水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调及驱动力分析

为加深对我国水资源、能源、粮食、生态系统协同演变趋势的认识,构建水资源-能源-粮食-生态多维系统指标体系,运用耦合协调度模型对我国2005—2020年水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度进行评价,并采用多因素归因分析法进行驱动力分析。结果表明:我国水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度从2005年的0.55增长到2020年的0.84,各地区耦合协调度从勉强协调发展水平过渡到中级协调发展水平,各子系统对耦合协调度上升的驱动分别经历了由粮食子系统到生态子系统再到水资源子系统主导的过程;能源子系统的贡献率虽然比较小,但是未来可能是各地区提升水资源-能源-粮食-生态系统多维系统协调发展水平的突破口。

我国东北生态系统服务供需匹配关系——基于水-能源-粮食纽带视角

水、能源和粮食是人类生存发展的必要基础物资,其供给均主要源于生态系统。随着全球气候变化和人类社会经济快速发展,基础资源需求量激增,生态系统服务供需关系趋于紧张。厘清生态系统服务供需匹配关系、优化基础资源配置对生态系统可持续、协调发展具有重要意义。当前生态系统供需关系研究已较为广泛,但基于水-能源-粮食纽带的生态系统服务研究还相对较为缺乏。因此,以东北地区为例,基于水-能源-粮食关系视角,首先,借助InVEST模型、供需指数(SDI)、Spearman相关性分析等方法分析了产水(WY)、固碳(CS)和粮食(FP)供需服务时空格局、相关性和空间匹配模式;其次,基于省级、市级、县级、流域、格网5种不同空间尺度,进一步探究了各服务的空间尺度效应,并确定资源管理的最优空间尺度;最后依据“分区控制-分类策略-分级治理”理念提出了一种水-能源-粮食集成管理方案和政策建议。研究结果表明:(1)2000—2020年,东北地区的供给服务中WY和FP为上升态势、CS为下降态势,就空间分布来看,WY和CS大致为“东高西低”,FP则是“西南、东北高,西北、东南低”;需求服务中WY、CS和FP均为上升态势,空间上大致呈“中间高四周低”分布。(2)WY和FP的SDI上升,CS则相反;不同尺度下的SDI具有空间异质性,县域尺度最为显著。(3)FP为主要功能分区,重点管控为主要分类,亟待全面提升生态系统服务供给能力。本研究对区域基础资源合理配置和可持续的生态系统管理具有重要科学参考价值和现实意义,同时对东北地区生态系统供需服务匹配以及水-能源-粮食纽带协同发展具有重要意义。

中国水-能源-粮食-生态系统协调发展时空格局及驱动因素研究

我国水资源、能源和粮食消费总量均居世界首位,且呈持续增长态势,生态系统压力较大,如何实现水-能源-粮食-生态系统之间的协调发展是未来社会发展的重要议题。通过构建水-能源-粮食-生态系统综合评价体系,利用耦合协调度模型、空间自相关、重心和标准差椭圆与地理探测器等方法,探究2006—2021年30个省份耦合协调度时空特征、演变格局与驱动因素。结果显示:第一,各省份水-能源-粮食-生态系统综合发展水平呈平稳上升趋势,但区域发展不均衡,中部地区发展水平最高;第二,水-能源-粮食-生态系统耦合协调度逐年提升,但仍处于较低水平,耦合协调度向高值集聚,省际差距缩小;第三,水-能源-粮食-生态系统耦合协调度存在空间正相关效应,高值和低值集聚极化效应显著,耦合协调度重心在河南,且逐渐向西南方向转移,东部重心向南迁移,分散态势增强,中部重心向西北迁移,集聚态势凸显,西部重心向西北方向迁移,集聚明显,极化效应突出;第四,城市化水平、产业结构和固定资产投资对系统耦合协调度发展的解释作用增强,影响因子交互作用大于因子独立作用。

基于投影寻踪模型的水-能源-粮食-人口系统安全评价

河北省作为京津冀城市圈中不可或缺的一部分,其水、能源、粮食、人口等资源安全稳定对于整个区域经济和社会的发展尤为重要。为了深入了解河北省水-能源-粮食-人口系统的安全状况,将人口因素纳入水-能源-粮食系统进行分析,构建水-能源-粮食-人口系统的安全评价指标体系,运用基于麻雀算法改进的投影寻踪模型对河北省2010—2019年水-能源-粮食-人口系统安全进行时空演变综合评价。结果表明:在研究期,河北省水-能源-粮食-人口系统安全等级逐渐升高,各市的水-能源-粮食-人口系统安全差异性降低;河北省各市水-能源-粮食-人口系统安全等级值在1.32~3.95之间,说明该系统安全处于不安全、亚安全、安全3个等级。建议河北省根据自身资源优势,合理分配资源,实现水、能源、粮食和人口的协调发展。

黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全时空特征及驱动因素

水、能源、粮食是实现黄河流域国家战略的关键要素与有力支撑。在分析水-能源-粮食关联系统协同安全机理的基础上构建协同安全度评价指标体系,基于2000-2019年黄河流域85个地级市面板数据,采用改进的耦合协调度模型测度水-能源-粮食关联系统的协同安全度,利用核密度函数、空间计量模型探讨其时空特征及影响因素。结果表明:①2000-2019年黄河流域水-能源-粮食关联系统综合安全水平总体表现为上升态势,空间上整体呈现从东向西递减的态势;②研究期内黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全度的空间差异变化较明显,空间格局由研究初期“下游>上游>中游”向研究末期“下游>中游>上游”演变;③社会发展水平、教育状况、创新投入水平和投资水平对协同安全度产生正向影响,经济运行水平、贸易水平和环境污染程度则产生负向影响。

国内外“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展现状与热点分析

当今,为了缓解水、能源、粮食3种资源供需矛盾对国际社会造成的沉重压力,从而促使对“水-能源-粮食”纽带关系的探究成为了国际学术界一项热门的研究课题。为了把握国内外“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展脉络,以便能够为未来的“水-能源-粮食”纽带关系研究提供科学的理论依据和研究建议,本文决定将Web of Science核心合集数据库与中国知网(CNKI)数据库作为数据来源,利用VOSviewer和CiteSpace计量软件对以往的“水-能源-粮食”纽带关系研究进行梳理,通过对该研究领域所涉及的文献数量、作者合作情况、国家合作情况等信息的可视化呈现,以突发关键词为重点,从时间维度角度来探究“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展概况与变化趋势。研究结果表明:1)2010—2022年对“水-能源-粮食”纽带关系的研究已受到国内外学术界的一致重视,论文发文数量呈现出持续增长的趋势,并且各研究国之间均存在着较为密切的合作关系。2)可持续发展、气候变化、治理、研究模型是以往研究文献中出现次数较多的关键词,不但反映出对“水-能源-粮食”纽带关系研究要基于可持续发展的前提之下,而且还拓宽了该纽带关系的研究范围、研究视角、研究方法。3)2010—2022年对“水-能源-粮食”纽带关系的研究已经从纽带关系的内部机制拓展至纽带关系的外部环境,研究方法也由较多的定性分析转向了定量化的模拟预测分析。4)经关键词时间线演进趋势和突现强度分析表明,当前学术界对于“水-能源-粮食”纽带关系的研究已呈现出由初步探索向着纵深解析的转变,并且新的研究方法已被学术界广泛应用于对“水-能源-粮食”纽带关系的探索之中。

黄河流域水-能源-粮食纽带系统效率研究

为了促进黄河流域高质量发展,考察黄河流域水-能源-粮食(W-E-F)纽带系统效率及其影响因素,并从中探寻提高系统效率的途径。首先借助三阶段DEA模型测算2005—2021年黄河流域及各省(区)W-E-F纽带系统效率,其次对黄河流域整体及各省(区)效率测算结果进行时空分析,最后使用双向固定效应模型实证考察W-E-F纽带系统效率的影响因素。研究表明:1)黄河流域整体W-E-F纽带系统效率呈现波动上升趋势,并呈现上、中、下游效率依次上升的空间分布格局;2)黄河流域各省(区)具备一定的资源配置能力,第三阶段规模效率有所下降;3)粮食安全、能源安全、环保支出、研发投入以及人均GDP都对W-E-F纽带系统效率起到显著的正向促进作用。

京津冀地区水-能源-粮食系统安全耦合协调发展特征评价

以京津冀地区为研究区域,选取28个代表性指标,利用层次分析法构建水-能源-粮食耦合安全综合指标体系,运用耦合协调度模型和障碍度模型分析2000-2020年水-能源-粮食系统耦合安全性和影响因素。研究结果表明:京津冀地区水安全、能源安全和粮食安全系统综合评价指数呈整体上升的趋势,其浮动范围为0.3~0.7;水-能源-粮食系统耦合协调度年际间均呈上升趋势,北京市耦合协调度最高,河北省耦合协调度较低;人均水资源量、废水中COD排放量、人均能源消费量和亩均农用机械总动力为京津冀地区主要障碍因子。未来北京应调整用水结构、挖掘节水潜力。天津市和河北省要注重优化能源消费结构,进行低碳技术创新,加大脱碳步伐,其中河北省农业发展需要进一步采取节水灌溉措施、减少农作物受灾面积。

黄河流域水-能源-生态系统协同增效战略体系构建研究

黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略加快推进实施,流域水资源、能源、生态安全作为战略实施的核心要素、基础动力和约束性要求,三者形成互为基础、相互依存、彼此促进的有机整体.本文构建了水-能源-生态系统协同增效概念模型,评估了黄河流域水资源承载、生态系统质量、碳排放并揭示了其驱动因素,系统分析了黄河流域水-能源-生态系统之间的纽带关系,构建了黄河流域水-能源-生态系统协同增效战略体系.结果表明:(1)2021年黄河流域水资源严重超载,除青海省和四川省以外,其他7个省区水资源开发潜力很小;同时流域生态系统敏感脆弱、生态系统服务功能重要,极度、重度敏感区域面积占比共计52%,生态系统服务功能极重要、较重要区域面积占比共计63.2%.2005-2021年黄河流域CO_(2)排放量上升,但排放强度总体下降,青海省、甘肃省和山西省CO_(2)排放强度下降明显.(2)自然生态本底脆弱、天然河川径流量减少、供水量平稳但耗水量增加、用水结构不合理、上游用水效率不高、以煤为主的能源消费结构是导致黄河流域生态系统敏感、水资源超载、碳排放量增加的主要驱动因素.(3)黄河流域水-能源-生态系统相互依存、相互影响,具体表现在流域水量减少直接影响生态系统质量,干流人工化导致河流生态系统受损,水资源过度开发利用引发生态环境问题,忽略水资源承载的生态治理引发新问题,煤炭开采加剧水资源短缺造成生态恶化,能源利用效率较低不利于污染物和CO_(2)协同减排等方面.基于以上分析,提出以“刚性约束”为核心综合调控水资源、以“以水定绿”为核心实施一体保护修复、以“清洁低碳”为核心加快能源多元转型、以“联动增效”为核心推进流域协同治理、以“工程引领”为核心推动协同目标实现等对策措施.

广东省水资源-能源-粮食网络特征分析

广东省人口和产业高度集聚,对水资源-能源-粮食(WEF)依赖程度高,资源供需矛盾日益凸显,合理配置WEF资源,实现资源可持续利用具有重要现实意义.本研究基于复杂网络方法,构建广东省2007、2012、2017年的WEF资源网络模型,通过探索网络拓扑性质,挖掘网络关键节点和关键路径,作为资源优化配置的重点关注对象.结果表明:1)广东省WEF资源网络具备小世界属性,能源网络的小世界属性较强,水资源网络较弱,关键节点和关键边的调控均会对WEF资源网络形成较大影响;2)农业(农林牧渔产品和服务),食品和烟草,化学产品,电力、热力的生产和供应,建筑,通信设备、计算机和其他电子设备制造等关键节点具备较大点强度,其资源调控对广东省水资源、能源、粮食的节约效应显著;3)电气机械和器材制造,建筑,通信设备、计算机和其他电子设备制造在WEF资源网络中处于枢纽位置,其资源节约效应可快速传递至整个网络;4)农业→食品和烟草、农业→纺织品、食品和烟草→住宿和餐饮等边频繁出现于WEF资源网络的关键路径之中,改变其资源流通量,可显著改变所在关键路径甚至整个WEF资源网络的流通量.

长江流域水-能源-粮食-森林系统耦合协调发展研究

研究长江流域水-能源-粮食-森林(WEFF)系统耦合机理及协调发展时空演变,有助于实现长江流域高质量发展,以便更好地支撑和服务中国式现代化。本文在阐述WEFF系统耦合协调发展机理的基础上,运用综合评价指数模型、耦合协调度模型及全局空间自相关分析测度2003—2021年长江流域WEFF系统综合评价指数、耦合度及耦合协调度,并分析其时空特征,进一步利用灰色预测GM(1,1)模型预测了未来5年发展情况。本文主要结果如下:1)时序变化上,耦合阶段均处于磨合阶段,耦合协调类型从濒临失调转为勉强协调。2)空间差异上,除上海和青海外,各省(直辖市)耦合度均处于磨合阶段,耦合协调度大部分处于濒临失调、勉强协调和初级协调类型;多数年份耦合协调空间集聚状态明显,但空间分布格局缺乏稳定。3)发展模拟上看,基本延续了目前的耦合协调发展变化趋势,但各省(直辖市)发展情况各异。基于以上,统筹推进经济社会发展和生态环境保护、建立跨区域综合协商机制和健全跨部门沟通协商机制有助于保障流域资源安全、维护生态平衡、实现区域可持续发展,进一步推动长江流域高质量发展。

都江堰灌区水-能源-粮食系统耦合协调分析

水资源、能源、粮食是人类社会发展的基本资源,三者之间相互关联,开展水-能源-粮食纽带系统的协调发展研究对保障水安全、粮食安全和能源安全具有重要意义。都江堰灌区是四川省主要的商品粮基地,对保障四川省粮食供给至关重要。为此,以都江堰灌区为研究区域,构建水-能源-粮食纽带系统的综合评价指标体系,引入熵权TOPSIS法确定各指标的权重并评价水-能源-粮食纽带系统的综合发展水平,测算出灌区2009—2021年水-能源-粮食纽带系统的耦合协调度,并分析其时间演变特征。随后构建灰色模型GM(1,1)预测水-能源-粮食纽带系统2022—2030年的耦合协调度的发展趋势。研究结果显示:2009—2021年,都江堰灌区水-能源-粮食纽带系统的综合发展水平处于中等水平,呈上升发展趋势;灌区水-能源-粮食纽带系统的耦合度均值为0.961,属高水平耦合,耦合协调度均值为0.663,多数年份处于中度协调阶段;2022—2030年,都江堰灌区水-能源-粮食纽带系统的耦合协调度将上升至0.893,进入高度协调阶段。本研究结果可为都江堰灌区农业可持续发展提供理论指导,并为类似区域的相关分析提供方法参考。

干旱绿洲区水-能源-粮食耦合协调性研究:以新疆为例

水-能源-粮食系统的协调发展,对于提高区域资源利用率,促进区域可持续发展具有重要意义。研究运用耦合协调度模型测算2000—2020年新疆水-能源-粮食的耦合协调度。结果表明:新疆水-能源-粮食各子系统以及综合评价指数水平较低,总体呈上升趋势;新疆水-能源-粮食已达到高水平耦合,但耦合协调度水平还处于初级耦合协调阶段,今后应从政策制定实施、提高能源利用率和保护生态环境等方面加以改进,以促进新疆水-能源-粮食耦合协调发展。

中国家庭资源消费的二氧化碳反弹效应研究——基于“水-能源-粮食”系统视角

二氧化碳反弹效应是造成碳排放效率改进与碳排放量增长“相伴而行”的深层原因。为了进一步释放我国家庭资源消费的节能减排潜力,本文在探究家庭“水-能源-粮食”系统二氧化碳反弹效应(CRE)产生机制的基础上,首先利用IPCC碳排放系数法分别核算2015—2020年我国30个省份(自治区、直辖市)家庭用水消费、家庭能源消费、家庭粮食消费的二氧化碳排放量,然后再运用可变系数面板数据模型估算家庭“水-能源-粮食”系统的二氧化碳反弹效应,并且还分析了影响二氧化碳反弹效应的主要因素。研究结果表明:1)2015—2020年我国家庭“水-能源-粮食”系统的二氧化碳排放量在30个省份之间呈现出了异质性特征。具体而言,2015—2020年我国各省份家庭用水消费的二氧化碳排放量整体变化比较平稳,基本处于稳定状态;家庭能源消费的二氧化碳排放量整体呈现出了上升趋势;家庭粮食消费的二氧化碳排放量在大多省份呈现出了持平状态或者下降趋势。2)2015—2020年我国各省份家庭“水-能源-粮食”系统的二氧化碳反弹效应类型有回火效应、部分反弹效应、超级节能效应3种,其中家庭用水消费的二氧化碳反弹效应的主要类型为部分反弹效应和超级节能效应,家庭能源消费的二氧化碳反弹效应的主要类型为部分反弹效应,家庭粮食消费的二氧化碳反弹效应的主要类型为超级节能效应。3)家庭人均可支配收入和家庭规模是影响我国各省份家庭“水-能源-粮食”系统二氧化碳反弹效应的主要因素。我国各省份家庭人均可支配收入水平与家庭用水消费二氧化碳反弹效应的变化趋势较为一致,而家庭规模则与家庭能源消费二氧化碳反弹效应的变化趋势比较一致。

水-土资源有效利用视角下我国粮食生产区域布局优化研究

多年来,我国粮食生产取得巨大成就,然而随着粮食生产格局的演变,我国水-土资源配置效率低下,威胁到长期粮食安全与生态安全。从我国资源条件来看,粮食生产面临着耕地数量不足、质量不高,水-土资源在“非农化”“非粮化”趋势中不断被挤占,水-土资源分布不均存在时空错配等资源刚性约束,而粮食生产布局演变又进一步激化了粮食生产水-土资源供给与需求之间的矛盾。为此,发挥资源利用的比较优势,合理布局粮食生产,提高水-土资源有效利用水平,是保障粮食生产可持续发展的关键。

长三角水资源-能源-粮食系统的协同模式及资源配置研究——基于水的核心地位

通过多目标规划建立水资源-能源-粮食系统协同分析框架,基于长江三角洲地区(长三角)城市群维度,构建水资源-能源-粮食系统的协同模型,测算复合系统优化后的偏离度和经济效益。结果表明,2001—2020年长三角水资源-能源-粮食系统优化后综合偏离度整体保持在0.135以下的低水平,但波动性较大,稳定性较差。2001—2020年粮食产量和能源开采量均保持上升态势,粮食产量较高。前期能源开采量大于粮食产量,2005年后,粮食产量高速增长,远超过能源开采量。综合效益持续升高,协同模型的经济效益较理想。据此,提出增强水资源-能源-粮食系统内部的联动性和共生性、科学规划水资源调配、能源开采和粮食生产等资源一体化调配方案、提高资源整体投入产出水平、拓宽资源跨区流动路径等建议。

中亚五国水-能源-粮食-生态耦合关系及时空分异

针对中亚复杂的跨界水问题,从地区和国家层面基于系统耦合视角开展水-能源-粮食-生态(WEFE)系统协调性研究。首先构建了WEFE耦合协调评价指标体系,然后运用耦合协调度模型对中亚地区WEFE协调发展水平及其时空演变特征进行定量评价。结果表明:(1)近20 a中亚地区WEFE系统耦合度保持较高水平,耦合协调度呈现缓慢增长趋势但处于勉强协调;(2)各国耦合协调发展水平差异较大,哈萨克斯坦耦合协调水平最优但处于初级协调,塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦为勉强协调,土库曼斯坦和乌兹别克斯坦为濒临失调;(3)对比多系统的发展水平发现,塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦粮食存在明显滞后,土库曼斯坦属于水资源滞后型,哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦属于能源滞后型,子系统间未能达到良好匹配,一定程度上影响地区协调发展。研究成果可为中亚地区的WEFE协同发展及国家间跨界河流开发合作提供决策依据。

协同调控水-农业-生态的干旱区多水源优化配置

干旱区农业发展往往以挤占生态用水和超采地下水为代价,考虑水-农业-生态互馈关系的水资源优化配置有助于平衡利益冲突。该研究以地下水均衡、经济效益和生态用水满足度为调控目标,构建基于水-农业-生态协同调控的多水源优化配置模型,并推求协调发展度计算式,提出了结合NSGA-Ⅱ算法和协调发展度的协同优化算法,分析石羊河流域水、农业和生态之间的权衡和协同关系,确定水-农业-生态协同提升下的水资源配置方案以及适宜的农业和生态用水比例。结果表明,现状条件下,六河子系统的水资源优化配置方案的经济效益可提升1.9%,实现地下水正均衡0.59亿m^(3);全流域农业和生态用水比例为90%∶10%,渠井用水比为67%∶33%。平水年保障蔡旗来水为3.48亿m^(3)/a时,能够以牺牲中游1.6%的经济效益实现生态用水满足度和地下水均衡量分别较基准情景提升4.8%和18.6%。研究为协同调控复杂的水-农业-生态关系提供了一种有效方法,可为干旱区流域水资源规划与管理提供参考。

基于水-经济社会-生态环境协同演变的生态流量阈值适宜性研究

针对天门河-汉北河流域生活-生产-生态“三生”用水矛盾突出、水生态退化及经济社会发展受限等问题,基于水系统理论与系统动力学方法,构建“水-经济社会-生态环境”耦合模型,从系统层面研究河道内生态流量阈值的适宜性。应用情景模拟法,考虑高效节水、再生水利用率提高等调控措施及未来天然来水的不确定性,设置9种情景模拟2022—2035年研究区高、中、低3种生态流量阈值下的水资源供需及经济社会发展态势。结果表明:高效节水和再生水利用率提高均有利于缓解因生态流量阈值增大而引起的区域水资源用户间的冲突问题;从“水-经济社会-生态环境”协调发展的角度分析,建议研究区丰水年(P=25%)生态流量阈值设置为年径流量的30%~50%,平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)生态流量阈值设置为年径流量的10%~30%;增大生态流量阈值的同时应采取提高水资源利用效率的调控措施。研究结果从“水-经济社会-生态环境”耦合系统的协同演化机制出发分析河流生态流量阈值的适宜性,为复杂水资源系统的优化运行与科学管理提供了理论基础。

黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力评价

为综合评价黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力,基于能值分析理论与方法,并结合熵值法,构建了黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力评价指标体系,综合评价了该系统2008—2018年的生态可持续发展能力。结果表明:(1)从黄河流域整体视角来看,2008—2018年该系统属于资源消耗型经济发展模式,经济快速发展的同时对当地生态环境产生了很大压力,系统长期处于高环境负荷状态,造成系统生态可持续发展能力不断减弱。(2)从黄河流域各省(区)视角来看,流域下游生态环境压力日益加重,生态可持续发展能力较弱,应加大对可更新资源的开发力度,减小对不可更新资源的依赖;上游省(区)环境压力相对较小,生态可持续发展能力较强,应加强基础设施建设,促进经济发展。(3)黄河流域各省(区)水资源-能源-粮食系统均衡性在时间和空间上呈现明显的差异性,系统的生态可持续发展能力不断减弱。