黄河流域“水—能源—粮食”流通及压力变化特征分析.pdf

2023.11韩梦雨1，2（1.河海大学商学院，江苏 南京 211100；2.山东水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013）揖摘要铱 黄河流域水资源、能源和粮食问题非常突出，探究“水能源粮食”资源的空间错配给黄河流域可持续发展带来的压力和挑战，可以为流域高质量发展及国家区域协调战略提供科学依据。文章基于多区域投入产出模型，计算 2015 年和 2017 年黄河流域 9 省（区）的虚拟水、虚拟能源及虚拟粮食流通量，并在此基础上构建了水、能源、粮食以及“水能源粮食”系统压力指数用以分析黄河流域水资源、能源、粮食的流通情况、压力水平及其变化特征。结果表明：黄河流域虚拟水在 2015 年和 2017 年均呈现净流入状态，虚拟能源和虚拟粮食则表现为净流出状态，虚拟能源与虚拟粮食的流通格局与该地区资源分布不协调。黄河流域 9 省（区）的水资源压力呈现逐渐下降的趋势，能源、粮食以及“水能源粮食”系统压力呈上升趋势。2015 年与 2017 年黄河流域的资源压力分布格局基本一致，下游地区的压力仍高于中上游地区。揖关键词铱 黄河流域；“水能源粮食”系统；压力指数揖中图分类号铱 F127揖文献标志码铱 A揖文章编号铱 1009-6159渊2023冤-11-0014-04黄河流域作为我国北方重要的经济走廊，在经济社会发展和生态安全方面扮演着至关重要的角色1。当前，在黄河流域高质量协调发展进程中仍存在资源供求不匹配的问题，尤其是地区日益增长的资源需求与匮乏的水资源之间的矛盾尤为突出2。国家高度重视黄河流域的协同发展，2021 年 10 月，中共中央、国务院联合发布了 黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要，该规划纲要明确指出，黄河流域水资源是最大的刚性约束因素；同时强调了巩固能源与粮食安全的重要性。黄河流域也是我国重要的能源区和粮食主产区，拥有广阔的土地、丰富的能源和矿产资源，水资源短缺已成为制约流域可持续发展的主要因素。因此，深入研究黄河流域水资源、能源和粮食之间的相互关系具有重要意义，通过合理调配和优化资源配置以实现黄河流域的可持续发展。1研究现状国内学者对“水能源粮食”的相关研究可以归纳为以下几个方面：一是关于水资源、能源、粮食三者相互关系与反馈机制的研究。彭俊杰3指出黄河流域水资源、能源、粮食资源要素空间分布不均；水资源短缺问题与保障能源与粮食安全之间的矛盾日益突出，这导致了“水能源粮食”之间的关系更加复杂化。二是评估流域或行政区域的“水能源粮食”压力及资源安全。张中浩等4以长三角城市群为例，构建WEF 系统压力指数，揭示了 19902018 年期间长三角城市群 2010 年后，WEF 系统压力显著上升，其中水资源压力保持相对稳定、粮食压力大幅增加、能源压力有所下降。三是关于 WEF 系统仿真模拟方面的研究。王慧敏等5以山东省为例，开展了“水能源粮食”纽带关系下区域绿色发展政策的仿真研究，指出山东省可以通过调整农业种植结构和推动生物质能源的发展来减少农业面源污染和能源开采对水体的污染。目前，黄河流域资源系统的研究主要集中在水资源评估与管理方面，还没有足够的研究关注到流域资源系统压力的评估。因此，该研究通过构建水资源、能源、粮食系统以及“水能源粮食”综合系统压力指数，详细分析了黄河流域 9省（区）所面临的压力情况。同时，通过深入探讨黄河流域各省份在水资源、能源及粮食资源配置收稿日期：2023-09-27作者简介：韩梦雨（2000），女，研究生在读山东水利14窑窑2023.11方面的现状，为实现黄河流域的高质量发展提供参考。圆研究方法与数据来源经济学家 Leontief 最早提出了投入产出分析方法6，该方法用于研究经济系统中各部门在投入和产出方面的相互依赖关系。分析黄河流域 9省（区）的虚拟资源流动关系，需要突破单区域投入产出模型的限制，建立多区域投入产出模型，并在此基础上引入黄河流域各部门的资源消耗量，建立资源拓展型多区域投入产出模型。资源消耗系数是一个重要的生产指标，在投入产出表中引入水资源 W、能源 E、粮食 F 的消耗量，用于衡量生产过程中单位产品消耗的资源量。其公式为：砸越宰/E/F=r/X（1）式中：宰/E/F 为单位产品或服务消耗的资源量，r 为水资源、能源、粮食的直接消费量；X 为行业的总产出。圆.2.1水资源压力指数水资源压力指数（WSI）是用水量与水资源总量的比值，该指数用于衡量人类生产、生活用水对地区水资源压力的影响。计算公式如下：WSI=Wu/Wt（2）式中：Wu为直接用水量；Wt为地区水资源总量。参考洪思扬等7研究成果，构建假定水资源压力指数（WSI*），该指数表示向研究区外其他地区流出的虚拟水是由该地自身使用的情况下，该地区的水资源压力。计算公式如下：WSI*=（Wu+Wnet，in）/Wt=（Wu+Win-Wout）/Wt（3）式中：Wnet，in为虚拟水净流出量，Win、Wout分别为虚拟水流入量、流出量。当 WSI-WSI*跃0 时，说明当地水资源压力得到缓解。圆.2.2能源压力指数能源压力指数是能源消费量与能源储备量的比值，反映了能源间的供需关系。能源储备量可以准确反映一个地区的能源状况，但由于获取难度较高，因此研究区域能源资源状况通常使用一次能源生产量来表示。计算公式如下：耘SI=Eu/EP（4）式中：Eu为能源消费量；EP为地区一次能源生产量。构建假定能源压力指数（耘SI*），耘SI*的计算公式如下：耘SI*=（Eu+Enet，in）/EP=（Eu+Ein-Eout）/EP（5）式中：Enet，in为虚拟能源净流出量；Ein、Eout为别为虚拟能源的流入量、流出量。公式（5）和公式（4）之差 Enet，in/EP表示虚拟能源流动对研究区域能源压力的影响。当 耘SI原耘SI*跃0，说明当地能源压力得到缓解。圆.2.3粮食压力指数粮食压力指数是粮食生产量与粮食消费量的比值，用于评估本地粮食消费所带来的压力。计算公式如下：FSI越Fu/FP（6）式中：Fu为本地粮食消费量；FP为粮食生产量。虚拟粮食贸易影响着粮食压力指数，故构建假定的粮食压力指数 FSI*，计算公式如下：FSI*=（Fu+Fnet，in）/FP=（Fu+Fin-Fout）/FP（7）式中：Fnet，in为虚拟粮食净流出量；Fin、Fout分别为虚拟粮食流入量、流出量。公式（7）和公式（6）之差 Fnet，in/FP表示虚拟粮食流动对研究区域粮食压力的影响。当 FSI原FSI*跃0 时，说明当地粮食压力得到缓解。圆.2.4WEF压力指数构建为反映“水能源粮食”系统的压力，构建WEF系统压力指数（WEF原SI）。由于三者之间存在相互依赖和非线性相互作用关系，所以采用几何平均值来表示 WEF系统的压力。WEF原SI越（WSI伊耘SI伊FSI）1/3（8）假定的 WEF 系统压力指数为 WEF原SI*，计算公式如下：WEF原SI*=（WSI*伊耘SI*伊FSI*）1/3（9）公式（8）和公式（9）之差表示虚拟资源流通对缓解当地 WEF 系统压力的贡献。当 WEF原SI*约WEF原SI 时，说明虚拟资源的流入缓解了当地WEF系统的压力。基于中国碳排放数据库（CEAD）获取了韩梦雨：黄河流域“水能源粮食”流通及压力变化特征分析15窑窑2023.112015 年和 2017 年中国多区域投入产出表，水资源数据来自 中国水资源公报；能源生产及消费数据取自 中国能源统计年鉴 及黄河流域 9 省（区）相应年份的统计年鉴；粮食方面的数据，主要从 中国农垦年鉴 和 中国统计年鉴 中获得。猿资源流动计算结果根据多区域投入产出模型计算，得出黄河流域 2015 年与 2017 年的虚拟水资源流动量。2015年，内蒙古、甘肃和宁夏地区的虚拟水呈现出净流入状态，其中内蒙古地区的虚拟水净流入量最多，占虚拟水净流入量的 57%，主要来源地为山东和河南；甘肃地区虚拟水净流入量居于第二，为 21.26 亿 m3；山东向黄河流域外地区输出了81.33 亿 m3的虚拟水。2017 年，山西省的虚拟水净流入量最多，达到了 54.81 亿 m3，主要来源地为内蒙古与河南。内蒙古、甘肃、青海地区呈现虚拟水的净流出，3 个地区大部分虚拟水都是流入到黄河流域内的区域。根据投入产出表计算得出黄河流域 2015 年与 2017 年的虚拟能源流动量。2015 年，河南和陕西是虚拟能源净流入地区，分别流入 196.81 万 tce和 556.28 万 tce；其余地区整体呈现虚拟能源净流出状态，其中内蒙古、山西和山东占虚拟能源净流出量的 74%。2017 年，黄河流域的虚拟能源流动中，河南、四川、陕西和宁夏地区是净流入地区，虚拟能源流入量的 94%来自黄河流域。其他地区的虚拟能源呈净流出状态，其中内蒙古的虚拟能源净流出量最大，达到了 7 707.08 万 tce，约77%流向了黄河流域以外的地区。2015 年黄河流域虚拟粮食贸易中，河南、内蒙古、四川和甘肃地区是主要的净输出区。河南省虚拟粮食净流出量最多，其中有 311.35 万 t 流向了黄河流域以外，占净流出量的 85%。其余地区为虚拟粮食净流入地区，其中山东最多，为192.21 万 t。2017 年黄河流域中内蒙古、河南和四川虚拟粮呈现净流出状态，其中河南的虚拟粮食净流出量最大为 117.73 万 t；净流量出最小的是四川，为 59.30 万 t，其中大部分流向黄河流域外其他区域。黄河流域资源压力指数计算结果见表 1，由表 1 可知：员）2015 年黄河流域的水资源压力分布不均，其中宁夏的水资源压力最大（7.332），山东省次之（1.070），无法满足本地的用水需求，内蒙古、甘肃和宁夏地区的水资源压力得到缓解。2017 年黄河流域水资源压力仍以宁夏地区最大（3.152），山东省次之（0.928），其余地区水资源压力相对较小；山西、山东、河南、四川、陕西和宁夏地区水资源压力得到缓解。圆）2015 年黄河流域能源压力整体较大，其中以山东最大（2.495），其次是河南（2.062）。大部分省（区）的假定能源压力指数大于实际能源压力指数，虚拟能源的流出加剧地区的能源压力，黄河流域 9 省（区）能源压力缓解的只有河南和陕西。2017 年黄河流域能源压力格局与 2015 年类似，甘肃的能源压力加重最为显著。猿）2015 年黄河流域的粮食压力整体较小，其中青海（1.263）、山东（0.903）、四川（0.843）的压力较为显著。山西、山东、陕西、青海、宁夏地区粮食压力有所缓解，其中山东、山西的缓解效果显著，内蒙古地区的压力加剧幅度最大。2017 年粮食压力仍以青海（1.256）最大，山西、山东以及上游地区的粮食压力有所缓解。源）2015 年黄河流域“水能源粮食”（WEF）系统中，宁夏地区压力最大（1.556），山东省次之（1.341）所有地区的压力均有不同程度的加重。2017 年 WEF 系统压力格局变化不大，宁夏（1.356）和山东（1.332）仍然面临较大的压力。山西、山东、河南、四川、陕西和宁夏地区压力有所缓解，其他地区压力均有不同程度的增加。源结论与讨论文章基于多区域投入产出模型，对黄河流域2015 年和 2017 年的水资源、能源、粮食资源的流动进行核算，并构建 WEF系统压力指数，对黄河流域的压力变化进行研究，通过分析数据和计算结果，得出以下几点结论：1）黄河流域整体资源禀赋较为有限，20152017 年水资源呈现净流入状态，能源和粮食呈现韩梦雨：黄河流域“水能源粮食”流通及压力变化特征分析16窑窑2023.11表 1 黄河流域压力指数计算结果省份WSIWSI*WSI-WSI*ESIESI*ESI-ESI*2015 年2017 年2015 年2017 年2015 年2017 年2015 年2017 年2015 年2017 年2015 年2017 年山西0.6400.5751.1190.154-0.4780.4210.2880.3040.3680.393-0.080-0.089内蒙古0.3010.6070.2600.7620.041-0.1560.2150.3650.3100.506-0.096-0.141山东1.0700.9281.6240.735-0.5540.1942.4952.6782.8282.873-0.333-0.195河南0.6990.5530.9770.434-0.2780.1192.0622.2742.0452.0820.0180.192四川0.0990.1090.1180.102-0.0190.0071.7611.1211.8891.115-0.1270.007陕西0.2250.2070.3700.133-0.1450.0740.2420.2430.2300.2290.0110.014甘肃0.3690.4130.2980.5030.071-0.0901.2931.3151.5411.565-0.248-0.251青海0.0420.0330.0580.035-0.016-0.0021.2221.2711.6011.329-0.379-0.058宁夏7.3323.1526.9953.1500.3360.0020.8951.2981.2671.228-0.3720.070净流出状态。2017 年虚拟水的净流入量较 2015年有所减少，同样，虚拟能源和虚拟粮食的净流出量也有所减少。虚拟资源的流通格局与实际分布不符，具体而言，虚拟资源的流通在较大程度上集中在资源相对较匮乏的黄河下游地区，而上游地区的省（区）资源禀赋相对较好，但流通水平较低。2）黄河流域各省（区）的资源压力总体趋于稳定，仅有水资源压力均呈现下降趋势。2015 年与 2017 年水资源、能源、粮食以及“水能源粮食”系统压力格局基本相同，整体压力分布呈现上游、中游和下游地区逐级递增的格局，表明黄河流域不同地区的经济、社会和环境发展存在明显的差异。3）黄河流域各省（区）应各尽其责，下游地区充分发挥地理和政策优势，上游地区发挥资源优势，加强上下游之间的贸易合作，实现资源的公平分配。这不仅有助于缓解下游地区的资源压力，也能推动上游经济增长，缩小上中下游地区之间的经济差距。参考文献1鲁仕宝，尚毅梓，王浩，等.黄河流域经济带生态环境绩效评估及其提升路径J.水土保持学报，2023，37（4）：235-242，249.2刘建华，黄亮朝，左其亭.黄河下游经济人口资源环境和谐发展水平评估J.资源科学，2021，43（2）：412-422援3彭俊杰.黄河流域“水能源粮食”相互作用关系及其优化路径J.中州学刊，2021（8）：48-54.4张中浩，孙诗萌，高峻.长三角城市群水能源粮食系统压力的演变特征及其影响机制J.自然资源学报，2022，37（6）：1586-1597.5王慧敏，洪俊，刘钢.“水能源粮食”纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究J.中国人口 资源与环境，2019，29（6）：74-84.6LEONTIEF W.Quantitative input and output relations in theeconomic systems of the United States J.The review of eco原nomics and statistics，1936，18（13）：105-125援7洪思扬，王红瑞，梁俊芬，等.京津冀地区水能源利用效率与资源压力核算J.水资源保护，2021，37（5）：102-111.（责任编辑 崔春梅）韩梦雨：黄河流域“水能源粮食”流通及压力变化特征分析内蒙古0.3930.3650.5010.396-0.108-0.0310.2940.4320.3430.535-0.049-0.102山东0.9030.9510.8620.9380.0420.0131.3411.3321.5821.256-0.2410.076河南0.5500.5970.6100.616-0.061-0.0200.9250.9081.0680.823-0.1430.086四川0.8430.9200.8470.937-0.004-0.0170.5270.4820.5730.474-0.0460.009陕西0.7440.7960.6650.7420.0780.0540.3430.3420.3840.283-0.0410.059甘肃0.5340.5520.6390.543-0.1040.0090.6340.6690.6650.753-0.030-0.084青海1.2631.2560.8431.2480.4200.0080.4020.3740.4290.386-0.027-0.012宁夏0.5740.6100.5160.5810.0570.0281.5561.3561.6601.310-0.1050.046省份山西0.6560.7050.6290.6210.0270.0850.4950.4980.6380.335-0.1430.163FSI2015年2017年FSI*FSI-FSI*2015年2017年WEF2015年2017年WEF*2015年2017年WEF-WEF*2015年2017年2015年2017年17窑窑