中國(guó)水-能-糧耦合系統(tǒng)協(xié)同安全發(fā)展戰(zhàn)略研究

Research on the collaborative safety development strategy of Water-Energy-Food Nexus in China

王浩，姜珊，朱永楠，趙勇，何凡，何國(guó)華，李溦

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

摘要：水是水-能-糧（WEF）耦合系統(tǒng)的核心要素，為保障國(guó)家糧食和能源安全，必須加強(qiáng)水資源管理，堅(jiān)持水資源、能源和糧食協(xié)同安全發(fā)展。在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外WEF耦合系統(tǒng)紐帶關(guān)系研究進(jìn)展、科學(xué)認(rèn)識(shí)WEF基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，分析了我國(guó)各省份水資源、能源、糧食開發(fā)利用過程中存在的問題，揭示當(dāng)前WEF耦合系統(tǒng)發(fā)展面臨的能源需求持續(xù)增長(zhǎng)與能源安全結(jié)構(gòu)性矛盾日益凸顯、不穩(wěn)定因素加劇糧食安全風(fēng)險(xiǎn)、資源不匹配帶來(lái)水資源約束趨緊、高質(zhì)量發(fā)展對(duì)水-能-糧-生提出更高要求四大挑戰(zhàn)，圍繞區(qū)域特點(diǎn)和高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，針對(duì)性提出了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展模式與策略。研究建議，在西北資源富集地區(qū)，通過“四水四定”、水權(quán)交易及調(diào)水工程緩解水資源短缺；在京津冀地下水超采區(qū)，優(yōu)化糧食安全布局，強(qiáng)化水與能源協(xié)同調(diào)控；在東北糧食增產(chǎn)區(qū)，拓展糧食生產(chǎn)空間，保護(hù)水資源合理開發(fā)利用；在南方水資源豐沛區(qū)，深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，統(tǒng)籌“水風(fēng)光儲(chǔ)”一體化開發(fā)，以期為實(shí)現(xiàn)綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展路徑提供科學(xué)支撐與決策參考。

關(guān)鍵詞：水-能-糧耦合系統(tǒng)；協(xié)同安全；資源稟賦；供需比；可持續(xù)發(fā)展

作者簡(jiǎn)介： 王浩，中國(guó)工程院院士，正高級(jí)工程師。

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFC3206502）。

水、能源、糧食是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的三大物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源。在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在不斷擴(kuò)大全球?qū)λ�、能源、糧食的需求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023年世界人口已超80億人，2030年和2050年將分別增長(zhǎng)至85億人和97億人，預(yù)期在2080年達(dá)到峰值約104億人，之后將維持在這一水平直至2100年。到2030年，全球農(nóng)產(chǎn)品需求預(yù)計(jì)將以每年1.2%的速度增長(zhǎng)，同時(shí)全球能源總需求將達(dá)到670EJ，預(yù)計(jì)到2050年仍將持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)前全球面臨嚴(yán)重缺水問題，約10%的人口居住在高度或嚴(yán)重缺水的國(guó)家和地區(qū)。缺水引發(fā)了諸多生態(tài)問題，21世紀(jì)初每年全球地下水超采量1000億~2000億m³，約占當(dāng)年地下水總開采量的15%~25%。預(yù)計(jì)到2050年，面臨缺水問題的城市人口將增加至17億～24億人。所以，最大程度協(xié)調(diào)水資源、能源生產(chǎn)與糧食生產(chǎn)之間的適配性，是人類社會(huì)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全穩(wěn)定的必然選擇。

水-能-糧（Water-Energy-Food，WEF）是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立又緊密關(guān)聯(lián)的互饋耦合系統(tǒng)，內(nèi)部關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。在能源和糧食的生產(chǎn)消費(fèi)過程中，需要消耗大量水資源；而取水-供水-用水-排水-污水再生利用過程中也消耗大量能源。此外，糧食生產(chǎn)雖然依賴能源投入，但也蘊(yùn)含著巨大的生物質(zhì)能開發(fā)潛力。如果孤立地關(guān)注水、能源和糧食耦合系統(tǒng)的單一要素或兩兩要素的供給安全及高效利用，會(huì)導(dǎo)致WEF耦合系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性不強(qiáng)。這種局限性不僅導(dǎo)致水資源的低效利用和局部浪費(fèi)，還給糧食和能源的生產(chǎn)帶來(lái)顯著風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。2015年聯(lián)合國(guó)提出可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，其中可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)2（消除饑餓）、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)6（提供清潔水和衛(wèi)生設(shè)施）以及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)7（推動(dòng)可負(fù)擔(dān)和清潔能源）等涉及WEF紐帶關(guān)系，表明促進(jìn)WEF紐帶的協(xié)同發(fā)展有助于有效應(yīng)對(duì)全球資源管理所面臨的多重挑戰(zhàn)。

面對(duì)我國(guó)資源稟賦、生產(chǎn)能力與消費(fèi)規(guī)模之間顯著的不匹配與不平衡現(xiàn)象，水、能源、糧食三大戰(zhàn)略資源的協(xié)同保障成為制約可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。本文旨在通過系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外關(guān)于WEF耦合系統(tǒng)研究的最新趨勢(shì)，科學(xué)評(píng)估我國(guó)當(dāng)前水、能源、糧食資源利用的現(xiàn)狀與存在的主要問題，深入分析在高質(zhì)量發(fā)展要求下各區(qū)域?qū)�WEF耦合系統(tǒng)發(fā)展的新需求，并聚焦西北資源富集地區(qū)、京津冀地下水超采區(qū)、東北糧食增產(chǎn)地區(qū)及南方水資源充沛地區(qū)，創(chuàng)新性提出各區(qū)域針對(duì)性的可持續(xù)發(fā)展模式與策略，旨在推動(dòng)水、能源、糧食三大交叉學(xué)科領(lǐng)域的深度融合與縱深發(fā)展，更期望為緩解國(guó)家層面的資源環(huán)境承載壓力，實(shí)現(xiàn)綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展路徑提供科學(xué)支撐與決策參考。

水-能-糧研究發(fā)展與趨勢(shì)分析

針對(duì)全球性資源短缺對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的影響，2008年世界經(jīng)濟(jì)論壇以水資源、能源與糧食安全為關(guān)注點(diǎn)，提出了“水行動(dòng)呼吁”，強(qiáng)調(diào)水、能源、糧食對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要性。隨后，2011年波恩會(huì)議首次定義“紐帶關(guān)系”，并指出水、能源以及糧食作為紐帶關(guān)系的關(guān)鍵元素，正共同面對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的多重挑戰(zhàn)。隨著“紐帶關(guān)系”的提出，水-能-糧的協(xié)同安全問題及發(fā)展對(duì)策成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)�；�于對(duì)2008—2022年WOS（Web of Science）數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于WEF紐帶關(guān)系研究文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，該領(lǐng)域的研究發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段：

第一階段為概念成型期（2008—2013年）。此階段正值全球人口問題日益嚴(yán)峻、資源枯竭、生態(tài)系統(tǒng)退化以及社會(huì)與環(huán)境壓力顯著增加的時(shí)期。因此，這一階段WEF研究聚焦于環(huán)境、資源問題及治理策略，研究成果更多是對(duì)宏觀管理方面的探討，旨在初步構(gòu)建WEF紐帶關(guān)系的理論框架。

第二個(gè)階段為概念深化期（2014—2015年）。隨著研究的深入，焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向具體區(qū)域尤其是國(guó)家、流域、區(qū)域及城市的WEF優(yōu)化配置。這一階段的研究重點(diǎn)包括生物多樣性、系統(tǒng)脆弱性以及影響因素的分析，旨在探索多尺度下的WEF資源配置策略，以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用與可持續(xù)管理。

第三階段為內(nèi)涵豐富期（2016—2022年）。全球化貿(mào)易的興起為資源配置提供了新的視角，資源貧乏地區(qū)可通過國(guó)際間、區(qū)域間貿(mào)易獲取所需資源，從而緩解本地資源短缺問題。此階段研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向安全、環(huán)境影響、風(fēng)險(xiǎn)及虛擬水等議題，標(biāo)志著WEF紐帶關(guān)系研究進(jìn)入一個(gè)更為多元化和深入的階段，研究成果顯著豐富，推動(dòng)了WEF領(lǐng)域的快速發(fā)展。

當(dāng)前，WEF耦合系統(tǒng)的研究不僅聚焦于內(nèi)部水、能源、糧食及其之間的相互作用，還深入探究了外部因素對(duì)系統(tǒng)的影響。內(nèi)部特征分析側(cè)重于可靠性、協(xié)同性及相關(guān)性等方面，重點(diǎn)量化各要素間的相互影響；而外部影響分析則涵蓋氣候變化、極端天氣、自然災(zāi)害等自然因素，以及城市化、經(jīng)濟(jì)全球化、土地利用變化等社會(huì)因素，從韌性、彈性及可持續(xù)性等多維度評(píng)估WEF耦合系統(tǒng)對(duì)外界干擾的響應(yīng)能力。WEF耦合系統(tǒng)的協(xié)同安全發(fā)展旨在通過內(nèi)部供需平衡與外部資源配置優(yōu)化，提升資源流動(dòng)與轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)借助社會(huì)與政府調(diào)控手段，增強(qiáng)系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境的和諧共生，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。這一過程不僅要求確保水、能源、糧食各子系統(tǒng)在數(shù)量與質(zhì)量上的充足與安全，還需通過經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益的綜合提升，構(gòu)建安全、低風(fēng)險(xiǎn)的資源供應(yīng)循環(huán)體系。

我國(guó)水-能-糧資源利用現(xiàn)狀評(píng)估

我國(guó)水資源時(shí)空分布不均導(dǎo)致資源生產(chǎn)與消費(fèi)空間嚴(yán)重不匹配，北方地區(qū)人口占全國(guó)人口的46%，但只擁有全國(guó)19%的水資源，資源性缺水已經(jīng)成為制約北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。由于香港、澳門和臺(tái)灣無(wú)數(shù)據(jù)，西藏缺少能源相關(guān)數(shù)據(jù)，本文主要分析30個(gè)省份的水資源、能源、糧食等匹配情況。在下圖中，水資源供需比為各省份的水資源可利用量與用水總量的比值，表征水資源壓力，利用2013—2022年水資源供需比增幅代表水資源壓力變化情況，研究發(fā)現(xiàn)水資源短缺地區(qū)面臨的水資源壓力日益增大。寧夏、北京、河北、上海等地水資源供需矛盾尤為突出，供需比小于1，表明本地水資源供給已無(wú)法滿足用水需求，且近十年來(lái)供需矛盾仍在不斷加�。磺嗪�、四川、貴州、海南、浙江、江西等水資源相對(duì)豐富地區(qū)，供需比高于全國(guó)平均水平（4.5），近10年水資源供需比增幅小于0.2，或呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，屬于水資源潛力型地區(qū)。

▲30個(gè)統(tǒng)計(jì)省份水資源稟賦與供需關(guān)系（圓形大小代表2022年人均水資源量多少）

在能源方面，2022年我國(guó)一次能源生產(chǎn)總量達(dá)到46.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，是世界第一大能源生產(chǎn)國(guó)，但我國(guó)能源自給率維持在82%左右，對(duì)外部資源的依賴不容忽視。在下圖中，采用一次能源供需比反映能源的自然稟賦情況，采用二次能源供需比反映能源的供需情況，采用能源消耗總量變幅反映消費(fèi)能力，發(fā)現(xiàn)陜西、貴州、內(nèi)蒙古、山西、新疆、云南等地區(qū)能源的自然稟賦情況較好，一次能源供需比大于1，不僅能夠滿足自身需求，還能通過能源加工轉(zhuǎn)換向外供給二次能源；寧夏、安徽、四川、湖北等地一次能源供需比小于1，二次能源供需比大于1，說明雖然二次能源自給有余，但一次能源仍需依賴外部供給；京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)幾乎完全依賴外部能源供給；各地區(qū)總能耗均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中新疆、寧夏、海南、青海、陜西等省份能耗總量增幅顯著。

▲30個(gè)統(tǒng)計(jì)省份能源供需關(guān)系（圓形大小代表2013—2022年能源消耗總量增幅大�。�

在糧食方面，2022年全球糧食產(chǎn)量為28億t，我國(guó)糧食產(chǎn)量6.86億t，居全球之首，占全球糧食產(chǎn)量的24.5%，用不足全球9％的土地實(shí)現(xiàn)了約占世界1/4的糧食產(chǎn)量，養(yǎng)活了世界近1/5的人口。但我國(guó)人均耕地面積只有1.36畝（1畝=1/15hm²，下同），不足世界平均水平的40%。在下圖中，糧食供需比為糧食總產(chǎn)量與消費(fèi)量比值，利用2013—2022年人均耕地面積增幅比表征糧食生產(chǎn)能力變化情況，利用人均耕地面積表征糧食資源稟賦條件。發(fā)現(xiàn)黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林糧食資源稟賦條件優(yōu)良，是少數(shù)人均耕地面積超過世界平均水平的地區(qū)；上海、貴州、北京、江蘇、安徽、山西、黑龍江人均耕地面積呈上升趨勢(shì)，其他地區(qū)近10年人均耕地面積增幅比均小于0；北京、上海、浙江、廣東等地糧食供需比小于1，需要從外部調(diào)入糧食以滿足需求。長(zhǎng)期以來(lái)，“北糧南運(yùn)”形成的農(nóng)業(yè)“北水南調(diào)”虛擬工程已顯著影響水資源分布，北方地區(qū)作為糧食生產(chǎn)主力，灌溉用水量增加，加劇了水資源壓力。

▲30個(gè)統(tǒng)計(jì)省份耕地與糧食供需關(guān)系（圓形大小代表2022年人均耕地面積多少）

當(dāng)前我國(guó)資源生產(chǎn)與消費(fèi)之間存在較大的不平衡性，這加重了水資源短缺地區(qū)的水資源負(fù)荷，限制了能源和糧食的生產(chǎn)發(fā)展。例如北京、上海等的水資源、能源、糧食資源自給能力均無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的本地需求，因此高度依賴其他地區(qū)的資源供給；寧夏、新疆、內(nèi)蒙古等省份盡管擁有豐富的能源資源和良好的耕地條件，但能源和糧食的發(fā)展規(guī)模卻受到水資源供應(yīng)條件的嚴(yán)重制約；遼寧、吉林、黑龍江等東北省份具有良好的耕地條件，是我國(guó)主要糧食生產(chǎn)區(qū)，但隨著灌溉用水不斷增加，地下水水位持續(xù)下降等問題日益突出，不僅加劇了當(dāng)?shù)厮�資源壓力，也對(duì)糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了威脅；四川、湖北、云南、貴州等西南省份擁有豐富的水能資源，同時(shí)也擁有天然氣、煤炭等其他形式的能源，多元化的能源供應(yīng)體系可為水電開發(fā)利用提供堅(jiān)實(shí)保障。“西氣東輸”“西電東送”“北糧南運(yùn)”雖在一定程度上緩解了能源、糧食分布不平衡的情況，但是輸送過程伴隨虛擬水流通帶來(lái)了水資源的空間轉(zhuǎn)移，不僅加劇了水資源短缺地區(qū)的負(fù)荷壓力，也對(duì)接收地的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生影響。

水-能-糧耦合系統(tǒng)安全協(xié)同發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

1.能源需求持續(xù)增長(zhǎng)與能源安全結(jié)構(gòu)性矛盾日益凸顯

自2010年起，我國(guó)能源消費(fèi)總量首次超越美國(guó)躍居全球首位，并保持年均3%的增長(zhǎng)速率。至2022年，我國(guó)能源消費(fèi)總量已達(dá)54億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭的消費(fèi)比重為56%，相較于2013年下降了11.4%；而石油、天然氣和非化石能源的消費(fèi)比重分別提升至18%、8.4%和17.6%，較2013年分別增長(zhǎng)了0.9%、3.1%和7.4%。鑒于能源活動(dòng)是溫室氣體排放的主要源頭，產(chǎn)生的溫室氣體占據(jù)總排放量的77.7%，且以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以根本改變，使得我國(guó)在推進(jìn)能源低碳清潔轉(zhuǎn)型時(shí)面臨著既要保障能源安全又需兼顧低碳發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)。在全球范圍內(nèi)，已有132個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間表，其中多數(shù)國(guó)家計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。從碳達(dá)峰到碳中和的過渡，世界各國(guó)平均需要超過50年的時(shí)間。相比之下，我國(guó)宣布的碳達(dá)峰到碳中和的間隔時(shí)間僅為30年，這無(wú)疑是一個(gè)更為緊迫的任務(wù)�？紤]到我國(guó)仍處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，一次能源消費(fèi)仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳排放量也相應(yīng)處于上升階段，這意味著實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和對(duì)我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求更為嚴(yán)格，需要采取更加積極有效的措施。

▲2013—2022年我國(guó)能源消費(fèi)量變化

2.不穩(wěn)定因素加劇糧食安全風(fēng)險(xiǎn)

在全球氣候變化的背景下，極端天氣事件的頻發(fā)與地緣政治沖突的升級(jí)，對(duì)糧食生產(chǎn)、貿(mào)易等環(huán)節(jié)構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅，嚴(yán)重影響我國(guó)糧食安全的穩(wěn)定性。一是國(guó)際市場(chǎng)糧食可獲得性顯著下降。自烏克蘭危機(jī)暴發(fā)以來(lái)，俄羅斯、烏克蘭、阿根廷、哈薩克斯坦等多個(gè)糧食主產(chǎn)國(guó)相繼實(shí)施了糧食出口限制措施。雖然我國(guó)糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了“二十連豐”，2023年糧食播種面積達(dá)到17.85億畝，總產(chǎn)量達(dá)到6.95億t，但當(dāng)前糧食生產(chǎn)體系下的生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到階段性的峰值，國(guó)際市場(chǎng)的不確定性仍是威脅我國(guó)糧食安全不可忽視的外部因素。二是國(guó)內(nèi)耕地資源面臨縮減壓力，根據(jù)2021年國(guó)務(wù)院公布的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)，我國(guó)耕地面積已降至1.28億hm²，與第二次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)相比減少了0.07億hm²，這一趨勢(shì)不僅限制了糧食生產(chǎn)的潛力，也影響糧食自給率的提升。2013年與2022年31省份耕地面積對(duì)比見下圖。三是糧食產(chǎn)銷區(qū)域的不平衡問題越發(fā)凸顯。我國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)中，僅6個(gè)省份能夠?qū)崿F(xiàn)糧食凈調(diào)出。原本保持產(chǎn)銷平衡的11個(gè)省份，已有9個(gè)省份的糧食自給率降至60%以下，7個(gè)糧食主銷區(qū)省份自給率不足25%，多重風(fēng)險(xiǎn)疊加對(duì)我國(guó)糧食安全產(chǎn)生沖擊。開發(fā)北方地區(qū)后備耕地，提高我國(guó)糧食安全保障水平的需求日益迫切。

▲31省份2013年與2022年耕地面積對(duì)比

3.資源不匹配帶來(lái)水資源約束趨緊

我國(guó)水資源空間分布存在顯著的不均衡現(xiàn)象。長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)，土地面積僅占全國(guó)的36.5%，卻擁有占全國(guó)總量81%的水資源，水資源相對(duì)豐富。而淮河流域及其以北地區(qū)，土地面積占全國(guó)的63.5%，但水資源僅占全國(guó)總量的19%，這些區(qū)域不僅是我國(guó)的主要糧食產(chǎn)地，也是能源的重要生產(chǎn)基地，缺水問題嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和能源發(fā)展。如黃河上中游的5個(gè)省份煤炭資源總量占全國(guó)的52.2%，累計(jì)原煤產(chǎn)量占全國(guó)的49.3%，一次能源產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的50%以上，同時(shí)這些地區(qū)的耕地面積和糧食總產(chǎn)量也分別占全國(guó)的17%和12%，然而該地區(qū)屬于嚴(yán)重資源性缺水區(qū)域，且受氣候和下墊面變化影響，近20年黃河水資源總量較歷史平均水平降低了8.7%。華北平原水資源總量?jī)H占全國(guó)的1.7%，人均水資源占有量不到全國(guó)的1/6，同時(shí)是我國(guó)重要的棉糧油生產(chǎn)地，為滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水的大量需求，地下水成為農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源，自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國(guó)面積大于50km²的地下水水位降落漏斗共37處，總面積4.73萬(wàn)km²，主要分布在華北平原、黃淮平原等北方地區(qū)，嚴(yán)重?fù)p害當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

4.高質(zhì)量發(fā)展對(duì)水-能-糧-生提出更高要求

2022年全國(guó)用水量5998.2億m³，農(nóng)業(yè)用水量為3781.3億m³，占用水總量的63.0%，大量的農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占了其他行業(yè)的用水份額，工業(yè)用水量?jī)H為968.4億m³，不足農(nóng)業(yè)用水量的1/3；生活用水量為905.7億m³，僅占總用水量的15.1%；而生態(tài)用水作為綠色可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，僅為342.8億m³，約為農(nóng)業(yè)用水量的1/12、總用水量的5.7%，遠(yuǎn)低于我國(guó)生態(tài)需水量要求。用水結(jié)構(gòu)不合理，第一產(chǎn)業(yè)用水量高，一方面導(dǎo)致大量水資源浪費(fèi)，另一方面使得我國(guó)水資源轉(zhuǎn)化為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的效率較低。隨著自然資源大量開采和氣候條件不斷惡化，未來(lái)發(fā)展不僅要關(guān)注經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，更要著眼于人與自然和諧共生。2024年印發(fā)的《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于加快經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的意見》中提出，要加快經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式，這要求我國(guó)未來(lái)用水結(jié)構(gòu)需向“高效低耗，生態(tài)友好”方向轉(zhuǎn)變，推進(jìn)水資源、糧食、能源一體化、全鏈條節(jié)約和全過程管理。

促進(jìn)水-能-糧耦合系統(tǒng)協(xié)同安全發(fā)展的相關(guān)建議

由于水資源的流通性和循環(huán)性，水不停地參與自然環(huán)境中一系列物理、化學(xué)、生物過程，并通過經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)廣泛流動(dòng)，所以在水-能-糧紐帶關(guān)系中，水資源是核心要素，其合理開發(fā)與利用對(duì)保持自然水循環(huán)健康功能，以及支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展、維護(hù)能源與糧食安全具有至關(guān)重要的作用。我國(guó)作為水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，面臨著水資源時(shí)空分布不均、與經(jīng)濟(jì)社會(huì)要素不匹配等多重挑戰(zhàn)。因此，依據(jù)區(qū)域自然資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，全面考慮國(guó)家和區(qū)域戰(zhàn)略定位，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與規(guī)模，實(shí)現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用，是推進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1.西北資源富集地區(qū)：嚴(yán)格“四水四定”，完善水權(quán)交易機(jī)制，加快推進(jìn)南水北調(diào)西線工程

西北地區(qū)土地資源豐富，光熱條件適宜，礦產(chǎn)和能源資源富集，東連亞太經(jīng)濟(jì)圈，西鄰歐洲經(jīng)濟(jì)圈，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的關(guān)鍵區(qū)域，極具發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r(shí)，該地區(qū)也是我國(guó)水資源最為緊缺、生態(tài)系統(tǒng)最為脆弱的地區(qū)。建議嚴(yán)格落實(shí)以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)“四水四定”，根據(jù)水資源承載能力，對(duì)水資源短缺、水資源過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)劃定灌溉面積控制紅線。對(duì)采取種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和強(qiáng)化節(jié)水措施后仍無(wú)法滿足灌溉和生態(tài)環(huán)境用水需求的地區(qū)，要進(jìn)一步通過推廣耐旱作物種植、實(shí)施生態(tài)修復(fù)等多元有效策略減少灌溉面積。

針對(duì)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比重較大，但用水效率和效益相對(duì)低下，而工業(yè)和城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)水資源的需求難以保障等情況，建議充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，推動(dòng)水資源從豐水區(qū)域向缺水區(qū)域、從利用效益低的使用者向效益高的使用者轉(zhuǎn)讓，保障高效益行業(yè)的用水需求，創(chuàng)新能源產(chǎn)業(yè)反哺區(qū)域、反哺農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)效機(jī)制，在水權(quán)交易中切實(shí)保障農(nóng)民權(quán)益，讓能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大程度、最大范圍惠及民生。

此外，建議加快推進(jìn)南水北調(diào)西線工程，完善優(yōu)化南水北調(diào)西線工程規(guī)劃方案，為黃河上中游、河西走廊和新疆等西北干旱地區(qū)提供穩(wěn)定的水資源保障。將供水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為推動(dòng)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，不僅有望改變西部大面積荒漠的狀態(tài)，構(gòu)筑穩(wěn)定的生態(tài)屏障，還為大面積開發(fā)后備耕地、解決國(guó)家糧食安全問題提供了可能，也將為大規(guī)模開發(fā)西部能源資源，支撐哈密國(guó)家級(jí)現(xiàn)代綜合能源產(chǎn)業(yè)化示范基地、寧東能源化工基地、庫(kù)布其沙漠鄂爾多斯中北部新能源基地、榆林國(guó)家級(jí)能源化工基地和華能隴東能源基地等多個(gè)能源工業(yè)基地的建設(shè)，以及促進(jìn)東西部地區(qū)的均衡發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.京津冀地下水超采地區(qū)：優(yōu)化糧食安全基本定位，強(qiáng)化水與能源的協(xié)同調(diào)控，推進(jìn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展

京津冀地區(qū)是我國(guó)人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)擾動(dòng)最為強(qiáng)烈、水資源承載壓力最大、水資源安全保障難度最高的區(qū)域。為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略任務(wù)，該地區(qū)不得不長(zhǎng)期超采地下水、擠占生態(tài)用水。為此，建議嚴(yán)格控制水資源消耗強(qiáng)度，調(diào)減地下水嚴(yán)重超采區(qū)的糧食生產(chǎn)任務(wù)。從可持續(xù)利用角度出發(fā)，統(tǒng)籌地下水保護(hù)與糧食安全的關(guān)系，在地下水嚴(yán)重超采區(qū)調(diào)減糧食生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)，控制地下水灌溉面積和取用量，并實(shí)施大規(guī)模的輪耕休耕等制度。對(duì)于缺乏地表水替代的深層地下水灌區(qū)，應(yīng)逐步取消深層地下水灌溉，將深層地下水作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備水源，切實(shí)避免短視和破壞性的地下水利用方式。

建議加強(qiáng)水資源與能源綜合管理，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)水與能源協(xié)同調(diào)控。京津冀地區(qū)社會(huì)水循環(huán)全過程的能耗占地區(qū)能源消費(fèi)總量的12%，其中地下水開采的總耗能每年超過40億kW·h。由于地下水水位下降，每度電可開采的水量已由20世紀(jì)80年代的8m³減少到不足1m³，生產(chǎn)1kg糧食所需的灌溉水量由1m³減少到0.4m³，但灌溉的耗電量卻由0.12kW·h增加到0.45kW·h。隨著南水北調(diào)中線工程的通水，受水區(qū)地下水開采的耗能將由現(xiàn)狀的每年63億kW·h減少到每年不到40億kW·h。在京津冀協(xié)同發(fā)展的框架下，應(yīng)深化研究水與能源的紐帶關(guān)系，打破部門約束，加強(qiáng)水與能源的綜合管理。

3.東北糧食增產(chǎn)地區(qū)：拓展糧食生產(chǎn)空間，切實(shí)保護(hù)好地表和地下水資源，維護(hù)健康的自然水循環(huán)系統(tǒng)

東北地區(qū)是我國(guó)最重要的商品糧生產(chǎn)基地和糧食增產(chǎn)區(qū)域。在水資源承載力范圍內(nèi)，應(yīng)挖掘糧食產(chǎn)能提升的空間與潛力，同時(shí)嚴(yán)格控制水資源開發(fā)利用強(qiáng)度，防止出現(xiàn)水資源破壞性開發(fā)利用現(xiàn)象。2000—2010年?yáng)|北地區(qū)的濕地?fù)p失速率急劇上升，是1990—2000年間損失率的2.8倍，而近20年大興安嶺南麓、三江平原和東三省各省會(huì)城市周邊等黑土區(qū)耕地面積凈增量達(dá)2000多km²，表明東北地區(qū)在墾荒過程中，耕地與林地、草地和濕地存在相互轉(zhuǎn)換。同時(shí)近20年?yáng)|北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加約78億m³。建議通過保護(hù)性耕作行動(dòng)和土地整治措施，穩(wěn)定現(xiàn)有耕地面積；充分利用東北地區(qū)水土資源匹配較好的優(yōu)勢(shì)，通過農(nóng)業(yè)和水利措施改造中低產(chǎn)田為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，適度發(fā)展灌溉面積，提高糧食單位面積產(chǎn)量，建設(shè)優(yōu)質(zhì)商品糧生產(chǎn)基地。

建議優(yōu)化區(qū)域水資源配置體系，科學(xué)確定水資源開發(fā)利用強(qiáng)度。在實(shí)施節(jié)水增糧行動(dòng)時(shí)，應(yīng)科學(xué)分析當(dāng)?shù)厮�資源承載能力，合理開發(fā)地下水，推廣種植低耗水品種，實(shí)施水分適度虧缺的灌溉模式，發(fā)展田間節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水利用效率，避免地下水超采及其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題。此外，確保土地利用規(guī)劃與水資源可持續(xù)利用相協(xié)調(diào)，加強(qiáng)地表水和地下水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警工作，建立完整的取水許可與實(shí)際用水監(jiān)管鏈條。

4.南方水資源豐沛地區(qū)：深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，統(tǒng)籌規(guī)劃“水風(fēng)光儲(chǔ)”一體化開發(fā)，提升南北方資源適配度

隨著我國(guó)南北方糧食生產(chǎn)格局的重大變化，“北糧南運(yùn)”現(xiàn)象伴生了農(nóng)業(yè)虛擬水“北水南調(diào)”，勢(shì)必對(duì)缺水的北方地區(qū)水資源和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。建議穩(wěn)定南方糧食生產(chǎn)能力，減輕北方缺水地區(qū)糧食生產(chǎn)壓力。著重從調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局入手，在國(guó)家主體功能區(qū)建設(shè)背景下，在南方地區(qū)實(shí)施糧食增產(chǎn)計(jì)劃，培育糧食增長(zhǎng)新動(dòng)能，重點(diǎn)在江蘇、湖北、湖南、四川、江西、安徽等地加大灌區(qū)節(jié)水改造力度，劃定一批主產(chǎn)糧市、主產(chǎn)糧縣，打造一批能夠提供穩(wěn)定糧源的區(qū)域。

對(duì)于南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，應(yīng)按照“藏糧于地”的要求，實(shí)施土地管理措施和農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)有的土地資源，以確保糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。在有條件的地區(qū)新增耕地面積，補(bǔ)充因水資源緊缺地區(qū)壓減灌溉面積而減少的糧食綜合生產(chǎn)能力。此外，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到糧食貿(mào)易伴隨的虛擬水流通帶來(lái)的水資源配置不合理問題，將實(shí)體水與虛擬水統(tǒng)籌管理，建立豐水與缺水地區(qū)的區(qū)域間虛擬水補(bǔ)償制度。

以西南水電基地為重要節(jié)點(diǎn)，做好風(fēng)能、太陽(yáng)能資源的普查工作，精準(zhǔn)掌握資源空間分布與開發(fā)潛力。依托國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)，深入開展西南地區(qū)的“水風(fēng)光儲(chǔ)”一體化規(guī)劃、開發(fā)、運(yùn)行、送出與消納等系統(tǒng)研究，形成科學(xué)合理的開發(fā)布局和時(shí)序安排。統(tǒng)籌推進(jìn)水風(fēng)光綜合基地開發(fā)建設(shè)，通過優(yōu)化資源配置，提高能源利用效率，構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能源需求，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

Abstract: Water constitutes the central element within the Water-Energy-Food (WEF) Nexus. To safeguard national food and energy security, it is essential to strengthen water resource management and ensure the coordinated safety development of water, energy, and food. Based on a comprehensive review of research progress on the WEF Nexus both domestically and internationally, as well as a scientific understanding of the fundamental principles of the WEF Nexus, this paper analyzes the prevailing issues in the development and utilization of water resources, energy, and food in various provinces of China. It reveals four major challenges facing the current development of the WEF Nexus: the growing energy demand intensifies the structural contradictions in energy security, increasing instability exacerbates food security risks, resource mismatches tighten water resource constraints, and high-quality development imposes higher requirements on water-energy-food-ecology systems. Targeted regional sustainable development models and strategies are proposed, tailored to regional characteristics and high-quality development goals. Research indicates that in resource-rich Northwest China, water scarcity can be alleviated through the “Four Waters and Four Determinations” policy, water rights trading, and water transfer projects. In the groundwater overexploitation areas of the Jing-Jin-Ji region, it is necessary to optimize the food security layout and strengthen the coordinated regulation of water and energy. In Northeast China’s grain production areas, food production space should be expanded while ensuring the rational development and utilization of water resources. In southern regions abundant in water resources, deepening agricultural supply-side structural reform and promoting integrated development of “Water-Wind-Solar-Storage” is essential. This research aims to provide scientific support and decision-making references for navigating towards a green, low-carbon, and sustainable development path.

Keywords: Water-Energy-Food Nexus; collaborative safety; resource endowment; supply-demand ratio; sustainable development

本文引用格式：

王浩，姜珊，朱永楠，等.中國(guó)水-能-糧耦合系統(tǒng)協(xié)同安全發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)水利，2024（17）：1-8.

責(zé)編｜王慧

校對(duì)｜董林玥

審核｜軒瑋

監(jiān)制｜趙洪濤