以水為核心的“水-能-糧-生”關(guān)系研究

以水為核心的“水-能-糧-生”關(guān)系研究

Study on the water-centered Water-Energy-Food-Ecology Nexus

李彬權(quán)2，趙麥換，劉靜，徐晨光

（1.河海大學(xué)流域水循環(huán)與水安全全國重點實驗室，210098，南京；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，210098，南京；3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，450003，鄭州；4.華北水利水電大學(xué)，450046，鄭州）

摘要：水-能源-糧食紐帶關(guān)系各環(huán)節(jié)均會影響到生態(tài)環(huán)境，因此充分考慮生態(tài)環(huán)境保障要求，將水-能源-糧食關(guān)系拓展到水-能源-糧食-生態(tài)關(guān)系進(jìn)行研究很有必要。現(xiàn)有研究主要集中在水-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)大尺度二元紐帶關(guān)系及多維概念分析上，缺乏對多元要素相互作用的剖析及關(guān)鍵過程的物理描述。在總結(jié)水-能源-糧食-生態(tài)關(guān)系相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，探討了水-能源-糧食-生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)定義和發(fā)展歷程，剖析其內(nèi)涵及構(gòu)成要素；以水資源流為核心，初步搭建了資源流-生態(tài)要素“核心關(guān)聯(lián)”及自然社會因子“外部關(guān)聯(lián)”的水-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)研究方法框架，提出融合流域水量水質(zhì)-作物生長-能源足跡-生態(tài)效應(yīng)耦合模擬的物理機理模型構(gòu)建方法，為水-能源-糧食-生態(tài)協(xié)同調(diào)控提供相對科學(xué)合理的研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水-能-糧-生；資源流；生態(tài)環(huán)境；定量分析；物理機理模型

作者簡介：李彬權(quán)，副教授，主要從事水文水資源研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目“黃河流域水-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)競合關(guān)系與演化風(fēng)險研究”（42471049）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.09.002

引言

氣候變化、快速城鎮(zhèn)化、人口增長等現(xiàn)實因素引發(fā)水、能源、糧食等資源時空供需矛盾加劇，水-能源-糧食（Water-Energy-Food，WEF）三者之間存在著復(fù)雜競爭與互饋關(guān)系，傳統(tǒng)以供給側(cè)開發(fā)為主導(dǎo)的資源管理模式無法確保水資源可持續(xù)利用。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、“未來地球計劃”（FE）、歐盟委員會聯(lián)合研究中心（JRC）及美國國家科學(xué)基金會（NSF）等國際組織機構(gòu)持續(xù)資助WEF可持續(xù)發(fā)展研究，助推WEF成為國際學(xué)界、政治與經(jīng)濟界的關(guān)注焦點。

水資源開發(fā)利用、能源生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)都與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，近年一些學(xué)者提出將生態(tài)環(huán)境納入WEF紐帶關(guān)系，即“水-能-糧-生”（Water-Energy-Food-Ecology，WEFE）協(xié)同調(diào)控。目前關(guān)于WEFE的研究還處于探索階段，系統(tǒng)、完善的理論方法體系尚未形成，相關(guān)研究多數(shù)是對紐帶關(guān)系概念的詮釋以及宏觀層面的資源供需平衡分析，對多元資源要素交互作用的關(guān)鍵過程描述不足，缺乏基于系統(tǒng)性機理模型的WEFE競合關(guān)系解析與風(fēng)險評估，無法有效支撐WEFE協(xié)同安全保障科學(xué)決策。

本文以理論和方法研究為主導(dǎo)，通過歸納總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)WEF和WEFE的相關(guān)研究，深入剖析WEFE本質(zhì)，闡述WEFE復(fù)雜系統(tǒng)定義，揭示其內(nèi)涵及構(gòu)成要素，以水資源為核心搭建WEFE研究方法框架，為WEFE協(xié)同調(diào)控提供相對科學(xué)合理的研究依據(jù)。

“水-能-糧-生”系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵

1.WEF的概念與發(fā)展歷程

1983年，聯(lián)合國大學(xué)（UNU）發(fā)起探索糧食和能源之間重要聯(lián)系的“糧食-能源紐帶關(guān)系計劃”，并于次年在巴西舉行了“糧食、能源與生態(tài)系統(tǒng)”會議。美國是最早開展WEF耦合系統(tǒng)相關(guān)研究的國家之一，20世紀(jì)80年代中期的研究重點主要集中在美國西部水資源與電力之間的相互關(guān)系上。20世紀(jì)90年代，世界銀行開始使用“紐帶關(guān)系（nexus）”一詞描述水、糧食和貿(mào)易三者之間的關(guān)系。20世紀(jì)90年代中后期至21世紀(jì)初，美國哥倫比亞大學(xué)水中心對印度的水、能源、農(nóng)業(yè)三者之間的關(guān)系進(jìn)行了重點研究。在“虛擬水”和“水足跡”概念提出后，紐帶關(guān)系概念得到進(jìn)一步深入研究，眾多學(xué)者認(rèn)識到有必要將能源作為與水、糧食聯(lián)系中的第三支柱。2011年德國波恩召開的“水-能源-糧食安全紐帶關(guān)系會議”正式將水、能源、糧食三者關(guān)聯(lián)性確定為紐帶關(guān)系，突出“綠色經(jīng)濟”概念。此后，一些國家政府和社會相繼啟動WEF紐帶關(guān)系研究，德國建立水、能源和糧食安全紐帶關(guān)系資源平臺，并于2012年建立聯(lián)合國大學(xué)物質(zhì)通量與資源綜合管理研究所（UNU-FLORES），開展水、廢物和土壤環(huán)境資源綜合管理等方面研究。

紐帶關(guān)系的概念并無定論，對其理解取決于不同地區(qū)或部門（如水利、能源和農(nóng)業(yè)）對資源的需求目標(biāo)。2014年FAO將WEF Nexus定義為“水-能源-糧食紐帶關(guān)系已成為描述和解決全球資源系統(tǒng)復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)性質(zhì)的概念；它能夠平衡不同資源用戶的目標(biāo)和利益，同時能夠保持生態(tài)系統(tǒng)的完整性”。20世紀(jì)90年代提出的以水資源為中心的“水-糧食-貿(mào)易紐帶關(guān)系”在某種程度上與虛擬水概念相似，不僅著眼于水資源本身，還聚焦于嵌入農(nóng)產(chǎn)品中的虛擬形態(tài)水資源的流動過程。虛擬水和水足跡能評估產(chǎn)品或服務(wù)的水資源耗用過程，水足跡側(cè)重于生產(chǎn)角度，虛擬水側(cè)重于貿(mào)易角度。在水資源領(lǐng)域，通過強調(diào)水資源綜合管理在WEF紐帶關(guān)系中的核心地位，可以提升資源利用效率并促進(jìn)不同部門間的合作。

2.WEFE的提出及其內(nèi)涵

水資源的開發(fā)利用、能源生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)都直接影響到生態(tài)環(huán)境。例如水庫是水資源開發(fā)利用的重要形式，是水-糧食關(guān)系（水庫供水灌溉）和水-能源關(guān)系（水力發(fā)電）的重要媒介。水力發(fā)電不僅能夠提供可再生能源，還可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。但在某些流域，水庫建設(shè)很可能會付出較大的社會和環(huán)境代價。水庫建設(shè)改變了河流系統(tǒng)的自然流態(tài)及其連通性，破壞了生物和沉積物的運動，而與水庫運行相關(guān)的蓄水過程可能會改變地貌并破壞生態(tài)系統(tǒng)。同時，在某些淡水魚種類豐富的流域，河流開發(fā)可能會破壞魚類的生境，影響當(dāng)?shù)鼐用竦聂~類食物來源以及部分珍稀魚類物種的生態(tài)系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會對水環(huán)境產(chǎn)生影響，化肥施用量的增加在提高糧食產(chǎn)量的同時也會造成水質(zhì)持續(xù)惡化，該問題在20世紀(jì)80—90年代的美國和歐洲國家以及當(dāng)前的中國等經(jīng)濟快速發(fā)展的發(fā)展中國家較為普遍。針對WEFE關(guān)系問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了探索研究，提出了基于風(fēng)險管控的研究框架，但是對生態(tài)系統(tǒng)與WEF之間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的整體研究較少，僅部分研究關(guān)注了單獨要素與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)問題。

我國自“八五”計劃以來就啟動過多項聚焦水、能源和糧食之間關(guān)系的研究項目；國家能源部門從“十二五”開始立項資助“水資源約束對能源開發(fā)利用的影響研究”方面的研究項目。但是，WEF紐帶關(guān)系在我國仍處于探索階段，受不同行業(yè)部門壁壘所限，現(xiàn)有研究大多聚焦于水-能源、水-糧食和能源-糧食二元關(guān)系研究層面，關(guān)于WEFE關(guān)系的研究則很少。國家自然科學(xué)基金委員會于2015年啟動了“西南河流源區(qū)徑流變化和適應(yīng)性利用”重大研究計劃，西南河流源區(qū)供水-發(fā)電-環(huán)境多目標(biāo)互饋關(guān)系是該計劃的重點研究內(nèi)容；2017年，國家自然科學(xué)基金委員會與美國國家科學(xué)基金會啟動“食品、能源、水”系統(tǒng)關(guān)聯(lián)合作網(wǎng)絡(luò)項目。通過這些專項研究計劃，WEFE關(guān)系研究取得重要進(jìn)展。下表列出了2020年以來國家自然科學(xué)基金委員會資助的與WEFE相關(guān)的研究項目清單，可以看出越來越多研究關(guān)注WEF與生態(tài)（環(huán)境）、碳、土等子系統(tǒng)的關(guān)系，并應(yīng)用于水庫群調(diào)度、水資源優(yōu)化配置等場景。此外，國家重點研發(fā)計劃相關(guān)專項也資助過類似的研究項目，如“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“‘水-能源-糧食’協(xié)同安全保障關(guān)鍵技術(shù)”，該項目系統(tǒng)開展了WEF理論方法、關(guān)鍵技術(shù)與戰(zhàn)略支撐等三個層面的研究工作，創(chuàng)建了全國WEF協(xié)同安全保障框架。

2020年以來國家自然科學(xué)基金委員會資助的與WEFE相關(guān)的研究項目

“水-能-糧-生”系統(tǒng)研究方法和框架

WEFE系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的巨系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)和功能上可將其劃分為水、能源、糧食、生態(tài)4個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互作用、相互影響，形成復(fù)雜的紐帶關(guān)系。這種紐帶關(guān)系又受到外部因子影響，如氣候變化、城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟發(fā)展等。因此在WEFE關(guān)系分析方法方面，需要從4個子系統(tǒng)內(nèi)部“核心關(guān)聯(lián)”以及整個大系統(tǒng)與外部因子“外部關(guān)聯(lián)”兩個層次進(jìn)行研究（見圖）。

WEFE系統(tǒng)的“核心-外部”雙關(guān)聯(lián)模式概化

1.“核心關(guān)聯(lián)”層面分析內(nèi)容及方法

（1）子系統(tǒng)關(guān)系分析

在內(nèi)部各子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)層面，需要重點分析水與能源、水與糧食、能源與糧食以及WEF資源流與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。

①水-能源關(guān)系。需要分析能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展對水資源的需求，例如煤炭開采洗選，石油和天然氣開采，電力、蒸汽、熱水供應(yīng)，石油加工，煉焦，煤氣生產(chǎn)和供應(yīng)以及新能源產(chǎn)業(yè)等用水。一般采用統(tǒng)計類方法。

②水-糧食關(guān)系。利用作物需水理論估算糧食作物對水資源的需求，研究糧食作物生育期的耗水規(guī)律、水分脅迫對糧食產(chǎn)量的影響，分析糧食生產(chǎn)、貿(mào)易、消費全過程用水環(huán)節(jié)。一般采用機理分析方法。

③能源-糧食關(guān)系。需要研究糧食生產(chǎn)對煤炭、柴油、電力等主要能源的直接消耗。從水資源流層面看，水電能源開發(fā)利用中的水量供給與糧食作物灌溉用水需求在時間上重合度較高，能源與糧食同時存在較強的水資源競爭關(guān)系。一般采用統(tǒng)計類方法。

④WEF資源流-生態(tài)環(huán)境關(guān)系。需要研究能源-糧食生產(chǎn)引起水資源競爭協(xié)調(diào)、水資源時空分布響應(yīng)及對生態(tài)用水的影響等。主要分析方法包括數(shù)理統(tǒng)計和機理分析兩類。

（2）用水競爭定量分析

動態(tài)?；鶊D（Sankey）是定量分析水資源、能源（水電、煤炭和天然氣等）、糧食（水稻、小麥和玉米等）資源流關(guān)聯(lián)關(guān)系的有效方法，可以與機器學(xué)習(xí)算法等結(jié)合，挖掘WEF資源流利用與生態(tài)環(huán)境用水的競爭性以及系統(tǒng)特征的空間變化。此外，基于水足跡理論，可以定量描述能源-糧食紐帶系統(tǒng)的耗水及生態(tài)環(huán)境保障需水的演變特征，研究流域不同空間區(qū)域能源開發(fā)與糧食種植單元交錯布置、河道生態(tài)環(huán)境用水之間水資源競爭性和相容性關(guān)系。下圖給出了利用動態(tài)?；鶊D與水足跡理論研究WEFE用水競合關(guān)系的概化流程。

WEFE用水競合關(guān)系研究概化流程

2.“外部關(guān)聯(lián)”層面分析內(nèi)容及方法

分析外部因子對WEFE系統(tǒng)影響，需要在整體視角下研究以水資源流為脈絡(luò)的核心關(guān)聯(lián)關(guān)系變化，并進(jìn)一步分析核心關(guān)聯(lián)關(guān)系變化過程中產(chǎn)生的外部關(guān)聯(lián)關(guān)系及對應(yīng)要素轉(zhuǎn)換特征。主要分析方法有數(shù)理統(tǒng)計、系統(tǒng)動力學(xué)模型及物理機理模型等。

（1）融合水量水質(zhì)-作物生長-能源足跡-生態(tài)效應(yīng)的機理模型框架

流域尺度的WEFE耦合模型需要具備描述水量水質(zhì)變化、作物生長耗水全過程的能力，同時還需要適應(yīng)河流水電能源開發(fā)導(dǎo)致匯流阻斷的特點。下圖以已開發(fā)的WEF Nexus Tool和SWAT模型為例，給出構(gòu)建融合水量水質(zhì)-作物生長-能源足跡-生態(tài)效應(yīng)的機理模型框架。其中，將SWAT模型中水文模型架構(gòu)、農(nóng)業(yè)非點源污染模塊及作物生長模塊EPIC等集成至WEF Nexus Tool（保留其他模塊），提升模型對流域尺度水量水質(zhì)過程、不同作物生長的模擬能力。

流域尺度WEFE耦合模擬模型架構(gòu)設(shè)計示意

（2）資源流全過程解析及生態(tài)環(huán)境影響分析

①資源流全過程相互作用分析。利用構(gòu)建的WEFE耦合模型可以模擬研究區(qū)不同時空尺度（上中下游、干支流區(qū)域空間尺度，以及旬、月、年、年際時間尺度）水資源利用、能源足跡（水電、煤炭和天然氣等能源流動過程）、糧食生產(chǎn)-消費過程，分析不同資源流輸入-輸出轉(zhuǎn)化過程的時空變化規(guī)律，研究不同空間區(qū)域單元之間的資源流以及研究區(qū)域內(nèi)外的資源供需驅(qū)動過程，揭示流域尺度水-能源-糧食資源流全過程流動規(guī)律。

②生態(tài)指標(biāo)體系及資源流-生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵要素響應(yīng)模式研究。分析不同資源流全周期過程對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的分類影響，挖掘不同資源流生態(tài)效應(yīng)的疊加-抵消規(guī)律并量化其綜合效應(yīng)。從河流連通性、水文情勢、水環(huán)境等方面集成生態(tài)環(huán)境影響評價指標(biāo)體系（如流量、水位、水質(zhì)、生態(tài)基流、敏感生態(tài)需水等關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)），明確流域不同生態(tài)要素對水位、流量及水文過程等的具體需求，研究資源流-生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵要素響應(yīng)關(guān)系。

結(jié)語

本研究立足全球水、能源、糧食資源供需矛盾與生態(tài)環(huán)境約束加劇的現(xiàn)實，圍繞WEFE系統(tǒng)進(jìn)行探討，在總結(jié)國內(nèi)外成果基礎(chǔ)上構(gòu)建了以水資源為核心的研究方法和框架，為破解多元資源關(guān)聯(lián)復(fù)雜問題提供可能的路徑。研究梳理了WEF紐帶關(guān)系從二元關(guān)聯(lián)到三元耦合的演進(jìn)脈絡(luò)，揭示了生態(tài)環(huán)境作為關(guān)鍵紐帶嵌入后的系統(tǒng)復(fù)雜性，明確WEFE本質(zhì)是四大子系統(tǒng)通過資源流與生態(tài)環(huán)境約束形成的互饋網(wǎng)絡(luò)。在方法層面，提出“核心關(guān)聯(lián)-外部關(guān)聯(lián)”雙層次分析框架，其中：核心關(guān)聯(lián)層面通過統(tǒng)計類、機理分析等方法解析子系統(tǒng)間交互作用，結(jié)合動態(tài)?；鶊D與水足跡理論量化資源競爭格局；外部關(guān)聯(lián)層面構(gòu)建融合水量水質(zhì)、作物生長、能源足跡與生態(tài)效應(yīng)的流域尺度機理模型，實現(xiàn)對氣候變化等外部因子驅(qū)動下資源流全過程及生態(tài)響應(yīng)的模擬，為多目標(biāo)協(xié)同調(diào)控提供了方法支撐。

基于WEFE理論與技術(shù)研究成果，可以給出適用于政府和行業(yè)管理部門的具體建議，以增強WEFE協(xié)同安全保障水平。首先，建立跨部門數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合決策機制，打破水利、農(nóng)業(yè)、能源、生態(tài)等部門的信息孤島，確保各類監(jiān)測數(shù)據(jù)（如水量、用能狀況、作物生長、生態(tài)健康）能夠?qū)崟r匯流與互認(rèn)。其次，在典型流域推廣基于動態(tài)?；鶊D與水足跡監(jiān)測的實時預(yù)警系統(tǒng)，可將流域內(nèi)水資源流動、能源消耗、糧食生產(chǎn)用水及生態(tài)效應(yīng)等關(guān)鍵要素通過可視化圖譜直觀呈現(xiàn)，并結(jié)合閾值預(yù)警功能，幫助管理者及時調(diào)整方案，降低風(fēng)險與損失。最后，制定WEFE綜合考核指標(biāo)體系，涵蓋用水效率、能耗強度、單位作物產(chǎn)量水足跡、生態(tài)健康指數(shù)等多維度量化指標(biāo)，推動基于目標(biāo)的各部門協(xié)同成效閉環(huán)考核和動態(tài)管理，真正將研究成果轉(zhuǎn)化為提升區(qū)域資源安全與可持續(xù)發(fā)展的決策行動方案。

當(dāng)前，WEFE研究仍處于探索階段，系統(tǒng)完善的理論方法體系尚未形成，對多元要素交互關(guān)鍵過程的解析精度、系統(tǒng)性機理模型的構(gòu)建深度以及風(fēng)險評估與政策轉(zhuǎn)化的銜接機制仍需深化。未來需進(jìn)一步加強跨學(xué)科數(shù)據(jù)融合與模型優(yōu)化，聚焦典型流域開展實證研究，推動WEFE系統(tǒng)從理論框架向區(qū)域資源安全保障與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的決策實踐轉(zhuǎn)化，為應(yīng)對全球變化下的資源環(huán)境挑戰(zhàn)提供更堅實的科學(xué)支撐。

Abstract: The interconnections among water, energy, and food significantly impact the ecological environment. Therefore, it is imperative to incorporate ecological protection requirements and extend the Water-Energy-Food (WEF) Nexus to a Water-Energy-Food-Ecology (WEFE) framework. Existing research predominantly focuses on large-scale binary relationships within the WEFE system and multidimensional conceptual analyses, lacking comprehensive insights into the interactions among multiple elements and the physical description of key processes. Building upon a review of current studies on the WEFE nexus, this paper explores the definition and developmental trajectory of the complex WEFE system, analyzing its connotations and constituent elements. Centered on water resource flows, a preliminary research framework is established, featuring “core linkages” between resource flows and ecological elements, and “external linkages” with natural and social factors. A method for constructing a physically based coupled model is proposed, integrating watershed water quantity and quality, crop growth, energy footprint, and ecological effects. This provides a relatively scientific and rational foundation for developing coordinated management strategies for the WEFE system.

Keywords: Water-Energy-Food-Ecology; resource flow; ecological environment; quantitative analysis; physical mechanism model

本文引用格式：

封面攝影肖本

責(zé)編董林玥

校對李盧祎

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。