京津冀水-能源-粮食耦合系统安全评价.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:李溦()女博士研究生主要从事水资源管理研究:.通信作者:姜珊()女高级工程师博士主要从事水资源管理研究:.京津冀水 能源 粮食耦合系统安全评价李 溦姜 珊赵 勇王璐琪何 凡李海红朱永楠何国华(.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京.北京林业大学水土保持学院北京)摘要: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 方面选取 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 年京津冀水 能源 粮食耦合系统安全水平并基于 函数计算联合风险概率 结果表明: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.河北最低仅为.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.不均衡发展会影响整体水 能源 粮食耦合系统安全关键词:水 能源 粮食耦合系统 函数可靠性协同性韧性京津冀地区中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):.:水、能源、粮食三者间相互关联、制约与依存是影响经济增长和社会稳定的重要因素 现阶段单资源管理方式存在潜在风险开展多系统研究有利于加强部门间的协同合作、支撑水 能源 粮食耦合系统安全发展 受人口增长、经济发展、城镇化水平提高、饮食结构变化等影响预计到 年全球对水、能源和粮食的需求将分别增长、和 水资源短缺与能源、粮食需求不断增长之间矛盾突出 京津冀地区作为首都经济圈是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳人口最多的地区之一却也是我国水资源最为短缺、能源、粮食压力较大的地区之一 因此科学评估水 能源 粮食耦合系统安全状态识别影响区域安全的主要障碍因子是保障京津冀地区水 能源 粮食可持续发展、减少风险发生的关键目前相关研究多集中在传统的水资源、能源、粮食准则层属于单资源研究范畴未能体现水能源 粮食多系统间的耦合协同内涵及机理分析较少针对系统内部及外部环境产生的互馈耦合协同风险开展研究且不能反映水 能源 粮食耦合系统内部及外部的可靠性、协同性及韧性水平 基于此本文以单系统间的可靠性、两两系统间的协同性和三系统间的韧性为核心构建指标体系旨在打破系统间的藩篱开展水 能源 粮食耦合系统间的集成研究 为科学评价 年京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全状况探讨影响研究区耦合系统安全的主要障碍因素将 函数与耦合风险评价分析相结合计算研究区单指标的边缘分布函数以及二维、三维联合分布函数研判水 能源 粮食耦合系统安全联合风险概率提出京津冀地区水 能源 粮食协同管理相关建议以期为京津冀城市群优化资源配置、提高资源利用效率提供参考 研究区概况与数据来源.研究区概况京津冀地区是我国“水 能源 粮食”纽带关系表现最显著、联合风险最突出的区域之一以不到全国的水资源匹配了.的灌溉面积和.的发电量占据了全国 的能源消耗总量、.的粮食消耗总量承载了全国 的人口和.的经济量 多年平均水资源开发率为 远超过国际公认的海河、辽河地区的水资源开发利用率合理值()水资源短缺已经成为制约区域粮食、能源可持续发展的关键要素在很大程度上影响着首都安全和京津冀地区的协同发展 图 为京津冀地区土地利用类型分布.数据来源研究时段为 年经济社会数据源于中国统计年鉴中国城市统计年鉴北京统计年鉴天津统计年鉴河北统计年鉴水资源和用水数据主要来源于历年水资源公报中国水利统计年鉴能源数据主要来源于历年中国能源统计年鉴农业农村数据主要来源于历年中国农村统计年鉴等 为便于开展京津冀地区整体分析京津冀整体数据采用 个区域平均值图 京津冀地区土地利用类型分布.研究方法.水 能源 粮食耦合系统的内涵水、能源、粮食各子系统耦合起来形成复杂巨系统水 能源 粮食系统既受内部供需不稳定影响又受外部环境经济社会发展状况、生产水平、发展政策等变化影响 因此安全的水 能源 粮食系统是指在一定区域环境容量内各子系统内部尽可能保证数量充足、质量安全、满足需求在社会生产过程中尽可能优化水 能源 粮食间的资源配置从而提升水 能、水 粮、粮 能之间的协同效率水平同时通过社会、经济、政策调控最大限度地提高水 能源粮食抗风险能力增强水 能源 粮食对外部环境的适应能力最终使三者之间相协调形成相对安全、风险较低的系统依据水 能源 粮食耦合系统的内涵主要涉及可靠性、协同性和韧性 方面的评价 可靠性指数表征各子系统内部耦合安全状态主要从各子系统内部资源数量、质量、供需水平等角度开展评价各子系统可靠性指数越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全协同性指数表征两个子系统间的耦合安全状态由于水 能源、水 粮食和能源 粮食间既存在着竞争关系又存在着合作关系因此可以从两个子系统间转化效率和影响程度等角度进行评价协同水平越高资源配置和利用效率越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全韧性指数表征系统外部耦合安全状态即抗风险能力可选择水 能源 粮食系统面对外界压力、风险、环境等冲击扰动时的抵抗风险能力相关指标抗风险能力越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全.耦合系统评价.评价指标体系构建在遵循客观性、综合性、科学性、实用性、可量化等原则的基础上参考已有研究遴选具有典型性、代表性的评价指标 结合水 能源 粮食耦合系统的内涵及京津冀地区的特点选出较为全面且能够反映京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全特点的 个指标构建的评价指标体系如图 所示(图中“正”表示正向指标“负”表示逆向指标括号中数据为指标权重)水 能源粮食耦合系统安全评价指标体系可靠性(.)水资源子系统人均水资源量(正.)人均用水量(负.)供水综合生产能力(正.)水资源开发利用率(负.)粮食子系统人均耕面积(正.)人均粮食消费(负.)人均粮食产量(正.)灌溉面积占比(正.)能源子系统人均能源产量(正.)人均能源消费(负.)煤炭占比(负.)能源消费弹性系数(负.)协同性(.)水 能效率地下水供水占比(负.)能源系统用水占比(负.)水 粮效率亩均用水量(负.)农业用水占比(负.)单位粮食生产用水量(正.)粮 能效率亩均农用机械总动力(正.)第一产业能源消费占比(负.)韧性(.)经济韧性人均 (正.)增长率(正.)城镇恩格尔系数(负.)农业总产值占比(负.)社会韧性城镇化率(正.)受灾面积(负.)单位 能耗(负.)万元 用水量(负.)环境韧性城市污水率(正.)二氧化硫排放量(负.)二氧化碳排放量(负.)废水中 排放量(负.)图 水 能源 粮食耦合系统安全评价指标体系.评价方法采用单指标量化 多指标综合 多准则集成的方法进行评价评价步骤如下:指标量化对原始数据进行无量纲化处理根据行业规划指标或标准、规划资料、相关研究成果等综合确定评价指标的特征节点值如表 所示对于指标 根据特征节点值计算其水 能源 粮食耦合系统安全指数 正向指标计算公式为式()逆向指标计算公式为式()综合指数计算 根据准则层所含因素 对应的无量纲化指数采用加权方法综合得到准则层所含因素 的水 能源 粮食耦合安全指数计算公式见式().().()()其中 式中:为指标 的无量纲化指数、分别为指标 的最差值、较差值、及格值、较优值、最优值 为指标 的值 、分别为水 能源 粮食耦合安全指数、可靠性指数、协同性指数和韧性指数值、为各准则层权重、为可靠性、协同性和韧性准则层中各指标权重本文采用熵权法确定权重、为可靠性、协同性和韧性准则层中各指标标准化 表 水 能源 粮食耦合系统安全评价特征节点值 特征节点值/(万/)/最差值较差值.及格值.较优值.最优值.特征节点值/(/)/万元/最差值.较差值.及格值.较优值.最优值.特征节点值/万/万 最差值.较差值.及格值.较优值.最优值.后的数据、分别为可靠性、协同性和韧性准则层中指标个数.等级划分水 能源 粮食耦合系统安全指数值分布区间为 参考相关学者研究成果以.为步长进行分类划分共划分为 个等级:.)为极不安全、.)为不安全、.)为临界安全、.)为较安全、.为非常安全.障碍因子诊断为识别影响水 能源 粮食耦合系统安全的重要因素本文运用障碍度模型进行障碍因子诊断计算公式为 ()式中:为第 个评价指标的因子贡献度 为第 年第 个指标的指标偏离度 为第 年第 个评价指标的障碍度.函数水、能源、粮食是非独立的三维随机变量利用 函数反映变量之间的相关性确定最优拟合函数的步骤如下:构建可靠性指数、协同性指数和韧性指数的单变量边缘分布函数确定最优拟合函数并计算概率构建可靠性 协同性、协同性 韧性、可靠性 韧性、可靠性 协同性 韧性的二维及三维联合分布函数确定最优拟合函数并计算概率.水 能源 粮食单变量边缘分布采用常见的、和 等 函数计算单变量边缘分布概率利用极大似然法估算参数各函数计算公式如表 所示 通过拟合优度检验来判断一组数据是否服从以上某种分布常用的拟合优度检验方法有 ()图 法 和()检验法其中 检验结果较为精准本文采用 检验确定最优的边缘分布函数表 种常见的 函数 函数公式参数()()(/)为比例参数 为形状参数()()(/)为形状参数 为尺度参数()()()()/为对数均值 为对数标准差()()/为对数均值 为对数标准差.水 能源 粮食多变量联合分布多变量联合分布函数常采用 分布族较多用于水资源评价主要包括、等 函数二维和三维计算公式如表 表 种常见的 函数 函数二维和三维计算公式参数取值()()()/()()()()/()()/()()/()()()()()()()()()所示 本文采用、法进行模型检验、值越小则 联合分布函数的拟合程度越高 结果与分析.耦合系统安全评价结果.时空演变特征分析图 为 年京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全指数 可见研究期间该指数在各区域均呈上升趋势区域之间存在明显差异北京水能源 粮食耦合系统安全水平始终处于区域领先安全指数多年平均值为.年后均超过.处于临界安全状态 年后超过.处于较安全状态天津安全指数多年平均值为.略低于北京同样 年后均超过.年后达到.京津冀地区安全指数多年平均值为.整体水平低于北京、天津河北水 能源 粮食耦合系统安全水平持续偏低 年安全指数均低于 年后高于.但直到 年仍低于 处于临界安全状态 因此从京津冀地区整体来看河北是京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全的短板图 年京津冀水 能源 粮食耦合系统安全指数.权重计算结果见图 准则层要素权重由大到小为 韧 性(.)、可 靠 性(.)、协 同 性(.)可见韧性、可靠性对水 能源 粮食耦合系统安全影响较大 由准则层评价结果(图)可见 ()可靠性()协同性()韧性图 年京津冀水 能源 粮食耦合系统准则层评价结果.在可靠性方面由于京津冀地区资源禀赋条件较差各地区差别不大 年可靠性指数均位于.之间远低于其他准则层表明京津冀地区存在资源压力较大的问题 在协同性方面较可靠性整体有了较大提升协同性指数基本处于.之间处于较安全水平区域间差距明显表现为京津冀整体最优至 年协同性指数接近 但河北、北京协同指数较低低于.在韧性方面各地区呈现出显著差异具体表现为河北最差多年平均韧性指数为.京津冀整体为.、天津为.、北京最优为.尤其是北京韧性指数在 年后超过.达到非常安全水平该结果符合近年来北京构建韧性城市的愿景.障碍度分析图 为 年京津冀地区障碍度分析结果 由图 可见北京、天津、河北各地区水 能源 粮食耦合系统安全指数障碍因子中可靠性因子和韧性因子累积占比均较高分别达 和 协同性因子累积占比为 表明可靠性和韧性中存在较多指标影响水 能源 粮食耦合系统安全 影响水 能源 粮食耦合系统安全指数的因子在时间序列上发生了明显变化水资源开发利用率()、农业总产值占比()、受灾面积()、万元 用水量()、城市污水处理率()等在 年对水 能源 粮食耦合系统安全障碍度较大指标远超过特征节点值的最差值表明随着经济社会发展 这些指标逐渐变好 以河北万元 用水量指标为例随着京津冀地区对水资源的重视逐步提高水资源利用效率使得该指标障碍度逐渐减小由 年的.降至 年的.降幅非常大 人均水资源量()、人均耕地面积()、人均能源消费量()、地下水供水占比()、增长率()、二氧化碳排放量()、废水中 排放量()等指标在 年后障碍度呈现增大趋势是未来影响水 能源 粮食耦合系统安全的关键此外北京还应注意水资源开发利用率()、人均粮食产量()、人均能源产量()等指标天津应关注人均水资源量()、人均耕地面积()指标河北应重点关注能源消费弹性系数()、地下水供水占比().函数概率计算结果.单变量边缘分布函数模型确定应 用 极 大 似 然 估 计()法 评 价、等单变量边缘分布函数的统计特性包括一致性、有效性和不变性 当 检验的显 ()京津冀 ()北京()天津 ()河北图 年京津冀地区障碍度分析结果.著性水平 .、且对应的 值均大于.时说明假设成立 结果表明各地区适合的单变量 函数有所不同对于京津冀整体而言可靠性、协同性、韧性分别表现为、函数拟合最优对于北京而言可靠性、协同性均表现为 函数拟合最优韧性表现为 函数拟合最优对于天津而言可靠性、协同性均表现为 函数拟合最优韧性表现为 函数拟合最优对于河北而言可靠性、协同性、韧性均表现为 函数拟合最优.多变量联合分布函数模型确定多变量联合分布参数及拟合检验计算结果显示各地区的最优拟合函数有所不同 对于京津冀整体而言二维可靠性 协同性和二维可靠性 韧性表现为 函数拟合最优二维协同性 韧性和三维可靠性 协同性 韧性则表现为、函数拟合最优对于北京而言二维可靠性 协同性和三维可靠性 协同性 韧性则表现为 函数拟合最优而二维协同性 韧性和二维可靠性 韧性分别表现为、函数拟合最优对于天津和河北而言二维和三维联合分布均表现为 函数拟合最优.水 能源 粮食耦合系统安全风险概率.二维联合风险概率计算京津冀地区多维联合分布达到较安全水平(.)的概率结果见表 从京津冀整体来看可靠性 协同性、可靠性 韧性二维联合概率达到较安全水平的概率较低分别仅为.、.受京津冀协同性和韧性整体水平较高影响协同性 韧性二维联合概率达到较安全水平的概率较高为.北京市受韧性水平较高影响协同性 韧性二维联合 概率达到较安全水平的概率较高为.可靠性协同性和可靠性 韧性二维联合概率达到较安全水平的概率分别为.、.天津市受区域协同性、韧性水平稳步上升影响协同性 韧性、可靠性 韧性二维联合概率达到较安全水平的概率相对较高可达.、.可靠性 协同性达到较安全水平的概率较低仅为.河北的二维联合概率达到较安全水平的概率最低除协同性表现稍好外可靠性和韧性水平均表现较差 选取京津冀协同性 韧性、北京协同性 韧性、天津协同性 韧性和河北可靠性 协同性 种情况绘制等值线图结果见图 可见可靠性 协同性、协同性韧性和可靠性 韧性二维联合分布概率值变化趋势大致相同均表现为随着一个值的增大另一个值减小表 多维联合分布概率计算结果 地区二维可靠性协同性二维协同性韧性二维可靠性韧性三维可靠性协同性韧性京津冀.北京.天津.河北.()京津冀协同性 韧性 ()北京协同性 韧性()天津协同性 韧性 ()河北可靠性 协同性图 各地区二维联合分布概率等值线.三维联合风险概率图 为各地区可靠性 协同性 韧性三维联合分 ()京津冀 ()北京()天津 ()河北图 各地区可靠性 协同性 韧性三维联合分布概率.布概率图中坐标轴分别代表了可靠性、协同性和韧性发生联合风险的概率显示了各子系统对联合风险的耦合效应 可以看出在可靠性、协同性和韧性 个维度上均呈现联合概率会随着子系统概率的增加而增加 当可靠性、协同性和韧性 个子系统概率均达到.可认为可靠性 协同性 韧性三维联合分布概率达到较安全水平 不同地区最优 拟合函数不同对应的联合风险概率也略有不同京津冀地区可靠性 协同性 韧性三维联合分布达到较安全水平的概率最大为.北京、天津、河北三维联合分布达到较安全水平的概率分别为.、.、.表明区域可靠性、协同性和韧性三者之间需协同合作、相互促进如果发展不均衡或者是整体水平较低会阻碍三者耦合系统安全 讨论与建议从京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全评价的障碍因子来看可靠性及韧性部分指标是京津冀地区需关注的重点主要为人均水资源量、人均耕地面积、人均能源消费量、地下水供水占比、二氧化碳排放量、废水中 排放量这表明水资源及能源问题仍是京津冀地区较为突出的障碍因子 为确保京津冀地区的水资源保障能力应坚持南水北调工程通水逐步恢复健康地下水 并进一步提升用水水平和用水效率保障社会合理用水需求严格限制废水中 排放量使得水资源能够支撑水 能源粮食及生态环境功能 同时能源方面应坚持落实“双碳”目标基于各城市功能定位细化落实区域碳减排目标实行差异化减排政策并注重加强京津冀间节能减排合作同时加大节能宣传增强公众节能意识减少能源需求京津冀可靠性 协同性 韧性三维联合分布达到较安全水平的概率为.表明整体水平较低会阻碍耦合系统安全河北是京津冀水 能源 粮食耦合系统安全的明显短板协同性、韧性水平均处于区域最差状态韧性指数最差仅为北京的/从协同性方面提出建议作为全国水资源供需矛盾较为尖锐的地区之一应坚持加大非常规水利用尤其是微咸水、海水淡化等方面提高工业重复水利用率并基于地下水超采目标严格控制灌溉面积和高耗水作物种植面积继续推广普及节水农业综合配套技术持续提升农业水资源、能源利用效率以促进农业效率全面提升 从韧性方面提出建议一直以来河北产业结构以重化工业为主钢铁、化工、建材等高能耗高污染项目占比过大存在能源结构不合理问题优化和调整产业结构有利于缓解资源和环境压力 同时利用河北地理优势逐步加大可再生能源生产提高清洁能源使用比例发展绿色低碳产业抓好节能降碳改造 河北是京津冀韧性短板但也是发展潜力所在缩小河北与京津之间的差距有助于推进京津冀水 能源 粮食整体耦合安全进而实现京津冀协同发展 结 论.京津冀地区整体 年水 能源 粮食耦合系统安全指数呈现整体上升趋势区域间存在明显差异北京始终处于领先水平多年平均安全指数为.天津略低于北京京津冀整体次之天津多年平均安全指数为.河北安全水平偏低多年平均指数为.年安全指数最优值仍低于.处于临界安全状态.从准则层来看各地区间可靠性无明显差异指数整体水平较低数值为.协同性和韧性指数呈现明显的差异数值分别为.、.障碍因子主要分布在可靠性和韧性准则层累积占比分别达 和 协同性仅占 未来京津冀水 能源 粮食耦合系统安全应重点关注人均水资源量、人均耕地面积、人均能源消费量、地下水供水占比、二氧化碳排放量、废水中 排放量等指标.各地区水 能源 粮食耦合安全二维联合分布概率结果较大的为京津冀协同性 韧性、北京协同性韧性、天津协同性 韧性达到较安全水平的概率分别为.、.、.河北协同性 韧性联合分布概率达到较安全水平的概率仅为.可靠性协同性 韧性三维联合分布达到较安全水平的概率京津冀最大为.河北最低仅为.表明区域可靠性、协同性和韧性三者之间需协同合作、相互促进将有利于水 能源 粮食耦合系统安全参考文献:.:.:.():.:.():.赵勇翟家齐.京津冀水资源安全保障技术研发集成与示范应用.中国环境管理 ():.(.():()张洪芬曾静静曲建升等.资源高强度流动区水、能源和粮食耦合协调发展研究:以京津冀地区为例.中国农村水利水电():.(.:.():.()李玲慧何国华赵勇等.京津冀“水 食物”系统风险评估及变化规律/.水资源保护.:/./?.(.“”/.:/./?.()汪中华田宇薇.我国水 能源 粮食耦合关系及影响因素.南水北调与水利科技(中英文)():.(.():.().():.:.:.王红瑞赵伟静邓彩云等.水 能源 粮食纽带关系若干问题解析.自然资源学报 ():.(.():.()孙才志 郝帅 赵良仕.中国水资源 能源 粮食纽带系统效率时空分异特征.水资源保护 ():.(.():.()赵良仕刘思佳孙才志.黄河流域水 能源 粮食安全系统的耦合协调发展研究.水资源保护 ():.(.():.()白景锋张海军.中国水 能源 粮食压力时空变动及驱动力分析.地理科学 ():.(.():.()李红芳王会肖赵茹欣等.基于 函数的水 能源 粮食共生安全风险概率.农业工程学报():.(.():.()王雨王会肖杨雅雪等.水 能源 粮食纽带关系定量研究方法综述.南水北调与水利科技(中英文)():.(.():.()贾绍凤柳文华.水资源开发利用率 阈值溯源与思考 .水 资 源 保 护():.(.():.().:.:.:.孙才志孟程程.中国区域水资源系统韧性与效率的发展协调关系评价.地理科学():.(.():.()支彦玲陈军飞王慧敏等.共生视角下中国区域“水能源 粮食”复合系统适配性评估.中国人口资源与环境():.(.():.()赵勇常奂宇桑学锋等.京津冀水资源 粮食 能源 生态协同调控研究:应用.水利学报():.(.:.():.()左其亭.和谐论:理论方法应用.北京:科学出版社.:.:.孙才志吴永杰刘文新.基于熵权 法的大连市水贫困评价及障碍因子分析.水资源保护():.(.():.()张永欢薛晔徐美玲等.京津冀城市韧性动态预测及时空演进研究.管理现代化():.(.():.()王富强应卓晖吕素冰等.京津冀地区水 经济 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