基于水-能源-粮食纽带关系的灌区水土资源多目标优化配置模型研究

从水-能源-粮食纽带关系的角度,研究构建了灌区水土资源多目标优化配置模型方法,提出了包括灌溉效益净值最大化、水分生产率最大化、粮食生产能源效率最大化的目标函数,以及体现水资源、能源和粮食生产之间交互关系的决策变量、约束条件和模型参数取值;针对模型多个优化解的问题,提出了水-能源-粮食优选指数和水-能源-粮食综合效益指数,为多组优化配置方案的进一步比选和综合效益量化提供了决策参考。以某大型灌区为例进行了模型应用与优化计算,得到了8组优化结果和一个最优方案,并分别针对实际配置情况和优化配置情况进行评价对比。研究结果表明:实例灌区优化方案的粮食产量、水分生产率和能源效率与优化前实际情况下提升了8.31%、18.93%和15.49%,灌溉净效益仅减少0.32%,但灌区综合效益提升了11.11%,模型优化效果明显;所提出的配置模型能较为清晰地展现灌区在资源消耗、粮食产量和经济收益等方面的相互制约关系,且不同的求解方案对于节水、节能、增产、增收等方面具有不同程度的偏向性,所提出的指数能够实现优中选优的比选,以此开展水土资源优化配置实践,能充分发挥灌区水资源及能源的利用效率、提升作物产量和灌溉效益,为灌区水土资源高效利用提供了一种新思路。

“水-能源-粮食纽带关系”典型国家实践及启示

文章从水与能源、水与粮食之间的纽带关系出发,对美国、英国、以色列等典型国家的政策实践进行跟踪,研究提出对我国水、能源以及农业发展领域战略及政策制定的启示与建议。

基于水-能源-粮食纽带关系的农业资源投入产出效率研究

为研究我国2010—2017年农业资源投入产出效率及时序演化特征,采用数据包络分析(DEA)方法,以中国内地31个省份为研究对象,基于农业生产中的水-能源-粮食纽带关系,构建了以农业用水量、能源产品使用量、排灌耗能量、能源产品生产用水量作为输入变量,以主要农产品生产总量、第一产业国内生产总值(第一产业GDP)为输出变量的评价指标体系。结果表明,我国有19个省份尚未达到DEA有效状态,大部分省份的农业资源投入产出效率有较大上升空间。研究表明,我国大部分省份(20个)的综合效率主要受纯技术效率的影响,其中最典型的宁夏、甘肃、新疆三个西北省份的纯技术效率明显落后,资源利用效率和管理水平有待提高。

水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型及案例研究

水-能源-粮食纽带关系(Water-Energy-Food Nexus,WEF-Nexus)是可持续发展领域的新课题。为定量分析WEF-Nexus对区域水、能源、粮食的供应、需求、自给率产生的影响,在考虑资源纽带关系的基础上,基于生命周期理论和灰色预测方法构建了水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型。以江苏省为例,模拟其在不同情境下2017-2020年的资源供需、自给率及不同消费部门的满足度变化。结果表明:在保持当前趋势下,水资源自给率和粮食自给率暂时高于100%,但有下降趋势,能源自给率未达到90%;在调整能源生产结构和消费水平后,能源自给率和水资源自给率均有所提高;在调整粮食种植结构后,粮食自给率提高但用水量可能也会相应增加,不利于水资源自给率的提高。

水-能源-粮食纽带关系研究综述及前景展望

水资源、能源和粮食在人类生产生活中发挥着极其重要的作用,三者之间相互影响、相互作用,逐渐形成了一种极具敏感性和脆弱性的关联关系,即水-能源-粮食纽带关系(WEF-Nexus)。目前有关WEF-Nexus的研究已成为国内外众多学者研究的热点话题之一,本研究对当前国内外WEF-Nexus的相关研究内容进行综述,从而为未来其他学者开展WEF-Nexus研究提供参考和借鉴价值。通过文献调查法,综合分析国内外相关研究文献,从概念内涵、相关理论及模型方法3个维度总结归纳WEF-Nexus概念及理论方法研究进展。研究发现在概念界定方面,目前还未形成被广泛认可的说法;在相关理论方面,国内外学者主要采用系统论、方法论、协同论等不同理论方法研究WEF-Nexus;在模型方法方面,目前主要有针对纽带关系的专用模型和适用于纽带关系的通用模型,研究工具主要分为定性研究工具和定量研究工具。此外,基于协同、安全、风险及优化等视角梳理WEF-Nexus的相关研究进展,结果表明目前WEF-Nexus协同发展评价指标主观性较强,WEF安全纽带关系研究主要集中在安全评价方面,有关安全管控等方面的研究稍欠缺,WEF-Nexus风险诊断及预警研究仍处于空白阶段。由于WEF耦合系统的复杂性,构建WEF系统优化模型具有一定的难度,且现有文献多以研究区域或流域WEF系统的优化为主,鲜有城市或家庭层面的优化研究,因此,提出未来WEF-Nexus研究的发展方向,即绿色发展下WEF-Nexus协同发展理论研究、WEF-Nexus互馈及演化机理、基于大数据技术的WEF综合决策分析平台以及重大突发事件下WEF-Nexus风险诊断预警等是未来WEF-Nexus的研究重点。

水-能源-粮食纽带关系:地球科学的认知与解决方案

水-能源-粮食纽带关系正逐渐成为国际社会关注的重点议题。本文梳理了纽带关系的提出与发展,认为其发展经历了从"单一中心",向"双双关联",再到三者"纽带关系"的整合过程。并从地球科学的角度出发,分析了水-能源-粮食纽带关系在资源利用、空间分布和形成演化等方面的复杂性表现,指出认识和应对纽带关系在可持续发展中的紧迫性。本文在梳理纽带关系面临的核心问题和未来挑战的基础上,从资源调查、系统监测、大数据分析、科技创新、外部影响研究等几个方面系统总结了地球科学应对纽带关系的解决方案。

水-能源-粮食纽带关系定量研究方法综述

在总结水-能源-粮食纽带关系研究中,使用频率较高或潜力较大的8种水-能源-粮食纽带关系定量研究方法为:水-能源-粮食纽带关系工具2.0(WEF Nexus Tool 2.0);生命周期评价(LCA);可计算的一般均衡模型(CGE);系统动力学模型(SD);气候、土地、能源与水资源策略(CLEWS);基于社会生态系统代谢的多尺度综合评价(MuSIASEM);市场配置/市场配置系统集成模型(MARKAL/TIMES)和水资源评价规划模型-长期能源替代规划系统(WEAP-LEAP)。通过总结各研究方法的产生、发展及特性,并引用案例讨论其适用范围,分析其优缺点和在使用时需要注意的问题。在此基础上,对未来水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的发展趋势进行讨论,认为伴随可持续发展问题关注度的上升与水-能源-粮食纽带关系内在机理的挖掘,未来的水-能源-粮食纽带关系定量研究方法将更加注重量化的精确性和数据的互通以及跨学科研究和多方法的耦合。本文可为水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的选择和更新优化提供参考。

基于水-能源-粮食纽带关系的用水量分解与测度

基于水-能源-粮食纽带关系视角,采用Kaya扩展恒等式和对数平均迪氏分解法(LMDI)对1998—2019年我国用水量变化的影响因素进行定量评估,重点探讨水-能源-粮食纽带效应、技术进步效应、经济规模效应和人口效应的贡献率及其变化趋势。研究表明:工农业生产用水量逐渐减小,而居民生活用水量逐渐增大;水-能源-粮食纽带效应是抑制用水量增长的首要因素,其中能源-粮食纽带效应贡献最大,但是逐年波动幅度较大,而水-能源纽带效应和水-粮食纽带效应波动较小且从2001年起表现为持续的负效应;虽然研究期内技术进步效应对用水量的抑制效果开始减弱,但是以工农业能源强度下降为主要表现形式的技术创新对用水量增长仍有很好的抑制效果;工农业经济规模扩张推动了用水量的增长,且近年来工业经济规模效应强于农业经济规模效应;人口效应的贡献较小,但是内部效应却表现出明显的两极分化现象,城镇化、人口规模和农村居民人均消费对用水量增长均具有促进作用,而逆城镇化和城镇居民人均消费则表现为抑制效应。

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。

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。

中国城市“水-能源-粮食”纽带系统耦合协调度及其影响因素研究

本文利用2010~2021年中国281个地级市数据,对中国城市“水-能源-粮食”纽带系统耦合协调度进行评价,探究其时空特征以及影响因素。研究发现:中国城市WEF系统安全呈现出上升趋势,子系统中粮食安全滞留在较低水平。全国城市WEF系统耦合协调度有所提升,但多数城市处于初级协调状态,并呈现出较为明显的空间集聚和极化特征,高值集聚主要分布在长江中游综合经济区,低值集聚主要位于大西北和黄河中游综合经济区。在“新四化”变量中,信息化和产业结构高级化对本地和邻近城市WEF系统耦合协调度有显著促进作用,产业结构合理化的影响呈现出非线性特点,城镇化可能产生负面影响但并不显著。

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.

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“水-能源-粮食”纽带的生态系统服务供需关系时空分布研究——以长三角生态绿色一体化发展示范区为例

生态系统服务供需平衡是区域可持续发展的重要环节,也是有效反映区域社会经济与自然是否能够协调发展的重要表征。以长三角生态绿色一体化发展示范区为例,以“水-能源-粮食”纽带为切入点,基于InVEST模型、CASA模型和Thornthwaite Memoriai模型,测度了示范区2000、2005、2010、2015及2020年产水、固碳、粮食生产服务的供需量,引入基尼系数、供需指数和相关系数,刻画区域生态系统服务供给和需求的空间特征,结果表明:(1)2000—2020年,除粮食生产服务供给量波动下降以外,产水和固碳的供给量均呈波动上升趋势。在需求量方面,三种生态系统服务均呈上升趋势;(2)空间上,产水和粮食服务供给量主要呈“东南、西南高”的特征,固碳供给量高值则集中于吴江区桃源镇,各项生态系统服务需求高值区主要以人口密度较大乡镇为中心呈环状分布;(3)示范区内各生态系统服务空间上呈均衡分布状态,各类生态系统服务供需指数均呈下降趋势;(4)在供给方面,产水-粮食生产呈现显著的协同关系,产水-固碳、固碳-粮食生产的权衡/协同关系不显著;在需求方面,三种生态系统服务呈现出两两协同关系。本研究探索示范区生态系统服务供需关系的时空分布,有利于构建区域生态安全格局,可为长三角地区生态系统服务供需研究提供借鉴。

山西省水-能源-粮食纽带系统效率研究

水、能源和粮食是人类生存和发展最重要的战略基础资源,如何保持水、能源、粮食的协调发展是经济社会可持续发展需要解决的关键问题。基于超效率网络DEA模型构建了水-能源-粮食纽带系统指标体系,对山西省2003—2018年水-能源-粮食纽带效率进行了测度,从时空角度分析了其变化特征,并利用社会网络分析模型对山西省各地区水-能源-粮食纽带效率的网络关联结构特征进行了研究。研究发现:①山西省水-能源-粮食各子系统及纽带系统效率处于较低水平并呈波动状态;山西省水-能源-粮食纽带效率值表现出明显的空间差异,水-能源-粮食纽带效率高值区域多集中于省内能源型城市;山西省能源子系统对水-能源-粮食纽带系统发挥着更为重要的作用。②山西省水-能源-粮食纽带效率空间关联呈网络结构形态,各地区均处于网络之中,不存在“孤岛”现象,网络的连通性较好。③“净溢出”板块与“双向溢出”板块主要集中在能源禀赋条件优越的地区,且“净溢出”板块的表现更为明显,其在山西省水-能源-粮食纽带效率空间关联网络中扮演着“发动机”的角色;“净受益”板块主要集中在经济发展水平高的地区;“经纪人”板块的水-能源-粮食纽带效率较低,在网络中处在边缘地位。

山东省水-能源-粮食系统耦合协调关系变化研究

山东省地处黄河下游,是粮食生产和能源消耗大省,水资源供需矛盾突出,为实现区域资源可持续发展,采用耦合协调评价模型,分析山东省2000—2020年水-能源-粮食系统耦合协调发展变化特征。结果表明:山东省水-能源-粮食系统整体发展趋势较为稳定,处于初级协调阶段;各子系统间离散程度相对较低、相互影响程度高,大多数年份水-能源-粮食系统处于初级协调阶段;干旱导致水资源短缺、能源供需矛盾等问题,对系统耦合协调程度影响较大,提升抗旱减灾和能源保障能力可促进山东省水-能源-粮食系统协调可持续发展。

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。

基于水足迹与水-能源-粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化

灌溉系统是农业生产与用水的关键载体,其水-能源-粮食关联关系的协调性对区域可持续发展有重要影响。相较于传统的灌溉水高效分配研究,水足迹理论明晰了农业生产水资源消耗总量及其利用类型。针对提水灌溉系统水资源、能源供需配置不紧密及其生态影响考虑不全面的问题,联合水足迹理论与水-能源-粮食关联关系,统筹社会、资源、生态和经济多维系统,构建了考虑水资源调配、农业生产用水及粮食生产转移全过程的提水灌溉区种植结构多目标优化评价模型。将该模型应用于涟水灌溉区,通过调整粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的种植结构,运用Topsis方法对比评价了现状和优化配置情况的相对贴近度。优化结果表明:在保障粮食安全的基本前提下,应增大玉米的播种面积,减少大豆的播种面积;相较于现状,优化后的年均粮食单方水经济净效益提升4.0%,作物碳足迹在农作物种植基线改变时呈现下降态势,且2018年优化后的碳足迹降低79.5 kg。优化方案的相对贴近度均大于现状,对促进提水灌溉系统资源高效利用和农业可持续性具有可靠的支撑作用。

基于模拟优化模型的干旱风沙草原区水-粮食-能源关系

定量分析干旱风沙草原区水-粮食-能源(WFE)关系,可为制定草原区生产、经济和生态环境等政策提供科学的支持.采用基于Python语言的MODFLOW模型——FloPy,在考虑研究区牧草产量和灌溉能源消耗的基础上,构建了一个紧密耦合干旱风沙草原区WFE系统理想案例的多目标模拟优化模型,并使用多目标优化工具Pymoo框架下的NSGA-Ⅱ算法进行了求解.结果表明:所构建的模拟优化模型可以定量计算干旱风沙草原区的WFE关系,Pymoo提供的NSGA-Ⅱ算法在WFE关系多目标优化中具有较好的搜索效率与稳定性;使用权重wx对设定的6种方案进行对比分析,一般年(方案1—3)与干旱年(方案4—6)的地下水水位差最大值分别为1.15,1.43,1.34,0.96,1.26,1.15 m;一般年和干旱年灌溉水量最大可减少136.90%和134.37%,作物产量增加18.60%和18.31%,节省能源26.94%和27.89%.

“水-能源-粮食”纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究

"水、能源、粮食"是人类生存和发展的物质基础,在各自独立的研究领域和两两资源的关联研究中取得了长足进步,但是将其作为一个系统进行的分析则少之又少。针对水、能源、粮食之间存在模糊的系统边界,彼此之间存在复杂的关联关系的问题,本文采用系统分析的方法,构建"水-能源-粮食-经济社会"PSR模型和SD模型,刻画信息流、物质流、政策流等在四个子系统之间传递与互动的过程。在此基础上提出WEF协同安全框架。以山东省为例,开展"水-能源-粮食"纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究。研究表明:WEF之间存在纽带联系。在保持当前趋势下,2017-2020年,山东省会出现水和能源短缺的局面,粮食自给率大于1,水环境逐步改善。在调整粮食种植结构政策下,2017年水资源需求能够满足,2018-2020年水资源依然短缺。调整粮食种植结构对提高能源自给率影响不大,但有利于进一步改善粮食自给率,减少粮食种植对水环境的影响。在发展生物质能的政策下,水资源自给率、能源自给率、粮食自给率变化微弱,能源生产对水环境的影响明显改善。在同时调整粮食种植结构和发展生物质能的政策下,水资源自给率、能源自给率均比调整粮食种植结构有所增加,但幅度很小,对减少能源开采和粮食种植对水环境的效果明显。因此,山东省应基于WEF纽带关系制定相关资源管理政策。通过种植结构调整,提高水资源自给率。通过种植结构调整和发展生物质能减少农业面源污染和能源开采水体污染。从而改善地区的水生态环境,推动地区的水、能源、粮食的协同发展,促进地区经济社会绿色发展。