区域水-能源-粮食耦合系统协同研究/城市基础设施韧性研究系列丛书

水、能源和粮食是人类生存和发展的核心资源，其安全关乎人类社会、地区经济和生态环境的可持续发展。由于三种资源在生产、消费和废弃物处理过程中的复杂关系，任何单一资源的开发、治理和保护均不可避免地与另外两种资源的变化相关联，单一部门的风险应对策略往往造成资源危机在三种资源间转移，形成“以邻为壑”的资源治理困境。实践中，从全局视野集成“水-能源-粮食”耦合系统，以减少冲突、增进协同，进而转变纯粹追求单一部门效率的资源治理理念、提升资源关联治理意识、确保三种资源共同安全，已成为全球共识。在此背景下，本研究选择“水-能源-粮食耦合系统协同演化规律的刻画与测度”核心命题，将水-能源-粮食耦合系统视为黑箱，沿着“解构黑箱→重构黑箱→调控黑箱”的思路，聚焦要素间的张力、子系统间的目标、跨部门的治理三个层面的协同，从关联视角和系统视角，由表及里、由因至果地讨论区域水-能源-粮食耦合系统协同演化规律，为推动区域水-能源-粮食协同发展提供对策建议。 首先，本书系统梳理了水-能源-粮食研究脉络，发现水资源集成治理实践是关联视角的研究起点，城市新陈代谢理论的提出是系统视角的研究起点；认为水-能源-粮食研究的演进历程为“单资源集成治理→双资源耦合治理→多资源综合治理”，水-能源-粮食三种核心资源综合治理的独有特征是具有动态变化的多中心网络结构和复杂互反馈关系，且不同地区、不同时段的水-能源-粮食耦合系统的多中心网络结构和复杂互反馈关系具有显著差异性，应具体问题具体分析。本书将水-能源-粮食耦合系统放置于人与自然互动的大背景下，构建以“人类活动-自然环境”为背景的区域水-能源-粮食耦合系统解释性框架，从核心关联、外围关联和互动关联三个层次界定区域水-能源-粮食体系。基于此，借助过程系统工程的思想，以单一资源为核心，沿着资源流，从关联视角耦合另外两种资源，系统阐释单一资源在生产、消费和废弃物处理过程中与另外两种资源的共演化机制和机理，完成水-能源-粮食耦合系统的“解构”；立足以单一资源为核心的“解构”结果，聚焦三种资源的供给与消费，从系统视角，集成区域水-能源-粮食的供给端与消费端，完成水-能源-粮食耦合系统的“重构”，为研究区域水-能源-粮食耦合系统、剖析地区资源供需失衡风险提供了完整架构。 其次，解构黑箱，旨在从关联视角评价水-能源-粮食耦合系统要素间的张力协同，即系统要素相互影响的强度和方向。本部分基于以单一资源为核心的“解构”结果，用方程组的形式刻画水-能源-粮食耦合系统结构。具体而言，将各子系统核心要素作为自变量、各个子系统序参量（水资源消费量、能源消费量和粮食产量）作为因变量，构建各子系统结构方程，以及区域水-能源-粮食耦合系统的联立方程组。运用2005-2016年我国30个省级行政区的面板数据，拟合联立方程模型中自变量和因变量的参数矩阵，定量分析水-能源-粮食耦合系统结构。结果显示，耦合系统要素间的关联强度不一致，水-粮食关联强度较高，比如有效灌溉面积、农作物播种面积分别是水和粮食子系统序参量的核心影响要素，影响强度分别为1.0426和1.149；能源子系统受社会经济因素的影响更显著，比如能源子系统序参量的核心影响要素是二产占比和总人口，影响强度分别为0.6986和0.5815。因此，在耦合系统的多中心网络结构中，虽然水、能源和粮食常被同时提及，但是在治理实践中，三种资源的地位仍然是不平等的，不仅是因为系统内部要素间关联强度不一致，还受外部差异化潜在风险源的影响，包括资源禀赋差异、经济社会发展水平不均衡等。 再次，重构黑箱，旨在从系统视角测度水-能源-粮食耦合系统的目标协同，即水-能源-粮食协同发展水平（协同度）。本部分基于投入产出的思想，认为耦合系统协同度与投入产出效率正相关，系统协同度越高则其投入产出效率越高。选用三阶段DEA方法，剔除外部差异化潜在风险源的影响，将所有决策单元面临的差异化外部环境调整为相同的外部环境，以获得水-能源-粮食的“真实”协同发展水平。具体而言，以子系统序参量和废弃物排放量为投入指标、人均GDP为产出指标，运用2005-2016年我国30个省级行政区的面板数据，测算决策单元水-能源-粮食综合协同度；在第二阶段运用随机前沿分析模型剔除外部环境要素（二产占比、城镇化率、污水处理能力）和随机误差的影响；将调整后的投入产出指标在第三阶段测算决策单元“真实”协同度。结果显示，决策单元的综合和“真实”协同发展水平均获得稳步提升，意味着当前的单一资源治理政策仍可促进耦合系统协同发展。在调整后的“真实”协同度中，实现最优效率值（DEA效率值为1）的决策单元个数显著减少，大部分决策单元的排名均上升，表明外部环境影响要素和随机误差显著影响决策单元协同度评价结果。其中，城镇化和产业结构调整的影响最大，为此，可作为促进水-能源-粮食耦合系统协同发展的核心调控要素。 第四，调控黑箱，旨在分析地区社会、经济、环境、资源子系统要素对水-能源-粮食耦合系统“真实”协同度的影响规律（作用路径与决策拐点），提出促进区域水-能源-粮食协同发展的对策建议。本部分运用“散点图+趋势线”演变图谱的形式，刻画地区社会、经济、环境、资源子系统10个核心要素对水-能源-粮食耦合系统“真实”协同度的影响路径和决策拐点，总结驱动要素的影响规律。结果显示，城镇化率、建成区面积、地区生产总值、城市绿地面积、城市供水总量、火力发电量六大驱动要素存在显著的拐点效应，拐点值分别为：80%、230万hm2、4万亿元、10万hm?、25亿m3、2600亿kWh；常住人口规模、二产占比、污水日处理能力、一产占比四大驱动要素不存在显著的拐点效应。为此，基于协同发展目标设立（安全、效率和公平三大目标）和政府调控工具梳理（管制类、市场类、社会类、合作类、新型政府工具），本部分提出以序参量为核心、协同度为标尺、驱动要素决策拐点为界限的调控理念，认为通过“维持规模总量、优化产业结构、保护生态系统”的策略将有助于促进区域水-能源-粮食耦合系统协同发展。 最后，总结前述理论与实证分析的结论、待深入完善之处，并从认知、测度和治理三个层面指出未来水-能源-粮食耦合系统研究有待进一步探讨的议题。本书的创新之处在于构建了水-能源-粮食耦合系统的立体式解释框架，运用方程组的形式刻画并剖析了水-能源-粮食耦合系统结构，完善了黑箱视角下的水-能源-粮食协同度测度，拟合了驱动要素的决策拐点。

第1章 绪论 第2章 区域水-能源-粮食耦合系统及其协同发展的内涵界定与研究述评 第3章 区域水-能源-粮食耦合系统协同机理分析 第4章 区域水-能源-粮食耦合系统要素相互影响评价 第5章 区域水-能源-粮食耦合系统协同度测度 第6章 区域水-能源-粮食协同发展对策建议 第7章 结论与展望 附录Ⅰ 各决策单元投入指标的冗余值 附录Ⅱ R语言编程代码 参考文献 后记