王 銳, 祝笑笑, 彭艷艷, 趙素霞,2, 肖東洋,2

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 黃河生態(tài)文明與高質(zhì)量發(fā)展研究院, 河南 焦作 454000)

水資源、能源和糧食不僅是人類生存必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ),也是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必要支撐,受全球氣候變化、人口快速增長、生活方式不斷改變以及生態(tài)系統(tǒng)退化等影響,資源有限的供給和不斷增長的需求之間的矛盾在全球范圍內(nèi)日益加劇[1],水資源短缺、糧食供應(yīng)不穩(wěn)定、能源需求旺盛已成為人類社會發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)[2]。因此,實現(xiàn)水—能源—糧食系統(tǒng)協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展是全球各個國家及區(qū)域都亟需解決的重大問題。

對于水資源、能源和糧食問題,多數(shù)研究關(guān)注的重點聚焦于某一項資源或兩兩資源之間的關(guān)系,并已進行了大量長期系統(tǒng)深入的研究和總結(jié),而三者作為整體研究相對滯后[3]。如康紹忠、張建云、孫才志等分別從定性和定量的角度分析水—糧食、能源—糧食、水—能源等兩兩資源之間的關(guān)系[4-7],這對厘清兩資源之間關(guān)系,為相應(yīng)部門內(nèi)部優(yōu)化資源配置方案提供了理論基礎(chǔ),但單一資源或者兩兩資源整合的研究成果尚不足以支撐區(qū)域可持續(xù)發(fā)展決策方案的制定和執(zhí)行,甚至?xí)a(chǎn)生決策失誤的可能[8]。因此,將水、能源和糧食作為系統(tǒng)紐帶進行整體研究顯得尤為重要。

目前,許多學(xué)者們將關(guān)注點聚焦在水—能源—糧食的供需安全以及耦合協(xié)調(diào)發(fā)展領(lǐng)域,在全國[9-11]、省級[12-14]和市級等[15-17]不同行政尺度下對其時空分異特征和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展過程進行研究。黃河流域是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和能源富集區(qū),也是一個復(fù)雜的、耦合的社會—經(jīng)濟—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng),在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。黃河流域水資源開發(fā)利用率已達到80%,遠超一般流域40%生態(tài)警戒線[18],水資源短缺已成為制約能源和糧食發(fā)展的關(guān)鍵因素。為了滿足日益增長的水、能源和糧食需求而對水資源過度開發(fā)利用可能會威脅到高產(chǎn)而脆弱的流域生態(tài)系統(tǒng),劉華軍[19]、關(guān)偉[20]、高甜[21]等從單一資源或者兩兩資源進行了研究,而將黃河流域水資源、能源和糧食作為整體的系統(tǒng)研究[22-24]仍需加強。因此,從水資源約束和生態(tài)脆弱性的角度考慮,科學(xué)探究黃河流域W-E-F系統(tǒng)內(nèi)部耦合協(xié)調(diào)關(guān)系和安全狀況,對于促進流域資源可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

以黃河流域九省(區(qū))為研究區(qū)域,從水資源、能源、糧食子系統(tǒng)中分別選取9個指標(biāo),結(jié)合實際情況構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐腤-E-F系統(tǒng)耦合評價體系,采用CRITIC賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,對流域2000—2020年W-E-F系統(tǒng)進行分析評估,通過耦合協(xié)調(diào)度模型測算其耦合協(xié)調(diào)度,研究地區(qū)W-E-F系統(tǒng)的時空差異及耦合協(xié)調(diào)變化特征,為黃河流域W-E-F系統(tǒng)紐帶的資源管理和可持續(xù)利用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

從行政區(qū)劃角度看,黃河全長5 464 km,流域總面積79.5萬km2,自西向東依次流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省區(qū)(圖1),從自然資源角度看,是我國重要的水資源分布區(qū)、能源開發(fā)重要工業(yè)帶以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟帶。

圖1 黃河流域九省(區(qū))地理位置

2020年,黃河流域九省區(qū)的總?cè)丝诩s4.37億人,占全國總?cè)藬?shù)的31%;地區(qū)生產(chǎn)總值約25.39萬億元,占全國GDP總量的25%,黃河流域為我國經(jīng)濟社會發(fā)展提供了有力的支撐,但同時也潛藏了巨大的生態(tài)風(fēng)險。從水資源方面看,2020年沿黃九省(區(qū))用水總量達到1 258.7億m3,流域內(nèi)人均水資源量不及全國平均水平的1/4,卻需要承擔(dān)該區(qū)域生產(chǎn)、生活和生態(tài)等多種供水需求,空間分布不均勻,表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異性;從能源角度講,黃河流域蘊藏著豐富的煤炭、石油、天然氣等資源,煤炭作為黃河流域傳統(tǒng)化石能源的主體,例如:2020年該區(qū)域煤炭產(chǎn)量約占全國煤炭的80%,因煤礦的開采每年增加的用水量超過100億t[25],不僅會對生態(tài)環(huán)境造成破壞,產(chǎn)生水資源、土地的污染以及礦區(qū)塌陷等生態(tài)損害問題,而且會消耗巨大的水資源;從糧食方面看,黃河流域作為我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū),2020年糧食總產(chǎn)量高達2.39億t,占全國糧食總產(chǎn)量的35.63%,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占用了71%的水資源[26],遠超全國61.5%的平均值,糧食產(chǎn)能的提升存在嚴(yán)重制約。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

水—能源—糧食系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)相互作用而組成的復(fù)合系統(tǒng),且各子系統(tǒng)間存在著密切聯(lián)系。根據(jù)研究區(qū)域的實際情況,遵循指標(biāo)系統(tǒng)性、代表性和數(shù)據(jù)可獲得性的原則,在參考已有研究成果[10,23,27]的基礎(chǔ)上選取27個指標(biāo),構(gòu)建了黃河流域W-E-F系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 黃河流域W-E-F系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系及其權(quán)重Table 1 Comprehensive evaluation index system and its weight for W-E-F system in Yellow River Basin

在綜合評價指標(biāo)體系中,水資源子系統(tǒng)從水量、結(jié)構(gòu)和效益角度考慮,其中可利用水資源量、人均水資源量和產(chǎn)水系數(shù)反映一個地區(qū)的水資源狀況;農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量占比反映各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的用水狀況,生態(tài)用水占比越大,用水結(jié)構(gòu)越利于社會和自然系統(tǒng)和諧;單位GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量作為節(jié)水型社會的核心指標(biāo)之一,能直觀反映黃河流域經(jīng)濟社會發(fā)展的水資源利用效率和效益。能源子系統(tǒng)主要從總量、結(jié)構(gòu)和效益三方面的角度來考慮,能源子系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要是水力發(fā)電量占比和煤炭消費量占比,水力發(fā)電量占比越大,說明該區(qū)域清潔能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大。糧食子系統(tǒng)主要選擇與水資源、能源相關(guān)指標(biāo),糧食作物產(chǎn)量的波動直接影響國民經(jīng)濟發(fā)展,農(nóng)用機械總動力是反映農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展?fàn)顩r的一個重要指標(biāo),有效利用化肥有益于我國糧食安全和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,有效灌溉面積是衡量地區(qū)水利化程度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定程度的重要指標(biāo);人口自然增長率能夠反映人口增長對糧食需求的影響,糧食作物水足跡反映生長單位作物耗水量。

由于選取的指標(biāo)之間可能存在一定程度的關(guān)聯(lián)關(guān)系,在指標(biāo)權(quán)重計算時采用CRITIC賦權(quán)法。該方法是一種基于數(shù)據(jù)波動性的客觀賦權(quán)法,既能反映指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,又解決了指標(biāo)的變異程度問題[28],應(yīng)用極差標(biāo)準(zhǔn)化對原始數(shù)據(jù)量綱處理后,由CRITIC賦權(quán)法得到黃河流域九省區(qū)水資源、能源、糧食子系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重(表1),并基于此計算出3個子系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù),為計算W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度提供依據(jù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》以及各省統(tǒng)計年鑒等;作物水足跡系數(shù)由通過國際水足跡網(wǎng)站(https:∥www.waterfootprint.org/en/)上獲取。

2.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度模型是用來分析兩者及兩者以上系統(tǒng)間相互促進和相互影響的關(guān)系。在構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型之前,首先,計算各子系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù),分析各子系統(tǒng)的發(fā)展情況。其中水資源、能源和糧食子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)分別用Wx,Ey,Fz表示,各子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值依次用Xij,Yij,Zij表示,wi,ei,fi為各子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重,綜合發(fā)展指數(shù)用T表示,α,β,γ代表水資源、能源和糧食子系統(tǒng)的權(quán)重,在設(shè)定水、能源和糧食對社會發(fā)展同等重要[11,22]的情況下,α=β=γ=1/3,具體計算公式如下:

(1)

T=αWx+βEy+γFz

(2)

其次,構(gòu)建W-E-F系統(tǒng)耦合度模型。耦合度用來描述兩個以上的系統(tǒng)或要素之間相互影響的程度,本文涉及3個子系統(tǒng),用耦合度分析3個子系統(tǒng)間相互制約的關(guān)系,用C來表示,其中:C∈[0,1]。C值越大,表明系統(tǒng)之間越協(xié)調(diào),當(dāng)C=1時表明系統(tǒng)之間處于良性耦合狀態(tài)。

(3)

最后,為了更好地表明系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低,在W-E-F系統(tǒng)耦合度的基礎(chǔ)上,引入耦合協(xié)調(diào)度模型[29]全面分析黃河流域W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平。

(4)

式中:D為耦合協(xié)調(diào)度,取值范圍為[0,1],參考已有研究成果[13,17],W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度類型劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 耦合協(xié)調(diào)度類型劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Coupling coordination degree type classification criteria

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法[30],通過計算系統(tǒng)內(nèi)兩個因素變化趨勢的一致性來判斷二者之間的關(guān)聯(lián)程度,確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。本文分別將3個子系統(tǒng)中的指標(biāo)作為影響因素,為了進一步判斷系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度與子系統(tǒng)內(nèi)哪些因素的影響程度更強,哪些因素的影響程度弱,通過確定無量綱化處理后的各序列的關(guān)聯(lián)系數(shù),求取關(guān)聯(lián)度并進行排序,從而來判斷影響因素對系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的影響程度。

進行灰色關(guān)聯(lián)度分析的參考數(shù)列和比較數(shù)列為:

(5)

(6)

式中:x0(k)表示參考數(shù)列;xi(k)為比較數(shù)列;計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)時,{x0(t)}為無量綱化處理后數(shù)列,其子數(shù)列為{xi(t)},當(dāng)t=k時,計算{x0(t)}與{xi(t)}的灰色關(guān)聯(lián)度,具體公式為:

(7)

式中:Δ0i(k)為第k項兩個數(shù)列的絕對差值;Δmax為各項絕對差的最大值;Δmin為各項絕對差的最小值。

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)進一步計算灰色關(guān)聯(lián)度,計算公式為:

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 W-E-F系統(tǒng)綜合發(fā)展水平演變過程

黃河流域W-E-F系統(tǒng)中各子系統(tǒng)2000—2020年的發(fā)展指數(shù)均呈波動上升趨勢(圖2)。其中水資源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)從2000年的0.419 9提高到2020年的0.734 5,年均增長率為4.7%。與其他兩個子系統(tǒng)相比,水資源子系統(tǒng)的發(fā)展過程波動明顯,變化趨勢呈多個“W”型,拐點分別為2002年、2003年、2006年和2015年,主要受大氣環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流和部分年份的洪水影響,降水量的年際差異影響著研究區(qū)水系的波動,尤其是在枯水年和用水較為緊張時期,其供水量不足導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水被擠占[24],進而影響糧食生產(chǎn);能源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)在研究期內(nèi)總體波動幅度不大,由2000年的0.508 1上升至2020年的0.572 5,年均增長率在0.81%左右,能源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)相對較高的省份為山西、內(nèi)蒙古、陜西、青海、四川等;糧食子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)從2000年的0.469 1提高到2020年的0.625 3,年均增長率為1.67%,發(fā)展趨勢可在2016年前后分為較為穩(wěn)定期和上升期,2016年受結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域嚴(yán)重自然災(zāi)害的影響導(dǎo)致糧食總產(chǎn)量減少,與2015年相比,減少0.5%。黃河流域W-E-F系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)從2000年0.465 7提高到2020年的0.644 1,年均增長率為1.85%,總體呈上升趨勢,但在特定拐點會產(chǎn)生較小的波動幅度,這是受到研究期內(nèi)各子系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的影響。由此可見,黃河流域整體系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)隨著3個子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)的變化而變化,共同影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展,表明系統(tǒng)存在內(nèi)部耦合關(guān)聯(lián)。

圖2 黃河流域W-E-F子系統(tǒng)及綜合發(fā)展趨勢

黃河流域2000—2020年W-E-F系統(tǒng)的綜合發(fā)展指數(shù)均值為0.47,參照已有的研究成果[23],在中等發(fā)展水平左右。流域內(nèi)不同地區(qū)子系統(tǒng)發(fā)展水平影響著系統(tǒng)綜合發(fā)展水平。其中水資源子系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù)均值為0.51,發(fā)展指數(shù)最高的省份是青海,青海作為多流域的水源發(fā)源地,水資源量較大而人口較少,人均水資源量位居流域九省區(qū)首位,均大于10 000 m3/人;山東、河南和山西等與流域平均值存在一定差距,山東和河南作為農(nóng)業(yè)大省,大量水資源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),而山西本就水資源匱乏加上煤炭開發(fā)也消耗大量水資源。

糧食子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)均值為0.44,發(fā)展指數(shù)較高的是內(nèi)蒙古、山東、河南和四川,分別為0.53,0.54,0.53,0.54,內(nèi)蒙古人口基數(shù)小,人均糧食產(chǎn)量高,山東和河南糧食產(chǎn)量高且有效灌溉面積大,四川糧食播種面積擴大,糧食單產(chǎn)提高等使其發(fā)展指數(shù)高于流域均值;陜西的發(fā)展指數(shù)均值最低,主要是關(guān)中平原隨著城市化的快速發(fā)展,其耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移,陜北因退耕還林還草政策的實施,其耕地向林地和草地轉(zhuǎn)移[31],二者均導(dǎo)致糧食播種面積的不斷減少。

能源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)均值為0.46,四川、青海、陜西和山西的發(fā)展指數(shù)較高,分別為0.59,0.56,0.51,0.51,四川是我國的“西電東送”的主產(chǎn)力,2020年水力發(fā)電量為3 541.38億kW·h,占全國水力發(fā)電量的26.04%,陜西“氣化陜西”等能源民生工程的實施[22],青海的清潔能源開發(fā)以及山西能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型取得積極進展等促使能源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)較高,而山東的發(fā)展指數(shù)均值最低,能源消費總量激增,且位居九省首位,人均能源消費量也在不斷增大。

綜上所述,與黃河流域系統(tǒng)均值相比,水資源子系統(tǒng)均值較大,能源子系統(tǒng)均值比較接近,糧食子系統(tǒng)均值較差,作為糧食主產(chǎn)區(qū),該區(qū)域在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面需要進一步優(yōu)化。黃河流域W-E-F系統(tǒng)內(nèi)部存在著相互作用關(guān)系,任意子系統(tǒng)的變化均會影響到整個系統(tǒng)的發(fā)展。因此,綜合考慮系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系,才能有效促進W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2 W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度時空分析

根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度模型計算得到2000—2020年黃河流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度動態(tài)變化情況(圖3)。結(jié)果表明,流域W-E-F系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展水平逐步提高,從初級協(xié)調(diào)階段向良好協(xié)調(diào)階段發(fā)展,其耦合協(xié)調(diào)度從0.681 4上升至0.800 4,在2000—2006年呈波動變化,2006—2016年總體上呈緩慢增加趨勢,而2016—2020年則迅速增加。

圖3 黃河流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展趨勢

以2000年、2007年、2014年、2020年為例,通過ArcGIS將黃河流域九省區(qū)W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度空間變化進行可視化(圖4)。2000年,九省區(qū)空間分布差異較為明顯,除寧夏處于勉強協(xié)調(diào)階段和四川處于中級協(xié)調(diào)階段以外,其余各省份均處于初級協(xié)調(diào)階段;2007年,黃河流域上游除四川外均處于初級協(xié)調(diào)階段,中下游地區(qū)的耦合協(xié)調(diào)度仍保持在初級協(xié)調(diào)階段;2014年青海和內(nèi)蒙古的發(fā)展態(tài)勢明顯向好的方向發(fā)展,由2007年的初級協(xié)調(diào)水平發(fā)展到2014年的中級協(xié)調(diào)水平;2020年,寧夏已從勉強協(xié)調(diào)階段上升至初級協(xié)調(diào)階段,陜西和山西接近中級協(xié)調(diào)階段,四川和內(nèi)蒙古有望沖向良好協(xié)調(diào)階段,其余省份均為中級協(xié)調(diào)階段,黃河流域耦合協(xié)調(diào)度由西北向東南呈現(xiàn)出高—低—高的空間變化格局。

圖4 黃河流域九省區(qū)W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度

從整體上來看,黃河流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度區(qū)域差異較為明顯。流域上游的耦合協(xié)調(diào)度從勉強協(xié)調(diào)水平向中級協(xié)調(diào)水平發(fā)展,而中下游的耦合協(xié)調(diào)度從初級協(xié)調(diào)階段發(fā)展為中級協(xié)調(diào)階段?？梢?上游省區(qū)與中下游省區(qū)相比,具有起點低、發(fā)展速度快等特征。這與流域上游地區(qū)水資源豐富、人口密度較低、人均水資源量相對較高,而經(jīng)濟發(fā)展水平相對較弱、水資源開發(fā)利用率相對較低、單位GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量相對較高有關(guān)。從生態(tài)用水方面講,截至2020年底,流域上游生態(tài)用水量達50.8億m3,中下游達到64.1億m3;與2000年相比,上游和中下游生態(tài)用水分別增加了15倍和18倍左右。近些年來,對流域內(nèi)高耗水、高污染和破壞生態(tài)環(huán)境企業(yè)進行了關(guān)停,如督察寧夏石嘴山市整治了化工產(chǎn)業(yè)園違規(guī)取水和污染隱患等問題,青海關(guān)閉了50多家高耗能重污染的化工等企業(yè)等,對于流域整體生態(tài)環(huán)境維護和改善也有著積極作用。因此,必須持續(xù)重視和加強對流域上游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)以進一步增加W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度。

流域中游和部分中上游地區(qū)是煤炭等資源的富集區(qū),改革開放初期,大量煤炭產(chǎn)業(yè)興起緩解了能源短缺的問題,能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,中游地區(qū)能源生產(chǎn)總量較大,工業(yè)化加速推進,以山西、內(nèi)蒙古和陜西為代表的能源大省形成了以傳統(tǒng)能源為主的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟模式。如2020年山西的能源生產(chǎn)和消費比例高達3.58∶1,大量煤炭需要外銷,但結(jié)構(gòu)相對單一的能源經(jīng)濟在支撐該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的同時,也為該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)治理和可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力,使得W-E-F系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、平衡性變得極不穩(wěn)定。隨著綠色發(fā)展模式的施行,煤炭占比降低,水力發(fā)電量占比增高,這說明了傳統(tǒng)的產(chǎn)煤大省不斷提高發(fā)展的“含綠量”,促進煤炭高效集約節(jié)約利用。新興產(chǎn)業(yè)不斷壯大,生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好,同時人們環(huán)保意識的普遍提升,能源資源利用效率和清潔能源供應(yīng)得到了提升,綠色低碳的生活方式成為發(fā)展方向。

流域下游和部分中下游地區(qū)是糧食主產(chǎn)區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大,經(jīng)濟發(fā)展水平較高,糧食作物和果蔬產(chǎn)量高,2020年黃河流域的糧食產(chǎn)量和果蔬產(chǎn)量分別是2000年的1.5倍和1.4倍,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要消耗大量水資源,而且過量施用農(nóng)藥、化肥等在提高糧食產(chǎn)能的同時,也造成了土壤質(zhì)量退化、形成了深層地下水漏斗區(qū)等,引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題;同時,中下游地區(qū)人口較為集聚,隨著生活水平提高,生活用水也不斷增加。由此,生產(chǎn)和生活大量耗水對該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、人們健康生活和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等都面臨著較大的壓力,不利于該地區(qū)W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

將W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度作為被解釋變量,系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)作為解釋變量,利用SPSSAU計算系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度與各因素的關(guān)聯(lián)度并排序(表3)。從關(guān)聯(lián)度值計算結(jié)果看,水資源子系統(tǒng)中各因素總體上對W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的影響最大,均在85%以上,糧食子系統(tǒng)各因素的總體影響程度大于能源子系統(tǒng)。

表3 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度與各子系統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度Table 3 The correlation degree between the system coupling coordination degree and each subsystem index

在水資源子系統(tǒng)中,關(guān)聯(lián)度排名在前三名的分別為農(nóng)業(yè)用水量占比、工業(yè)用水量占比和產(chǎn)水系數(shù)且均在90%以上,其中前兩名均為用水結(jié)構(gòu)占比,黃河流域作為糧食主產(chǎn)區(qū)和能源富集區(qū),在研究期內(nèi),農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水占流域總用水量均值為84%,二者對系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度起著顯著影響,而降水量的多少也明顯影響著系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度。

在能源子系統(tǒng)中,煤炭占比的關(guān)聯(lián)度也超過了90%,大于80%的有3個影響因素,萬元GDP能耗代表著能源利用效率,在使用傳統(tǒng)能源過程中,盡可能地集約節(jié)約利用,提高利用效率,也有利于流域生態(tài)保護。

在糧食子系統(tǒng)中,關(guān)聯(lián)度超過80%的影響因素有5個,其中農(nóng)業(yè)機械動力和化肥負荷對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有積極影響,但長期利用在一定程度上加劇生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。人均糧食產(chǎn)量和人均能源消費量均與人口數(shù)量有密切關(guān)系,而人類對生活品質(zhì)的逐漸提高,對水資源、能源和糧食的需求量也就越大,黃河流域中下游地區(qū)的人口密度較大,相對需要消耗更多的資源,區(qū)域資源供應(yīng)的不協(xié)調(diào),不利于水—能源—糧食系統(tǒng)之間平衡。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1) 通過對W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的影響因素定量分析可知,水資源子系統(tǒng)中各因素與W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度之間的關(guān)聯(lián)度均在0.85以上,也就是說子系統(tǒng)中水資源量大小和水資源利用結(jié)構(gòu)將顯著影響流域W-E-F系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平。當(dāng)前黃河流域水資源仍存在粗放利用且效率不高,生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水供需矛盾等突出問題。以水資源為約束條件,必須對流域水資源進行科學(xué)規(guī)劃,不斷優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)。在農(nóng)業(yè)上要以節(jié)水提效為方向,大力發(fā)展節(jié)水灌溉,建設(shè)節(jié)水生態(tài)型灌區(qū),推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù);在工業(yè)上實施階梯用水、循環(huán)用水等節(jié)水措施,淘汰落后技術(shù),推廣先進工業(yè)節(jié)水技術(shù)。流域各區(qū)域因資源差異造成各省分工定位不同,各地區(qū)需發(fā)揮自身產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢因地制宜,協(xié)同合作,實現(xiàn)區(qū)域資源的合理調(diào)配,從而促進黃河流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2) 通過測算黃河流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度得出,系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度從初級協(xié)調(diào)階段向良好協(xié)調(diào)階段發(fā)展,其總體趨勢與彭俊杰等[32]研究成果相近。但不同的是在研究期內(nèi),彭俊杰分析得出流域上中游是從勉強協(xié)調(diào)發(fā)展為高級協(xié)調(diào),下游是從勉強協(xié)調(diào)發(fā)展為中級協(xié)調(diào),本文研究得出流域上游從勉強協(xié)調(diào)向中級協(xié)調(diào)發(fā)展,中下游從初級協(xié)調(diào)向中級協(xié)調(diào)發(fā)展。從流域方面上看關(guān)于省區(qū)耦合協(xié)調(diào)度的發(fā)展階段存在一定的差異,流域上游的生態(tài)系統(tǒng)本身就比較脆弱,受到人類活動的影響較大。近年來生態(tài)環(huán)境建設(shè)成效明顯,但是水資源供需矛盾、能源效率低、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件薄弱等根本性問題并未完全扭轉(zhuǎn),尤其是水資源的約束容易造成W-E-F系統(tǒng)不平衡,導(dǎo)致其耦合協(xié)調(diào)水平仍偏低。

4.2 結(jié) 論

(1) 2000—2020年黃河流域W-E-F系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)呈上升趨勢,水資源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)年際波動幅度最大;W-E-F系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)和子系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù)均值較低,其中水資源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)青海最高,山西、寧夏較低;能源子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)四川、青海、陜西較高,山東、寧夏較低;糧食子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)內(nèi)蒙古、山東較高,陜西最低。

(2) 2000—2020年流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度在波動中上升,從初級協(xié)調(diào)階段向良好協(xié)調(diào)階段過渡,表明該系統(tǒng)向著良性有序的方向發(fā)展。從空間上看,不同省區(qū)間的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平差異較為明顯,從勉強協(xié)調(diào)階段到中級協(xié)調(diào)階段,整體上可表現(xiàn)為上游地區(qū)>中下游地區(qū)。

(3) 2000—2020年流域W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度與水資源子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度最強,糧食次之,能源最后。根據(jù)關(guān)聯(lián)程度較強的影響因素可知,關(guān)聯(lián)程度較強主要體現(xiàn)在用水結(jié)構(gòu)占比、產(chǎn)水系數(shù)、煤炭占比、萬元GDP能耗、糧食單產(chǎn)、機械動力與化肥負荷等因素上。