水-能-粮纽带系统多维演变解析研究——以京津冀地区为例
摘要：水、能源和粮食是支撑人类社会生存和发展的重要基础资源，水-能-粮纽带系统间相互交织、依存与制约，单一政策改变可能引发“按下葫芦浮起瓢”的治理困境，且现状纽带系统多维演变缺乏机理及定量解析。基于此，解析水-能-粮纽带系统多维演变内涵，提出多维系统计算方法，以厘清单系统要素内部开发状况、双系统要素间利用状况、三系统间耦合安全状况，并应用于京津冀地区近20年定量演变解析。结果发现：京津冀水-能-粮单系统基本处于过度开发状态，高度依赖外部输入；双系统间利用水平显著提升，但仍存在优化空间；三系统需关注多系统耦合协同优化发展。为此提出以下政策建议：京津冀地区单资源系统内部需严控节流，从根本上扭转资源利用惯性；双系统间从结构技术双向调节提升效率，破解资源错配困局；三系统整体需外联内协优化重构耦合发展，以“系统协同”与“节流-开源动态平衡”结合为核心策略，使水-能-粮系统资源可持续发展。
01、引言
水、能源和粮食是人类生存和发展不可或缺的资源，水-能-粮纽带系统间相辅相成、相互依赖、相互竞争。根据已有研究显示，预计2050年全球人口约为90亿人，人口增长将导致粮食需求增加约50%，能源需求增加约80%，届时水问题也将变得紧迫，世界上75%的人口可能面临可用淡水短缺，水-能-粮资源安全平衡面临挑战。尤其自2011年波恩会议上正式提出水-能-粮纽带关系以来，相关研究已成为联合国、各国政府和学术界关注的热点。2015年联合国提出了一套全球性的行动计划——可持续发展目标（Sustainable Development Goals，简称SDGs），其中可持续发展目标2（消除饥饿）、目标6（提供清洁水和卫生设施）以及目标7（推动可负担的清洁能源）与水-能-粮直接相关，其余多项目标均与水-能-粮纽带关系间接相关。国际上越来越多管理者和决策者关注到水-能-粮协同发展的重要性。
梳理现阶段水-能-粮相关研究：研究尺度方面，当前主要针对全球、国家、城市以及家庭等尺度开展了宏观或精细化研究；研究方法方面，已有学者打破单系统建模片面性，开发出诸如CLEWs、WEF Nexus Tool 2.0、Q-Nexus、MuSIASEM、NexSym、PRIMA、WEFO等集成模型并引发较高关注；研究内容方面，大量研究集中于水-能-粮状态评价，诸如耦合协调水平、协同发展水平等。一些关键问题有待回答，诸如如何定量解析水-能-粮各自系统、两两系统以及三者间开发、利用、消耗之间的变化特征，水-能-粮纽带系统间存在什么样的演进、转化、平衡关系等，如何回答上述问题并定量揭示多维演变过程是现阶段研究空白。
基于上述考虑，本研究以解析水-能-粮协同发展内涵为基础，重点辨析了多维演变过程中内部、外部、时空、系统等维度内涵，提出水-能-粮纽带系统多维演变过程，旨在重点解析单系统-双系统-三系统间的变化传递关系。具体来看，主要为单系统要素内部开发状况、双系统要素间利用状况、三系统间耦合协调状况，并以京津冀近20年演变为例，开展全链条过程定量演变解析，旨在为推动水-能-粮纽带系统发展及多要素协同管理提供理论支撑。
02、理论阐述
1.影响因素解析
水-能-粮子系统耦合形成复杂系统，复杂系统内部充斥着耦合性、关联性、模糊性，既受单系统内部资源禀赋状况、供需不稳定的影响，又受经济社会发展状况、生产水平、发展政策等外部环境变化共同影响。气候变化、自然灾害、地质条件、生物活动等自然现象对各个系统内部产生影响，如气候变化导致降雨径流变化，径流不足使得供水紧张、农业减产，过多可能引发洪涝灾害，导致水土流失、农田涝渍、能源基地冲毁威胁能源安全等。复杂系统外部则主要受社会现象及生态环境的不确定变化影响，在人口增长、城市化、工业化等强人类活动因素驱动下，水资源短缺、粮食供给变化波动、能源需求愈加旺盛，影响水-能-粮复杂系统。
▲水-能-粮多维系统内涵解析
2.多维系统内涵解析
（1）时空维度
从系统论、协同论视角解析，水-能-粮多维演变受到时间、空间维度影响，其中时间维度包括不同季节之间、高峰期与低谷期之间以及长时间序列之间的变化，受不同季节降水、气温波动变化影响，水电、农业灌溉及能源需求随之变化，如夏季用电、冬季取暖高峰，造成能源调配复杂。从长时间序列看，气候变化、人口增长、经济发展使三者的供需格局持续演变，加剧资源变化。空间维度则涵盖了区域内外、流域之间以及省内省际之间的差异，水资源在区域内外、流域之间分布不均，南方优于北方，东部优于西部。能源生产和消费存在显著空间差异，西北地区土地资源丰富，光热条件适宜，矿产和能源资源富集，西南地区水电、风能、太阳能开发潜力较大，区域内部和省际间差异动态变化。粮食生产也呈现空间分异，到20世纪90年代初，南北方产粮比例开始逆转，北方粮食产量逐步超越南方，形成了“北粮南运”的格局。
（2）系统维度
系统维度则随着对水-能-粮各个系统及演变过程的不断深化，主要为三个阶段。
第一阶段，水、能、粮单个系统已引发各学科学者重视，究其原因是单个系统内部关系已较为复杂，如水资源单系统内部涉及自然水循环的大气、坡面、地下、河道等自然水循环过程，社会水循环涉及取水、输水、用水、耗水、排水等社会水循环过程，摸清水资源单系统过程已经较为复杂。为此该阶段侧重于单系统开发状况解析。
第二阶段，伴随着人类活动的逐渐增多，研究者开始关注强人类活动影响下的关键过程，着重探讨系统内部起到关键作用的双要素利用状况，如水-能、水-粮等双系统内部机理，该阶段注重两两系统之间利用效率水平，如尽可能提升水-能、水-粮、粮-能两两系统间的利用效率。
第三阶段，随着在水-能-粮时间及空间上的深入研究，水-能-粮资源间关联、竞争、依存关系越来越显著，相关研究已经不再局限于前期简单的水-能-粮单系统或双系统协同，亟须综合考虑不同资源、不同区域间相互竞争、重叠和交叉，若一味秉持本土思维方式，难以实现在区域规划和管理上的目标。基于这样的背景，“水-能-粮三维耦合系统协同”研究成为必然趋势。
（3）发展目标
水-能-粮系统发展过程涉及不同资源、不同尺度、不同行业、不同部门，终极目的是保障资源安全和满足人民生活需求，通过资源的整合和优化配置，实现水-能-粮各类要素在时间上空间上协同发展。
3.多维系统计算方法解析
研究水、能源、粮食开发利用与消费通量规律，揭示水-能-粮系统纽带关系，提出水-能-粮单系统-双系统-三系统多维演进过程解析，具体为单系统各要素内部开发安全状况、双系统两两要素间利用效率状况、三系统间耦合安全状况，为构建水-能-粮多维系统演进提供理论基础。其中，单系统开发安全状况主要表现在各系统内部，各子系统内部尽可能保证数量与质量充分安全，各子系统内部资源开发安全指数越高，水-能-粮系统越趋于安全。双系统利用效率状况主要表现在两两系统之间，伴随着社会生产过程，水-能、水-粮和能-粮间既存在着竞争关系又存在着合作关系，因此从两两系统间转化效率角度分析，使水-能-粮系统间的资源配置效率得到优化。协同效率水平越高，资源配置和利用效率越高，水-能-粮系统越趋于安全。除需要保障基本的水-能-粮系统供给安全外，更应注重三者间的耦合协同作用。因此，三系统耦合安全状况为一种全局性、系统性安全状态。在这种状态下，水-能-粮系统三者之间的互馈协调更加顺畅。通过选取具有代表性的指标，构建水-能-粮系统耦合安全综合指标体系，运用耦合安全协调度模型解析水-能-粮系统耦合安全协调水平，并计算单系统边缘分布函数以及二维和三维联合分布函数，从而评估水-能-粮耦合系统安全联合风险概率，旨在发现水-能-粮系统协同安全存在的问题，保障区域水-能-粮资源安全。
▲水-能-粮多维系统演变概念
（1）单系统开发状况计算方法
深入解析本地区水、能源、粮食资源开发生产状况，即明晰本地区的资源“盘子”大小。首先摸清资源的种类、数量、分布等家底，有助于制定科学合理的资源开发和利用策略。确保资源的可持续利用，避免过度开采和浪费，从而维护资源的长期稳定性。其次通过对资源开发生产状况的深入了解，可以发现资源利用中的瓶颈和短板，进而提出改进措施，提高资源利用效率。由此，考虑能够表征开发生产状况的资源开发指数计算公式如下：
式中，WEF−R指水-能-粮系统资源安全指数；WEFi（D）分别表示水资源、能源、粮食（i=1，2，3）的需求总量；WEFi（S）分别表示水资源、能源、粮食（i=1，2，3）的本地供应总量。该指标大于1则表明本地资源不能够支撑需求，等于1则表明本地资源恰好能够支撑需求，小于1则表明本地资源能够支撑需求，并且存在冗余的匹配空间。
（2）双系统利用状况计算方法
从利用效率方面解析水-能-粮纽带关系两两过程演进变化状况，主要包括粮食生产耗水、能源生产耗水、粮食生产耗能、水提取及运输过程中的耗能、粮食转化为生物质能等。
①水资源系统
a.粮食生产耗水
粮食生产水足迹主要包括蓝水足迹和绿水足迹，主要农作物为小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类。蓝水足迹是指在粮食生产过程中农作物对区域地表水或地下水的消耗量；绿水足迹则通常指粮食生产过程中消耗的降水及储存在作物中的水。主要计算公式如下：
式中，Wi,blue、Wi,green表示区域i种作物生产蓝水、绿水足迹（亿m³）；IRi和Si,IR分别表示i种作物面积灌溉用水（m³/hm²）和粮食灌溉面积（khm²）；Pi为i种作物有效降水量（mm）；Si表示区域i种作物播种面积（khm²）；∂i为i种作物复种指数。
b.能源生产耗水
人类社会生活和生产中的主要能源为原煤、原油、焦炭、天然气、电力。能源水足迹计算主要分为直接水足迹和间接水足迹两部分，直接水足迹是指能源生产过程中所消耗的水资源量，间接水足迹是指在该过程中所投入的物质资料所消耗的水资源量。直接和间接水足迹主要考虑蓝水和灰水足迹，其中蓝水足迹是指在能源生产过程中对地表径流及地下水资源的使用量，灰水足迹是指将能源生产过程中排放的污染物吸收同化所需要的淡水体积。相关计算公式如下：
式中，WE表示能源水足迹（亿m³），Wdirect、Windirect分别指直接水足迹和间接水足迹（亿m³）；Wblue,direct、Wgrey,direct分别指直接蓝水足迹和直接灰水足迹（亿m³）；Wblue,indirect、Wgrey,indirect分别指间接蓝水足迹和间接灰水足迹（亿m³）。
②能源系统
a.粮食生产耗能
粮食生产中的能源投入分为直接能源投入和间接能源投入，直接能源投入包括使用农业机械或抽水灌溉过程中的燃料（如柴油、机油）和电力，间接能源投入有化肥、农药、农膜等。本文选择柴油、电力、化肥、农药和农膜这五类投入，以估算粮食生产过程中的能源消耗。其计算过程如下：
式中，EF为粮食生产总耗能；FEj为第j类粮食作物耗能；FSj为第j类粮食作物的播种面积；CY、DL、HF、NY、AP分别为单位播种面积的柴油、电力、化肥、农药和农膜投入量；N1、N2、N3、N4、N5分别为柴油、电力、化肥、农药和农膜的能耗系数。
b.水提取及运输过程中的耗能
水提取及运输过程中的耗能主要体现在为满足人类活动需求而进行人工干预的社会水循环过程，具体而言为取水、供水、用水、排水等过程中伴生的能源消耗。取水过程包括地表取水与地下取水，其中地表取水包括提水和调水。其计算过程如下：
式中，WE取、WE地表提、WE地表调和WE地下抽分别表示取水、地表提水、地表调水和地下抽水工程的耗能（kW·h）。
供水系统耗能主要包括制水和输配水耗能，而制水耗能又可按照水源不同，细分为常规水制水耗能、海水淡化耗能、再生水处理耗能。其计算过程如下：
式中，k常规为常规制水厂的平均单位制水能耗（kW·h/m³）；WE供、WE常规水、WE海水淡化和WE再生水分别表示供水、常规水供水、海水淡化供水和再生水供水的耗能（kW·h）。
用水耗能分为家庭用水耗能、公共用水耗能、工业用水耗能。其计算过程如下：
式中，WE用、WE家庭、WE公共和WE工业分别表示用水、家庭用水、公共用水和工业用水的耗能（kW·h）。
污水收集耗能主要与水泵扬程和效率有关。其计算过程如下：
式中，WE排为污水收集耗能（kW·h）；M为经水泵提升的污水量（m³）；H为水泵扬程（m）；n为水泵平均效率（%）。
③粮食系统
能源与粮食转换-生物质能是一种重要的可再生能源，它直接或间接来源于植物的光合作用，通常取材于植物秸秆、生活垃圾及畜禽粪便等。主要计算步骤为：估算粮食作物秸秆资源数量；依据各种粮食作物秸秆的折标系数，将粮食作物秸秆资源量折合成标准煤；折算最终粮食作物转化的生物质能资源量。
上述3式中，SCF为粮食作物秸秆可收集资源总量；FSCj为第j类粮食作物秸秆可收集资源量；SCEF为粮食作物秸秆可收集能源总量；ηj为第j类粮食作物秸秆的折标系数；FE为粮食作物秸秆转化的生物质能资源总量；EFj为第j类粮食作物秸秆转化的生物质能资源量；FSCEj为第j类粮食作物秸秆可收集能源量；根据已有华北地区粮食作物秸秆利用去向研究，将利用比例定为0.45。
（3）三系统耦合状况计算方法
三系统选取具有代表性的指标，具体参考作者已有研究结果，构建水-能-粮耦合安全综合指标体系，选取能够表征单系统内部资源安全状况的可靠性指数，两两系统之间反映利用效率的协同性指标，三系统面对外界压力、风险、环境等冲击扰动的抗风险韧性指标，运用耦合协调度模型解析水-能-粮系统耦合安全水平，并计算单系统边缘分布函数以及二维和三维联合分布函数，从而评估水-能-粮耦合系统安全联合风险概率。
（4）数据来源
水文及水资源数据主要来源于《中国水资源公报》、区域水资源公报，能源数据主要来源于《中国能源统计年鉴》《中国电力统计年鉴》等，粮食数据主要来源于《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》等，经济社会数据源于《中国统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》《中国城市统计年鉴》等。
03、案例研究
1.研究区概况
京津冀总面积为21.6万km²，地处我国华北地区，作为中国北方的重要经济中心，其战略地位十分重要，肩负带动北方地区发展的重任。受首都政治地位虹吸作用影响，京津冀地区经济发达、人口聚集，为资源消耗聚集区，目前人口数量已超过1亿人，以占全国2.3%的总面积养活约全国8%的人口，大量涌入的人口和产业使资源、能源和粮食需求压力不断增加。从水资源、能源、粮食各个系统来看，京津冀地区水资源开发利用率高达70%，虽然南水北调中线一期工程缓解了部分压力，但至2035年仍需新增调水46.2亿~60亿m³才能维持供需平衡，表明水资源自身矛盾突出。能源问题主要表现为过度依赖煤炭（占比超60%），清洁能源消费比重低，能源利用粗放且效率不高。粮食问题则源于耕地资源减少与水资源短缺的双重约束，粮食生产稳定性受威胁，需依赖外调农产品。同时，多系统间存在诸如能源生产（如火电冷却、生物质能灌溉）与粮食种植等对水的刚性需求，加剧了资源竞争，形成“以水定产”的硬约束。能源价格波动通过化肥成本传导至粮食生产，生物能源扩张（如玉米乙醇）又加剧了水资源消耗（每生产1L乙醇需2700L水），此类跨系统反馈使单一政策改变可能引发“按下葫芦浮起瓢”的治理困境。京津冀地区水-能-粮系统呈现脆弱性与复杂性，亟待通过跨学科研究揭示其内在关联，构建协同调控机制。这不仅关乎区域可持续发展，更是保障国家资源安全与生态文明建设的关键环节，推动从“孤立治理”向“系统治理”转型。
2.演变状况
计算京津冀地区2000—2020年水-能-粮的单系统资源开发指数，计算结果表明京津冀地区水资源、粮食处于过度开发状态，能源开发指数基本处于50%左右，受电力需求波动等影响，能源开发指数基本处于45%～60%之间。因此，京津冀地区本地水资源、粮食及能源对外依赖程度较高。
▲京津冀地区2000—2020年水-能-粮资源开发状况
（1）单系统演变状况
①水资源系统开发状况
根据计算，2000—2020年京津冀地区水资源开发指数呈现下降趋势，由最高值接近2.6降至最低值1左右，主要由于京津冀地区水资源受禀赋条件限制影响一直处于超采状态，至2015年这一状态有所改善。整体来看，京津冀用水量基本维持在250亿～277亿m³，用水结构变化较为显著，地下水用水量整体呈现缓慢下降趋势，由2000年的215亿m³降至2020年的104亿m³，下降约一半，外调水量增长较为显著，由2000年的8亿m³增至2020年的60亿m³，增长6.5倍，外调水占比由2000年的3%增至2020年的24%。以较为典型的北京为例，北京2000—2020年水资源开发指数由最高值1.6降至最低值0.98，主要表现为2013年前地下水用水量远超过地下水可开采量，地下水开发利用严重超载。
▲京津冀地区及北京市2000—2020年水资源供给变化状况
②能源系统开发状况
能源开发水平基本稳定，受技术水平及电力日均、年际需求波动影响导致京津冀地区电厂运行效率仅为50%左右，其中北京最低为45%，而天津、河北效率相对较高，可达54%。京津冀地区2000—2020年能源生产量总体呈现先增加后缓慢下降趋势，按照吨标准煤当量，能源生产总量从1.1亿tce增加至2.4亿tce，增长约1倍。其中，煤炭生产量逐步下降，占比由2000年的40%降至2020年的15%。电力生产量增长较为显著，由2000年的1474万tce增至2020年的5719万tce，增长约4倍，占比由2000年的13%增至2020年的24%。北京市能源生产量总体呈现先增加再波动减少的趋势，自2001年起北京启动能源结构调整，至2020年能源生产结构变化显著，煤炭、焦炭生产量逐步下降为0，占比分别由2000年的26%、25%降至2020年的0%。
▲京津冀地区及北京市2000—2020年能源开发变化状况
③粮食系统开发状况
耕地是粮食生产的基础，京津冀三地2000—2020年年平均粮食开发指数分别为0.99、1.01、1.18，其中河北粮食复种指数较高。2000—2020年三地粮食生产量总体呈现缓慢增加趋势，从1.03亿t增加至1.2亿t，河北约占增量的90%。北京自提出农业功能逐渐向都市型现代农业转型政策以来，粮食生产量快速下降，农作物生产量由2000年的144万t降至2020年的30万t，蔬菜生产量降幅最为显著，由2000年的466万t降至2020年的137万t。
▲京津冀地区及北京市2000—2020年粮食开发变化状况
（2）双系统演变状况
利用水平表征两两系统间的效率状况，受生产效率与技术等诸多因素影响，旨在定量解析水-能、水-粮、能-粮利用效率，考虑实际情况具体划分为水系统粮食生产耗水、能源生产耗水、能源系统粮食生产耗能、社会水循环耗能、粮食系统生物质能共计5部分。采用水足迹方法开展相关计算，粮食生产水足迹主要包括蓝水足迹和绿水足迹，主要农作物为小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类。能源水足迹计算主要分为直接水足迹和间接水足迹两部分，直接和间接水足迹主要考虑蓝水和灰水足迹，主要能源为原煤、原油、焦炭、天然气、电力。
从粮食耗水来看，2000—2020年京津冀地区单位粮食生产水足迹从最高值1.6m³/kg降至0.8m³/kg，耗水量减少一半。京津冀地区年均总水足迹约为280亿m³，受降水影响年际间总水足迹在200亿m³到429亿m³之间波动。主要作物玉米、小麦、豆类、薯类和稻谷多年平均年总水足迹分别占50%、35%、9%、4%和3%，玉米、小麦占比较大，累积超过85%。
▲京津冀地区2000—2020年不同农作物水足迹及单位粮食产量水足迹
从能源耗水来看，单位能源生产蓝水足迹从最高值68m³/tce降至约20m³/tce，降幅约70%。京津冀地区不同能源多年平均蓝水足迹约为40亿m³，其中火力发电蓝水足迹多年平均约为22.6亿m³，占能源蓝水足迹的57%。焦炭多年平均蓝水足迹约为7.8亿m³，占19%。其次为原油，多年平均蓝水足迹约为6亿m³，占15%。原煤、天然气、水力发电平均蓝水足迹相对较小，分别占4%、1%、4%。根据计算，北京、天津、河北各地区水足迹占比分别为14%、14%、72%。
▲京津冀地区2000—2020年不同能源类型蓝水足迹及单位蓝水足迹
从粮食耗能来看，单位粮食生产耗能从最高值0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，降幅约为一半。京津冀粮食生产年均耗能约为490亿tce，年际间总耗能在332亿tce到670亿tce之间波动。其中柴油耗能占比最大，为62%，电力、化肥、农药分别占18%、16%、4%。从不同作物来看，主要作物玉米、小麦耗能最大，累积占比超过90%，分别占比50%、41%。豆类、薯类和稻谷多年平均年耗能分别占3%、4%、2%。北京、天津、河北各地区水足迹占比分别为2%、5%、93%。
▲京津冀地区2000—2020年粮食单位耗能状况
从社会水循环耗能来看，单位人均社会水循环耗能从最高值0.73tce降至0.46tce，效率有所提升。京津冀社会水循环年均耗能约为5394万tce，年际间总耗能在3464万tce到6402万tce之间波动。其中用水耗能占比最大，占85%，取水、供水、排水分别占4%、8%、2%。北京、天津、河北各地区水足迹占比分别为37%、9%、54%。从用水耗能较多的用水端系统来看，京津冀社会水循环年均耗能约为4585万tce，年际间总耗能在2937万tce到5456万tce之间波动。其中用水耗能最多的为家庭端，耗能占比约为60%，生产耗能、公共耗能分别占16%、24%。北京、天津、河北各地区水足迹占比分别为39%、9%、52%。
▲京津冀地区2000—2020年社会水循环中用水耗能状况
从粮食生产生物质能来看，京津冀生物质能总量2000—2020年从759万tce升至1186万tce，增长约0.6倍，其中河北地区占比较大，约为95%。
（3）三系统演变状况
根据计算，2000—2020年京津冀地区的水-能-粮耦合安全指数呈现出明显的上升趋势。然而，各区域之间的安全水平存在显著差异。北京作为该地区的核心城市，水-能-粮耦合安全指数始终处于领先地位，多年平均值为0.63；自2000年以来，该指数均超过0.5，表明北京水-能-粮处于临界安全状态；值得注意的是，自2019年起，该指数已提升至0.7以上，表明北京市水-能-粮耦合安全水平得到提升。天津市水-能-粮耦合安全指数多年平均值为0.62，略低于北京，但在2000年后同样超过0.5，且在2017年后达到0.7。整个京津冀地区水-能-粮耦合系统安全指数多年平均值为0.57，安全水平低于北京和天津。特别是河北地区安全水平最低，在2000—2014年间，该指数均低于0.5，表明河北这一阶段水-能-粮耦合系统安全面临较大的挑战。尽管自2014年后，河北地区该指数有所提升，超过0.5，但直到2020年仍低于0.6，处于临界安全状态。因此，从整个京津冀地区视角来看，河北成为了水-能-粮耦合系统安全的短板，需要更多的关注与投入以改善其安全状况。京津冀地区可靠性-协同性-韧性三维联合分布达到较安全水平的概率最大为0.723，北京、天津、河北三维联合分布达到较安全水平的概率分别为0.718、0.693、0.653。这表明区域可靠性、协同性和韧性三者之间需协同合作、相互促进，如果发展不均衡或者是整体水平较低，会阻碍三者耦合系统安全。
▲京津冀地区2000—2020年水-能-粮耦合系统安全风险状况
3.存在问题
（1）单系统资源过度开发
水资源短缺、供用水结构不合理、地下水超采等问题影响水安全。京津冀属水资源短缺地区，水资源总量不足，人均仅占全国1/9，地表水资源衰减58%，水资源开发利用率超过70%，长期依赖外调水。用水结构不合理使得地下水超采问题严重，农业用水占比过高（接近60%），挤占生态与生活用水，同时导致地下水超采严重，年均挤占河湖生态用水量达15亿m³，累计超采1500亿m³，形成20多个漏斗区。随着生态补水等政策实施，2018—2023年华北平原区浅层地下水水位平均回升2.59m，但90个县区仍存在超采问题。
能源消费结构仍以煤为主，其中河北对煤炭依赖程度最高。近20年受经济规模持续扩张影响，工业生产（尤其河北钢铁、焦化产业）和服务业快速发展推高能源需求，使得京津冀能源消费总量从2000年约3.6亿t标准煤增至2023年4.8亿t。能源结构以传统能源为主，通过产业结构调整，京津冀煤炭消费占比从2000年的70%降至2023年的61.4%，但占比仍然较高，北京和天津两地通过能源结构调整大幅降低煤炭依赖，煤炭消费占比分别降至15%和35%以下。而河北因重工业占比高、依赖程度较高，降幅相对较小，煤炭消费占比约50%。
作为我国重要的粮食生产区，北京粮食产量降幅显著，河北承担着京津冀地区80%以上的粮食供应任务。北京和天津粮食自给率较低，2023年粮食自给率分别仅为4.3%和45.1%，尤其是北京作为特大城市，主要依靠外部输入来满足本地居民的粮食需求。河北作为全国13个粮食主产区之一，2023年粮食自给率高达128%，可供应给北京、天津地区，但河北存在地下水超采等问题，威胁粮食生产安全。
（2）双系统效率仍待提升
单位水足迹效率提升但仍受水资源波动影响，水-土资源不匹配。尽管京津冀地区单位粮食生产水足迹已从1.6m³/kg降至0.8m³/kg，耗水量减少一半，但总水足迹仍在200亿m³左右波动，尤其在干旱年份，水资源短缺对粮食生产的影响更为显著，玉米和小麦作为主要粮食作物，耗水量大，对水资源依赖度高，可能进一步加剧水资源压力，继而加重地下水超采。此外，河北农业种植区域与地下水漏斗区高度重合，粮食生产集中区域地下水超采严重，导致水土资源不匹配。
火力发电耗水占比较高，水-能资源不匹配。火力发电是京津冀地区主要耗水领域，蓝水足迹占比达57%，灰水足迹占比达85%。河北作为能源生产大省，水足迹占比高达72%，而北京和天津分别为14%。火力发电的高耗水特性加剧了水资源短缺，尤其是河北作为火电装机大省，需大量抽取地下水或超采水源以满足发电需求，导致地下水水位下降和生态恶化，存在水能资源不匹配问题。
京津冀地区社会水循环的能耗中用水耗能占比高达85%，且家庭端用水耗能占用水端比例高达60%，城市化进程中家庭用水电气化水平提升与节能节水技术不足矛盾突出。从结构上看，社会水循环能耗中用水耗能占比高达85%，而取水、供水、排水的耗能分别仅占4%、8%和2%。随着城市人口聚集和生活水平提高，家庭用水设备（如热水器、洗衣机等）的电气化需求激增，但节水节能器具和智慧化管理技术推广滞后，导致单位用水能耗较高。
单位粮食能耗存在优化空间。从作物来看，京津冀地区主要粮食作物玉米和小麦的耗能占比超过90%，其中玉米占50%，小麦占41%，而豆类、薯类和稻谷的耗能占比极低，分别为3%、4%和2%。从区域来看，北京、天津和河北的粮食生产耗能中，河北占比最高，为93%，而北京和天津分别占2%和5%，河北地区亩均农用机械总动力达12kW，超出全国平均水平20%，高能耗直接推高农业生产成本。从单位能耗来看，京津冀粮食生产总耗能在332亿tce到670亿tce之间波动，单位粮食生产耗能虽从0.23kgce/kg降至0.1kgce/kg，未来仍有进一步优化空间。
生物质能方面，资源利用率低。资源分布不均衡使得生物质资源分布不均，北京生物质资源产量有限，难以满足规模化发展需求，而河北虽有丰富的生物质资源，但资源利用效率较低。技术水平有待提升，生物质能利用技术尚未完全成熟。基础设施不足，农村地区基础设施薄弱，影响清洁能源的获取和推广，制约了生物质能的高效利用。生物质能项目对资金投入要求高，设备维护、技术研发和生产运营成本较高，且原料供应渠道不稳定，成本与收益问题影响企业规模化效益。
（3）三系统耦合存在短板
从系统耦合角度分析，京津冀地区单系统资源禀赋可靠性较差，主要受自然约束与人为超载叠加共同影响。协同效率水平有一定提升，但仍面临结构性短板和资源错配问题。根据京津冀可靠性-协同性-韧性三维联合分布计算，达到较安全水平的概率为0.723，表明整体水平较低，会阻碍三者耦合协同安全，尤其河北是京津冀水-能-粮耦合系统安全的明显短板，协同性、韧性水平均处于区域最差状态，韧性指数最差，仅为北京的2/3，是未来水-能-粮协同发展的重点。
4.政策建议
（1）单系统内部严格节流优先
基于资源本底条件较差这一现实情况，京津冀水-能-粮各系统应先从节流优先做起，破解“资源透支”恶性循环。根据已开展的相关研究分析，在资源禀赋较差地区开展节流边际效益更高。如水资源方面，农业滴灌技术可降低亩均耗水40%（从500m³降至300m³），将管网漏损率从15%压至8%则每年可节水5亿m³，成本低于调水工程（南水北调供水成本6元/t）。能源方面，提升工业能效（如钢铁余热回收）可使万元GDP能耗下降15%，相当于每年减少1500万t标准煤消耗，优于新建同等规模火电厂。行为模式重塑对缓解本地资源状况紧张问题尤为重要，过度依赖开源易陷入“供应增加—浪费加剧—更大缺口”的陷阱，节流有利于从根本上扭转资源利用惯性。
（2）双系统结构技术双向调节
水和粮食系统间注重调整种植结构，持续减少冬小麦面积，推广两年三熟制，同时精细化区域化调减蔬菜、水果种植规模以平衡水粮关系。地下水采补平衡是破解京津冀水资源困局的核心抓手，不仅有利于生态修复和水资源可持续利用，更关乎区域协同发展、防灾安全与经济转型。
水和能源系统间需要优化能源结构，减少高耗水能源生产规模，因地制宜调整能源生产结构，将河北煤炭消费占比降至60%以下，推广生物质能、氢能等低碳能源。同时，大力发展节水技术，提高水资源利用效率，推动河北钢铁、化工行业向沿海园区集中，优先利用非常规水源，实现水资源梯级利用，应对水-能关系不适配问题。
社会水循环耗能方面，提升城市供水系统效率，加强城市供水管网的维护和改造，降低供水管网漏损。优化泵站运行管理，提升泵站运行效率，降低提水过程中的能耗。南水北调中线等外调水工程的泵站能耗较高，需通过技术改造和智能化管理降低能源消耗。要求钢铁、石化等高耗水行业实施水效领跑者制度，推广循环水零排放技术。对年用水量超10万m³的工业企业强制安装智慧用水管理系统，逐步提升用水效率。制定对居民的节水激励机制，加快推进小区中水处理设施的建设和使用，大力推广智能水表、节水器具等，鼓励全民节约用水。
粮食耗能方面，优化农机装备结构，针对河北亩均农用机械动力不足的问题，推广高性能、低能耗的农业机械，提升机械化水平。推进农业科技创新，加强农业科技研发，推广节水、节肥、节药技术，提高粮食生产效率。例如，推广水肥一体化技术，减少化肥和农药的使用。推广太阳能、风能等可再生能源在农业生产中的应用，降低能源消耗强度。在河北等粮食主产区，推广高效节能的农业机械和灌溉设备，减少单位能耗。提高河北省亩均农用机械动力水平，重点推广节能型拖拉机和秸秆粉碎还田设备。
生物质能方面，推进多元化利用与规模化发展，提升技术水平并降低成本，加大对生物质能技术研发的支持力度，推动技术成熟与商业化应用，降低项目成本，提高企业效益。推动农村清洁能源转型，在农村地区推广清洁生物质能，如生物质成型燃料炉具、沼气等，改善农村能源消费结构，助力乡村振兴和“双碳”目标实现。
（3）三系统外联内协优化重构
面对资源禀赋薄弱与系统性失衡的双重挑战，京津冀地区需以“系统协同”与“节流-开源动态平衡”为核心策略。一方面，推动京津冀资源系统协同与空间要素协同发展，打破行政壁垒，将三地资源禀赋差异转化为互补优势。加强系统内部技术集成与资源嵌套利用，推动价值链重构，如建立水权-碳权-粮权交易市场，通过物质流、能量流、价值流的三重嵌套，将单一资源利用效率提升转化为系统级产出倍增。从“两两博弈”转向“三角稳定”，最终构建以系统韧性为核心的新型资源安全体系。
另一方面，京津冀地区水、能源、粮食资源供需的严重失衡，本质上源于本地资源禀赋与经济发展需求之间的结构性矛盾，典型的“资源严重不适配地区”需通过跨区域调配、技术创新和替代性资源开发实现系统优化，实现从“被动输血”到“系统再造”。京津冀需突破地理边界，构建“本地替代+跨区协同”的双轨模式，技术上发展海水淡化、再生水回用和农业节水等，制度上完善水权交易、生态补偿和虚拟水贸易机制等，空间上依托南水北调、西电东送等工程实现资源再平衡。唯有将外部援助转化为内生优化动力，才能破解资源错配困局。节流是“止损”的基础，开源是“求生”的保障，短期内需通过严格定额管理、技术创新和价格杠杆实现节流挖潜，将资源消耗控制在安全阈值内。中长期通过人口规模控制、基于“四水四定”合理确定区域功能定位、跨区域协同和战略储备建设实现优化重构与开源，二者形成“节流创造开源空间，开源支撑深度节流”的螺旋升级，走向可持续发展。
04、结论
水-能-粮是一个复杂系统，系统内要素众多、关系复杂，既相互联系又相互制约。解决水-能-粮资源分布不均、效率不合理、配置不协同等问题的科学基础是厘清庞杂的水-能-粮多维演变过程。本文以系统学、协同学理论为指导，分析了水-能-粮受时间、空间及资源影响的内涵，提出了水-能-粮多维演变既包括不同时间序列维度，又涵盖区域内外的空间序列维度，还包括单-双-三的系统维度。通过解析水-能-粮内涵本质，提出开展水-能-粮系统多维演变理论认知，明确需开展单系统要素开发状况、双系统要素间利用状况、三系统间耦合协调状况定量演变过程分析，以期为解析水-能-粮复杂系统内部-系统间-系统外部的多维演变提供理论基础和认知。
通过对京津冀单-双-三系统维度演变过程进行定量分析发现：单系统方面京津冀水-能-粮开发基本处于过度状态，依赖外部输入；双系统方面年际间利用效率显著提升，但仍存在水-土资源、水-能资源不匹配等问题，待继续优化潜力；三系统方面，资源禀赋可靠性较差，协同效率水平有一定提升，现阶段韧性能力较强。未来仍需在单资源系统内部严格节流优先，从节流优先做起，破解“资源透支”恶性循环，从根本上扭转资源利用惯性。双系统间从结构技术双向调节提升互馈协同效率，破解资源错配困局，实现资源利用效率倍增与抗风险能力跃升。三系统整体需外联内协优化重构耦合发展，针对京津冀资源禀赋薄弱与系统性失衡的双重挑战，坚持“系统协同”与“节流-开源动态平衡”核心策略，旨在打破资源赤字陷阱，推动可持续发展。
