黄河中游地区水-能-粮-碳纽带关系模拟与韧性调控

摘 要：

水资源、能源、粮食和碳排放等对区域发展水平和生态环境质量有重要影响，其相互作用构成了复杂的纽带关系，对于区域绿色协调发展至关重要。以黄河中游地区为研究对象，采用系统动力学来探索水-能-粮-碳的关联模式，根据1999—2019年黄河中游地区的水资源、能源、粮食、碳排放现状的基础数据梳理这4个子系统的耦合关系，并对其未来30年的发展变化进行仿真模拟，从抵抗性、恢复性和适应性3个方面构建韧性评价指标体系来评价整个系统。研究结果表明：①在常规发展模式下，预计2050年水资源及粮食不会出现明显的供需缺口，而能源消费缺口会随着社会经济的发展越变越大。②每个情景的3个分数都存在差异，其中多子系统优先发展的情景在抵抗性、适应性及恢复性3个方面的表现均优于其他情景。③情景11的4个子系统都优先发展时及情景10的能源、粮食及社会经济子系统优先发展时，韧性指数从2020—2050年整体是最高的;情景11的碳排放量最低，水资源、能源及粮食供需指数都相对较高，因此情景11为最优发展模式。

关键词：水-能-粮-碳纽带关系;系统动力学模型;韧性调控

中图分类号：TV213；X24 "文献标识码：A """"""文章编号：2096-6792（2024）06-0009-11

Simulation and Resilience Regulation of Water-energy-food-carbon Nexus

in the Middle Reaches of the Yellow River

ZHAO Han1，2， LI Zhanling1， WANG Hongrui2， LIU Yixin2， LI Min1，2

（1.School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences Beijing， Beijing 100083， China;

2.College of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

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Abstract：" Water resources， energy， food， and carbon emissions have significant impacts on regional development levels and ecological environment quality. The interaction between them constitutes a complex nexus， which is crucial for the coordinated green development of the region. Taking the middle reaches of the Yellow River as the research object， system dynamics is adopted to explore the correlation model of water， energy， food and carbon. Based on the basic data of water resources， energy， food， and carbon emissions in the middle reaches of the Yellow River from 1999 to 2019， the coupling relationship between these four subsystems is sorted out. The development and change of the system in the next 30 years are simulated， and the toughness evaluation index system is constructed from three aspects of resistance， resilience and adaptability to evaluate the whole system. The results are as follows. Firstly， under the conventional development model， it is expected that there will not be a significant supply-demand gap in water resources and food by 2050， while the energy consumption gap will become larger with the development of the social economy. Secondly， there are differences in the three scores for each scenario， with the scenario where multiple subsystems are prioritized performing better in terms of resistance， adaptability， and resilience compared to other scenarios. Thirdly， when all four subsystems of scenario 11 are prioritized for development， and when the energy， food， and socio-economic subsystems of scenario 10 are prioritized for development， the overall resilience index is highest from 2020 to 2050. Scenario 11 has the lowest carbon emissions and relatively high water， energy， and food supply and demand indices， making it the optimal development model.

Keywords： water-energy-food-carbon nexus; system dynamics model; resilience regulation

水资源、能源和粮食是支撑人类生存和社会经济发展不可或缺的基础性资源，而碳排放是当下气候变化背景下事关人类生存与国际博弈的热点。水资源、能源、粮食和碳排放之间具有复杂而密切的关联［1-3］。习近平总书记在联合国大会上向世界宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”［4］黄河中游地区水资源利用、能源消耗和温室气体排放位居全国前列，如何协调水资源、能源、粮食、碳排放四者之间的复杂关系是黄河中游地区高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理须迎接的重要挑战［5-6］。

目前，研究水资源、能源、粮食和碳排放四者关系的切入角度有水-能-碳关系、水-能-粮关系、水-能关系、水-碳关系、能-碳关系等。对它们之间复杂关系的确定和关系路径上物质流的核算，主要基于投入产出的足迹分析、生态网络分析、系统动力学、全生命周期视角下的分析及各种模型等［7-14］。系统韧性评估多从系统韧性的框架、模拟、评价等角度出发，在水资源、水环境、经济发展等领域都有一定的研究［15-19］。具体情况见表1和表2。

当前，在水-能-粮-碳领域的研究重点和研究手段有差异，缺乏跨领域的综合研究，且韧性概念本身较为复杂，涉及多个维度和层次。我国也在积极开展相关研究，以期更好地理解水资源、能源、粮食和碳排放之间的相互关系，并在系统韧性评估指标确定、评估方法和模型建立等方面也在积极开展研究。注重研究水-能-碳-粮纽带关系，关乎着经济社会的绿色可持续发展，深入开展水-能-粮-碳系统韧性量化评估与调控策略研究具有重要意义。鉴于此，本研究试图基于系统动力学研究方法来探索水-能-粮-碳的关联模式，并以1999—2020年黄河中游地区的水资源、能源、粮食和碳排放现状研究这4个子系统的纽带关系，并对其未来30年的发展变化进行仿真模拟，开展韧性调控研究。

1 区域概况及研究方法

1.1 黄河中游经济区概况

黄河中游经济区是1989年国家计划委员会划分的全国十大经济区之一，包括山西、陕西、河南、内蒙古等省份。该区地域辽阔、物产丰富、交通发达，是全国重要的农牧业生产基地和能源生产基地。该区矿产资源丰富、品种齐全。黄河中游降水量略多于上游，且中游地区增加的水量占黄河水量的42.5%;流域整体碳排放量较大，1999—2020年碳排放量基本呈增加趋势但增幅逐渐减小［20］。

1.2 数据来源

涉及的农业、工业、生活、生态用水量等数据来源于《水资源公报》。能源消费量、生产量数据来源于全国及山西、陕西、河南、内蒙古等省份的《统计年鉴》。碳排放数据来源于CEADs中国碳核算数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 系统动力学

系统动力学（System Dynamics，SD）是用于描述各子系统之间或子系统内部各要素之间互为因果关系的闭合反馈回路的一种数学方法［21-24］。本研究拟采用Vensim软件构建水-能-粮-碳复杂系统演化模型，并验证其可靠性和敏感性。

1.3.2 熵值法

采用熵值法来计算每个指标的权重。每个准则层Bk（k＝1、2、3）有m个待评价样本，每个样本都有n个指标，第i个待评价样本的第j个指标记为xij。

式中：αk为准则层Bk相对于目标层的权重，假设每个准则层对于目标层的权重均相等，则αk=1/3（k=1、2、3）;A的取值范围为0～100，A取值越大，说明系统越安全［25-29］。

韧性被视为系统遭受干扰后恢复或返回原有状态的能力。基于前人的成果，本研究将系统的韧性分为抵抗性、恢复性和适应性3个目标指数，均可基于上述计算过程求得。综合这3个目标指数，可得到韧性指数。

2 模型构建

根据水-能-粮-碳关系（图1），对水资源、能源、粮食、碳排放各子系统因果关系的变量类型进行

划分，加入必要的辅助变量来量化真实系统的逻辑关系，可将社会经济、水资源、能源、粮食和碳排放等子系统相互促进、相互制约的关系绘制成黄河中游地区水-能-粮-碳系统动力学流图。

2.1 水-能-粮-碳纽带关系

2.1.1 系统边界确定

黄河中游地区水-能-粮-碳系统动力学模型设置了5个子系统，分别为社会经济、水资源、能源、粮食、碳排放等子系统。系统空间边界为黄河中游4个省份（河南省、陕西省、山西省、内蒙古自治区）的行政边界。时间边界为1999—2050年，其中，1999—2019年为模型模拟期，2020—2050年为模型预测期，模型的时间步长为1年。

2.1.2 水-能-粮-碳系统流图建立

社会经济子系统主要由人口和经济两部分构成，主要反映人口及经济的变化情况。水资源子系统主要由供水和用水两部分构成，反映黄河中游地区用水供需情况。能源子系统主要由能源生产及消费构成，包括人均生活能源消费量、煤炭生产、三产能源消费量等。碳排放子系统包括整个用水过程的碳排放量、粮食产生的碳排放量、能源消耗过程产生的碳排放量3部分。粮食子系统主要由粮食生产量及消费量构成。各子系统相互交织联系，构建的系统动力学流图如图2所示［30-32］。

2.1.3 模型检验

选取1999—2019年研究区域内人口、用水总量、GDP和能源消费总量的模拟值与实际值进行比较，来验证模型的可靠性和准确性。参考相关研究成果，若模型模拟值和实际值间的误差在20%以内，则认为该模型有效［37］。误差计算公式如下：

θ=X1-X2X2。

（11）

式中：θ为模型误差;X1为模拟值;X2为实际值。经验证，误差均控制在20%以内，表明模型的模拟效果较好，在精度上满足要求，具有很高的可靠性。

将时间步长调节为0.25年、0.5年和1年，并对比3个时间步长下系统中状态变量的模拟值和实际值，结果表明，不同时间步长下各状态变量模拟结果的变化趋势基本一致，说明模型具有较好的稳定性。

2.1.4 情景设计

根据上面常规发展模式下的模型运行结果可知，预计到2050年，水资源及粮食未出现明显的供需缺口。但随着人口和经济的增长，能源需求会不断增加，而能源供应是有限的，必然会产生较大的能源供需缺口。因此，应设置不同发展情景，分析黄河中游地区水-能-粮-碳耦合关系，确定有利于黄河中游经济带可持续发展的最优发展模式。

设置水资源、能源、粮食、社会经济子系统优先发展模式，将上述优先发展模式与常规模式组合起来可设置11种发展情景。并考虑到社会经济发展的不稳定情况，设置一个社会经济滞后发展模式来对比，共设置了12个情景，具体如图3所示。

依据《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》及“三孩生育政策”等文件及相关文献来调整一些参数：社会经济优先发展模式主要调节社会经济子系统内的相关参数，具体为人口、城镇化率、产值比重3个参数;水资源优先发展模式主要调节城镇农村居民人均生活用水、灌溉系数、二产水耗;能源优先发展模式主要调节能源消费量、能源生产占比;粮食优先发展模式主要调节粮食生产量、工业/饲料用粮、口粮。考虑到黄河中游地区的发展状况，各子系统的优先发展模式均以常规发展模式为参考实行上下调节。不同发展模式下参数的具体设置见表3。

2.2 韧性调控模型构建

水-能-粮-碳系统韧性是指系统受到干扰或压力时拥有的一种用以限制脆弱性和促进长期可持续性的能力。其主要表现：在受压力作用的增长阶段和相持阶段，具有抵抗能力;在压力释放阶段，具有适应能力;在受压力后的重组阶段，具有恢复能力［33-34］。在充分理解韧性的内涵以及梳理和分析水-能-粮-碳系统关系因素的基础上，以水-能-粮-碳系统韧性评估为目标，从系统的抵抗能力、适应能力和恢复能力3个方面建立准则，建立了包含“目标层－准测层－指标层”的韧性评估指标体系，用熵权法确定各指标的权重，最后构建韧性指数进行赋分评价分级，详见表4。

3 结果分析

3.1 模型运行结果分析

常规情景下黄河中游地区水资源、能源、粮食、碳排放、经济2020—2050年的预测结果如图4所示。图4（a）和图4（b）为水资源子系统的水资源缺口和供需指数的变化趋势。水资源供需指数是水资源总量与用水总量的比值，当其大于1时，表示能保障充足用水。由图4（a）和图4（b）可知，黄河中游地区水资源量比较充足，能供整个地区使用。图4（c）和图4（d）为能源子系统的能源消费缺口和供需指数变化趋势。能源供需指数是能源生产量与消费量的比值，当其大于1时，地区生产的能源能供整个地区消费。由图4（c）和图4（d）可知，黄河中游地区1999—2043年能源比较充足，能供整个地区使用，2043—2050年能源供需缺口逐渐增大，到2050年能源供需缺口约为2×104万t标准煤。

图4（e）和图4（f）为粮食子系统的粮食缺口和供需指数变化趋势。粮食的供需指数为粮食生产量与粮食消费量的比值，当其大于1时，生产的粮食能供整个地区消费。由图4（e）和图4（f）可知，黄河中游地区粮产丰富，粮食供需除在2005年之前处于失衡状态外，2005之后达到了供需平衡。地区GDP能直接反映区域经济发展程度的高低。如图4（g）所示，到2050年，预计地区GDP能达到1.8×106亿元，一产、二产、三产产值分别能达到1.2×105亿元、7.7×105亿元、8.8×105亿元。由图4（h）可知：碳排放量一直在增加;在2035年前，碳排放量的增速逐渐变慢;2040—2050年，碳排放量的增速有加快的趋势。

3.2 不同情景下运行结果评价

不同情景下黄河中游地区水资源、粮食、能源供需指数及碳排放量在2020—2050年的模拟结果如图5所示。由图5可知，在不同情景下黄河中游地区各供需指数都不同。水资源供需指数在所有情景下都大于1，情景2、5、8下水资源供需指数相对于其他情景下小0.5～1.0。粮食供需指数在所有情景下也都大于1，情景1、3、5、12下粮食供需指数跟常规情景下的大致相同且小于其他情景下的。能源供需指数在情景2、5、7、8、10、11下大于其他情景且都大于1，其他情景下在2035年后都小于1;情景2、11下整体都大于其他情景。碳排放量在不同情景下都有差异，情景2、8、9、10、11下碳排放量小于情景1、3、4和常规情景下的。到2050年，碳排放量最高能接近3 900 Mt，比较低的值为3 500 Mt。

不同情景下黄河中游地区2020—2050年各类评价指数如图6所示。由图6可知：在社会经济滞后发展模式下（情景12），黄河中游地区2050年的适应性、抵抗性、恢复性、韧性都略高于常规情景;相比常规模式下，社会经济优先发展模式下（情景4）能源、粮食、水资源子系统更接近均衡状态，但各指数都是相对较低的。仅单一系统优先发展时，到2050年区域整体适应性、抵抗性、韧性均小于其他情景，说明单一子系统优先发展对区域整体水安全的提高作用有限。当两个或两个以上子系统优先发展时（情景5、6、7、8、9、10、11），到2050年区域整体适应性、抵抗性、韧性指数均大于常规发展情景下的，且情景11下各评价指数均最高。

4 讨论

本文借助SD模型，分析了黄河中游地区水-能-粮-碳的关联模式，并分情景模拟和预测了1999—2050年黄河中游地区水-能-粮-碳的情况。

利用Vensim软件查看原因图，发现水资源系统中用水量增加的原因主要是由于工业增加值也就是二产增加值的增加使得工业用水量变多。水资源量中地表水资源量相对比较丰富。随着经济的发展，工业消费的能源越来越多，但地区能源生产开发是有限的，所以存在一定的缺口，后续的发展需要调整产业结构，坚持节能优先方针，完善能源消费总量管理，强化能耗强度控制，保证可持续发展。黄河中游地理优势显著，农牧业基础较好。粮食产量随着种植技术的提高也逐渐变多。粮食消费量随着消费结构的升级也更加合理，所以能在2010年后达到粮食供需平衡并产生盈余。碳排放的增加主要是能源排放及其他排放中金属矿物利用排放。经济发展的生产活动和社会活动增加，使得年碳排放量快速提高。地区GDP的增加主要是由于二、三产产值的增加，并且三产产值的比重会大于二产产值，说明工业的发展及服务业的增加对黄河中游地区经济发展的影响较大，并且服务业的比重也越来越高。

分情景模拟预测的结果表明，在不同发展情景下，供水量和粮食都能保障整个地区。但能源只在情景2、5、7、8、10、11下所有年份都能达到供需平衡，且在这几个情景下黄河中游地区整体适应性、抵抗性、恢复性指数都大于常规发展情景下的。如果按照常规发展情景及其他几个情景，2035年后黄河中游地区能源供需将失衡。这表明能源绿色优先发展对整个黄河中游地区的发展很重要。能源子系统对碳排放量的影响比较大。结合各情景下的碳排放量发现，当水资源、粮食、能源、社会经济四者共同发展时，到2050年黄河中游地区碳排放量是最小的。结合韧性指数发现，情景12下到2050年黄河中游地区的适应性、抵抗性、恢复性、韧性都略高于常规情景下的。上述表明，当社会经济发展速度较低时整个区域的韧性会较强。并且，当两个或两个以上子系统优先发展时（情景5、6、7、8、9、10、11），到2050年黄河中游地区整体适应性、抵抗性、恢复性指数大于常规发展情景及单个系统优先发展情景时的，说明区域发展不能顾此失彼，协同发展更为重要。

根据整体评价结果可知：黄河中游地区不能一味追求经济发展，虽然较高的社会经济发展水平会促进能源、粮食、水资源子系统均衡，但对系统的抵抗性和恢复性均有不利影响;情景11综合考虑社会经济、水资源、能源和粮食的优先发展模式，为最优发展模式。

5 结论

1）黄河中游地区水资源、能源及粮食的供需指数在不同情景下是基本不相同的，在各要素所在的优先发展模式下对应供需指数是大于其他情景的。此外，在社会经济、水资源、能源和粮食的发展模式为最优发展模式时，子系统指标得到了优化，碳排放量确实可以降到最低。

2）黄河中游地区水-能-粮-碳系统韧性调控评价从适应性、抵抗性、恢复性3个方面展开。2020—2050年，系统适应性分数呈现出逐渐减小的趋势，而抵抗性分数则表现出由少变多、整体逐渐增多的特点，恢复性分数则逐渐增大。值得注意的是，每个情景的3个分数都存在差异，其中多子系统优先发展的情景在适应性、抵抗性、恢复性3个方面的表现均优于其他情景。

3）情景11中4个子系统都优先发展时及情景10除水资源子系统常规发展、其他子系统都优先发展时，黄河中游地区韧性指数在2020—2050年整体都是最高的。并且，情景11的碳排放量最低及3个供需指数都相对较高，因此社会经济、水资源、能源和粮食等子系统优先发展为最优发展模式。

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（编辑：陈海涛）