水-能-糧紐帶系統多維演變解析研究——以京津冀地區為例

Multidimensional evolution analysis of the water-energy-food nexus system——a case study of the Beijing-Tianjin-Hebei region

李溦，李云玲，趙勇，朱永楠，李原園，宋秋波，姜珊，邢西剛，王慧杰，劉凱

（1.水利部水利水電規劃設計總院，100120，北京；2.水利部水利規劃與戰略研究中心，100120，北京；3.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，100038，北京）

摘要：水、能源和糧食是支撐人類社會生存和發展的重要基礎資源，水-能-糧紐帶系統間相互交織、依存與制約，單一政策改變可能引發“按下葫蘆浮起瓢”的治理困境，且現狀紐帶系統多維演變缺乏機理及定量解析。基于此，解析水-能-糧紐帶系統多維演變內涵，提出多維系統計算方法，以厘清單系統要素內部開發狀況、雙系統要素間利用狀況、三系統間耦合安全狀況，并應用于京津冀地區近20年定量演變解析。結果發現：京津冀水-能-糧單系統基本處于過度開發狀態，高度依賴外部輸入；雙系統間利用水平顯著提升，但仍存在優化空間；三系統需關注多系統耦合協同優化發展。為此提出以下政策建議：京津冀地區單資源系統內部需嚴控節流，從根本上扭轉資源利用慣性；雙系統間從結構技術雙向調節提升效率，破解資源錯配困局；三系統整體需外聯內協優化重構耦合發展，以“系統協同”與“節流-開源動態平衡”結合為核心策略，使水-能-糧系統資源可持續發展。

關鍵詞：水-能-糧紐帶系統；單系統-雙系統-三系統；多維演變；協同發展；京津冀地區

作者簡介：李溦，工程師，主要從事水利規劃與戰略研究。

通信作者：李云玲，正高級工程師，主要從事水利規劃與戰略研究。E-mai：liyunling@giwp.org.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（52025093）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.06.001

引言

水、能源和糧食是人類生存和發展不可或缺的資源，水-能-糧紐帶系統間相輔相成、相互依賴、相互競爭。根據已有研究顯示，預計2050年全球人口約為90億人，人口增長將導致糧食需求增加約50%，能源需求增加約80%，屆時水問題也將變得緊迫，世界上75%的人口可能面臨可用淡水短缺，水-能-糧資源安全平衡面臨挑戰。尤其自2011年波恩會議上正式提出水-能-糧紐帶關系以來，相關研究已成為聯合國、各國政府和學術界關注的熱點。2015年聯合國提出了一套全球性的行動計劃——可持續發展目標（Sustainable Development Goals，簡稱SDGs），其中可持續發展目標2（消除饑餓）、目標6（提供清潔水和衛生設施）以及目標7（推動可負擔的清潔能源）與水-能-糧直接相關，其余多項目標均與水-能-糧紐帶關系間接相關。國際上越來越多管理者和決策者關注到水-能-糧協同發展的重要性。

梳理現階段水-能-糧相關研究：研究尺度方面，當前主要針對全球、國家、城市以及家庭等尺度開展了宏觀或精細化研究；研究方法方面，已有學者打破單系統建模片面性，開發出諸如CLEWs、WEF Nexus Tool 2.0、Q-Nexus、MuSIASEM、NexSym、PRIMA、WEFO等集成模型并引發較高關注；研究內容方面，大量研究集中于水-能-糧狀態評價，諸如耦合協調水平、協同發展水平等。一些關鍵問題有待回答，諸如如何定量解析水-能-糧各自系統、兩兩系統以及三者間開發、利用、消耗之間的變化特征，水-能-糧紐帶系統間存在什么樣的演進、轉化、平衡關系等，如何回答上述問題并定量揭示多維演變過程是現階段研究空白。

基于上述考慮，本研究以解析水-能-糧協同發展內涵為基礎，重點辨析了多維演變過程中內部、外部、時空、系統等維度內涵，提出水-能-糧紐帶系統多維演變過程，旨在重點解析單系統-雙系統-三系統間的變化傳遞關系。具體來看，主要為單系統要素內部開發狀況、雙系統要素間利用狀況、三系統間耦合協調狀況，并以京津冀近20年演變為例，開展全鏈條過程定量演變解析，旨在為推動水-能-糧紐帶系統發展及多要素協同管理提供理論支撐。

理論闡述

1.影響因素解析

水-能-糧子系統耦合形成復雜系統，復雜系統內部充斥著耦合性、關聯性、模糊性，既受單系統內部資源稟賦狀況、供需不穩定的影響，又受經濟社會發展狀況、生產水平、發展政策等外部環境變化共同影響。氣候變化、自然災害、地質條件、生物活動等自然現象對各個系統內部產生影響，如氣候變化導致降雨徑流變化，徑流不足使得供水緊張、農業減產，過多可能引發洪澇災害，導致水土流失、農田澇漬、能源基地沖毀威脅能源安全等。復雜系統外部則主要受社會現象及生態環境的不確定變化影響，在人口增長、城市化、工業化等強人類活動因素驅動下，水資源短缺、糧食供給變化波動、能源需求愈加旺盛，影響水-能-糧復雜系統。

水-能-糧多維系統內涵解析

2.多維系統內涵解析

（1）時空維度

從系統論、協同論視角解析，水-能-糧多維演變受到時間、空間維度影響，其中時間維度包括不同季節之間、高峰期與低谷期之間以及長時間序列之間的變化，受不同季節降水、氣溫波動變化影響，水電、農業灌溉及能源需求隨之變化，如夏季用電、冬季取暖高峰，造成能源調配復雜。從長時間序列看，氣候變化、人口增長、經濟發展使三者的供需格局持續演變，加劇資源變化。空間維度則涵蓋了區域內外、流域之間以及省內省際之間的差異，水資源在區域內外、流域之間分布不均，南方優于北方，東部優于西部。能源生產和消費存在顯著空間差異，西北地區土地資源豐富，光熱條件適宜，礦產和能源資源富集，西南地區水電、風能、太陽能開發潛力較大，區域內部和省際間差異動態變化。糧食生產也呈現空間分異，到20世紀90年代初，南北方產糧比例開始逆轉，北方糧食產量逐步超越南方，形成了“北糧南運”的格局。

（2）系統維度

系統維度則隨著對水-能-糧各個系統及演變過程的不斷深化，主要為三個階段。

第一階段，水、能、糧單個系統已引發各學科學者重視，究其原因是單個系統內部關系已較為復雜，如水資源單系統內部涉及自然水循環的大氣、坡面、地下、河道等自然水循環過程，社會水循環涉及取水、輸水、用水、耗水、排水等社會水循環過程，摸清水資源單系統過程已經較為復雜。為此該階段側重于單系統開發狀況解析。

第二階段，伴隨著人類活動的逐漸增多，研究者開始關注強人類活動影響下的關鍵過程，著重探討系統內部起到關鍵作用的雙要素利用狀況，如水-能、水-糧等雙系統內部機理，該階段注重兩兩系統之間利用效率水平，如盡可能提升水-能、水-糧、糧-能兩兩系統間的利用效率。

第三階段，隨著在水-能-糧時間及空間上的深入研究，水-能-糧資源間關聯、競爭、依存關系越來越顯著，相關研究已經不再局限于前期簡單的水-能-糧單系統或雙系統協同，亟須綜合考慮不同資源、不同區域間相互競爭、重疊和交叉，若一味秉持本土思維方式，難以實現在區域規劃和管理上的目標。基于這樣的背景，“水-能-糧三維耦合系統協同”研究成為必然趨勢。

（3）發展目標

水-能-糧系統發展過程涉及不同資源、不同尺度、不同行業、不同部門，終極目的是保障資源安全和滿足人民生活需求，通過資源的整合和優化配置，實現水-能-糧各類要素在時間上空間上協同發展。

3.多維系統計算方法解析

研究水、能源、糧食開發利用與消費通量規律，揭示水-能-糧系統紐帶關系，提出水-能-糧單系統-雙系統-三系統多維演進過程解析，具體為單系統各要素內部開發安全狀況、雙系統兩兩要素間利用效率狀況、三系統間耦合安全狀況，為構建水-能-糧多維系統演進提供理論基礎。其中，單系統開發安全狀況主要表現在各系統內部，各子系統內部盡可能保證數量與質量充分安全，各子系統內部資源開發安全指數越高，水-能-糧系統越趨于安全。雙系統利用效率狀況主要表現在兩兩系統之間，伴隨著社會生產過程，水-能、水-糧和能-糧間既存在著競爭關系又存在著合作關系，因此從兩兩系統間轉化效率角度分析，使水-能-糧系統間的資源配置效率得到優化。協同效率水平越高，資源配置和利用效率越高，水-能-糧系統越趨于安全。除需要保障基本的水-能-糧系統供給安全外，更應注重三者間的耦合協同作用。因此，三系統耦合安全狀況為一種全局性、系統性安全狀態。在這種狀態下，水-能-糧系統三者之間的互饋協調更加順暢。通過選取具有代表性的指標，構建水-能-糧系統耦合安全綜合指標體系，運用耦合安全協調度模型解析水-能-糧系統耦合安全協調水平，并計算單系統邊緣分布函數以及二維和三維聯合分布函數，從而評估水-能-糧耦合系統安全聯合風險概率，旨在發現水-能-糧系統協同安全存在的問題，保障區域水-能-糧資源安全。

水-能-糧多維系統演變概念

（1）單系統開發狀況計算方法

深入解析本地區水、能源、糧食資源開發生產狀況，即明晰本地區的資源“盤子”大小。首先摸清資源的種類、數量、分布等家底，有助于制定科學合理的資源開發和利用策略。確保資源的可持續利用，避免過度開采和浪費，從而維護資源的長期穩定性。其次通過對資源開發生產狀況的深入了解，可以發現資源利用中的瓶頸和短板，進而提出改進措施，提高資源利用效率。由此，考慮能夠表征開發生產狀況的資源開發指數計算公式如下：

式中，WEF?R指水-能-糧系統資源安全指數；WEF）分別表示水資源、能源、糧食（=1，2，3）的需求總量；WEF）分別表示水資源、能源、糧食（=1，2，3）的本地供應總量。該指標大于1則表明本地資源不能夠支撐需求，等于1則表明本地資源恰好能夠支撐需求，小于1則表明本地資源能夠支撐需求，并且存在冗余的匹配空間。

（2）雙系統利用狀況計算方法

從利用效率方面解析水-能-糧紐帶關系兩兩過程演進變化狀況，主要包括糧食生產耗水、能源生產耗水、糧食生產耗能、水提取及運輸過程中的耗能、糧食轉化為生物質能等。

①水資源系統

a.糧食生產耗水

糧食生產水足跡主要包括藍水足跡和綠水足跡，主要農作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類。藍水足跡是指在糧食生產過程中農作物對區域地表水或地下水的消耗量；綠水足跡則通常指糧食生產過程中消耗的降水及儲存在作物中的水。主要計算公式如下：

式中，_bluegreen表示區域種作物生產藍水、綠水足跡（億m3）；IR_IR分別表示種作物面積灌溉用水（m3/）和糧食灌溉面積（k）；種作物有效降水量（mm）；表示區域種作物播種面積（k）；種作物復種指數。

b.能源生產耗水

人類社會生活和生產中的主要能源為原煤、原油、焦炭、天然氣、電力。能源水足跡計算主要分為直接水足跡和間接水足跡兩部分，直接水足跡是指能源生產過程中所消耗的水資源量，間接水足跡是指在該過程中所投入的物質資料所消耗的水資源量。直接和間接水足跡主要考慮藍水和灰水足跡，其中藍水足跡是指在能源生產過程中對地表徑流及地下水資源的使用量，灰水足跡是指將能源生產過程中排放的污染物吸收同化所需要的淡水體積。相關計算公式如下：

式中，表示能源水足跡（億m3）_{directindirect}分別指直接水足跡和間接水足跡（億m3）；_{bluedirectreydirect}分別指直接藍水足跡和直接灰水足跡（億m3）；_{blueindirectgreyindirect}分別指間接藍水足跡和間接灰水足跡（億m3）。

②能源系統

a.糧食生產耗能

糧食生產中的能源投入分為直接能源投入和間接能源投入，直接能源投入包括使用農業機械或抽水灌溉過程中的燃料（如柴油、機油）和電力，間接能源投入有化肥、農藥、農膜等。本文選擇柴油、電力、化肥、農藥和農膜這五類投入，以估算糧食生產過程中的能源消耗。其計算過程如下：

式中，EF為糧食生產總耗能；FE為第類糧食作物耗能；FS為第類糧食作物的播種面積；CY、DL、HF、NY、AP分別為單位播種面積的柴油、電力、化肥、農藥和農膜投入量；分別為柴油、電力、化肥、農藥和農膜的能耗系數。

b.水提取及運輸過程中的耗能

水提取及運輸過程中的耗能主要體現在為滿足人類活動需求而進行人工干預的社會水循環過程，具體而言為取水、供水、用水、排水等過程中伴生的能源消耗。取水過程包括地表取水與地下取水，其中地表取水包括提水和調水。其計算過程如下：

式中，WEWE_地表提WE_地表調WE_地下抽分別表示取水、地表提水、地表調水和地下抽水工程的耗能（kW·h）。

供水系統耗能主要包括制水和輸配水耗能，而制水耗能又可按照水源不同，細分為常規水制水耗能、海水淡化耗能、再生水處理耗能。其計算過程如下：

式中，_常規為常規制水廠的平均單位制水能耗（kW·h/m3）；WEWE_常規水WE_海水淡化WE_再生水分別表示供水、常規水供水、海水淡化供水和再生水供水的耗能（kW·h）。

用水耗能分為家庭用水耗能、公共用水耗能、工業用水耗能。其計算過程如下：

式中，WEWE_家庭WE_公共WE_工業分別表示用水、家庭用水、公共用水和工業用水的耗能（kW·h）。

污水收集耗能主要與水泵揚程和效率有關。其計算過程如下：

式中，WE為污水收集耗能（kW·h）；為經水泵提升的污水量（m3）；為水泵揚程（m）；為水泵平均效率（%）。

③糧食系統

能源與糧食轉換-生物質能是一種重要的可再生能源，它直接或間接來源于植物的光合作用，通常取材于植物秸稈、生活垃圾及畜禽糞便等。主要計算步驟為：估算糧食作物秸稈資源數量；依據各種糧食作物秸稈的折標系數，將糧食作物秸稈資源量折合成標準煤；折算最終糧食作物轉化的生物質能資源量。

上述3式中，SCF為糧食作物秸稈可收集資源總量；FSC為第類糧食作物秸稈可收集資源量；SCEF為糧食作物秸稈可收集能源總量；為第類糧食作物秸稈的折標系數；FE為糧食作物秸稈轉化的生物質能資源總量；EF為第類糧食作物秸稈轉化的生物質能資源量；FSCE為第類糧食作物秸稈可收集能源量；根據已有華北地區糧食作物秸稈利用去向研究，將利用比例定為0.45。

（3）三系統耦合狀況計算方法

三系統選取具有代表性的指標，具體參考作者已有研究結果，構建水-能-糧耦合安全綜合指標體系，選取能夠表征單系統內部資源安全狀況的可靠性指數，兩兩系統之間反映利用效率的協同性指標，三系統面對外界壓力、風險、環境等沖擊擾動的抗風險韌性指標，運用耦合協調度模型解析水-能-糧系統耦合安全水平，并計算單系統邊緣分布函數以及二維和三維聯合分布函數，從而評估水-能-糧耦合系統安全聯合風險概率。

（4）數據來源

水文及水資源數據主要來源于《中國水資源公報》、區域水資源公報，能源數據主要來源于《中國能源統計年鑒》《中國電力統計年鑒》等，糧食數據主要來源于《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》等，經濟社會數據源于《中國統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》《中國城市統計年鑒》等。

案例研究

1.研究區概況

京津冀總面積為21.6萬k，地處我國華北地區，作為中國北方的重要經濟中心，其戰略地位十分重要，肩負帶動北方地區發展的重任。受首都政治地位虹吸作用影響，京津冀地區經濟發達、人口聚集，為資源消耗聚集區，目前人口數量已超過1億人，以占全國2.3%的總面積養活約全國8%的人口，大量涌入的人口和產業使資源、能源和糧食需求壓力不斷增加。從水資源、能源、糧食各個系統來看，京津冀地區水資源開發利用率高達70%，雖然南水北調中線一期工程緩解了部分壓力，但至2035年仍需新增調水46.2億~60億m3才能維持供需平衡，表明水資源自身矛盾突出。能源問題主要表現為過度依賴煤炭（占比超60%），清潔能源消費比重低，能源利用粗放且效率不高。糧食問題則源于耕地資源減少與水資源短缺的雙重約束，糧食生產穩定性受威脅，需依賴外調農產品。同時，多系統間存在諸如能源生產（如火電冷卻、生物質能灌溉）與糧食種植等對水的剛性需求，加劇了資源競爭，形成“以水定產”的硬約束。能源價格波動通過化肥成本傳導至糧食生產，生物能源擴張（如玉米乙醇）又加劇了水資源消耗（每生產1L乙醇需2700L水），此類跨系統反饋使單一政策改變可能引發“按下葫蘆浮起瓢”的治理困境。京津冀地區水-能-糧系統呈現脆弱性與復雜性，亟待通過跨學科研究揭示其內在關聯，構建協同調控機制。這不僅關乎區域可持續發展，更是保障國家資源安全與生態文明建設的關鍵環節，推動從“孤立治理”向“系統治理”轉型。

2.演變狀況

計算京津冀地區2000—2020年水-能-糧的單系統資源開發指數，計算結果表明京津冀地區水資源、糧食處于過度開發狀態，能源開發指數基本處于50%左右，受電力需求波動等影響，能源開發指數基本處于45%～60%之間。因此，京津冀地區本地水資源、糧食及能源對外依賴程度較高。

京津冀地區2000—2020年水-能-糧資源開發狀況

（1）單系統演變狀況

①水資源系統開發狀況

根據計算，2000—2020年京津冀地區水資源開發指數呈現下降趨勢，由最高值接近2.6降至最低值1左右，主要由于京津冀地區水資源受稟賦條件限制影響一直處于超采狀態，至2015年這一狀態有所改善。整體來看，京津冀用水量基本維持在250億～277億m3，用水結構變化較為顯著，地下水用水量整體呈現緩慢下降趨勢，由2000年的215億m3降至2020年的104億m3，下降約一半，外調水量增長較為顯著，由2000年的8億m3增至2020年的60億m3，增長6.5倍，外調水占比由2000年的3%增至2020年的24%。以較為典型的北京為例，北京2000—2020年水資源開發指數由最高值1.6降至最低值0.98，主要表現為2013年前地下水用水量遠超過地下水可開采量，地下水開發利用嚴重超載。

京津冀地區及北京市2000—2020年水資源供給變化狀況

②能源系統開發狀況

能源開發水平基本穩定，受技術水平及電力日均、年際需求波動影響導致京津冀地區電廠運行效率僅為50%左右，其中北京最低為45%，而天津、河北效率相對較高，可達54%。京津冀地區2000—2020年能源生產量總體呈現先增加后緩慢下降趨勢，按照噸標準煤當量，能源生產總量從1.1億tce增加至2.4億tce，增長約1倍。其中，煤炭生產量逐步下降，占比由2000年的40%降至2020年的15%。電力生產量增長較為顯著，由2000年的1474萬tce增至2020年的5719萬tce，增長約4倍，占比由2000年的13%增至2020年的24%。北京市能源生產量總體呈現先增加再波動減少的趨勢，自2001年起北京啟動能源結構調整，至2020年能源生產結構變化顯著，煤炭、焦炭生產量逐步下降為0，占比分別由2000年的26%、25%降至2020年的0%。

京津冀地區及北京市2000—2020年能源開發變化狀況

③糧食系統開發狀況

耕地是糧食生產的基礎，京津冀三地2000—2020年年平均糧食開發指數分別為0.99、1.01、1.18，其中河北糧食復種指數較高。2000—2020年三地糧食生產量總體呈現緩慢增加趨勢，從1.03億t增加至1.2億t，河北約占增量的90%。北京自提出農業功能逐漸向都市型現代農業轉型政策以來，糧食生產量快速下降，農作物生產量由2000年的144萬t降至2020年的30萬t，蔬菜生產量降幅最為顯著，由2000年的466萬t降至2020年的137萬t。

京津冀地區及北京市2000—2020年糧食開發變化狀況

（2）雙系統演變狀況

利用水平表征兩兩系統間的效率狀況，受生產效率與技術等諸多因素影響，旨在定量解析水-能、水-糧、能-糧利用效率，考慮實際情況具體劃分為水系統糧食生產耗水、能源生產耗水、能源系統糧食生產耗能、社會水循環耗能、糧食系統生物質能共計5部分。采用水足跡方法開展相關計算，糧食生產水足跡主要包括藍水足跡和綠水足跡，主要農作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類。能源水足跡計算主要分為直接水足跡和間接水足跡兩部分，直接和間接水足跡主要考慮藍水和灰水足跡，主要能源為原煤、原油、焦炭、天然氣、電力。

從糧食耗水來看，2000—2020年京津冀地區單位糧食生產水足跡從最高值1.6m3/kg降至0.8m3/kg，耗水量減少一半。京津冀地區年均總水足跡約為280億m3，受降水影響年際間總水足跡在200億m3到429億m3之間波動。主要作物玉米、小麥、豆類、薯類和稻谷多年平均年總水足跡分別占50%、35%、9%、4%和3%，玉米、小麥占比較大，累積超過85%。

京津冀地區2000—2020年不同農作物水足跡及單位糧食產量水足跡

從能源耗水來看，單位能源生產藍水足跡從最高值68m3/tce降至約20m3/tce，降幅約70%。京津冀地區不同能源多年平均藍水足跡約為40億m3，其中火力發電藍水足跡多年平均約為22.6億m3，占能源藍水足跡的57%。焦炭多年平均藍水足跡約為7.8億m3，占19%。其次為原油，多年平均藍水足跡約為6億m3，占15%。原煤、天然氣、水力發電平均藍水足跡相對較小，分別占4%、1%、4%。根據計算，北京、天津、河北各地區水足跡占比分別為14%、14%、72%。

京津冀地區2000—2020年不同能源類型藍水足跡及單位藍水足跡

從糧食耗能來看，單位糧食生產耗能從最高值0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，降幅約為一半。京津冀糧食生產年均耗能約為490億tce，年際間總耗能在332億tce到670億tce之間波動。其中柴油耗能占比最大，為62%，電力、化肥、農藥分別占18%、16%、4%。從不同作物來看，主要作物玉米、小麥耗能最大，累積占比超過90%，分別占比50%、41%。豆類、薯類和稻谷多年平均年耗能分別占3%、4%、2%。北京、天津、河北各地區水足跡占比分別為2%、5%、93%。

京津冀地區2000—2020年糧食單位耗能狀況

從社會水循環耗能來看，單位人均社會水循環耗能從最高值0.73tce降至0.46tce，效率有所提升。京津冀社會水循環年均耗能約為5394萬tce，年際間總耗能在3464萬tce到6402萬tce之間波動。其中用水耗能占比最大，占85%，取水、供水、排水分別占4%、8%、2%。北京、天津、河北各地區水足跡占比分別為37%、9%、54%。從用水耗能較多的用水端系統來看，京津冀社會水循環年均耗能約為4585萬tce，年際間總耗能在2937萬tce到5456萬tce之間波動。其中用水耗能最多的為家庭端，耗能占比約為60%，生產耗能、公共耗能分別占16%、24%。北京、天津、河北各地區水足跡占比分別為39%、9%、52%。

京津冀地區2000—2020年社會水循環中用水耗能狀況

從糧食生產生物質能來看，京津冀生物質能總量2000—2020年從759萬tce升至1186萬tce，增長約0.6倍，其中河北地區占比較大，約為95%。

（3）三系統演變狀況

根據計算，2000—2020年京津冀地區的水-能-糧耦合安全指數呈現出明顯的上升趨勢。然而，各區域之間的安全水平存在顯著差異。北京作為該地區的核心城市，水-能-糧耦合安全指數始終處于領先地位，多年平均值為0.63；自2000年以來，該指數均超過0.5，表明北京水-能-糧處于臨界安全狀態；值得注意的是，自2019年起，該指數已提升至0.7以上，表明北京市水-能-糧耦合安全水平得到提升。天津市水-能-糧耦合安全指數多年平均值為0.62，略低于北京，但在2000年后同樣超過0.5，且在2017年后達到0.7。整個京津冀地區水-能-糧耦合系統安全指數多年平均值為0.57，安全水平低于北京和天津。特別是河北地區安全水平最低，在2000—2014年間，該指數均低于0.5，表明河北這一階段水-能-糧耦合系統安全面臨較大的挑戰。盡管自2014年后，河北地區該指數有所提升，超過0.5，但直到2020年仍低于0.6，處于臨界安全狀態。因此，從整個京津冀地區視角來看，河北成為了水-能-糧耦合系統安全的短板，需要更多的關注與投入以改善其安全狀況。京津冀地區可靠性-協同性-韌性三維聯合分布達到較安全水平的概率最大為0.723，北京、天津、河北三維聯合分布達到較安全水平的概率分別為0.718、0.693、0.653。這表明區域可靠性、協同性和韌性三者之間需協同合作、相互促進，如果發展不均衡或者是整體水平較低，會阻礙三者耦合系統安全。

京津冀地區2000—2020年水-能-糧耦合系統安全風險狀況

3.存在問題

（1）單系統資源過度開發

水資源短缺、供用水結構不合理、地下水超采等問題影響水安全。京津冀屬水資源短缺地區，水資源總量不足，人均僅占全國1/9，地表水資源衰減58%，水資源開發利用率超過70%，長期依賴外調水。用水結構不合理使得地下水超采問題嚴重，農業用水占比過高（接近60%），擠占生態與生活用水，同時導致地下水超采嚴重，年均擠占河湖生態用水量達15億m3，累計超采1500億m3，形成20多個漏斗區。隨著生態補水等政策實施，2018—2023年華北平原區淺層地下水水位平均回升2.59m，但90個縣區仍存在超采問題。

能源消費結構仍以煤為主，其中河北對煤炭依賴程度最高。近20年受經濟規模持續擴張影響，工業生產（尤其河北鋼鐵、焦化產業）和服務業快速發展推高能源需求，使得京津冀能源消費總量從2000年約3.6億t標準煤增至2023年4.8億t。能源結構以傳統能源為主，通過產業結構調整，京津冀煤炭消費占比從2000年的70%降至2023年的61.4%，但占比仍然較高，北京和天津兩地通過能源結構調整大幅降低煤炭依賴，煤炭消費占比分別降至15%和35%以下。而河北因重工業占比高、依賴程度較高，降幅相對較小，煤炭消費占比約50%。

作為我國重要的糧食生產區，北京糧食產量降幅顯著，河北承擔著京津冀地區80%以上的糧食供應任務。北京和天津糧食自給率較低，2023年糧食自給率分別僅為4.3%和45.1%，尤其是北京作為特大城市，主要依靠外部輸入來滿足本地居民的糧食需求。河北作為全國13個糧食主產區之一，2023年糧食自給率高達128%，可供應給北京、天津地區，但河北存在地下水超采等問題，威脅糧食生產安全。

（2）雙系統效率仍待提升

單位水足跡效率提升但仍受水資源波動影響，水-土資源不匹配。盡管京津冀地區單位糧食生產水足跡已從1.6m3/kg降至0.8m3/kg，耗水量減少一半，但總水足跡仍在200億m3左右波動，尤其在干旱年份，水資源短缺對糧食生產的影響更為顯著，玉米和小麥作為主要糧食作物，耗水量大，對水資源依賴度高，可能進一步加劇水資源壓力，繼而加重地下水超采。此外，河北農業種植區域與地下水漏斗區高度重合，糧食生產集中區域地下水超采嚴重，導致水土資源不匹配。

火力發電耗水占比較高，水-能資源不匹配。火力發電是京津冀地區主要耗水領域，藍水足跡占比達57%，灰水足跡占比達85%。河北作為能源生產大省，水足跡占比高達72%，而北京和天津分別為14%。火力發電的高耗水特性加劇了水資源短缺，尤其是河北作為火電裝機大省，需大量抽取地下水或超采水源以滿足發電需求，導致地下水水位下降和生態惡化，存在水能資源不匹配問題。

京津冀地區社會水循環的能耗中用水耗能占比高達85%，且家庭端用水耗能占用水端比例高達60%，城市化進程中家庭用水電氣化水平提升與節能節水技術不足矛盾突出。從結構上看，社會水循環能耗中用水耗能占比高達85%，而取水、供水、排水的耗能分別僅占4%、8%和2%。隨著城市人口聚集和生活水平提高，家庭用水設備（如熱水器、洗衣機等）的電氣化需求激增，但節水節能器具和智慧化管理技術推廣滯后，導致單位用水能耗較高。

單位糧食能耗存在優化空間。從作物來看，京津冀地區主要糧食作物玉米和小麥的耗能占比超過90%，其中玉米占50%，小麥占41%，而豆類、薯類和稻谷的耗能占比極低，分別為3%、4%和2%。從區域來看，北京、天津和河北的糧食生產耗能中，河北占比最高，為93%，而北京和天津分別占2%和5%，河北地區畝均農用機械總動力達12kW，超出全國平均水平20%，高能耗直接推高農業生產成本。從單位能耗來看，京津冀糧食生產總耗能在332億tce到670億tce之間波動，單位糧食生產耗能雖從0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，未來仍有進一步優化空間。

生物質能方面，資源利用率低。資源分布不均衡使得生物質資源分布不均，北京生物質資源產量有限，難以滿足規模化發展需求，而河北雖有豐富的生物質資源，但資源利用效率較低。技術水平有待提升，生物質能利用技術尚未完全成熟。基礎設施不足，農村地區基礎設施薄弱，影響清潔能源的獲取和推廣，制約了生物質能的高效利用。生物質能項目對資金投入要求高，設備維護、技術研發和生產運營成本較高，且原料供應渠道不穩定，成本與收益問題影響企業規模化效益。

（3）三系統耦合存在短板

從系統耦合角度分析，京津冀地區單系統資源稟賦可靠性較差，主要受自然約束與人為超載疊加共同影響。協同效率水平有一定提升，但仍面臨結構性短板和資源錯配問題。根據京津冀可靠性-協同性-韌性三維聯合分布計算，達到較安全水平的概率為0.723，表明整體水平較低，會阻礙三者耦合協同安全，尤其河北是京津冀水-能-糧耦合系統安全的明顯短板，協同性、韌性水平均處于區域最差狀態，韌性指數最差，僅為北京的2/3，是未來水-能-糧協同發展的重點。

4.政策建議

（1）單系統內部嚴格節流優先

基于資源本底條件較差這一現實情況，京津冀水-能-糧各系統應先從節流優先做起，破解“資源透支”惡性循環。根據已開展的相關研究分析，在資源稟賦較差地區開展節流邊際效益更高。如水資源方面，農業滴灌技術可降低畝均耗水40%（從500m3降至300m3），將管網漏損率從15%壓至8%則每年可節水5億m3，成本低于調水工程（南水北調供水成本6元/t）。能源方面，提升工業能效（如鋼鐵余熱回收）可使萬元GDP能耗下降15%，相當于每年減少1500萬t標準煤消耗，優于新建同等規模火電廠。行為模式重塑對緩解本地資源狀況緊張問題尤為重要，過度依賴開源易陷入“供應增加—浪費加劇—更大缺口”的陷阱，節流有利于從根本上扭轉資源利用慣性。

（2）雙系統結構技術雙向調節

水和糧食系統間注重調整種植結構，持續減少冬小麥面積，推廣兩年三熟制，同時精細化區域化調減蔬菜、水果種植規模以平衡水糧關系。地下水采補平衡是破解京津冀水資源困局的核心抓手，不僅有利于生態修復和水資源可持續利用，更關乎區域協同發展、防災安全與經濟轉型。

水和能源系統間需要優化能源結構，減少高耗水能源生產規模，因地制宜調整能源生產結構，將河北煤炭消費占比降至60%以下，推廣生物質能、氫能等低碳能源。同時，大力發展節水技術，提高水資源利用效率，推動河北鋼鐵、化工行業向沿海園區集中，優先利用非常規水源，實現水資源梯級利用，應對水-能關系不適配問題。

社會水循環耗能方面，提升城市供水系統效率，加強城市供水管網的維護和改造，降低供水管網漏損。優化泵站運行管理，提升泵站運行效率，降低提水過程中的能耗。南水北調中線等外調水工程的泵站能耗較高，需通過技術改造和智能化管理降低能源消耗。要求鋼鐵、石化等高耗水行業實施水效領跑者制度，推廣循環水零排放技術。對年用水量超10萬m3的工業企業強制安裝智慧用水管理系統，逐步提升用水效率。制定對居民的節水激勵機制，加快推進小區中水處理設施的建設和使用，大力推廣智能水表、節水器具等，鼓勵全民節約用水。

糧食耗能方面，優化農機裝備結構，針對河北畝均農用機械動力不足的問題，推廣高性能、低能耗的農業機械，提升機械化水平。推進農業科技創新，加強農業科技研發，推廣節水、節肥、節藥技術，提高糧食生產效率。例如，推廣水肥一體化技術，減少化肥和農藥的使用。推廣太陽能、風能等可再生能源在農業生產中的應用，降低能源消耗強度。在河北等糧食主產區，推廣高效節能的農業機械和灌溉設備，減少單位能耗。提高河北省畝均農用機械動力水平，重點推廣節能型拖拉機和秸稈粉碎還田設備。

生物質能方面，推進多元化利用與規模化發展，提升技術水平并降低成本，加大對生物質能技術研發的支持力度，推動技術成熟與商業化應用，降低項目成本，提高企業效益。推動農村清潔能源轉型，在農村地區推廣清潔生物質能，如生物質成型燃料爐具、沼氣等，改善農村能源消費結構，助力鄉村振興和“雙碳”目標實現。

（3）三系統外聯內協優化重構

面對資源稟賦薄弱與系統性失衡的雙重挑戰，京津冀地區需以“系統協同”與“節流-開源動態平衡”為核心策略。一方面，推動京津冀資源系統協同與空間要素協同發展，打破行政壁壘，將三地資源稟賦差異轉化為互補優勢。加強系統內部技術集成與資源嵌套利用，推動價值鏈重構，如建立水權-碳權-糧權交易市場，通過物質流、能量流、價值流的三重嵌套，將單一資源利用效率提升轉化為系統級產出倍增。從“兩兩博弈”轉向“三角穩定”，最終構建以系統韌性為核心的新型資源安全體系。

另一方面，京津冀地區水、能源、糧食資源供需的嚴重失衡，本質上源于本地資源稟賦與經濟發展需求之間的結構性矛盾，典型的“資源嚴重不適配地區”需通過跨區域調配、技術創新和替代性資源開發實現系統優化，實現從“被動輸血”到“系統再造”。京津冀需突破地理邊界，構建“本地替代+跨區協同”的雙軌模式，技術上發展海水淡化、再生水回用和農業節水等，制度上完善水權交易、生態補償和虛擬水貿易機制等，空間上依托南水北調、西電東送等工程實現資源再平衡。唯有將外部援助轉化為內生優化動力，才能破解資源錯配困局。節流是“止損”的基礎，開源是“求生”的保障，短期內需通過嚴格定額管理、技術創新和價格杠桿實現節流挖潛，將資源消耗控制在安全閾值內。中長期通過人口規模控制、基于“四水四定”合理確定區域功能定位、跨區域協同和戰略儲備建設實現優化重構與開源，二者形成“節流創造開源空間，開源支撐深度節流”的螺旋升級，走向可持續發展。

結論

水-能-糧是一個復雜系統，系統內要素眾多、關系復雜，既相互聯系又相互制約。解決水-能-糧資源分布不均、效率不合理、配置不協同等問題的科學基礎是厘清龐雜的水-能-糧多維演變過程。本文以系統學、協同學理論為指導，分析了水-能-糧受時間、空間及資源影響的內涵，提出了水-能-糧多維演變既包括不同時間序列維度，又涵蓋區域內外的空間序列維度，還包括單-雙-三的系統維度。通過解析水-能-糧內涵本質，提出開展水-能-糧系統多維演變理論認知，明確需開展單系統要素開發狀況、雙系統要素間利用狀況、三系統間耦合協調狀況定量演變過程分析，以期為解析水-能-糧復雜系統內部-系統間-系統外部的多維演變提供理論基礎和認知。

通過對京津冀單-雙-三系統維度演變過程進行定量分析發現：單系統方面京津冀水-能-糧開發基本處于過度狀態，依賴外部輸入；雙系統方面年際間利用效率顯著提升，但仍存在水-土資源、水-能資源不匹配等問題，待繼續優化潛力；三系統方面，資源稟賦可靠性較差，協同效率水平有一定提升，現階段韌性能力較強。未來仍需在單資源系統內部嚴格節流優先，從節流優先做起，破解“資源透支”惡性循環，從根本上扭轉資源利用慣性。雙系統間從結構技術雙向調節提升互饋協同效率，破解資源錯配困局，實現資源利用效率倍增與抗風險能力躍升。三系統整體需外聯內協優化重構耦合發展，針對京津冀資源稟賦薄弱與系統性失衡的雙重挑戰，堅持“系統協同”與“節流-開源動態平衡”核心策略，旨在打破資源赤字陷阱，推動可持續發展。

Abstract: ater, energy, and food are fundamental resources supporting human survival and societal development. The water-energy-food nexus system is characterized by intricate interconnections, mutual dependencies, and constraints, where changes in a single policy may lead to governance challenges akin to a “whack-a-mole” effect. Currently, there is a lack of mechanistic and quantitative analysis regarding the multidimensional evolution of the nexus system. This study elucidates the connotations of the multidimensional evolution of the water-energy-food nexus system and proposes a computational approach to assess the internal development status of individual system elements, the utilization levels between dual-system elements, and the coupling security status among the three systems. This methodology is applied to quantitatively analyze the evolution of the water-energy-food nexus in the Beijing-Tianjin-Hebei region over the past two decades. The findings reveal that the individual systems within the Beijing-Tianjin-Hebei water-energy-food nexus are generally overexploited and highly dependent on external inputs. While the utilization efficiency between dual systems has significantly improved, there remains room for optimization. The tri-system analysis underscores the necessity for coordinated and synergistic development across the three systems. Based on these insights, the following policy recommendations are proposed: internally, strict conservation measures should be enforced within each resource system to fundamentally alter the inertia of resource utilization; bidirectional structural and technological adjustments between dual systems should be implemented to enhance efficiency and resolve resource misallocation dilemmas; and the overall tri-system should optimize reconstruction and coupling development through both external collaboration and internal coordination. The core strategy should integrate “systemic synergy” with a “dynamic balance between conservation and exploitation” to achieve sustainable development of the water-energy-food nexus resources.

Keywords: water-energy-food nexus system; single system-dual system-triple system; multidimensional evolution; coordinated development; Beijing-Tianjin-Hebei region

本文引用格式：

李溦，李云玲，趙勇，等水-能-糧紐帶系統多維演變解析研究——以京津冀地區為例[J].中國水利，2025（6）：1-13.

責編熊璠

校對李博遠

審核王慧

監制軒瑋

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