鄭 雪，周 浩，張野馳，王 晶

（1.河北省秦皇島水文勘測研究中心，河北 秦皇島 066000；2.燕山大學(xué)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展研究中心，河北 秦皇島 066004）

水、能源和糧食是人類生產(chǎn)生活和社會穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略性支撐要素，也是經(jīng)濟社會長久發(fā)展的必要物質(zhì)條件。全球?qū)τ谒?、能源和糧食的需求仍在上升，然而三者的安全問題正面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，為解決這一問題，2011 年世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《全球風險報告》首次將三者作為一個整體進行研究，并將水-能源-糧食（Water-Energy-Food，W-E-F）系統(tǒng)風險列為未來的三大核心風險群之一[1]。

水、能源、糧食三者既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，既相互制約也相互依存，任何一個要素失衡都會影響到其他2 個要素和整個WEF 系統(tǒng)的發(fā)展，針對要素失衡和WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了綜合性研究。學(xué)者主要采用耦合協(xié)調(diào)度模型[2]、DEA 模型[3]、協(xié)同學(xué)[4]、系統(tǒng)動力學(xué)[5]、水足跡模型等[6]方法從不同層面和視角對WEF 系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)進行評估、分析影響因素等，取得了一系列的成果。如，支彥玲等基于協(xié)同進化理論構(gòu)建協(xié)同評估框架，對我國西北地區(qū)水資源、能源和糧食系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系進行評估[7]；趙勇等基于京津冀地區(qū)水資源管理需求，構(gòu)建了水-能-糧-生協(xié)同調(diào)控模型，通過多情景模擬提出了京津冀協(xié)同調(diào)控方案[8]；鄧鵬等以江蘇省為研究對象，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型對WEF 系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進行評價并預(yù)測未來的變化情況[9]。

上述國內(nèi)外研究雖然從不同角度對WEF 系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展情況進行了研究，但大多以省份、國家層面為主，較少以經(jīng)濟體為研究對象分析系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展水平，因此本文根據(jù)水、能源、糧食相互關(guān)聯(lián)的特點，以京津冀地區(qū)為研究對象，以協(xié)同學(xué)理論為基礎(chǔ)，從水資源系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和糧食系統(tǒng)3個方面選取指標構(gòu)建協(xié)同度評價模型，為保障區(qū)域WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需數(shù)據(jù)來源于2010—2020 年的《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》以及北京、天津和河北三地的統(tǒng)計年鑒、水資源公報、國民經(jīng)濟與社會經(jīng)濟發(fā)展公報等，個別缺失數(shù)據(jù)通過插值法補齊。

1.2 研究方法

1.2.1 協(xié)同理論

協(xié)同理論是由德國物理學(xué)家赫爾曼·哈肯于1971 年提出的，用于研究復(fù)雜系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。WEF 系統(tǒng)包含水資源子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)和糧食子系統(tǒng)，這三者之間互相作用、互相影響，可通過協(xié)同理論來研究各子系統(tǒng)在不同時間和空間條件下的特征和演變規(guī)律。系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的協(xié)調(diào)程度被稱之為協(xié)同度，其大小反映系統(tǒng)的有序程度，是分析子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)的重要指標，本研究的協(xié)同度是指水資源、能源、糧食三大子系統(tǒng)之間的協(xié)同程度。

1.2.2 復(fù)合系統(tǒng)整體協(xié)同度法

WEF 系統(tǒng)由3 個子系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)可表示為：S=f(S1,S2,S3)，系統(tǒng)的協(xié)同度由各子系統(tǒng)的協(xié)同度決定，子系統(tǒng)可由參量S1=(x11,x12,x13,…,x1n)、S2=(x21,x22,x23,…,x2n）、S3=(x31,x32,x33,…,x3n）來表示，若xik為正向指標，則取值越大系統(tǒng)的有序度就越高；反之，若xik為負向指標，則取值越小系統(tǒng)的有序度越高。各子系統(tǒng)的有序度可由下式求得：

式中：μj(xik)∈(0,1)為子系統(tǒng)的協(xié)同有序度，取值越大，則參量xik對系統(tǒng)的有序發(fā)展貢獻越大；αik、βik為系統(tǒng)穩(wěn)定臨界點上序參量的最大值和最小值。

再利用線性加權(quán)法即可求得系統(tǒng)Si的有序度，其計算公式為：

式中：μj(Si)表示子系統(tǒng)的有序度，取值越大，則表明子系統(tǒng)內(nèi)各參量對子系統(tǒng)有序度的貢獻越大；wk為第k個指標的權(quán)重；μj(S1)，μj(S2)，μj(S3)分別表示水資源系統(tǒng)S1、能源系統(tǒng)S2和糧食系統(tǒng)S3的有序度；其余變量含義同上。

現(xiàn)假定系統(tǒng)初始位置時刻為t0，各子系統(tǒng)的有序度為，當系統(tǒng)演進到t1時刻時，子系統(tǒng)的有序度為，將P定義為系統(tǒng)的協(xié)同度，則有：

式中：P∈[-1,1]，其值越大，表示系統(tǒng)的協(xié)同能力越強，反之越弱。

2 WEF系統(tǒng)協(xié)同度評價模型

2.1 評價指標選取

WEF 系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)乎經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境，不僅需要考慮各指標的關(guān)聯(lián)性，還需要考慮系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)作用?？紤]到水資源、能源和糧食3 個子系統(tǒng)既相互關(guān)聯(lián)又各自獨立，本文從水資源、能源、糧食3 個層面根據(jù)頻度分析法確定了2 層共25個指標。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為消除序參量之間的量綱差異，統(tǒng)一數(shù)據(jù)的變化范圍，本文采取歸一化處理法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

對于正向指標，其計算公式為：

對于負向指標，其計算公式為：

式中：yik表示標準化后的數(shù)值；xik表示初始數(shù)值；xkmax和xkmin表示第k個指標的最大值和最小值。正向指標表示值越大對系統(tǒng)越好的指標，負向指標表示值越小對系統(tǒng)越好的指標。

再利用熵值法計算指標權(quán)重，指標的權(quán)重越大，代表在協(xié)同度評價模型中所起的作用越大。

2.2.1 信息熵計算

評價指標的信息熵Ek可表示為：

2.2.2 權(quán)重計算

第k個指標權(quán)重wk的計算公式為：

經(jīng)計算，各指標的權(quán)重結(jié)果詳見表1。

表1 WEF系統(tǒng)綜合安全評價指標及其權(quán)重

3 WEF系統(tǒng)協(xié)同度評價實證分析

3.1 京津冀地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度

2010—2020 年，京津冀地區(qū)水資源系統(tǒng)的有序度整體上處于上升狀態(tài)，大致可以分為2個階段：①2010—2014 年，這一階段有序度基本上低于0.5，由于京津冀地區(qū)屬于嚴重缺水地區(qū)，并且用水量大、廢水排放量高，使得有序度較低；②2015—2020 年，這一階段有序度基本處于0.5～0.6，由于京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的推進和南水北調(diào)工程的全面建成通水，在一定程度上緩解了京津冀地區(qū)的水源緊缺問題，水資源系統(tǒng)有序度得到了提高，但人口基數(shù)大，用水對外省依賴度高，因此有效度不高。

北京、天津和河北三地中，北京和天津的水資源系統(tǒng)有序度低于河北，這是因為北京和天津的人均水資源量低于河北，而人均用水量卻比河北高，因此整體上要低于河北。三地水資源系統(tǒng)有序度不高主要受限于水資源不足，水資源已成為制約三地發(fā)展的瓶頸。京津冀及各地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度，詳見表2。

表2 京津冀及各地區(qū)水資源系統(tǒng)有序度

3.2 京津冀地區(qū)能源系統(tǒng)有序度

京津冀及各地區(qū)的能源系統(tǒng)有序度整體上偏低，且無明顯變化規(guī)律。從京津冀地區(qū)整體上來看，自2015年開始能源系統(tǒng)有序度均大于0.5，高于2010—2014年這一時間段，根據(jù)序參量的權(quán)重可知，人均能源生產(chǎn)量、能源自給率和清潔能源發(fā)電占比對能源系統(tǒng)有序度的影響較大，自節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展等政策實施以來，清潔能源的使用迎來了一波高峰，能源自給率和清潔能源發(fā)電占比的提高使得系統(tǒng)的有序度得到了提高。從各地區(qū)來看，天津的有序度要高于北京和河北，這是由于天津的人均能源消耗量低于后兩者，而人均能源產(chǎn)量和能源自給率高于兩者。京津冀及各地區(qū)能源系統(tǒng)有序度，詳見表3。

表3 京津冀及各地區(qū)能源系統(tǒng)有序度

3.3 京津冀糧食系統(tǒng)有序度

京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度整體上呈現(xiàn)上升趨勢，根據(jù)序參量的權(quán)重可知，居民恩格爾系數(shù)、作物受災(zāi)率和單位播種面積動力投入這3個指標對糧食系統(tǒng)有序度影響較大，近些年來，隨著居民收入不斷提高，恩格爾系數(shù)開始降低，并且隨著農(nóng)業(yè)機械化的普及，有序度得到了明顯的提高。從各地區(qū)來看，河北的糧食系統(tǒng)有序度幾乎一直高于北京和天津，河北作為農(nóng)業(yè)大省，人均糧食產(chǎn)量遠高于后兩者，為周邊省市提供了糧食保障。京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度，詳見表4。

表4 京津冀及各地區(qū)糧食系統(tǒng)有序度

3.4 WEF系統(tǒng)協(xié)同度

依據(jù)式（4）計算WEF系統(tǒng)的協(xié)同度，京津冀各地的WEF 系統(tǒng)協(xié)同程度存在一定差距，從整體上看各地WEF系統(tǒng)協(xié)同度表現(xiàn)為上升趨勢，如圖1所示。

圖1 京津冀及各地區(qū)WEF系統(tǒng)協(xié)同度水平

從圖1 可以看出，各地WEF 系統(tǒng)協(xié)同度變化可分為2個階段：第一階段為2011—2016年，這一階段各地協(xié)同度變化無規(guī)律，有增有減，處于較低的狀態(tài)，表明這一時期京津冀各地WEF 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展情況較差。第二階段為2017—2020 年，這一階段各地的WEF 系統(tǒng)協(xié)同度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，各要素得到了有效協(xié)同并且逐年提高，其中北京的增幅最大、增速最快，天津的增幅最小、增速最慢。

京津冀地區(qū)的WEF 系統(tǒng)協(xié)同度高低與北京、天津和河北三地的協(xié)同度高低息息相關(guān)，任一地區(qū)的協(xié)同度低下都導(dǎo)致整個京津冀地區(qū)的協(xié)同度處于較低的水平，只有京津冀三地協(xié)同發(fā)展，增強WEF系統(tǒng)上的合作與交流，才能推動WEF系統(tǒng)協(xié)同快速發(fā)展。

4 結(jié)論

根據(jù)協(xié)同理論構(gòu)建區(qū)域WEF系統(tǒng)協(xié)同度評價模型，基于京津冀地區(qū)2010—2020 年的相關(guān)數(shù)據(jù)，對京津冀及各地區(qū)水資源、能源、糧食系統(tǒng)的有序度和WEF系統(tǒng)的協(xié)同度進行定量評估，主要結(jié)論如下。

（1）京津冀地區(qū)WEF 系統(tǒng)的有序度和協(xié)同度整體上呈上升趨勢，其中水資源和能源系統(tǒng)有序度變化可以劃分成2 個階段：2010—2014 年這一階段有序度較低，幾乎都低于0.5；2015—2020 年這一階段有序度高于前一階段，均高于0.5。京津冀地區(qū)WEF系統(tǒng)協(xié)同度自2017年開始變化明顯，上升速度較快，增幅較大，整體協(xié)同水平得到進一步提高。

（2）在京津冀三地的水資源、能源、糧食系統(tǒng)中，河北的水資源和糧食系統(tǒng)的有序度高于天津和北京，這主要與人均擁有量高而人均消耗量較低有關(guān)；而天津的能源系統(tǒng)的有序度高于河北和北京，這主要與人均產(chǎn)量和自給率較高有關(guān)。