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水 利 学 报

２０２２年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０６ － ０６５５ － １１

京津冀水资源－ 粮食－ 能源－ 生态协同调控研究Ⅰ：方法与模型

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常奂宇 １，２ ，赵 勇 ，桑学锋 ，李海红 ，何 凡 ，翟家齐 １
（１．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 １０００３８；
２．清华大学 水利水电工程系，北京 １０００８４）
摘要：京津冀是我国重要的粮食、能源消费地，但水资源已经成为制约区域粮食、能源和生态可持续发展的关键
要素。为优化水－ 粮－ 能－ 生系统间关系，实现水－ 粮－ 能 － 生关联视角下多水源协同调控，本文以 ＧＷＡＳ模型为基
础，通过改进水资源调配模块，添加粮食生产、能源消耗和层次化需水预测模块，构建了实现各系统关键要素传
递和互馈的水－ 粮－ 能－ 生协同调控模型。根据京津冀水 － 粮 － 能 － 生系统紧密耦合的特征，建立保障水安全、粮食
安全、低碳发展路径和生态健康的协同发展目标，提出了基于 ＮＳＧＡ － Ⅱ和耦合协调度的协同优化算法与综合协
同指数，以实现水－ 粮－ 能－ 生耦合系统协同调控方案优化求解。

关键词：京津冀；水－ 粮－ 能－ 生；协同调控；ＧＷＡＳ；综合协同指数
中图分类号：ＴＶ２１３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００６５

１ 研究背景

水、粮食、能源是人类生存和社会稳定的三大战略性支撑要素，也是当前经济社会可持续发展的
重要物质保障 ［１］ 。美国国家情报委员会预计到 ２０３０年，全球水、粮食和能源的需求量将分别比 ２０１２
年增加 ４０％、３５％和 ５０％，确保充足的水、粮食和能源供给已经成为世界各国面临的长期压力 ［２］ 。
水、粮食和能源既是相对独立又是紧密关联的耦合互馈系统，存在着复杂的相互关系，一个子系
统的发展往往需要消耗其他两个子系统的资源。在过去一段时间，水、粮食、能源之间相互影响的程
度较低，但随着水、粮食、能源系统间相互制约、相互依存的关系加深，任何一个要素的失衡都会严
重阻碍经济社会可持续发展，在人口密集和生态脆弱的地区问题尤其突出。如在咸海流域，由于上下
游国家对于农业用水和能源补偿之间没有达成共识，导致该地用水无节制增长，进而导致咸海面积萎
缩 ９０％，并引发严重的生态危机 ［３］ 。在美国加州中央谷地地区，由于大规模的地下水开采灌溉导致的
地下水位急剧下降，已经引发了众多生态环境问题，而地下水位下降也使得过去 ２０年中央谷地机井
耗电量增加了 １５％ ［４ － ６］ 。巴西等国家采用生物质能（玉米制乙醇）来部分替代化石燃料，有助于大幅减
少温室气体排放 ［７］ ，但有学者研究发现生物质能在生产过程中将消耗大量水资源 ［８］ ，同时农作物被用
于生产生物质能，也将对粮食安全带来不利的影响 ［９］ 。可以看出，水、粮食、能源之间的复杂关系往
往和生态系统息息相关，而且在人口增长、气候变化、城市化、工业化、生活水平提升等因素驱动
下，对于缺水地区，水资源日益短缺、粮食供给变化波动、能源需求愈加旺盛、生态功能受损严重，
因此开展水资源－ 粮食－ 能源－ 生态耦合系统（后面简称为 “水 － 粮 － 能 － 生耦合系统”）研究，尽快形成
可持续的水－ 粮－ 能－ 生耦合系统优化管理方案已成为区域可持续发展的当务之急。

收稿日期：２０２２ － ０１ － ２６；网络首发时间：２０２２ － ０６ － １６
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０６１４．１６３２．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家杰出青年科学基金项目（５２０２５０９３）；国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＣ３２００２０４）
作者简介：常奂宇（ １９９４ － ），博士生，主要从事 “水资源－ 粮食－ 能源－ 生态” 协同调控研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｈｕａｎｙｕ＠１２６．ｃｏｍ
通讯作者：赵勇（１９７７ － ），教授级工程师，主要从事自然－ 社会水循环演变机理与科学调控研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｏｎｇ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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