王玉寶 蒲傲婷 閆 星 孫敬新

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100; 3.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院， 西安 710001)

0 引言

水資源、能源和糧食是人類生存、社會發(fā)展和文明進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，任何一種要素的安全均直接關(guān)乎經(jīng)濟(jì)安全、社會穩(wěn)定、生態(tài)安全乃至國家安全。三者之間相互作用、相互制約，各子系統(tǒng)安全緊密相關(guān)[1-2]。

面對全球氣候變暖、人口增長、可利用資源匱乏及資源需求量增加等多方面壓力，通過構(gòu)建水-能源-糧食(WEF)互動(dòng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)來應(yīng)對相關(guān)問題的方法，引起了相關(guān)組織和學(xué)者的關(guān)注，并從不同角度對WEF系統(tǒng)開展研究，取得了初步成果[3-7]。2011年，WEF系統(tǒng)“紐帶關(guān)系”在德國波恩會議上正式提出，指出綜合權(quán)衡3種資源的生產(chǎn)、消耗和管理，可避免因只基于單一資源戰(zhàn)略而產(chǎn)生的嚴(yán)重后果[8]。2013年，聯(lián)合國亞太經(jīng)濟(jì)社會理事會發(fā)布《亞太地區(qū)WEF紐帶關(guān)系報(bào)告》，旨在考慮多方面因素，提出環(huán)境治理框架，綜合優(yōu)化WEF系統(tǒng)[9]。2014年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)出版了《WEF報(bào)告：支持糧食安全和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的新途徑》，從實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全的角度詮釋“紐帶關(guān)系”，并提出利用“紐帶關(guān)系”進(jìn)行分析決策的方法[10]。國內(nèi)外學(xué)者對WEF系統(tǒng)研究的成果大致可以分為2類[11-12]：①定性闡釋水資源、能源和糧食之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為跨部門有效管理提出相關(guān)建議[13]。例如，文獻(xiàn)[14-18]從環(huán)境可持續(xù)生計(jì)、資源可持續(xù)利用、糧食短缺和水資源管理的視角，通過構(gòu)建WEF系統(tǒng)框架、跨領(lǐng)域研討及問卷調(diào)查的方式，為維持研究區(qū)域WEF系統(tǒng)平衡提出一系列有效措施。②通過構(gòu)建模型工具來描述水資源、能源和糧食等不同資源之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)特征[19-21]。其中，DAHER等[22]構(gòu)建了一種WEF系統(tǒng)框架模型(WEF Nexus Tool 2.0)，作為一個(gè)確定資源配置方案的平臺；李桂君等[23-24]通過分析WEF紐帶關(guān)系的發(fā)展歷程，從不同角度指出該領(lǐng)域的研究議題、分析工具和面臨的挑戰(zhàn)，并對北京市WEF系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真模擬及敏感性分析；彭少明等[25]對黃河流域WEF系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化方案進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[26-28]分別針對全國和省域尺度進(jìn)行了WEF系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平定量評價(jià)。雖然大多數(shù)學(xué)者試圖從不同的角度厘清WEF系統(tǒng)的紐帶關(guān)系，但其最根本的目標(biāo)均是保障WEF系統(tǒng)安全。目前，對于WEF系統(tǒng)安全研究的成果較少，由于WEF系統(tǒng)安全格局具有多元性和綜合性的特點(diǎn)，如何科學(xué)客觀地評價(jià)WEF系統(tǒng)安全，尚未有確定的理論和方法。

針對WEF紐帶關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)安全性需要考慮各子系統(tǒng)安全及其之間的協(xié)同競爭關(guān)系等問題，本研究在探討WEF系統(tǒng)耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，基于層次分析法原理，建立系統(tǒng)安全性綜合評價(jià)指標(biāo)體系，并以我國WEF系統(tǒng)安全問題突出的新疆為例，采用實(shí)碼加速遺傳投影尋蹤模型對WEF系統(tǒng)安全性進(jìn)行評價(jià)，分析區(qū)域WEF系統(tǒng)安全的主要驅(qū)動(dòng)因素，提出提高系統(tǒng)安全的策略，為區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

新疆位于我國西北邊陲(圖1)，現(xiàn)有14個(gè)地、州、市，全區(qū)國土面積約1.6×106km2，耕地資源豐富，以種植小麥和玉米為主[29]。作為中國最大的能源后備區(qū)，新疆擁有豐富的風(fēng)能、太陽能等清潔能源，遼闊復(fù)雜的地貌下蘊(yùn)藏著量大質(zhì)優(yōu)的礦產(chǎn)資源，其中煤、石油和天然氣是新疆最具優(yōu)勢的礦產(chǎn)資源，煤炭預(yù)測資源總量為2.19萬億噸，占我國煤炭資源總量的40.6%，已探明的石油儲量達(dá)56億噸，天然氣預(yù)測資源總量超過1×1013m3，均位居全國首位[30]。但是，新疆也是我國典型的干旱地區(qū)，地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，降水稀少，水資源時(shí)空分布不均，對工農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來非常不利的影響[31-32]。

圖1 新疆部分資源概況Fig.1 Overview of some resources in Xinjiang

1.2 區(qū)域WEF系統(tǒng)協(xié)同競爭機(jī)制與安全性綜合評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

1.2.1WEF系統(tǒng)協(xié)同競爭機(jī)制

水資源、能源和糧食三者不僅是資源的提供者，也是資源的消費(fèi)者(圖2)。能源和糧食的生產(chǎn)加工過程離不開水資源消耗，同時(shí)能源為糧食生產(chǎn)及水資源的提取、運(yùn)輸、處理提供動(dòng)力；糧食亦可作為虛擬水載體和生物質(zhì)能源來緩解水資源和能源短缺的壓力。由于3種資源之間的關(guān)系日益復(fù)雜，若在僅考慮單一資源或割裂任何一種資源的情況下探討資源安全問題，都只會得出片面的結(jié)果，甚至?xí)礤e(cuò)誤的導(dǎo)向。為了能夠更好地應(yīng)對水、能源和糧食安全問題，維持三者平衡發(fā)展，綜合考量WEF系統(tǒng)“紐帶關(guān)系”是必然趨勢。

圖2 水-能源-糧食系統(tǒng)“紐帶關(guān)系”Fig.2 Water-energy-food nexus

1.2.2WEF系統(tǒng)安全性評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

(1)層次體系

WEF系統(tǒng)安全程度與其子系統(tǒng)安全密切相關(guān)，因此，WEF系統(tǒng)的安全從水資源安全、能源安全、糧食安全及兩兩組合構(gòu)建的水-糧食系統(tǒng)、能源-糧食系統(tǒng)、水-能源系統(tǒng)的安全等多個(gè)方面來綜合考察。其中，兩兩組合構(gòu)建的子系統(tǒng)指標(biāo)可交叉反映WEF系統(tǒng)安全。遵循層次分析法原理，將WEF系統(tǒng)安全評價(jià)指標(biāo)體系分為3個(gè)層次：第1層為目標(biāo)層，即WEF系統(tǒng)安全程度(A1)；第2層為準(zhǔn)則層，包括水資源安全(B1)、糧食安全(B2)、能源安全(B3)、水-糧食系統(tǒng)安全(B4)、糧食-能源系統(tǒng)安全(B5)、水-糧食系統(tǒng)安全(B6)；第3層為指標(biāo)層(C1～C16)。

(2)指標(biāo)選擇

選擇指標(biāo)時(shí)，需要考慮區(qū)域?qū)嶋H情況，盡可能列出可以描述對應(yīng)準(zhǔn)則層狀態(tài)的所有指標(biāo)，保證考慮到各個(gè)方面的影響因素，避免重要指標(biāo)的遺漏。

(3)指標(biāo)體系確立

首先，對所選的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行初步篩選，借鑒已有的研究成果，剔除明顯不適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)，并添加一些新的指標(biāo)；然后通過理論分析，選擇更符合理論的指標(biāo)[27,33-35]。最后根據(jù)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的可獲取性，確定科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 EF系統(tǒng)安全評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Water-energy-food nexus safety evaluation index system

1.3 研究方法

1.3.1評價(jià)模型概述

本研究選用實(shí)碼加速遺傳投影尋蹤模型進(jìn)行綜合評價(jià)，該模型耦合了投影尋蹤模型和實(shí)碼加速遺傳算法。投影尋蹤模型的原理是將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間，然后利用低維空間上的投影向量分析高維數(shù)據(jù)特征，在保證數(shù)據(jù)信息完整的情況下，以投影方向即不同權(quán)重組合的方式反映指標(biāo)間的變化規(guī)律；同時(shí)利用實(shí)碼加速遺傳算法對全局尋優(yōu)問題進(jìn)行優(yōu)化，不僅保證求得的指標(biāo)權(quán)重可以更準(zhǔn)確反映評價(jià)結(jié)果，并且解決了計(jì)算速度慢及易早熟收斂等缺點(diǎn)[36-41]。

1.3.2評價(jià)模型實(shí)現(xiàn)流程

(1)樣本評價(jià)指標(biāo)集歸一化處理

設(shè)定評價(jià)指標(biāo)集

{x*(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}

(1)

式中x*(i,j)——第i個(gè)樣本的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的原值

n——樣本個(gè)數(shù)p——指標(biāo)個(gè)數(shù)

利用歸一化處理消除評價(jià)指標(biāo)的量綱并統(tǒng)一變化范圍。

正向性指標(biāo)

x(i,j)=(x*(i,j)-xmin(j))/(xmax(j)-xmin(j))

(2)

負(fù)向性指標(biāo)

x(i,j)=(xmax(j)-x*(i,j))/(xmax(j)-xmin(j))

(3)

式中x(i,j)——指標(biāo)特征值歸一化處理后的結(jié)果

xmax(j)——樣本中第j個(gè)指標(biāo)原始值的最大值

xmin(j)——樣本中第j個(gè)指標(biāo)原始值的最小值

(2)投影目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

設(shè)a=(a(1),a(2),…,a(p))為投影方向單位長度向量，樣本i在該方向上的一維投影值為

(4)

評價(jià)要求投影值散布特征為小集中、大分散。因此投影目標(biāo)函數(shù)為

Q(a)=SZDZ

(5)

其中

(6)

(7)

R=0.1SZ

式中SZ——評價(jià)投影值的標(biāo)準(zhǔn)差

DZ——評價(jià)投影值的局部密度

E(z)——序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值

R——局部密度的窗口半徑

r(i,j)——樣本之間的距離

u(R-r(i,j))——單位階躍函數(shù)，當(dāng)R-r(i,j)≥0時(shí)，其函數(shù)值為1，否則其值為0

(3)投影目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化和最佳投影方向確定

當(dāng)方案集給定時(shí)，投影目標(biāo)函數(shù)Q(a)只隨著投影方向的變化而變化，可通過求解投影目標(biāo)函數(shù)最大化來估計(jì)最佳投影方向，即

max(Q(a))=SZDZ

(8)

約束條件

(9)

以p維變量a(j)為優(yōu)化變量的非線性優(yōu)化問題，傳統(tǒng)的優(yōu)化處理方法難以處理。本文采用的實(shí)碼加速遺傳算法(RAGA)利用模擬生物優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內(nèi)部染色體信息交換的原理進(jìn)行全局優(yōu)化，通過多元替代和疊加運(yùn)算，加強(qiáng)了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性。

(4)評價(jià)結(jié)果等級劃分

把最佳投影方向a代入式(4)得到各樣本的投影值z(i)。目前關(guān)于WEF系統(tǒng)安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，本文依據(jù)評價(jià)指標(biāo)本身和實(shí)際情況，正向指標(biāo)以能達(dá)到的極限值或目前的最高值作為非常安全的級別標(biāo)準(zhǔn)，最低值作為非常不安全的限定值，逆向指標(biāo)以能達(dá)到的極限值或目前的最低值作為非常安全的級別標(biāo)準(zhǔn)，最高值作為非常不安全的限定值，在非常不安全和非常安全之間平均劃分5個(gè)區(qū)間，然后對各評價(jià)指標(biāo)區(qū)間的右端點(diǎn)值運(yùn)用模型進(jìn)行上述處理，得到標(biāo)準(zhǔn)樣本投影值。繪制標(biāo)準(zhǔn)樣本投影值散點(diǎn)圖(圖3)，建立等級評價(jià)模型，評價(jià)等級最低為1等，投影值越大等級越高，等級越高系統(tǒng)越安全，然后進(jìn)行安全性評價(jià)及優(yōu)劣排序，系統(tǒng)安全程度劃分為非常不安全(Ⅰ級)、不安全(Ⅱ級)、基本安全(Ⅲ級)、比較安全(Ⅳ級)和非常安全(Ⅴ級)5個(gè)等級。

圖3 投影值與評價(jià)等級的關(guān)系Fig.3 Relationship of projection value and grade

1.4 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自1997—2016年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》、1997—2003年《新疆水利統(tǒng)計(jì)資料匯編》、2004—2015年《水資源公報(bào)》和1997—2016年《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》。部分缺失的數(shù)據(jù)由所有歷史年份的擬合值代替。

2 評價(jià)結(jié)果與分析

以1997—2016年新疆整體及14個(gè)市域指標(biāo)數(shù)據(jù)為樣本，利用遺傳投影尋蹤模型，對新疆WEF系統(tǒng)安全變化進(jìn)行時(shí)空評價(jià)分析。在實(shí)碼加速遺傳計(jì)算過程中，父代初始種群規(guī)模為400，交叉概率pc=0.8，變異概率pm=0.8，優(yōu)秀個(gè)數(shù)為10個(gè)，加速次數(shù)為20次。借助Matlab仿真計(jì)算，得到1997—2016年新疆整體和各市域WEF系統(tǒng)安全的投影值及對應(yīng)的評價(jià)等級。

2.1 新疆WEF系統(tǒng)安全時(shí)間變化特征

1997—2016年新疆WEF系統(tǒng)安全評價(jià)等級整體上處于穩(wěn)步上升趨勢(圖4)，由最初的非常不安全狀態(tài)逐漸改善到比較安全的狀態(tài)。該評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，在研究時(shí)段初期，新疆的發(fā)展水平落后，水資源、能源和糧食的管理機(jī)制也還存在較多漏洞，導(dǎo)致WEF系統(tǒng)安全性較低；隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各部門的管理措施不斷完善，對保持各資源可持續(xù)利用的關(guān)注度越來越高，WEF系統(tǒng)安全程度也隨之改善。

圖4 1997—2016年新疆WEF系統(tǒng)安全等級Fig.4 WEF nexus security level of Xinjiang from 1997 to 2016

研究時(shí)段內(nèi)，新疆市域WEF系統(tǒng)安全性主要包括不安全、基本安全及比較安全3種類型(圖5)。1997—2016年，除克拉瑪依市、烏魯木齊市和吐魯番市的WEF系統(tǒng)安全等級在降低外(克拉瑪依市下降最快)，其余地區(qū)均在上升，阿勒泰地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州上升趨勢最為明顯。2009年后多數(shù)市域系統(tǒng)安全等級發(fā)生明顯變化，可劃分為1997—2009年和2010—2016年前后兩個(gè)階段，變化率如圖6所示。前一階段，大多數(shù)市域的系統(tǒng)安全等級均呈上升趨勢，吐魯番市上升最快，克拉瑪依市和烏魯木齊市系統(tǒng)安全等級下降，克拉瑪依市下降最明顯。后一階段，一半市域系統(tǒng)安全等級下降，克拉瑪依市仍下降最快，在增長的市域中，阿勒泰地區(qū)的增長率最大。為具體分析各地區(qū)WEF系統(tǒng)年際變化情況，結(jié)合2個(gè)階段安全等級的多年平均變化率，將不同市域的變化情況劃分為4種模式：①增長加快模式，主要包括博爾塔拉蒙古自治州、伊犁哈薩克自治州、阿勒泰地區(qū)，這類市域WEF系統(tǒng)安全性持續(xù)增加，且增長速率后期比前期更高。②增長減緩模式，主要包括哈密市、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、和田地區(qū)和塔城地區(qū)，這類市域WEF系統(tǒng)安全等級值前期增長比較明顯，后期雖在增長但速率較慢。③先增后減模式，主要包括吐魯番市、昌吉回族自治州、巴音郭楞蒙古自治州、喀什地區(qū)和阿克蘇地區(qū)，這類市域WEF安全等級值前期增加后期減小。④降低加劇模式，主要包括克拉瑪依市和烏魯木齊市，這類市域WEF系統(tǒng)安全等級值在前后兩個(gè)階段均在降低，且后一階段降低速率更高?？傮w而言，大部分市域前一階段WEF系統(tǒng)安全發(fā)展態(tài)勢良好，后一階段增長速度放緩甚至呈下降趨勢，表明近幾年WEF系統(tǒng)安全受到一定的威脅，需要高度重視。

圖6 新疆各地州市WEF系統(tǒng)安全等級變化率Fig.6 Rate of WEF nexus security level’s change of each region in Xinjiang

2.2 新疆WEF系統(tǒng)安全空間變化特征

為具體分析新疆市域WEF系統(tǒng)安全程度空間分異規(guī)律，選取兩個(gè)階段的首末端年份作為代表年(圖7)。1997年，僅有克拉瑪依市WEF系統(tǒng)處于比較安全等級，其余地區(qū)均處于不安全狀態(tài)，其中博爾塔拉蒙古自治州安全等級最低。2009年，屬于基本安全等級的市域增多，克拉瑪依市安全等級仍最高，但安全等級較1997年下降了11.9%，安全等級最低的是喀什地區(qū)，僅為1.54，達(dá)到了研究時(shí)段中各市域等級的最小值。與2009年相比，2010年大部分市域的WEF系統(tǒng)安全等級發(fā)生了顯著變化，喀什地區(qū)最為明顯，安全等級是2009年的1.35倍，吐魯番市下降最多，等級由2009年的2.96下降至2.26，但同時(shí)市域間的等級差異減小。2016年，阿勒泰地區(qū)WEF系統(tǒng)躍到比較安全狀態(tài)，克孜勒蘇柯爾克孜自治州和巴音郭楞蒙古自治州WEF系統(tǒng)達(dá)到基本安全狀態(tài)，其余地區(qū)處于不安全范圍內(nèi)，但安全等級大于2.00的市域明顯增多。

圖7 1997、2009、2010、2016年新疆WEF系統(tǒng)安全水平空間格局Fig.7 Spatial patterns of water-energy-food nexus security in 1997, 2009, 2010 and 2016 of Xinjiang

2.3 影響因素分析

評價(jià)指標(biāo)的最佳投影方向即指標(biāo)權(quán)重，可以反映各指標(biāo)對WEF系統(tǒng)安全性的影響程度，值越大則影響程度越大，同時(shí)意味著優(yōu)先關(guān)注權(quán)重較大的指標(biāo)因素，可以提高WEF系統(tǒng)綜合安全。從最佳投影方向(圖8)可以看出，影響WEF系統(tǒng)安全性的因子以2009年為分界點(diǎn)發(fā)生了明顯變化，故導(dǎo)致新疆各市域WEF系統(tǒng)安全性在前后兩個(gè)階段存在明顯的差異。1997—2009年，對WEF系統(tǒng)安全程度影響較大的指標(biāo)依次是：能碳強(qiáng)度、第一產(chǎn)業(yè)能源消耗比例、農(nóng)業(yè)用水比例、能源自給率、農(nóng)業(yè)能源利用率、灌溉水利用系數(shù)。與前一階段相比，2010—2016年，影響因子的貢獻(xiàn)程度發(fā)生了顯著變化，由大到小依次為：能碳強(qiáng)度、可再生能源自給率、水資源開發(fā)利用率、人均水資源量、單位灌溉面積可利用水量。

圖8 各指標(biāo)最佳投影方向Fig.8 The best projection direction of each index

對比前后兩個(gè)階段，可以發(fā)現(xiàn)，WEF系統(tǒng)安全始終受能碳強(qiáng)度的較強(qiáng)影響，降低高碳能源的消費(fèi)比例、提高低碳能源的消費(fèi)比例和推廣使用可再生能源是提高WEF系統(tǒng)安全的有效方法。其他處在前列影響因子均發(fā)生了變化，前一階段主要影響集中在糧食產(chǎn)業(yè)的用水和用能方面，表明新疆在發(fā)展糧食產(chǎn)業(yè)的同時(shí)忽略了帶給當(dāng)?shù)厮Y源和能源的嚴(yán)重壓力，隨著灌溉技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的提高，情況有所好轉(zhuǎn)。后一階段影響因素發(fā)生轉(zhuǎn)變，水資源安全問題逐漸暴露，究其原因主要與新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的關(guān)聯(lián)。2010年我國19個(gè)省市開展了新一輪對口援疆工作，以及之后“一帶一路”倡議的提出，這都為新疆跨越式發(fā)展提供了歷史性機(jī)遇。國家針對新疆的資源優(yōu)勢，加大支持力度，吸引了眾多國內(nèi)外企業(yè)來新疆投資發(fā)展，但多以能源、化工等高污染產(chǎn)業(yè)為主，這勢必會在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)加劇新疆自身存在的水資源缺乏、環(huán)境脆弱等問題。因此近幾年來，WEF系統(tǒng)安全等級較高的地區(qū)，都是水資源相對富裕的地區(qū)；而水資源貧乏的地區(qū)，WEF系統(tǒng)安全就會受到一定的威脅，這意味著在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，合理開發(fā)利用水資源應(yīng)得到高度重視。

由于新疆各市域資源系統(tǒng)存在較大差異，以2016年為例，分別對各子系統(tǒng)市域投影值進(jìn)行測算和排序(表2)，最終反映各市域WEF子系統(tǒng)的優(yōu)劣并得到主要影響因子。WEF系統(tǒng)安全達(dá)到基本安全級別以上(Ⅲ～Ⅳ級)的市域有阿勒泰地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和巴音郭楞蒙古自治州，該類市域豐富的水資源、礦產(chǎn)資源和可再生能源是保證系統(tǒng)安全的優(yōu)勢因素，但由于氣候、地形等因素的影響，該區(qū)耕地條件較差、種植環(huán)境惡劣，因此，合理地提高耕地質(zhì)量，加大農(nóng)業(yè)科技投入力度是提高系統(tǒng)安全性的有效手段。其余市域的WEF系統(tǒng)均呈不安全狀態(tài)，其中，烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市和阿克蘇地區(qū)的能源優(yōu)勢對當(dāng)?shù)豔EF系統(tǒng)安全起積極作用，但能源的高耗水及水資源短缺是威脅WEF系統(tǒng)安全的主要因素，所以，通過提高能源用水效率，節(jié)約水資源可在一定程度上改善該類區(qū)域的WEF系統(tǒng)安全性。此外，阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，需要加強(qiáng)節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用；塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州、昌吉回族自治州和伊犁哈薩克自治州的糧食子系統(tǒng)具有優(yōu)勢，在發(fā)展糧食產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，應(yīng)盡可能提高水資源和能源等劣勢資源的利用效率，減少農(nóng)業(yè)耗水量和耗能量；哈密市、喀什地區(qū)和和田地區(qū)的各單一資源子系統(tǒng)安全水平均較差，兩兩資源子系統(tǒng)排名差異較大，因此，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，科學(xué)高效地利用各種資源，開源節(jié)流，同時(shí)保障各資源協(xié)調(diào)發(fā)展。

表2 2016年新疆WEF系統(tǒng)安全評價(jià)結(jié)果Tab.2 WEF nexus safety evaluation results of Xinjiang in 2016

注：Y1～Y6分別為各子系統(tǒng)投影值。

3 討論

WEF系統(tǒng)安全綜合評價(jià)是提高資源利用率和保證三者協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也可為相關(guān)部門采取改善措施提供指導(dǎo)。目前，我國在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，因此WEF系統(tǒng)安全評價(jià)可作為維持水資源、能源和糧食三者平衡關(guān)系的重要手段之一。

本文通過對新疆的實(shí)證分析，從各年份指標(biāo)因子的權(quán)重變化可以看出，制約WEF系統(tǒng)安全性的主導(dǎo)因素在不同時(shí)間存在差異，近年來，能碳強(qiáng)度和可再生能源是影響WEF系統(tǒng)安全較為突出的因素，不合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以及化石能源的大量使用，不僅會造成環(huán)境的污染、資源的浪費(fèi)，更會制約能源子系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展，進(jìn)而威脅WEF系統(tǒng)安全；此外，水資源開發(fā)利用程度和可利用水資源量也對WEF系統(tǒng)安全影響顯著，不合理地開發(fā)利用水資源不僅加劇水資源短缺問題，可能會導(dǎo)致開采過程中能源的浪費(fèi)，灌溉用水緊缺，致使WEF系統(tǒng)安全形勢更加嚴(yán)峻。各市域WEF系統(tǒng)安全的驅(qū)動(dòng)因素也存在差異，為加強(qiáng)新疆WEF系統(tǒng)安全性，提出3點(diǎn)措施：

(1)加大節(jié)能減排資金投入，改進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，提高能源和水資源的利用效率；調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低高碳能源使用，加大可再生能源生產(chǎn)，提高清潔能源使用比例。

(2)各級政府應(yīng)因地制宜，根據(jù)各市域資源情況及WEF系統(tǒng)安全水平的不同，有重點(diǎn)地開展WEF系統(tǒng)安全保護(hù)工作，以保障當(dāng)?shù)厮Y源、能源和糧食協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)建立獎(jiǎng)懲制度，減少食物浪費(fèi)，增強(qiáng)公眾節(jié)水節(jié)能意識；在不同平臺開展活動(dòng)大力宣傳，使群眾充分了解WEF“紐帶關(guān)系”，增強(qiáng)危機(jī)意識，調(diào)動(dòng)全民保護(hù)WEF系統(tǒng)安全的積極性。

4 結(jié)論

(1)在時(shí)間變化上，1997—2016年新疆WEF系統(tǒng)安全整體呈逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢，已達(dá)到比較安全等級。各市域WEF系統(tǒng)安全在2009年前后發(fā)生明顯波動(dòng)，前一階段大部分地區(qū)WEF系統(tǒng)安全等級增加，后一階段增長速度放緩甚至呈下降趨勢。

(2)在空間變化上，1997—2016年新疆14個(gè)市域WEF系統(tǒng)安全主要處于不安全、基本安全及比較安全3種級別。1997—2009年克拉瑪依市、烏魯木齊市、吐魯番市和巴音郭楞蒙古自治州長期處于基本安全等級，其余地區(qū)均為不安全等級；2010—2016年阿勒泰地區(qū)達(dá)比較安全等級，克孜勒蘇柯爾克孜自治州和巴音郭楞蒙古自治州處于基本安全等級，其余地區(qū)仍處于不安全等級，各市域WEF系統(tǒng)安全等級差異逐漸縮小。

(3)1997—2009年，能碳強(qiáng)度、第一產(chǎn)業(yè)能源消耗比例、農(nóng)業(yè)用水比例、能源自給率、農(nóng)業(yè)能源利用率和灌溉水利用系數(shù)是影響WEF系統(tǒng)安全性的主要因素；2010—2016年，主要影響因素包括：能碳強(qiáng)度、人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、可再生能源自給率和單位灌溉面積可利用水量，這些指標(biāo)均可作為提升新疆WEF系統(tǒng)安全重點(diǎn)關(guān)注的因子。

(4)2016年各市域優(yōu)劣勢子系統(tǒng)和主要影響因子差異較大，應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)制定合理方案，以提高各市域WEF系統(tǒng)安全性。