水-能源-粮食关联系统解析及其量化研究——以中亚地区为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 郝林钢 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 于静洁 ; 王平 |
| 关键词 | 水-能源-粮食 系统科学 中亚 阿姆河流域 可持续发展 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 水资源、能源、粮食是人类生存和经济社会发展的重要基础，三者之间存在着复杂的相互作用。2011年，德国波恩会议提出了“Nexus”一词，将水、能源、粮食作为整体进行表述，有关科学问题引起了学术界的高度重视，但是从水-能源-粮食关联（WEF nexus）系统的概念、研究框架、理论知识到技术方法仍处于发展阶段，还没有形成一套完整的综合分析方法体系，无法为协调区域水、能源、粮食之间的关系，实现WEF安全提供明确的科学指导。中亚水、能源、粮食之间关系非常紧密，在气候变化、经济发展和人口增长的影响下，区域内流域上下游国家间水资源利用冲突持续加剧，严重威胁水、能源、粮食和下游生态安全，急需开展WEF nexus系统相关研究。本研究旨在为多尺度WEF nexus系统研究，特别是国家和流域尺度WEF nexus系统安全及内外部关系分析，提供思路和方法借鉴，为中亚五国和阿姆河流域水、能源、粮食安全和可持续发展提供参考。 通过系统总结国内外水、能源、粮食安全及关联关系研究成果，以系统科学思维为指导，面向可持续发展目标，提出了WEF nexus系统的研究框架；对比分析、总结分类已有研究方法，提出了考虑关联关系的系统自身评估、与外部环境相互作用关系的分析思路与量化方法，以“综合集成研讨厅体系”方法为指导，集成了WEF nexus系统综合分析方法体系；以中亚五国及其代表流域阿姆河流域为对象，采用逼近理想解排序（TOPSIS）法、斯皮尔曼（Spearman）等级相关系数法、贝叶斯网络模型、弹性系数法、干旱指数、随机森林模型等方法，开展了WEF nexus系统安全评估、关联关系解析、系统变化的驱动机制分析、系统对外部影响分析的实证研究。主要研究进展及结论如下： （1）解析了水-能源-粮食关联系统并提出了其研究框架。水、能源、粮食通过能量、物质、信息的交互流通，构成了一个复杂的开放式整体系统，系统的时空边界随水、能源、粮食所处的环境（城市、流域、国家等）而变，通过对物质消耗关系、管理政策与技术的优化调控，可以改变系统内部及其与外部环境的关系。以“研究主题-学科理论-技术方法-实践应用”为主线，提出了WEF nexus系统研究框架，从系统自身、系统与可持续发展目标交互作用的角度，分为三大研究主题：系统内部关系与总体状态评估、外部因素对系统的影响分析、系统对外部的反馈作用研究。 （2）提出了水-能源-粮食关联系统综合分析方法体系。WEF nexus系统是典型的开放的复杂巨系统，数据类型要求多、需求量大是制约其深入研究的一大瓶颈，“以人为主、人机结合，从定性到定量的综合集成研讨厅体系”包含了机器（量化方法）、知识（学科理论）和专家（专家经验）三大体系，可以充分发挥定性分析和定量评估的优势，降低数据要求和不确定性的影响；在分类总结相关方法，分析其不足的基础上，提出了考虑关联关系的分析思路与计算方法，包括：WEF nexus系统安全分析框架、基于两两物质消耗关系的WEF关联关系综合性评估指标、整体思维与分析思维相结合和定性定量分析相结合的研究思路、WEF nexus系统外部性效应的量化分析指标、“自然-社会-贸易”三元水循环下的WEF nexus系统分析思路；集成已有方法和本文提出的方法，构建了包括机器、知识和专家体系的WEF nexus系统全过程综合分析方法体系。 （3）开展了中亚五国WEF nexus系统安全与内部关联关系评估。根据WEF nexus系统安全分析框架，构建了涵盖资源量、供需关系、生产效益和民生福祉的资源利用全过程的评价指标体系，采用TOPSIS法计算安全水平，采用Spearman等级相关系数法解析关联关系，开展了中亚五国水、能源、粮食子系统及WEF综合安全评估，分析了三者关联关系。2000-2014年，哈萨克斯坦WEF综合安全水平最高（0.789），其后依次为：吉尔吉斯斯坦（0.707）、土库曼斯坦（0.622）、乌兹别克斯坦（0.586）和塔吉克斯坦（0.578）；水、能源、粮食之间存在协同、权衡和关系不明显三种类型的关联关系，无明显关系的类型占比最高（54%）；未来，哈萨克斯坦应重点关注粮食分配和供应，吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦应努力增加能源和粮食生产，提高水和粮食的供应水平和使用效益，土库曼斯坦应努力增加可供利用的水资源，加强粮食生产，提高水和能源的供应水平和使用效益，乌兹别克斯坦需要同时关注水、能源、粮食的可利用量、供给和管理水平。 （4）揭示了气候和经济社会要素影响下的中亚地区水-能源-粮食关联关系变化规律。基于WEF nexus系统安全评价指标，采用贝叶斯网络模型，分析了中亚地区经济社会（GDP和人口）-气候（降水量）-水-能源-粮食关系，结果表明，经济发展暂未对中亚WEF安全产生显著影响，人口增加是影响WEF安全的重要因素，气候从供给侧对水、粮食安全产生了一定程度的影响。采用相关分析、水电潜力计算、HP滤波、干旱指数等，分析了气候变化对阿姆河流域WEF供给的影响，流域上游径流量变化与降水变化具有一定相关性，气候变化暂未对水电潜力产生较大影响，2001-2018年月尺度的干旱指数与棉花、冬小麦、水稻产量相关性较差，可能受益于灌溉农业，作物产量尚未受到干旱的明显影响。采用弹性系数法分析了人口和GDP变化对阿姆河沿线国家WEF需求的影响，人口是生活需水量变化的重要影响因素，人口增加对能源、电力、谷物消费的影响大于GDP增长。采用本文提出的基于两两物质消耗关系的WEF关联关系综合性评估指标，分析了气候变化和人类活动影响下的WEF关联关系变化规律，1992-2018年，阿姆河沿线国家的WEF关联关系综合指数均呈现上升趋势，土库曼斯坦关联关系强度增加最为明显，乌兹别克斯坦（0.821）关联关系强度最高，是塔吉克斯坦（0.264）和土库曼斯坦（0.311）的2-3倍。 （5）分析了阿姆河流域水-能源-粮食关联系统作用下的生态环境影响。聚焦生态环境典型问题之一的淡水盐化，以水体盐度为表征，定性定量相结合综合分析了WEF nexus系统对环境的影响。采用相关分析、一般双曲线模型等，分析了1970-2015年阿姆河水体盐度与流量（水系统）变化特征及二者的关系，结果表明，河水盐度呈现沿流程增加的趋势，上游和下游的水体盐度分别为541-635 mg/L和751-1560 mg/L，1990s前的河水盐度（751-1128 mg/L）低于1990s后（983-1560 mg/L）。采用随机森林模型，分析了WEF nexus系统要素对水体盐度变化的作用程度，综合定性定量分析可知，水量是影响盐度的最重要因素，年内来看，研究站点丰水期水量-盐度相关性（-0.387）大于枯水期（-0.188）；年度来看，在农业活动相对稳定的时期，丰水年径流量升高而盐度降低，枯水年径流量降低而盐度升高；年际（长期）来看，粮食系统是导致淡水盐化的主要原因，农业取水导致河流流量降低，化肥使用、灌溉回流水、洗盐导致大量溶质进入河流；水电站通过调节下泄流量可以在一定程度上影响河水盐度。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 182 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199803]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郝林钢. 水-能源-粮食关联系统解析及其量化研究——以中亚地区为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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