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针对水－ 粮－ 能－ 生耦合系统失衡带来的问题，国内外对各系统间的耦合关系和如何实现协同可持
续发展，开展了系统性和综合性研究。如通过不同的模型或方法，对耦合系统的关键过程或整体进行
分析，包括 ＬＥＡＰ ［１０］ 、ＷＥＡＰ ［１１］ 、ＳＷＡＴ ［１２］ 、ＣＧＥ ［１３］ 、生命周期评价 ［１４］ 等；有学者通过建立指标体
系，采用耦合协调度及莫兰指数等方法，对复杂系统的协调性和安全性进行评价，并在中国新疆 ［１５］ 、
陕西 ［１６］ 、江苏 ［１７］ 、甘肃 ［１８］ 等省份进行了应用；也有学者考虑了气候变化、经济贸易和城市化等外部
因素对水－ 粮－ 能 － 生耦合系统互馈关系产生的影响，如 Ｄａｈｅｒ等 ［１９］ 基于 ＷＥＦＮｅｘｕｓＴｏｏｌ２．０，考虑了
系统本身和外部环境之间的关系；ＥｌＧａｆｙ等 ［２０］ 建立水－ 能源－ 粮食关系系统动态模型，综合考虑人口、
人均作物消费量、作物贸易模式、作物产量和气候变化等驱动因素；此外还有 ＣＬＥＷＳ模型 ［２１］ ，集合
了 ＬＥＡＰ等现有模拟工具；以及 ＭＵＳＩＡＳＥＭ模型 ［２２］ ，基于社会代谢理论分析社会可持续发展状况。
上述国内外研究虽然从不同方面对耦合系统进行了研究，但大多数往往只聚焦水、粮食、能源，
忽视了生态和其他三种因素的相互影响效应，且由于水、粮食、能源、生态之间存在复杂的相关关系
和联动机制，以往研究主要侧重于对于水－ 能源、水－ 粮食两两之间的关系进行研究，对耦合系统缺乏
定量计算和整体协同调控，尤其是在系统优化方法和协同建模技术等方面研究不足。因此针对水－ 粮－
能－ 生系统紧密耦合的特征，本文以京津冀为研究区，提出基于水 － 粮 － 能 － 生关联视角的多水源协同
调控方法，通过四个子系统耦合互动关系建立水 － 粮 － 能 － 生耦合系统协同调控模型，为区域水 － 粮 －
能－ 生耦合系统协同保障提供理论技术支撑。

２ 水－ 粮－ 能－ 生耦合系统协同调控模型构建

２．１ 京津冀水－ 粮－ 能－ 生耦合系统构建背景 京津冀是水资源安全保障问题最突出的地区，该地区作
为我国重要的粮食、能源消费地，水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。根
据 ２０１８年统计资料，京津冀地区水资源自给率为 ７５％，能源自给率为 １８％，粮食自给率为 ７９％。外
调水及粮食、能源贸易伴随的虚拟水大量输入已经对区域水资源、农业和能源生产格局带来显著影
响。而根据 ２０１４年数据测算结果 ［２３］ ，京津冀地区社会水循环的耗能占当地总耗能的 １１．６％，社会水
循环耗能已成为制约低碳发展不可忽视的因素之一。因此，在京津冀这样一个水资源、粮食、能源、
生态关系紧密耦合，实体水和虚拟水相互结合，社会水循环耗能突出，自然 － 社会二元水循环特征显
著的地区，积极开展水－ 粮－ 能－ 生耦合系统研究，解决经济社会发展伴随的水安全、粮食安全、低碳要
求和生态健康保障要求，形成低耗高效、公平可靠的水－ 粮－ 能－ 生耦合系统协同调控技术具有重要意义。
２．２ 水－ 粮－ 能－ 生耦合系统关系解析 传统单一系统的水资源优化配置，往往以满足生活、工业、农
业和生态的需水为目标，但对于实际的复杂水系统，其水资源配置背后的自然 － 社会水循环、粮食生
产、能源消耗和生态保障之间是动态链接和实时互馈的，如果仅以供需平衡为目标进行水资源优化配
置，则无法实现粮食、能源、生态与水资源系统间的耦合关系，也无法协同粮食、能源之间竞争性用
水和生态修复问题，因此需要基于水－ 粮－ 能－ 生关联视角开展水资源优化配置。
区域内水资源、粮食、能源和生态系统是紧密耦合又实时互馈的。从物质传递角度出发，自然 －
社会水循环是整个水－ 粮－ 能－ 生耦合系统最重要的关键过程。通过社会水循环，水资源系统为粮食生
产提供灌溉用水，为能源生产提供清洗、冷却等供水，并通过生态补水的方式恢复和维持生态系统健
康；粮食在灌溉过程中产生退水，部分粮食通过贸易的方式带来虚拟水流动；社会水循环在取水、供
水、用水和排水与污水处理等过程需要消耗大量能源；河湖生态补水能够增加水体蒸发量、地下水位
变化影响降雨入渗补给量，进而改变自然水循环过程。此外，粮食、能源、生态之间也存在相互制约
和依赖的关系，如粮食和能源的生产过程均会对生态系统带来污染，地下水压采将压缩农业灌溉用
水，减少粮食产量，粮食生产、加工过程中需要消耗能源，同时粮食也可以加工制造乙醇等生物质
能，通过替代化石燃料的方式实现低碳发展要求。
从协同发展角度出发，水资源优化配置是保障地区水安全、粮食安全、低碳发展、生态健康的关
键手段。一方面高效合理的水资源配置为粮食与能源生产和维持生态健康提供安全可靠的水源，另一

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