京津冀水-能源-粮食耦合系统安全评价.pdf
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1、第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:李溦()女博士研究生主要从事水资源管理研究:.通信作者:姜珊()女高级工程师博士主要从事水资源管理研究:.京津冀水 能源 粮食耦合系统安全评价李 溦姜 珊赵 勇王璐琪何 凡李海红朱永楠何国华(.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京.北京林业大学水土保持学院北京)摘要:为实现京津冀水 能源 粮食协同合作从可靠性、协同性和韧性 方面选取 个指标构建水能源 粮食耦合系统安全评价指标体系分析了 年京津冀水 能源 粮食耦合系统安全水平并基于 函数计算联合风险概率 结果
2、表明:年京津冀水 能源 粮食耦合系统安全指数整体呈现上升趋势其中北京年均指数最高达.河北最低仅为.各区域间可靠性水平无显著差异均呈现较差水平人均水资源量、人均能源消费量、地下水供水占比、二氧化碳排放量等是影响水 能源 粮食耦合系统安全的主要障碍因子京津冀可靠性、协同性和韧性三维联合达到较安全水平的概率为.不均衡发展会影响整体水 能源 粮食耦合系统安全关键词:水 能源 粮食耦合系统 函数可靠性协同性韧性京津冀地区中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):.:水、能源、粮食三者间相互关联、制约与依存是影响经济增长和社会稳定的重要因素 现阶段单资源管理方式存在潜在风险开展多系统研究有利于加强
3、部门间的协同合作、支撑水 能源 粮食耦合系统安全发展 受人口增长、经济发展、城镇化水平提高、饮食结构变化等影响预计到 年全球对水、能源和粮食的需求将分别增长、和 水资源短缺与能源、粮食需求不断增长之间矛盾突出 京津冀地区作为首都经济圈是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳人口最多的地区之一却也是我国水资源最为短缺、能源、粮食压力较大的地区之一 因此科学评估水 能源 粮食耦合系统安全状态识别影响区域安全的主要障碍因子是保障京津冀地区水 能源 粮食可持续发展、减少风险发生的关键目前相关研究多集中在传统的水资源、能源、粮食准则层属于单资源研究范畴未能体现水能源 粮食多系统间的耦合协同内
4、涵及机理分析较少针对系统内部及外部环境产生的互馈耦合协同风险开展研究且不能反映水 能源 粮食耦合系统内部及外部的可靠性、协同性及韧性水平 基于此本文以单系统间的可靠性、两两系统间的协同性和三系统间的韧性为核心构建指标体系旨在打破系统间的藩篱开展水 能源 粮食耦合系统间的集成研究 为科学评价 年京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全状况探讨影响研究区耦合系统安全的主要障碍因素将 函数与耦合风险评价分析相结合计算研究区单指标的边缘分布函数以及二维、三维联合分布函数研判水 能源 粮食耦合系统安全联合风险概率提出京津冀地区水 能源 粮食协同管理相关建议以期为京津冀城市群优化资源配置、提高资源利用效率提供
5、参考 研究区概况与数据来源.研究区概况京津冀地区是我国“水 能源 粮食”纽带关系表现最显著、联合风险最突出的区域之一以不到全国的水资源匹配了.的灌溉面积和.的发电量占据了全国 的能源消耗总量、.的粮食消耗总量承载了全国 的人口和.的经济量 多年平均水资源开发率为 远超过国际公认的海河、辽河地区的水资源开发利用率合理值()水资源短缺已经成为制约区域粮食、能源可持续发展的关键要素在很大程度上影响着首都安全和京津冀地区的协同发展 图 为京津冀地区土地利用类型分布.数据来源研究时段为 年经济社会数据源于中国统计年鉴中国城市统计年鉴北京统计年鉴天津统计年鉴河北统计年鉴水资源和用水数据主要来源于历年水资源
6、公报中国水利统计年鉴能源数据主要来源于历年中国能源统计年鉴农业农村数据主要来源于历年中国农村统计年鉴等 为便于开展京津冀地区整体分析京津冀整体数据采用 个区域平均值图 京津冀地区土地利用类型分布.研究方法.水 能源 粮食耦合系统的内涵水、能源、粮食各子系统耦合起来形成复杂巨系统水 能源 粮食系统既受内部供需不稳定影响又受外部环境经济社会发展状况、生产水平、发展政策等变化影响 因此安全的水 能源 粮食系统是指在一定区域环境容量内各子系统内部尽可能保证数量充足、质量安全、满足需求在社会生产过程中尽可能优化水 能源 粮食间的资源配置从而提升水 能、水 粮、粮 能之间的协同效率水平同时通过社会、经济、
7、政策调控最大限度地提高水 能源粮食抗风险能力增强水 能源 粮食对外部环境的适应能力最终使三者之间相协调形成相对安全、风险较低的系统依据水 能源 粮食耦合系统的内涵主要涉及可靠性、协同性和韧性 方面的评价 可靠性指数表征各子系统内部耦合安全状态主要从各子系统内部资源数量、质量、供需水平等角度开展评价各子系统可靠性指数越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全协同性指数表征两个子系统间的耦合安全状态由于水 能源、水 粮食和能源 粮食间既存在着竞争关系又存在着合作关系因此可以从两个子系统间转化效率和影响程度等角度进行评价协同水平越高资源配置和利用效率越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全韧性指数表征系统外部
8、耦合安全状态即抗风险能力可选择水 能源 粮食系统面对外界压力、风险、环境等冲击扰动时的抵抗风险能力相关指标抗风险能力越高水 能源 粮食耦合系统越趋于安全.耦合系统评价.评价指标体系构建在遵循客观性、综合性、科学性、实用性、可量化等原则的基础上参考已有研究遴选具有典型性、代表性的评价指标 结合水 能源 粮食耦合系统的内涵及京津冀地区的特点选出较为全面且能够反映京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全特点的 个指标构建的评价指标体系如图 所示(图中“正”表示正向指标“负”表示逆向指标括号中数据为指标权重)水 能源粮食耦合系统安全评价指标体系可靠性(.)水资源子系统人均水资源量(正.)人均用水量(负.)
9、供水综合生产能力(正.)水资源开发利用率(负.)粮食子系统人均耕面积(正.)人均粮食消费(负.)人均粮食产量(正.)灌溉面积占比(正.)能源子系统人均能源产量(正.)人均能源消费(负.)煤炭占比(负.)能源消费弹性系数(负.)协同性(.)水 能效率地下水供水占比(负.)能源系统用水占比(负.)水 粮效率亩均用水量(负.)农业用水占比(负.)单位粮食生产用水量(正.)粮 能效率亩均农用机械总动力(正.)第一产业能源消费占比(负.)韧性(.)经济韧性人均 (正.)增长率(正.)城镇恩格尔系数(负.)农业总产值占比(负.)社会韧性城镇化率(正.)受灾面积(负.)单位 能耗(负.)万元 用水量(负.)
10、环境韧性城市污水率(正.)二氧化硫排放量(负.)二氧化碳排放量(负.)废水中 排放量(负.)图 水 能源 粮食耦合系统安全评价指标体系.评价方法采用单指标量化 多指标综合 多准则集成的方法进行评价评价步骤如下:指标量化对原始数据进行无量纲化处理根据行业规划指标或标准、规划资料、相关研究成果等综合确定评价指标的特征节点值如表 所示对于指标 根据特征节点值计算其水 能源 粮食耦合系统安全指数 正向指标计算公式为式()逆向指标计算公式为式()综合指数计算 根据准则层所含因素 对应的无量纲化指数采用加权方法综合得到准则层所含因素 的水 能源 粮食耦合安全指数计算公式见式().().()()其中 式中:
11、为指标 的无量纲化指数、分别为指标 的最差值、较差值、及格值、较优值、最优值 为指标 的值 、分别为水 能源 粮食耦合安全指数、可靠性指数、协同性指数和韧性指数值、为各准则层权重、为可靠性、协同性和韧性准则层中各指标权重本文采用熵权法确定权重、为可靠性、协同性和韧性准则层中各指标标准化 表 水 能源 粮食耦合系统安全评价特征节点值 特征节点值/(万/)/最差值较差值.及格值.较优值.最优值.特征节点值/(/)/万元/最差值.较差值.及格值.较优值.最优值.特征节点值/万/万 最差值.较差值.及格值.较优值.最优值.后的数据、分别为可靠性、协同性和韧性准则层中指标个数.等级划分水 能源 粮食耦合
12、系统安全指数值分布区间为 参考相关学者研究成果以.为步长进行分类划分共划分为 个等级:.)为极不安全、.)为不安全、.)为临界安全、.)为较安全、.为非常安全.障碍因子诊断为识别影响水 能源 粮食耦合系统安全的重要因素本文运用障碍度模型进行障碍因子诊断计算公式为 ()式中:为第 个评价指标的因子贡献度 为第 年第 个指标的指标偏离度 为第 年第 个评价指标的障碍度.函数水、能源、粮食是非独立的三维随机变量利用 函数反映变量之间的相关性确定最优拟合函数的步骤如下:构建可靠性指数、协同性指数和韧性指数的单变量边缘分布函数确定最优拟合函数并计算概率构建可靠性 协同性、协同性 韧性、可靠性 韧性、可靠
13、性 协同性 韧性的二维及三维联合分布函数确定最优拟合函数并计算概率.水 能源 粮食单变量边缘分布采用常见的、和 等 函数计算单变量边缘分布概率利用极大似然法估算参数各函数计算公式如表 所示 通过拟合优度检验来判断一组数据是否服从以上某种分布常用的拟合优度检验方法有 ()图 法 和()检验法其中 检验结果较为精准本文采用 检验确定最优的边缘分布函数表 种常见的 函数 函数公式参数()()(/)为比例参数 为形状参数()()(/)为形状参数 为尺度参数()()()()/为对数均值 为对数标准差()()/为对数均值 为对数标准差.水 能源 粮食多变量联合分布多变量联合分布函数常采用 分布族较多用于水
14、资源评价主要包括、等 函数二维和三维计算公式如表 表 种常见的 函数 函数二维和三维计算公式参数取值()()()/()()()()/()()/()()/()()()()()()()()()所示 本文采用、法进行模型检验、值越小则 联合分布函数的拟合程度越高 结果与分析.耦合系统安全评价结果.时空演变特征分析图 为 年京津冀地区水 能源 粮食耦合系统安全指数 可见研究期间该指数在各区域均呈上升趋势区域之间存在明显差异北京水能源 粮食耦合系统安全水平始终处于区域领先安全指数多年平均值为.年后均超过.处于临界安全状态 年后超过.处于较安全状态天津安全指数多年平均值为.略低于北京同样 年后均超过.年后
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