等。本文選擇柴油、電力、化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜這五類投入，以估算糧食生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中，EF為糧食生產(chǎn)總耗能；FE為第類糧食作物耗能；FS為第類糧食作物的播種面積；CY、DL、HF、NY、AP分別為單位播種面積的柴油、電力、化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜投入量；分別為柴油、電力、化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜的能耗系數(shù)。

b.水提取及運(yùn)輸過(guò)程中的耗能

水提取及運(yùn)輸過(guò)程中的耗能主要體現(xiàn)在為滿足人類活動(dòng)需求而進(jìn)行人工干預(yù)的社會(huì)水循環(huán)過(guò)程，具體而言為取水、供水、用水、排水等過(guò)程中伴生的能源消耗。取水過(guò)程包括地表取水與地下取水，其中地表取水包括提水和調(diào)水。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中，WEWE_地表提WE_{地表調(diào)}WE_地下抽分別表示取水、地表提水、地表調(diào)水和地下抽水工程的耗能（kW·h）。

供水系統(tǒng)耗能主要包括制水和輸配水耗能，而制水耗能又可按照水源不同，細(xì)分為常規(guī)水制水耗能、海水淡化耗能、再生水處理耗能。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中，_常規(guī)為常規(guī)制水廠的平均單位制水能耗（kW·h/m3）；WEWE_{常規(guī)水}WE_海水淡化WE_再生水分別表示供水、常規(guī)水供水、海水淡化供水和再生水供水的耗能（kW·h）。

用水耗能分為家庭用水耗能、公共用水耗能、工業(yè)用水耗能。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中，WEWE_家庭WE_公共WE_工業(yè)分別表示用水、家庭用水、公共用水和工業(yè)用水的耗能（kW·h）。

污水收集耗能主要與水泵揚(yáng)程和效率有關(guān)。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中，WE為污水收集耗能（kW·h）；為經(jīng)水泵提升的污水量（m3）；為水泵揚(yáng)程（m）；為水泵平均效率（%）。

③糧食系統(tǒng)

能源與糧食轉(zhuǎn)換-生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源，它直接或間接來(lái)源于植物的光合作用，通常取材于植物秸稈、生活垃圾及畜禽糞便等。主要計(jì)算步驟為：估算糧食作物秸稈資源數(shù)量；依據(jù)各種糧食作物秸稈的折標(biāo)系數(shù)，將糧食作物秸稈資源量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤；折算最終糧食作物轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)能資源量。

上述3式中，SCF為糧食作物秸稈可收集資源總量；FSC為第類糧食作物秸稈可收集資源量；SCEF為糧食作物秸稈可收集能源總量；為第類糧食作物秸稈的折標(biāo)系數(shù)；FE為糧食作物秸稈轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)能資源總量；EF為第類糧食作物秸稈轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)能資源量；FSCE為第類糧食作物秸稈可收集能源量；根據(jù)已有華北地區(qū)糧食作物秸稈利用去向研究，將利用比例定為0.45。

（3）三系統(tǒng)耦合狀況計(jì)算方法

三系統(tǒng)選取具有代表性的指標(biāo)，具體參考作者已有研究結(jié)果，構(gòu)建水-能-糧耦合安全綜合指標(biāo)體系，選取能夠表征單系統(tǒng)內(nèi)部資源安全狀況的可靠性指數(shù)，兩兩系統(tǒng)之間反映利用效率的協(xié)同性指標(biāo)，三系統(tǒng)面對(duì)外界壓力、風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境等沖擊擾動(dòng)的抗風(fēng)險(xiǎn)韌性指標(biāo)，運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型解析水-能-糧系統(tǒng)耦合安全水平，并計(jì)算單系統(tǒng)邊緣分布函數(shù)以及二維和三維聯(lián)合分布函數(shù)，從而評(píng)估水-能-糧耦合系統(tǒng)安全聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)概率。

（4）數(shù)據(jù)來(lái)源

水文及水資源數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)水資源公報(bào)》、區(qū)域水資源公報(bào)，能源數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)年鑒》等，糧食數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》等，經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》等。

案例研究

1.研究區(qū)概況

京津冀總面積為21.6萬(wàn)k，地處我國(guó)華北地區(qū)，作為中國(guó)北方的重要經(jīng)濟(jì)中心，其戰(zhàn)略地位十分重要，肩負(fù)帶動(dòng)北方地區(qū)發(fā)展的重任。受首都政治地位虹吸作用影響，京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口聚集，為資源消耗聚集區(qū)，目前人口數(shù)量已超過(guò)1億人，以占全國(guó)2.3%的總面積養(yǎng)活約全國(guó)8%的人口，大量涌入的人口和產(chǎn)業(yè)使資源、能源和糧食需求壓力不斷增加。從水資源、能源、糧食各個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，京津冀地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用率高達(dá)70%，雖然南水北調(diào)中線一期工程緩解了部分壓力，但至2035年仍需新增調(diào)水46.2億~60億m3才能維持供需平衡，表明水資源自身矛盾突出。能源問(wèn)題主要表現(xiàn)為過(guò)度依賴煤炭（占比超60%），清潔能源消費(fèi)比重低，能源利用粗放且效率不高。糧食問(wèn)題則源于耕地資源減少與水資源短缺的雙重約束，糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性受威脅，需依賴外調(diào)農(nóng)產(chǎn)品。同時(shí)，多系統(tǒng)間存在諸如能源生產(chǎn)（如火電冷卻、生物質(zhì)能灌溉）與糧食種植等對(duì)水的剛性需求，加劇了資源競(jìng)爭(zhēng)，形成“以水定產(chǎn)”的硬約束。能源價(jià)格波動(dòng)通過(guò)化肥成本傳導(dǎo)至糧食生產(chǎn)，生物能源擴(kuò)張（如玉米乙醇）又加劇了水資源消耗（每生產(chǎn)1L乙醇需2700L水），此類跨系統(tǒng)反饋使單一政策改變可能引發(fā)“按下葫蘆浮起瓢”的治理困境。京津冀地區(qū)水-能-糧系統(tǒng)呈現(xiàn)脆弱性與復(fù)雜性，亟待通過(guò)跨學(xué)科研究揭示其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，構(gòu)建協(xié)同調(diào)控機(jī)制。這不僅關(guān)乎區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，更是保障國(guó)家資源安全與生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，推動(dòng)從“孤立治理”向“系統(tǒng)治理”轉(zhuǎn)型。

2.演變狀況

計(jì)算京津冀地區(qū)2000—2020年水-能-糧的單系統(tǒng)資源開(kāi)發(fā)指數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明京津冀地區(qū)水資源、糧食處于過(guò)度開(kāi)發(fā)狀態(tài)，能源開(kāi)發(fā)指數(shù)基本處于50%左右，受電力需求波動(dòng)等影響，能源開(kāi)發(fā)指數(shù)基本處于45%～60%之間。因此，京津冀地區(qū)本地水資源、糧食及能源對(duì)外依賴程度較高。

京津冀地區(qū)2000—2020年水-能-糧資源開(kāi)發(fā)狀況

（1）單系統(tǒng)演變狀況

①水資源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)狀況

根據(jù)計(jì)算，2000—2020年京津冀地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由最高值接近2.6降至最低值1左右，主要由于京津冀地區(qū)水資源受稟賦條件限制影響一直處于超采狀態(tài)，至2015年這一狀態(tài)有所改善。整體來(lái)看，京津冀用水量基本維持在250億～277億m3，用水結(jié)構(gòu)變化較為顯著，地下水用水量整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，由2000年的215億m3降至2020年的104億m3，下降約一半，外調(diào)水量增長(zhǎng)較為顯著，由2000年的8億m3增至2020年的60億m3，增長(zhǎng)6.5倍，外調(diào)水占比由2000年的3%增至2020年的24%。以較為典型的北京為例，北京2000—2020年水資源開(kāi)發(fā)指數(shù)由最高值1.6降至最低值0.98，主要表現(xiàn)為2013年前地下水用水量遠(yuǎn)超過(guò)地下水可開(kāi)采量，地下水開(kāi)發(fā)利用嚴(yán)重超載。

京津冀地區(qū)及北京市2000—2020年水資源供給變化狀況

②能源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)狀況

能源開(kāi)發(fā)水平基本穩(wěn)定，受技術(shù)水平及電力日均、年際需求波動(dòng)影響導(dǎo)致京津冀地區(qū)電廠運(yùn)行效率僅為50%左右，其中北京最低為45%，而天津、河北效率相對(duì)較高，可達(dá)54%。京津冀地區(qū)2000—2020年能源生產(chǎn)量總體呈現(xiàn)先增加后緩慢下降趨勢(shì)，按照噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，能源生產(chǎn)總量從1.1億tce增加至2.4億tce，增長(zhǎng)約1倍。其中，煤炭生產(chǎn)量逐步下降，占比由2000年的40%降至2020年的15%。電力生產(chǎn)量增長(zhǎng)較為顯著，由2000年的1474萬(wàn)tce增至2020年的5719萬(wàn)tce，增長(zhǎng)約4倍，占比由2000年的13%增至2020年的24%。北京市能源生產(chǎn)量總體呈現(xiàn)先增加再波動(dòng)減少的趨勢(shì)，自2001年起北京啟動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，至2020年能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化顯著，煤炭、焦炭生產(chǎn)量逐步下降為0，占比分別由2000年的26%、25%降至2020年的0%。

京津冀地區(qū)及北京市2000—2020年能源開(kāi)發(fā)變化狀況

③糧食系統(tǒng)開(kāi)發(fā)狀況

耕地是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，京津冀三地2000—2020年年平均糧食開(kāi)發(fā)指數(shù)分別為0.99、1.01、1.18，其中河北糧食復(fù)種指數(shù)較高。2000—2020年三地糧食生產(chǎn)量總體呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，從1.03億t增加至1.2億t，河北約占增量的90%。北京自提出農(nóng)業(yè)功能逐漸向都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型政策以來(lái)，糧食生產(chǎn)量快速下降，農(nóng)作物生產(chǎn)量由2000年的144萬(wàn)t降至2020年的30萬(wàn)t，蔬菜生產(chǎn)量降幅最為顯著，由2000年的466萬(wàn)t降至2020年的137萬(wàn)t。

京津冀地區(qū)及北京市2000—2020年糧食開(kāi)發(fā)變化狀況

（2）雙系統(tǒng)演變狀況

利用水平表征兩兩系統(tǒng)間的效率狀況，受生產(chǎn)效率與技術(shù)等諸多因素影響，旨在定量解析水-能、水-糧、能-糧利用效率，考慮實(shí)際情況具體劃分為水系統(tǒng)糧食生產(chǎn)耗水、能源生產(chǎn)耗水、能源系統(tǒng)糧食生產(chǎn)耗能、社會(huì)水循環(huán)耗能、糧食系統(tǒng)生物質(zhì)能共計(jì)5部分。采用水足跡方法開(kāi)展相關(guān)計(jì)算，糧食生產(chǎn)水足跡主要包括藍(lán)水足跡和綠水足跡，主要農(nóng)作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類。能源水足跡計(jì)算主要分為直接水足跡和間接水足跡兩部分，直接和間接水足跡主要考慮藍(lán)水和灰水足跡，主要能源為原煤、原油、焦炭、天然氣、電力。

從糧食耗水來(lái)看，2000—2020年京津冀地區(qū)單位糧食生產(chǎn)水足跡從最高值1.6m3/kg降至0.8m3/kg，耗水量減少一半。京津冀地區(qū)年均總水足跡約為280億m3，受降水影響年際間總水足跡在200億m3到429億m3之間波動(dòng)。主要作物玉米、小麥、豆類、薯類和稻谷多年平均年總水足跡分別占50%、35%、9%、4%和3%，玉米、小麥占比較大，累積超過(guò)85%。

京津冀地區(qū)2000—2020年不同農(nóng)作物水足跡及單位糧食產(chǎn)量水足跡

從能源耗水來(lái)看，單位能源生產(chǎn)藍(lán)水足跡從最高值68m3/tce降至約20m3/tce，降幅約70%。京津冀地區(qū)不同能源多年平均藍(lán)水足跡約為40億m3，其中火力發(fā)電藍(lán)水足跡多年平均約為22.6億m3，占能源藍(lán)水足跡的57%。焦炭多年平均藍(lán)水足跡約為7.8億m3，占19%。其次為原油，多年平均藍(lán)水足跡約為6億m3，占15%。原煤、天然氣、水力發(fā)電平均藍(lán)水足跡相對(duì)較小，分別占4%、1%、4%。根據(jù)計(jì)算，北京、天津、河北各地區(qū)水足跡占比分別為14%、14%、72%。

京津冀地區(qū)2000—2020年不同能源類型藍(lán)水足跡及單位藍(lán)水足跡

從糧食耗能來(lái)看，單位糧食生產(chǎn)耗能從最高值0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，降幅約為一半。京津冀糧食生產(chǎn)年均耗能約為490億tce，年際間總耗能在332億tce到670億tce之間波動(dòng)。其中柴油耗能占比最大，為62%，電力、化肥、農(nóng)藥分別占18%、16%、4%。從不同作物來(lái)看，主要作物玉米、小麥耗能最大，累積占比超過(guò)90%，分別占比50%、41%。豆類、薯類和稻谷多年平均年耗能分別占3%、4%、2%。北京、天津、河北各地區(qū)水足跡占比分別為2%、5%、93%。

京津冀地區(qū)2000—2020年糧食單位耗能狀況

從社會(huì)水循環(huán)耗能來(lái)看，單位人均社會(huì)水循環(huán)耗能從最高值0.73tce降至0.46tce，效率有所提升。京津冀社會(huì)水循環(huán)年均耗能約為5394萬(wàn)tce，年際間總耗能在3464萬(wàn)tce到6402萬(wàn)tce之間波動(dòng)。其中用水耗能占比最大，占85%，取水、供水、排水分別占4%、8%、2%。北京、天津、河北各地區(qū)水足跡占比分別為37%、9%、54%。從用水耗能較多的用水端系統(tǒng)來(lái)看，京津冀社會(huì)水循環(huán)年均耗能約為4585萬(wàn)tce，年際間總耗能在2937萬(wàn)tce到5456萬(wàn)tce之間波動(dòng)。其中用水耗能最多的為家庭端，耗能占比約為60%，生產(chǎn)耗能、公共耗能分別占16%、24%。北京、天津、河北各地區(qū)水足跡占比分別為39%、9%、52%。

京津冀地區(qū)2000—2020年社會(huì)水循環(huán)中用水耗能狀況

從糧食生產(chǎn)生物質(zhì)能來(lái)看，京津冀生物質(zhì)能總量2000—2020年從759萬(wàn)tce升至1186萬(wàn)tce，增長(zhǎng)約0.6倍，其中河北地區(qū)占比較大，約為95%。

（3）三系統(tǒng)演變狀況

根據(jù)計(jì)算，2000—2020年京津冀地區(qū)的水-能-糧耦合安全指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。然而，各區(qū)域之間的安全水平存在顯著差異。北京作為該地區(qū)的核心城市，水-能-糧耦合安全指數(shù)始終處于領(lǐng)先地位，多年平均值為0.63；自2000年以來(lái)，該指數(shù)均超過(guò)0.5，表明北京水-能-糧處于臨界安全狀態(tài)；值得注意的是，自2019年起，該指數(shù)已提升至0.7以上，表明北京市水-能-糧耦合安全水平得到提升。天津市水-能-糧耦合安全指數(shù)多年平均值為0.62，略低于北京，但在2000年后同樣超過(guò)0.5，且在2017年后達(dá)到0.7。整個(gè)京津冀地區(qū)水-能-糧耦合系統(tǒng)安全指數(shù)多年平均值為0.57，安全水平低于北京和天津。特別是河北地區(qū)安全水平最低，在2000—2014年間，該指數(shù)均低于0.5，表明河北這一階段水-能-糧耦合系統(tǒng)安全面臨較大的挑戰(zhàn)。盡管自2014年后，河北地區(qū)該指數(shù)有所提升，超過(guò)0.5，但直到2020年仍低于0.6，處于臨界安全狀態(tài)。因此，從整個(gè)京津冀地區(qū)視角來(lái)看，河北成為了水-能-糧耦合系統(tǒng)安全的短板，需要更多的關(guān)注與投入以改善其安全狀況。京津冀地區(qū)可靠性-協(xié)同性-韌性三維聯(lián)合分布達(dá)到較安全水平的概率最大為0.723，北京、天津、河北三維聯(lián)合分布達(dá)到較安全水平的概率分別為0.718、0.693、0.653。這表明區(qū)域可靠性、協(xié)同性和韌性三者之間需協(xié)同合作、相互促進(jìn)，如果發(fā)展不均衡或者是整體水平較低，會(huì)阻礙三者耦合系統(tǒng)安全。

京津冀地區(qū)2000—2020年水-能-糧耦合系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)狀況

3.存在問(wèn)題

（1）單系統(tǒng)資源過(guò)度開(kāi)發(fā)

水資源短缺、供用水結(jié)構(gòu)不合理、地下水超采等問(wèn)題影響水安全。京津冀屬水資源短缺地區(qū)，水資源總量不足，人均僅占全國(guó)1/9，地表水資源衰減58%，水資源開(kāi)發(fā)利用率超過(guò)70%，長(zhǎng)期依賴外調(diào)水。用水結(jié)構(gòu)不合理使得地下水超采問(wèn)題嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)用水占比過(guò)高（接近60%），擠占生態(tài)與生活用水，同時(shí)導(dǎo)致地下水超采嚴(yán)重，年均擠占河湖生態(tài)用水量達(dá)15億m3，累計(jì)超采1500億m3，形成20多個(gè)漏斗區(qū)。隨著生態(tài)補(bǔ)水等政策實(shí)施，2018—2023年華北平原區(qū)淺層地下水水位平均回升2.59m，但90個(gè)縣區(qū)仍存在超采問(wèn)題。

能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以煤為主，其中河北對(duì)煤炭依賴程度最高。近20年受經(jīng)濟(jì)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張影響，工業(yè)生產(chǎn)（尤其河北鋼鐵、焦化產(chǎn)業(yè)）和服務(wù)業(yè)快速發(fā)展推高能源需求，使得京津冀能源消費(fèi)總量從2000年約3.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤增至2023年4.8億t。能源結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)能源為主，通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，京津冀煤炭消費(fèi)占比從2000年的70%降至2023年的61.4%，但占比仍然較高，北京和天津兩地通過(guò)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整大幅降低煤炭依賴，煤炭消費(fèi)占比分別降至15%和35%以下。而河北因重工業(yè)占比高、依賴程度較高，降幅相對(duì)較小，煤炭消費(fèi)占比約50%。

作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，北京糧食產(chǎn)量降幅顯著，河北承擔(dān)著京津冀地區(qū)80%以上的糧食供應(yīng)任務(wù)。北京和天津糧食自給率較低，2023年糧食自給率分別僅為4.3%和45.1%，尤其是北京作為特大城市，主要依靠外部輸入來(lái)滿足本地居民的糧食需求。河北作為全國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，2023年糧食自給率高達(dá)128%，可供應(yīng)給北京、天津地區(qū)，但河北存在地下水超采等問(wèn)題，威脅糧食生產(chǎn)安全。

（2）雙系統(tǒng)效率仍待提升

單位水足跡效率提升但仍受水資源波動(dòng)影響，水-土資源不匹配。盡管京津冀地區(qū)單位糧食生產(chǎn)水足跡已從1.6m3/kg降至0.8m3/kg，耗水量減少一半，但總水足跡仍在200億m3左右波動(dòng)，尤其在干旱年份，水資源短缺對(duì)糧食生產(chǎn)的影響更為顯著，玉米和小麥作為主要糧食作物，耗水量大，對(duì)水資源依賴度高，可能進(jìn)一步加劇水資源壓力，繼而加重地下水超采。此外，河北農(nóng)業(yè)種植區(qū)域與地下水漏斗區(qū)高度重合，糧食生產(chǎn)集中區(qū)域地下水超采嚴(yán)重，導(dǎo)致水土資源不匹配。

火力發(fā)電耗水占比較高，水-能資源不匹配?；鹆Πl(fā)電是京津冀地區(qū)主要耗水領(lǐng)域，藍(lán)水足跡占比達(dá)57%，灰水足跡占比達(dá)85%。河北作為能源生產(chǎn)大省，水足跡占比高達(dá)72%，而北京和天津分別為14%?；鹆Πl(fā)電的高耗水特性加劇了水資源短缺，尤其是河北作為火電裝機(jī)大省，需大量抽取地下水或超采水源以滿足發(fā)電需求，導(dǎo)致地下水水位下降和生態(tài)惡化，存在水能資源不匹配問(wèn)題。

京津冀地區(qū)社會(huì)水循環(huán)的能耗中用水耗能占比高達(dá)85%，且家庭端用水耗能占用水端比例高達(dá)60%，城市化進(jìn)程中家庭用水電氣化水平提升與節(jié)能節(jié)水技術(shù)不足矛盾突出。從結(jié)構(gòu)上看，社會(huì)水循環(huán)能耗中用水耗能占比高達(dá)85%，而取水、供水、排水的耗能分別僅占4%、8%和2%。隨著城市人口聚集和生活水平提高，家庭用水設(shè)備（如熱水器、洗衣機(jī)等）的電氣化需求激增，但節(jié)水節(jié)能器具和智慧化管理技術(shù)推廣滯后，導(dǎo)致單位用水能耗較高。

單位糧食能耗存在優(yōu)化空間。從作物來(lái)看，京津冀地區(qū)主要糧食作物玉米和小麥的耗能占比超過(guò)90%，其中玉米占50%，小麥占41%，而豆類、薯類和稻谷的耗能占比極低，分別為3%、4%和2%。從區(qū)域來(lái)看，北京、天津和河北的糧食生產(chǎn)耗能中，河北占比最高，為93%，而北京和天津分別占2%和5%，河北地區(qū)畝均農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力達(dá)12kW，超出全國(guó)平均水平20%，高能耗直接推高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。從單位能耗來(lái)看，京津冀糧食生產(chǎn)總耗能在332億tce到670億tce之間波動(dòng)，單位糧食生產(chǎn)耗能雖從0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，未來(lái)仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

生物質(zhì)能方面，資源利用率低。資源分布不均衡使得生物質(zhì)資源分布不均，北京生物質(zhì)資源產(chǎn)量有限，難以滿足規(guī)?；l(fā)展需求，而河北雖有豐富的生物質(zhì)資源，但資源利用效率較低。技術(shù)水平有待提升，生物質(zhì)能利用技術(shù)尚未完全成熟。基礎(chǔ)設(shè)施不足，農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，影響清潔能源的獲取和推廣，制約了生物質(zhì)能的高效利用。生物質(zhì)能項(xiàng)目對(duì)資金投入要求高，設(shè)備維護(hù)、技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本較高，且原料供應(yīng)渠道不穩(wěn)定，成本與收益問(wèn)題影響企業(yè)規(guī)?；б妗?/span>

（3）三系統(tǒng)耦合存在短板

從系統(tǒng)耦合角度分析，京津冀地區(qū)單系統(tǒng)資源稟賦可靠性較差，主要受自然約束與人為超載疊加共同影響。協(xié)同效率水平有一定提升，但仍面臨結(jié)構(gòu)性短板和資源錯(cuò)配問(wèn)題。根據(jù)京津冀可靠性-協(xié)同性-韌性三維聯(lián)合分布計(jì)算，達(dá)到較安全水平的概率為0.723，表明整體水平較低，會(huì)阻礙三者耦合協(xié)同安全，尤其河北是京津冀水-能-糧耦合系統(tǒng)安全的明顯短板，協(xié)同性、韌性水平均處于區(qū)域最差狀態(tài)，韌性指數(shù)最差，僅為北京的2/3，是未來(lái)水-能-糧協(xié)同發(fā)展的重點(diǎn)。

4.政策建議

（1）單系統(tǒng)內(nèi)部嚴(yán)格節(jié)流優(yōu)先

基于資源本底條件較差這一現(xiàn)實(shí)情況，京津冀水-能-糧各系統(tǒng)應(yīng)先從節(jié)流優(yōu)先做起，破解“資源透支”惡性循環(huán)。根據(jù)已開(kāi)展的相關(guān)研究分析，在資源稟賦較差地區(qū)開(kāi)展節(jié)流邊際效益更高。如水資源方面，農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)可降低畝均耗水40%（從500m3降至300m3），將管網(wǎng)漏損率從15%壓至8%則每年可節(jié)水5億m3，成本低于調(diào)水工程（南水北調(diào)供水成本6元/t）。能源方面，提升工業(yè)能效（如鋼鐵余熱回收）可使萬(wàn)元GDP能耗下降15%，相當(dāng)于每年減少1500萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤消耗，優(yōu)于新建同等規(guī)?；痣姀S。行為模式重塑對(duì)緩解本地資源狀況緊張問(wèn)題尤為重要，過(guò)度依賴開(kāi)源易陷入“供應(yīng)增加—浪費(fèi)加劇—更大缺口”的陷阱，節(jié)流有利于從根本上扭轉(zhuǎn)資源利用慣性。

（2）雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)雙向調(diào)節(jié)

水和糧食系統(tǒng)間注重調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，持續(xù)減少冬小麥面積，推廣兩年三熟制，同時(shí)精細(xì)化區(qū)域化調(diào)減蔬菜、水果種植規(guī)模以平衡水糧關(guān)系。地下水采補(bǔ)平衡是破解京津冀水資源困局的核心抓手，不僅有利于生態(tài)修復(fù)和水資源可持續(xù)利用，更關(guān)乎區(qū)域協(xié)同發(fā)展、防災(zāi)安全與經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

水和能源系統(tǒng)間需要優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少高耗水能源生產(chǎn)規(guī)模，因地制宜調(diào)整能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，將河北煤炭消費(fèi)占比降至60%以下，推廣生物質(zhì)能、氫能等低碳能源。同時(shí)，大力發(fā)展節(jié)水技術(shù)，提高水資源利用效率，推動(dòng)河北鋼鐵、化工行業(yè)向沿海園區(qū)集中，優(yōu)先利用非常規(guī)水源，實(shí)現(xiàn)水資源梯級(jí)利用，應(yīng)對(duì)水-能關(guān)系不適配問(wèn)題。

社會(huì)水循環(huán)耗能方面，提升城市供水系統(tǒng)效率，加強(qiáng)城市供水管網(wǎng)的維護(hù)和改造，降低供水管網(wǎng)漏損。優(yōu)化泵站運(yùn)行管理，提升泵站運(yùn)行效率，降低提水過(guò)程中的能耗。南水北調(diào)中線等外調(diào)水工程的泵站能耗較高，需通過(guò)技術(shù)改造和智能化管理降低能源消耗。要求鋼鐵、石化等高耗水行業(yè)實(shí)施水效領(lǐng)跑者制度，推廣循環(huán)水零排放技術(shù)。對(duì)年用水量超10萬(wàn)m3的工業(yè)企業(yè)強(qiáng)制安裝智慧用水管理系統(tǒng)，逐步提升用水效率。制定對(duì)居民的節(jié)水激勵(lì)機(jī)制，加快推進(jìn)小區(qū)中水處理設(shè)施的建設(shè)和使用，大力推廣智能水表、節(jié)水器具等，鼓勵(lì)全民節(jié)約用水。

糧食耗能方面，優(yōu)化農(nóng)機(jī)裝備結(jié)構(gòu)，針對(duì)河北畝均農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力不足的問(wèn)題，推廣高性能、低能耗的農(nóng)業(yè)機(jī)械，提升機(jī)械化水平。推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技研發(fā)，推廣節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥技術(shù)，提高糧食生產(chǎn)效率。例如，推廣水肥一體化技術(shù)，減少化肥和農(nóng)藥的使用。推廣太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，降低能源消耗強(qiáng)度。在河北等糧食主產(chǎn)區(qū)，推廣高效節(jié)能的農(nóng)業(yè)機(jī)械和灌溉設(shè)備，減少單位能耗。提高河北省畝均農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力水平，重點(diǎn)推廣節(jié)能型拖拉機(jī)和秸稈粉碎還田設(shè)備。

生物質(zhì)能方面，推進(jìn)多元化利用與規(guī)模化發(fā)展，提升技術(shù)水平并降低成本，加大對(duì)生物質(zhì)能技術(shù)研發(fā)的支持力度，推動(dòng)技術(shù)成熟與商業(yè)化應(yīng)用，降低項(xiàng)目成本，提高企業(yè)效益。推動(dòng)農(nóng)村清潔能源轉(zhuǎn)型，在農(nóng)村地區(qū)推廣清潔生物質(zhì)能，如生物質(zhì)成型燃料爐具、沼氣等，改善農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，助力鄉(xiāng)村振興和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

（3）三系統(tǒng)外聯(lián)內(nèi)協(xié)優(yōu)化重構(gòu)

面對(duì)資源稟賦薄弱與系統(tǒng)性失衡的雙重挑戰(zhàn)，京津冀地區(qū)需以“系統(tǒng)協(xié)同”與“節(jié)流-開(kāi)源動(dòng)態(tài)平衡”為核心策略。一方面，推動(dòng)京津冀資源系統(tǒng)協(xié)同與空間要素協(xié)同發(fā)展，打破行政壁壘，將三地資源稟賦差異轉(zhuǎn)化為互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。加強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)集成與資源嵌套利用，推動(dòng)價(jià)值鏈重構(gòu)，如建立水權(quán)-碳權(quán)-糧權(quán)交易市場(chǎng)，通過(guò)物質(zhì)流、能量流、價(jià)值流的三重嵌套，將單一資源利用效率提升轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)出倍增。從“兩兩博弈”轉(zhuǎn)向“三角穩(wěn)定”，最終構(gòu)建以系統(tǒng)韌性為核心的新型資源安全體系。

另一方面，京津冀地區(qū)水、能源、糧食資源供需的嚴(yán)重失衡，本質(zhì)上源于本地資源稟賦與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求之間的結(jié)構(gòu)性矛盾，典型的“資源嚴(yán)重不適配地區(qū)”需通過(guò)跨區(qū)域調(diào)配、技術(shù)創(chuàng)新和替代性資源開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)輸血”到“系統(tǒng)再造”。京津冀需突破地理邊界，構(gòu)建“本地替代+跨區(qū)協(xié)同”的雙軌模式，技術(shù)上發(fā)展海水淡化、再生水回用和農(nóng)業(yè)節(jié)水等，制度上完善水權(quán)交易、生態(tài)補(bǔ)償和虛擬水貿(mào)易機(jī)制等，空間上依托南水北調(diào)、西電東送等工程實(shí)現(xiàn)資源再平衡。唯有將外部援助轉(zhuǎn)化為內(nèi)生優(yōu)化動(dòng)力，才能破解資源錯(cuò)配困局。節(jié)流是“止損”的基礎(chǔ)，開(kāi)源是“求生”的保障，短期內(nèi)需通過(guò)嚴(yán)格定額管理、技術(shù)創(chuàng)新和價(jià)格杠桿實(shí)現(xiàn)節(jié)流挖潛，將資源消耗控制在安全閾值內(nèi)。中長(zhǎng)期通過(guò)人口規(guī)模控制、基于“四水四定”合理確定區(qū)域功能定位、跨區(qū)域協(xié)同和戰(zhàn)略儲(chǔ)備建設(shè)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化重構(gòu)與開(kāi)源，二者形成“節(jié)流創(chuàng)造開(kāi)源空間，開(kāi)源支撐深度節(jié)流”的螺旋升級(jí)，走向可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)論

水-能-糧是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)要素眾多、關(guān)系復(fù)雜，既相互聯(lián)系又相互制約。解決水-能-糧資源分布不均、效率不合理、配置不協(xié)同等問(wèn)題的科學(xué)基礎(chǔ)是厘清龐雜的水-能-糧多維演變過(guò)程。本文以系統(tǒng)學(xué)、協(xié)同學(xué)理論為指導(dǎo)，分析了水-能-糧受時(shí)間、空間及資源影響的內(nèi)涵，提出了水-能-糧多維演變既包括不同時(shí)間序列維度，又涵蓋區(qū)域內(nèi)外的空間序列維度，還包括單-雙-三的系統(tǒng)維度。通過(guò)解析水-能-糧內(nèi)涵本質(zhì)，提出開(kāi)展水-能-糧系統(tǒng)多維演變理論認(rèn)知，明確需開(kāi)展單系統(tǒng)要素開(kāi)發(fā)狀況、雙系統(tǒng)要素間利用狀況、三系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)狀況定量演變過(guò)程分析，以期為解析水-能-糧復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部-系統(tǒng)間-系統(tǒng)外部的多維演變提供理論基礎(chǔ)和認(rèn)知。

通過(guò)對(duì)京津冀單-雙-三系統(tǒng)維度演變過(guò)程進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蜗到y(tǒng)方面京津冀水-能-糧開(kāi)發(fā)基本處于過(guò)度狀態(tài)，依賴外部輸入；雙系統(tǒng)方面年際間利用效率顯著提升，但仍存在水-土資源、水-能資源不匹配等問(wèn)題，待繼續(xù)優(yōu)化潛力；三系統(tǒng)方面，資源稟賦可靠性較差，協(xié)同效率水平有一定提升，現(xiàn)階段韌性能力較強(qiáng)。未來(lái)仍需在單資源系統(tǒng)內(nèi)部嚴(yán)格節(jié)流優(yōu)先，從節(jié)流優(yōu)先做起，破解“資源透支”惡性循環(huán)，從根本上扭轉(zhuǎn)資源利用慣性。雙系統(tǒng)間從結(jié)構(gòu)技術(shù)雙向調(diào)節(jié)提升互饋協(xié)同效率，破解資源錯(cuò)配困局，實(shí)現(xiàn)資源利用效率倍增與抗風(fēng)險(xiǎn)能力躍升。三系統(tǒng)整體需外聯(lián)內(nèi)協(xié)優(yōu)化重構(gòu)耦合發(fā)展，針對(duì)京津冀資源稟賦薄弱與系統(tǒng)性失衡的雙重挑戰(zhàn)，堅(jiān)持“系統(tǒng)協(xié)同”與“節(jié)流-開(kāi)源動(dòng)態(tài)平衡”核心策略，旨在打破資源赤字陷阱，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

Abstract: ater, energy, and food are fundamental resources supporting human survival and societal development. The water-energy-food nexus system is characterized by intricate interconnections, mutual dependencies, and constraints, where changes in a single policy may lead to governance challenges akin to a “whack-a-mole” effect. Currently, there is a lack of mechanistic and quantitative analysis regarding the multidimensional evolution of the nexus system. This study elucidates the connotations of the multidimensional evolution of the water-energy-food nexus system and proposes a computational approach to assess the internal development status of individual system elements, the utilization levels between dual-system elements, and the coupling security status among the three systems. This methodology is applied to quantitatively analyze the evolution of the water-energy-food nexus in the Beijing-Tianjin-Hebei region over the past two decades. The findings reveal that the individual systems within the Beijing-Tianjin-Hebei water-energy-food nexus are generally overexploited and highly dependent on external inputs. While the utilization efficiency between dual systems has significantly improved, there remains room for optimization. The tri-system analysis underscores the necessity for coordinated and synergistic development across the three systems. Based on these insights, the following policy recommendations are proposed: internally, strict conservation measures should be enforced within each resource system to fundamentally alter the inertia of resource utilization; bidirectional structural and technological adjustments between dual systems should be implemented to enhance efficiency and resolve resource misallocation dilemmas; and the overall tri-system should optimize reconstruction and coupling development through both external collaboration and internal coordination. The core strategy should integrate “systemic synergy” with a “dynamic balance between conservation and exploitation” to achieve sustainable development of the water-energy-food nexus resources.

Keywords: water-energy-food nexus system; single system-dual system-triple system; multidimensional evolution; coordinated development; Beijing-Tianjin-Hebei region

本文引用格式：

李溦，李云玲，趙勇，等水-能-糧紐帶系統(tǒng)多維演變解析研究——以京津冀地區(qū)為例[J].中國(guó)水利，2025（6）：1-13.

責(zé)編熊璠

校對(duì)李博遠(yuǎn)

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

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