中国典型地域水、能源和粮食系统的关联动力学模型构建与实证研究

Water, energy and food are vital to human being's existence and development, whose shortages pose a serious threat on the sustainable development of modern society. There is a system relationship among the three types of resources, the existence of three resources' close and complex relationship decides that any research about single resource can't service the overall decision making in governance policy, but also may make serious consequences. So, Building a system dynamic model to reveal the three resources relationship, further to monitor the dynamic characteristics of resources for comprehensive integrated management of water, energy and food is very important. This project tries to establish a system dynamics model including Water-Energy-Food Nexus (W-E-F Nexus) to analyze the policy mix effect mechanism to production and consumption of water, energy and food under different market events and natural scenes. According to game theory and evolutionary algorithm, improve a way to develop policy to deal with the adverse (combined) event from a global perspective, and considering the impact from differences of policy mix and regional characteristics. Through empirical study in Jing-Jin-Ji region and Hu-Bao-E region, modify and improve the theoretical model, and finally, provide policies and procedures acting on the above regions for comprehensive integrated management of water, energy and food.

水、能源和粮食是人类生存和发展的必需资源，而三种资源日益凸显的短缺问题给现代社会的可持续发展带来了严峻挑战。由于三种资源的生产和消耗存在着密切而又复杂的关联关系，以单一系统作为研究对象分别制定资源治理政策，不但不能从整体实现三种资源的综合集约利用，而且还可能导致不可预料的严重后果。为此，构建一个既能揭示系统关联规律，又能监测资源动态变化特征的动力学模型，以实现三种资源的综合集成治理非常重要。本项目将通过构建刻画三种资源关联关系的系统动力学模型，探索不同市场和自然（组合）事件情境下，政策组合对于三种资源生产和消耗的影响机理，并在此基础上引入博弈论和进化算法，从全局视角提出W-E-F Nexus应对不同市场、自然环境（组合）事件冲击下的应对政策的制定方法；并应用前述理论方法对京津冀和呼包鄂等典型区域进行实证研究，完善和修正理论模型，同时提出上述区域实现三种资源综合集约治理的政策和方法。

水、能源和粮食是人类社会生存与发展的三种核心资源，其安全性关乎人类社会、地区经济和生态环境的可持续发展。由于三者在生产、消费和管理过程中的一系列矛盾和冲突，基于关联视角实现三者的整合以确保三种资源的共同安全已成为全球共识。本项目重点关注地方尺度上水-能源-粮食系统的相互作用机制及影响机理，借助系统动力学模型实现水-能源-粮食系统的仿真，并联合多主体仿真模型、解释结构方程模型、协同度评价模型等，进一步深化关联关系的阐释，探索外部组合事件对水-能源-粮食系统的影响，为水-能源-粮食系统关联治理政策的科学制定与合理实施提供建议。本项目研究方向涉及管理学、环境科学和复杂系统等，具有典型的跨学科属性，本质上属于资源环境管理领域的研究。.本项目围绕研究目标和主要研究内容，在理论方面，构建了地区水-能源-粮食体系的理论模型，从核心关联、外围关联和互动关联三个层面系统阐释水-能源-粮食系统的关联关系。在理论模型的指导下，针对北京、京津冀和全国各个地区展开了模型构建、仿真与评价工作，运用不同的模型、工具和方法对水-能源-粮食系统展开阐释。在微观层面上，聚焦于水-能源-粮食系统关联指标和动力学模型构建，一方面，构建了北京市水-能源-粮食系统动力学模型，囊括了水-能源-粮食和社会-经济-环境六大子系统，并通过量化实现未来发展趋势的判断；另一方面，运用解释结构模型构建了系统要素间的等级结构图、识别出水-能源-粮食的核心子系统。在中观层面，通过多主体仿真模型，分析了政府、市场、居民、企业等主体间的行为关系，为了解各个主体在城市空间的宏观分布提供了新思路。同时，运用复杂网络模型，通过“空间关联强度系数、结构相似系数、区位熵”等指标判断并识别整个系统网络的强度与分布规律。在宏观层面上，聚焦于水-能源-粮食系统整体的协同度评价，土地利用变化、智慧城市建设对水-能源-粮食系统治理的影响，提出了“黑箱”评价原理，从整体视角评价了黑箱的协同发展程度，为政策制定者快速了解本地水-能源-粮食系统现状提供了帮助。依托本项目发表的研究论文可为水-能源-粮食系统的理解、评价和优化提供帮助，为解决城市资源困境提供借鉴方案。