基于水-粮食-能源纽带关系与互动机理解析的水资源优化配置研究

There are complicated coupling relations and interactions between water, food and energy, and many studies have separated and broken the nexus which leads to the incomplete understanding and bring more difficulties for the overall planning. This research will carry out the collaborative effect among water-food-energy in a unified perspective, which will contribute to understanding the nexus between water-food-energy and provide scientific support for water conservation, energy saving and food increase. In this study, energy bases of the upper and middle Yellow River are chosen as study area, it is proposed to use virtual water tools for studying the relationship between food-energy, water-energy, and water-food, and further identify the interaction mechanism of water-food-energy. At the condition of steady water resources, a threshold system will be put forward; while a dynamic adjustment method will be also proposed according to the conditions of uncertain water resources. Based on these studies, we will explore how to distribute water resources between the food production in the irrigation area and energy industry.

水资源、粮食、能源之间存在复杂的耦合联系和互动关系，现有研究多将三者隔离开展研究，割裂三者之间的协同作用，不仅造成对其关系认识不全面，还给统筹规划带来困难。本研究以统一的视角开展水、粮食、能源的协同研究，有助于认识三者纽带关系，为节水、节能、增粮提供科学支撑。本研究以黄河上中游能源基地为研究区，拟采用虚拟水方法分别研究能源-粮食；能源-水；水-粮食关系，进一步科学解析水-粮食-能源互动机理，针对稳态水资源条件，提出阈值体系，针对不确定性水资源条件，提出动态调整方法，并在此基础上探索，水资源如何在能源产业和灌区粮食生产中分配。

黄河上中游是我国粮食主产区和能源富集区，也是水资源最为紧缺的地区，是我国水、粮食、能源关系最不协调的地区。项目在系统解析黄河上中游水、粮食、能源互动关系的基础上，对水-粮食-能源系统进行风险识别和协同安全评价；基于多区域投入产出表计算虚拟水流动情况，分析对黄河上中游地区的水资源压力的影响；利用GWAS模型预测4个情景可用于生产生活的区域水资源条件及供需态势，提出不同水平年刚性缺水与弹性缺水；提出黄河上中游水、粮食和能源协同发展的政策建议。研究成果可为实现黄河流域高质量发展提供理论支撑。取得成果如下：. （1）通过分析典型灌区、重点能源企业的用水效率，发现该地区灌溉有效利用系数处于国家平均水平，但能源产业用水效率已经达到国内外先进水平，常规节水潜力不大，应进一步重点侧重农业节水。基于社会水循环全过程能量耗散分析模型分析，发现该地区主要依靠黄河来水和本地地表水，水资源开发利用过程的能耗只占社会水循环总能耗的10%。. （2）近20年黄河上中游粮食和能源对水资源的竞争性从1级上升到2级；评价该地区水-粮-能系统安全风险，发现水-粮-能系统安全风险发生概率较小，发生极不安全的联合概率为0.10，处于较安全的联合风险率为0.72，但系统的协同性安全风险较大。. （3）黄河上中游在保障国家粮食、能源安全中的作用逐渐凸显，伴随粮食、能源产品输送到其他省份或出口的虚拟水流通量达到100亿m³，造成黄河上中游地区处于中高水压力状态（WSI大于0.4）。未来其粮食、能源输出区的定位不会变，但水资源可利用量和生态环境保护限制域粮食生产和化石能源开发，需有限增加灌溉面积。. （4）目前黄河上中游地区经济社会总体还处于中低发展水平，农业占比还相对较高，未来需水总量仍会持续增长。利用GWAS模型模拟黄河上中游能源基地4个情景方案的缺水量，发现2035年缺水约57.9-116.7亿m³，刚性缺水34.2-37.3亿m³；2050年缺水65.81-121.04亿m³，刚性缺水45.6-51.4亿m³。. （5）建议严格“以水定地”，控制灌溉面积总量和耗水产业规模；完善区域、产业间水权交易机制；一方面利用现有工程设施的挖潜配套与优化调度，将再生水、矿坑水、微咸水等非常规水源纳入水资源统一配置，增加供水能力；另一面建设水资源调配工程，提高能源基地供水保障能力。