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。

长江经济带水-能源-粮食产业关联与波及效应

基于2002—2017年长江经济带各省(直辖市)水、能源、粮食相关数据,将3种资源与产业相关联,通过投入产出法描述3种产业部门在研究期内生产中原材料投入来源和产出品使用方向,构建长江经济带水-能源-粮食(Water-Energy-Food,WEF)产业投入产出模型,并结合结构分析法,对产业间关联效应及对地区经济的波及影响进行研究。结果表明:水生产与供应业对WEF产业前、后向关联度均波动下降,对地区经济的影响力系数降低至1以下,感应度系数增长0.5,增幅高达44.2%,拉动作用趋于弱化而感应水平显著提升,其需求结构向中间产品型基础产业转变。能源产业对WEF产业有较强的推动和制约作用,容易受经济波动影响,作为具有低附加值、高带动性特征的中间产品型产业,2007年后其影响力系数稳定在1.2,感应度系数减少10%,缺乏持续发展后劲。粮食产业与自身关联紧密,与其他产业的直接联系较弱,2017年其中间需求率和投入率仅有0.5544和0.3862,对地区经济的推动和拉动作用均不突出,属于带有迟钝关联特性的中间产品型基础产业,总体发展状态相对稳定。从经济角度对不同发展阶段WEF产业的结构特征和关联、波及效应的演变情况进行分析,为支撑和保障长江经济带高质量发展以及WEF产业可持续发展提供决策参考。

水-粮食-能源关联与可持续生计关系研究进展与研究框架

水-粮食-能源关联系统与可持续生计系统受到共同的自然、社会、经济因素影响,两者的协同管理对于改善居民福利、实现区域可持续发展有着重要意义。文章梳理了可持续生计的发展与研究热点,总结了水-粮食-能源关联与可持续生计的综合研究进展,探讨了水-粮食-能源相互作用的发展状况、研究现状、与可持续发展目标的差距以及面临的问题,并从区域水-粮食-能源关联与可持续生计协同管理,促进区域可持续发展等方面提出了应对挑战的技术手段和政策机制选择设想。

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%.

城市食物-能源-水系统的关联关系研究:以广州市为例

食物-能源-水(food-energy-water,FEW)是人类赖以生存的基础资源,且三者之间存在密切的关联关系.2011年世界经济论坛首次将"FEW风险群"列为未来10年影响全球格局的3类重要风险集合.本文基于物质流和能量流的分析方法,识别出3种代谢网络中具有关联的节点和路径.基于识别出的关联节点和路径,分析了FEW间的关联及相关指标.结果表明:2017年广州市食物生产相关的用水总量为12.19×10^(8) m^(3),能源相关的用水量为22.91×10^(8) m^(3),食物生产有关的能源消耗为11.36×10^(4) tce,与水有关的能源消耗为21.27×10^(4) tce;广州市资源消耗水平逐渐增加,资源指数迅速恶化,资源自给率水平逐渐降低,对环境影响也呈加强趋势,各子系统间的依存度和关联逐渐加强.

基于粮食-能源-水关联关系的风险管控研究进展

粮食、能源与水三者之间由于相互需求与相互影响,已形成了密切而复杂的关联关系,同时还给生态环境、自然资源、公众健康带来了潜在风险。因此基于关联关系的视角,利用综合的手段来对粮食-能源-水系统的风险进行分析和调控,对我国目前环境风险管理具有重要意义。本文在查阅相关研究成果的基础上,分别从两两关联、三者关联、三者关联系统相关的风险研究等方面对粮食-能源-水关联系统及相关风险的研究进展进行系统梳理和归纳总结,总结发现:已有研究较多关注两两之间关联性的定量测算和相关治理措施,缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究,且基于流域层面等较小尺度的研究方法还相对不够成熟。在三者关联的风险研究方面,已有部分从能源-水关联角度开展的风险研究,但从三者整体关联系统角度开展的风险研究还比较少,且所选用的风险表征指标较为单一。另外,已有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估,还缺乏根据风险评估结果对三者关联系统进行动态反馈调控等内容。在此基础上,本文提出基于粮食-能源-水关联系统的风险管控研究框架及核心研究议题,主要包括构建粮食、能源、水三者之间的耦合模型;通过量化耦合系统产生的压力和污染,运用多指标表征耦合系统所带来的风险,进而建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制;并基于风险评估结果和风险管理的关联关系建立动态调节与反馈机制,从而为基于粮食-能源-水关联的区域环境风险管控提供科学依据。

城市食物-能源-水关联关系:概念框架与研究展望

食物、能源和水(Food, Energy and Water, FEW)是人类生存与发展不可或缺的基础性资源,且三者之间存在密切的关联关系(Nexus),即其中任何一项资源的生产与供给均依赖于另外两项资源。FEW关联关系作为应对全球人口增长、资源短缺和生态环境恶化等问题的系统性管理理念,已引起国际学术界与实践管理领域的广泛关注。然而,目前对FEW关联关系仍然缺乏统一和清晰的界定,现有研究大多是基于不同角度理解与量化"关联关系"。城市作为全球资源消费的主阵地,其FEW关联关系更为复杂,亟待建立针对城市生态系统的概念框架。对FEW关联关系的发展历程、概念表述以及研究方法等方面进行全面回顾和系统分析。在此基础上,从"资源依存"、"资源供给"和"系统集成"等3个视角构建了城市FEW关联关系的概念框架,并进一步阐述FEW关联关系未来研究的重点方向——"系统性表征"、"时空演化"与"协同管理",为城市优化资源配置,实现集成管理提供一种新思路和定量化的参考依据。

水-能源-粮食关联关系:区域可持续发展研究的新视角

水-能源-粮食关联关系(WEF-Nexus)的研究正逐步发展成为可持续发展领域的重要课题,学术界和实践者们从各个方面对其进行了理论和实证探究。笔者从WEF-Nexus概念的重新界定开始,通过分析2006年以来WEF-Nexus的发展历程,并基于当前研究的基础理论差异,提出开展WEF-Nexus研究的两个基本观点,即"慢变量观"和"资源整合观";回答了区域可持续发展中水-能源-粮食关联关系(WEF-Nexus)研究的两个基本问题,"什么是WEF-Nexus?"和"为什么是WEF-Nexus?"。在此基础上,笔者通过WEF-Nexus关系描述性研究及实证研究的进展分析,从平面维度、时间空间维度和数据与工具的应用视角,指出该领域的核心研究议题、关键分析工具和未来面临的挑战。我们认为,要从新的视角认识WEF-Nexus领域理论与实证研究的前沿问题,其未来的研究应从注重实践经验的总结转向理论框架的构建,尤其要关注水、能源和粮食三者作为"慢变量"的理论证明,研究的维度也应由区域维度向城市维度转变,在研究方法上更多地借助系统动力学、复杂网络分析等系统科学的方法。

“食品-能源-水”纽带关系研究方法评述与展望

"食品-能源-水"纽带关系(FEW-Nexus)研究开辟了可持续发展研究的新视角,对实现资源环境的有效利用和社会经济可持续发展至关重要。本文从概念内涵、应用实例、应用领域和方法特点等方面,对现有FEW-Nexus主要研究方法进行综合的梳理和评述,对方法的难点和局限性进行了探讨,并对方法应用做出总结和展望。研究结果显示,当前研究方法在整体性、系统性研究框架内构建模型,在资源综合管理和可持续发展政策指导中有较好的应用实效和广阔的应用前景;将来在研究方法上要着重解决系统边界的选择、系统的弹性与可持续性和系统的数据稀缺等问题。

山东省2011年~2020年水-能耦合协调特征分析

水资源和能源二者有着紧密的关联关系。社会的不断发展对其需求大大增加,使得山东在经济发展过程中出现一定的资源供需问题,为更好地促进两种资源和谐发展,建立综合评价指标体系,利用耦合协调度模型对2011年~2020年山东水-能源耦合关系进行分析。结果表明:水-能源系统综合评价指数呈增加趋势,水资源系统较能源系统波动更大;耦合度多处于磨合阶段,耦合协调度呈现过渡趋势,处于轻度失调-勉强协调-初级协调的动态变化之中。

“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。

能-水关联及我国能源和水资源政策法律的完善

能源和水资源是关系国家经济社会可持续发展的重要战略性资源,指出二者之间客观存在的关联互动要求能源和水资源政策法律必须尊重这一客观规律,并致力于实现两种资源管理之间的协同运行;基于能-水关联及其对能源和水资源政策法律影响的讨论,结合美国能-水关联领域立法实践及其经验教训,对中国能-水关联状况进行了分析,对进一步完善中国能源和水资源政策法律提出了具体的建议:以能-水关联规律为指导整合能源和水资源管理政策法律,建立能源和水资源管理间协调机制,加强能-水关联规律的数据收集和基础科学研究。

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。

基于多Agent模型的宁东基地水-能源-粮食系统协同演化研究

随着淡水资源逐渐减少、能源需求量逐渐增长和粮食供应结构不断变化,加之三者之间既相互依存又相互竞争的特点,水-能源-粮食的交互关系变得异常复杂。为确保水安全、能源安全和粮食安全,实现三者的协同优化管理、资源的高效利用和可持续发展,以集资源型缺水和季节性缺水为一体的干旱敏感区域宁东基地为例,提出了基于多Agent模型的宁东基地水-能源-粮食系统模拟模型,将宁东基地水-能源-粮食系统看成是由若干个相对独立的自主Agent构成的一个合作共生网络体系,构建了宁东基地水-能源-粮食模拟框架,定义了各Agent的属性,设计了Agent之间以及Agent和环境要素之间的交互规则,基于Python语言的多Agent建模工具MESA库开发了宁东基地水-能源-粮食仿真模型,以模拟宁东能源化工基地的系统演化过程。结果表明:随着人口的增长,生活部门配水量、能源消耗和粮食消耗量均呈现上升趋势;粮食部门配水量呈现出与农作物产量变化相对应的变化趋势;宁东基地的能源部门配水量呈现上升趋势,预测年的配水量每年增长约为0.08亿m^(3);随着生态绿化覆盖面积的逐年增长,生态部门的配水量也呈现出逐年增长的趋势;每年可以向基地外输送的能源,实测年增长率约为19.85%,预测年增长率约为3.53%,预计到2025年可增加到4.96×107t标准煤。

黄河流域地级市水-能源-粮食系统耦合及空间关联研究

黄河流域水资源匮乏,但肩负国家能源和粮食生产的重任。在资源有限、需求不断扩张的背景下,探究水-能源-粮食资源的空间错配给黄河流域可持续发展带来的压力和挑战,可为流域高质量发展及国家区域协调发展战略提供科学依据和参考。基于中观尺度,构建黄河流域地级市水-能源-粮食系统综合评价框架,分析了流域内各地级市的水-能源-粮食系统耦合协调发展水平及空间关联特征。结果表明:2000-2018年,流域内各地级市的水-能源-粮食系统耦合协调度整体由初级协调阶段过度到中级协调阶段,但协调发展稳定性不足,至2018年,系统耦合协调度呈现下降态势;多数年份系统耦合协调度表现出显著的空间关联特征。从地级市视角出发对水-能源-粮食系统进行研究更具地区针对性,更易凸显中观尺度下系统发展的个性特征。应进一步探究黄河流域水-能源-粮食系统的空间关联影响机制,并解构黄河流域水-能源-粮食系统动态耦合协调发展模式。

“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。

中国水-能源-粮食关联系统协同安全评价

为保障我国水-能源-粮食关联系统安全,运用压力-状态-响应模型对我国2007—2016年水-能源-粮食关联系统进行协同安全性评价。选取16个代表性指标,构建我国水-能源-粮食关联系统协同安全评价指标体系及评价模型,利用层次分析法确定各指标权重,根据2007—2016年全国及各省区相关指标统计数据,对全国及不同地区水-能源-粮食关联系统进行协同安全评价。结果表明:近10年全国水-能源-粮食关联系统的协同安全度总体呈波动上升趋势。北京、天津和上海等省级行政区水-能源-粮食关联系统综合协同安全度较高;而宁夏、新疆和重庆等地区综合协同安全度低;大部分省区关联系统综合协同安全度水平2012—2016年高于2007—2011年。

中国水-能源纽带关系双向消耗核算研究

针对经济社会发展中水与能源的消耗问题,从水资源开发利用过程中的能耗与能源生产过程中的水耗两个角度进行双向的定量分析,并采用双向核算法估算了全国主要能源产业生产现状总用水量与水资源利用的总耗能量,厘清了水与能源之间的纽带关系。研究结果表明:水与能源之间存在着环环相扣的关系;6类能源中火力发电耗水量最大,水力发电次之,其后分别为原煤、原油、天然气,太阳能发电耗水量最小,2016年中国主要能源生产过程中耗水量约占全国用水总量的3.14%;水资源利用过程中地表水取水总能耗最大,非常规水源利用总能耗较小,2016年中国水资源利用过程中的能耗约占全国能源消耗总量的2.44%。

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。

城市食物-能源-水资源系统关联性研究:以北京市为例

食物、能源和水资源是人类生存和发展不可或缺、不可替代的基础性资源,三者之间存在错综复杂的关联关系。城市是社会经济与资源消耗的集聚地,也是食物、能源和水资源供需矛盾冲突最为激烈的区域,食物安全、化石能源枯竭和淡水资源短缺等全球性问题已成为未来城市可持续发展面临的最大挑战。系统分析与模拟城市食物-能源-水资源的供给、需求及其关联关系,对保障城市资源供给安全、推动资源系统管理具有重要的实践意义。文章基于Stella建模平台,构建了区域关联和要素关联耦合作用下城市食物、能源与水资源供需的动态模型,以北京市为例,定量模拟了2016—2035年食物-能源-水资源系统的动态变化及其关联特征。结果表明:①2035年,北京城市居民粮食需求量预计约216万t,肉类83万t,总能源需求量约9165万tce,总需水量约46亿m3,而由本地独立生产和供给的资源量仅分别为21万t、23万t、1650万tce和33亿m3,本地供需缺口都呈现增大趋势,必须依赖外部地区的资源投入满足本地需求。②食物-能源-水资源要素之间相互作用的绝对量增加且生产“外包”特征明显,本地食物-能源-水资源关联关系向运输、处理等供应链后端环节偏移。③要素关联关系上,食物与水资源的耦合作用最强,能源和食物的关联程度明显增大,水资源和能源的关联程度较稳定。区域关联关系上,食物-能源-水资源系统区域间关联性增强。④城市资源的系统管理需要综合考虑食物-能源-水资源供需过程中的多重权衡关系,建立多区域、多要素一体化的资源协同管理机制。