京津冀地区水-能源-粮食系统协同发展评价

为保障水-能源-粮食系统协同发展,以协同学理论为基础,构建协同度评价模型。从水资源系统、能源系统、粮食系统3个层面选取25个指标构建京津冀地区水-能源-粮食系统协同发展评价模型,对京津冀地区协同发展水平进行评价。结果表明,京津冀地区水-能源-粮食系统协同度整体上呈现上升趋势,但京津冀各地协同程度存在一定差异;2011—2016年京津冀协同度变化无规律,处于较低的水平,2017—2020年协同度呈明显上升趋势。     

长江经济带水-能源-粮食系统耦合时空动态特征研究

水、能源和粮食为可持续发展的基础性资源,如何从时空角度全面评价长江经济带水-能源-粮食系统的耦合协调发展是促进区域资源可持续发展的重要前提。以水、能源、粮食以及共生单元水能、水粮和能粮系统为单元,构建水-能源-粮食系统耦合协调评价指标体系,采用熵值法对各系统指标赋权,运用耦合协调度模型和空间自相关分析对2010—2019年长江经济带的水-能源-粮食系统协调发展和时空动态特征进行定量研究。结果表明：2010—2019年长江经济带水-能源-粮食系统综合评价指数整体呈缓慢增长趋势,其中水系统对水-能源-粮食系统综合评价指数贡献最大,年均贡献占比为21.57%;能源系统贡献最小,占比为11.95%; 2010—2019年长江经济带水-能源-粮食系统耦合协调水平呈先升后降趋势,其中四川省上升幅度为5.05%,重庆市下降幅度为2.83%,且存在显著的空间异质性,上游地区明显高于中下游地区。其中能源资源是水-能源-粮食系统耦合协调发展的短板;长江经济带水-能源-粮食系统耦合协调度表现出显著空间关联性,高-高集聚区集中在长江上游地区,下游地区主要以低-低集聚区为主。长江经济带内各省市应因地制宜地完善资源管理机制,推动长江经济带资源可持续发展。     

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。     

京津冀水-能源-粮食耦合系统安全评价

为实现京津冀水-能源-粮食协同合作，从可靠性、协同性和韧性3方面选取31个指标构建水-能源-粮食耦合系统安全评价指标体系，分析了2000—2020年京津冀水-能源-粮食耦合系统安全水平，并基于Copula函数计算联合风险概率。结果表明：2000—2020年京津冀水-能源-粮食耦合系统安全指数整体呈现上升趋势，其中北京年均指数最高，达0.63,河北最低，仅为0.48;各区域间可靠性水平无显著差异，均呈现较差水平；人均水资源量、人均能源消费量、地下水供水占比、二氧化碳排放量等是影响水-能源-粮食耦合系统安全的主要障碍因子；京津冀可靠性、协同性和韧性三维联合达到较安全水平的概率为0.723,不均衡发展会影响整体水-能源-粮食耦合系统安全。     

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-粮食安全系统的耦合协调发展研究

为探究黄河流域水-能源-粮食安全系统协调发展对推动流域人地关系协调、高质量发展的意义,以黄河流域水-能源-粮食安全系统为核心,构建流域水-能源-粮食安全系统综合指数,采用主成分分析法计算各指标权重,利用耦合协调度模型对2007—2017年黄河流域水-能源-粮食安全系统耦合协调度进行测算,并对2018—2027年流域耦合协调度进行预测。结果表明:黄河流域水-能源-粮食安全系统综合指数处于中等水平;流域2007—2017年水-能源-粮食安全系统耦合协调度经历初级和中级耦合协调发展水平,整体呈上升趋势,发展潜力较大;黄河流域水、能源安全子系统综合指数呈现轻微负增长态势,对系统整体发展提升存在一定负向压力;预测结果显示流域耦合协调度在预测期内仍将保持在中级协调。提高黄河流域水-能源-粮食安全系统协调性,推动黄河流域高质量发展,必须统筹考虑水、能源、粮食之间的协调关系,从根本上加强流域资源与生态的综合高效管理。     

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。     

吉林省水-能源-粮食系统耦合协调度评价研究

【目的】水、能源、粮食是保障人类生存与福祉的重要物质基础,研究吉林省水-能源-粮食系统的耦合协调发展状况,以促进吉林省水、能源、粮食的可持续发展。【方法】以吉林省为研究区,建立水-能源-粮食(W-E-F)系统综合发展评价指标体系,利用耦合协调度模型定量评价2003—2020年W-E-F系统耦合协调状况,运用GM(1,1)预测2021—2030年耦合协调度。【结果】结果表明：吉林省W-E-F系统综合发展评价指数呈现波动上升趋势,由0.29增长至0.67,其中水资源系统发展指数对综合系统发展指数影响大;耦合度在0.88～0.99范围内,处于高水平耦合阶段,耦合协调关系由勉强失衡逐步发展到中级协调水平,表现出向好的趋势,预测2030年将达到高级协调,最后为促进吉林省W-E-F系统耦合协调发展提出了相关建议。【结论】耦合协调度模型能够有效定量评价吉林省水-能源-粮食系统的协调发展状况,为吉林省水-能源-粮食系统协调发展提供科学参考。     

京津冀水资源-粮食-能源-生态协同调控研究Ⅰ：方法与模型

京津冀是我国重要的粮食、能源消费地,但水资源已经成为制约区域粮食、能源和生态可持续发展的关键要素。为优化水-粮-能-生系统间关系,实现水-粮-能-生关联视角下多水源协同调控,本文以GWAS模型为基础,通过改进水资源调配模块,添加粮食生产、能源消耗和层次化需水预测模块,构建了实现各系统关键要素传递和互馈的水-粮-能-生协同调控模型。根据京津冀水-粮-能-生系统紧密耦合的特征,建立保障水安全、粮食安全、低碳发展路径和生态健康的协同发展目标,提出了基于NSGA-Ⅱ和耦合协调度的协同优化算法与综合协同指数,以实现水-粮-能-生耦合系统协同调控方案优化求解。     

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。     

基于三角模型的城市水资源安全动态评价——以广州市为例

以广州市为研究对象,运用三角模型,建立评价指标体系,通过熵权法计算各指标的权重,分别计算得到水资源健康安全、水资源发展安全和水资源保障安全3组综合指数,在此基础上计算出各指标的影响度。从时间序列上对2010-2016年广州市水资源安全进行评价,并对其主要影响因子进行分析。结果表明:广州市水资源安全综合指数处于极安全-较安全之间。影响广州市水资源安全的限制性因子主要是居民可支配收入、三产总产值比例、城市化率。综上所述,广州市水资源现状为较安全,此研究将为改善城市水资源安全状况提供科学依据。     

山西省水-能源-粮食系统耦合协调时空变化特征研究

为探究山西省水-能源-粮食(W-E-F)系统耦合协调程度的时空变化特征,构建W-E-F系统评价指标体系,采用综合评价指数和耦合协调模型,测算全省及各地市2008-2017年W-E-F系统发展水平及其耦合协调程度,并分析其时空变动特征。结果表明:9年间全省W-E-F系统耦合协调度从0. 55上升到0. 83,总体达到良好协调水平。但各子系统发展特征不同,粮食子系统发展水平较高,表现稳定,水资源子系统发展滞后且稳定性较差。系统协调水平和各子系统的发展水平均存在显著且逐渐扩大的空间差异,2017年初级协调区和中级协调区占比分别为45%和55%。太原、忻州和晋中3市协调水平较高,协调水平较低的朔州和运城主要受能源和水资源子系统的制约;各子系统空间差异大小为能源>粮食>水资源,W-E-F各子系统发展水平最低的地区分别是运城、朔州、阳泉。大多数地区面临W-E-F系统内部发展日益失衡的问题,各子系统间存在突出的矛盾,主要表现为粮食和能源子系统与水资源子系统之间的压力和制约效应。最后提出促进山西省W-E-F系统协调发展的措施。     

2000-2016年甘肃省水资源—能源—粮食耦合协调特征研究

以甘肃省为研究对象,构建水-能源-粮食(W-E-F)系统的评价指标,运用耦合协调模型对甘肃省2000-2016年W-E-F系统的时空变化特征进行研究。结果表明:甘肃省W-E-F系统的综合评价指数整体呈现显"N"型变化趋势,水资源系统评价指数的发展趋势变化幅度较大,对W-E-F的综合评价指数的贡献最大;甘肃省W-E-F系统耦合度处于0. 21～0. 32,变化波动幅度较小且基本上保持平稳状态,处于低水平耦合阶段和颉颃阶段,耦合协调度处于0. 27～0. 42,其耦合协调类型大多为失调衰退型,耦合度和耦合协调度存在区域差异;不同因素在不同区域对W-E-F系统影响的方向和程度不同,其中常住人口、人均耕地面积、有效灌溉面积与W-E-F协调度的变化是同向,城镇化与W-E-F协调度变化既有正向又有负向的影响,而地区GDP对W-E-F系统的影响最不显著。     

黑龙江省水-能源-粮食系统动力学模拟

基于系统动力学理论,建立黑龙江省水-能源-粮食纽带关系仿真模型,对2010—2017年黑龙江省水资源的供需情况和能源、粮食的生产与消费进行模拟。通过设置和对比4种不同的发展方案,探究黑龙江省水-能源-粮食合理的配置方案。结果表明:黑龙江省的水资源安全形势较为严峻,在4种发展方案中,采取严格规划方案的正面效果最显著;强化发展方案下的能源消耗最明显,无论采取哪种发展方案,如果不对能源消费量加以控制,全省的能源安全可能无法保证;黑龙江省的粮食安全比较稳定,不易受外部条件的影响,保守节约方案下的粮食库存和粮食供需平衡比最大;仅采取一种发展方案可能无法实现水-能源-粮食系统的整体安全。     

广东省新型城镇化质量与水资源安全耦合分析

为促进新型城镇化进程质量的提升和保障水资源安全,从城镇化人口、空间、经济、社会和水资源环境、压力、发展等方面入手构建评价指标体系,并运用协调度模型,对2008～2016年广东省城镇化质量和水资源安全耦合阶段及综合发展水平进行评价,且分类探讨了各区域存在的差异。研究结果表明:(1)广东省新型城镇化质量与水资源安全属高水平耦合阶段,基本与中国南方区域性规模的空间分异规律相似;(2)广东省地级市新型城镇化质量与水资源安全耦合度均在0.940～0.999之间,说明新型城镇化质量在快速提高,但水资源安全指数仍存在空间差异;(3)区域耦合度大小为珠三角粤东粤西粤北,证明不同区域处于城镇化发展的不同阶段,对水资源安全的影响结果不同,且其影响并未改变整体城镇化发展质量。     

Water security and the pursuit of food,energy, and earth systems resilience

ABSTRACT

This article addresses the emergence and interrelation of food, energy, and water security in terms of resource use and the ensuing societal and environmental outcomes. For decades, food security and energy security have been well-accepted, operational concepts. Water security is the latest entrant, yet the implications of water insecurity for food, energy and earth systems resilience have not been adequately considered. This article examines how and why this is so – particularly with growing water scarcity and insecurity that may compete with energy and food security – and emphasizes the critical need to link water-energy-food nexus approaches to earth systems resilience.     

供需双侧调控下水稻灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化研究

对于水资源主要消耗用户和粮食重要生产基地的大型灌区,进行供需双侧调控是缓解灌区水资源供需矛盾、提高区域高质量可持续发展的重要途径之一。为了揭示灌区水-能源-粮食复杂的协调关系,针对性地开展系统优化调控。首先基于系统评价理论构建大型灌区水-能源-粮食系统耦合协调度评价模型,再基于灌区水资源系统模拟模型,以灌区水-能源-粮食耦合协调度最大为目标,以灌区主要作物水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限制供水比例作为优化调控变量,结合加速遗传算法,开展基于水资源供需双侧优化调控的灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化调控研究。杭埠河灌区应用结果显示:优化调控确定的灌区水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限供比例,相较于灌区运行现状能提高水-能源-粮食系统耦合协调水平,双季稻种植面积一定程度恢复使粮食产量明显提高,优化的水库旱限水位及水稻需水关键期水库限供比例,可在提升灌区干旱年份水资源利用效率的同时,较好地降低粮食作物因旱减产损失。可见,开展灌区供需双侧优化调控能显著提高灌区水-能源-粮食系统耦合协调性和适配性,可为提高水资源利用效率、布局主要粮食作物生产以及落实灌区水利高质量发展实施途径提供参考。