1、:/.:/第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:东华理工大学博士科研启动基金项目()收稿日期:作者简介:秦欢欢()男博士副教授研究方向为水文学与水资源 :.秦欢欢黄丽想王健泉.变化环境影响下北京市水资源生态足迹预测与评价.人民珠江():.变化环境影响下北京市水资源生态足迹预测与评价秦欢欢黄丽想王健泉(.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室江西 南昌.东华理工大学水资源与环境工程学院江西 南昌)摘要:通过构建变化环境下北京市水资源利用系统动力学模型设计 小类情景对 年北京市水资源生态足迹进行预测与评价 结果表明:年各情景下人均水资源生态足迹呈下降趋势(情景 除外)均值./人人均水资源生态
2、承载力呈下降趋势均值./人人均水资源生态赤字均值./人水资源生态压力指数呈波动变化趋势均值.将面临水资源不安全利用局面水资源生态足迹强度呈显著下降趋势均值./万元水资源利用效率不断提高气候越湿润北京市水资源生态足迹、生态赤字、生态压力及生态足迹强度越小反之亦然经济快速发展对水资源生态足迹、生态承载力、生态赤字和生态压力指数产生显著影响南水北调工程对水资源生态足迹和生态赤字有缩减效果畜牧业节水对水资源生态足迹相关指标影响较小北京市在未来要兼顾经济发展和水资源保护采取措施应对气候变化影响充分利用南水北调工程不断提高节水意识和用水效率多管齐下促进经济和水资源可持续发展关键词:水资源生态足迹水资源生态
3、承载力可持续水资源利用系统动力学北京市中图分类号:.文献标识码:文章编号:()./.人民珠江 年第 期 .水资源是区域社会经济发展关键基础性资源对区域可持续发展具有不可替代的作用 水资源生态足迹是基于 提出的生态足迹概念的非货币度量方法 以具有生物生产力的水域面积来衡量区域人口对水资源需求量 水资源生态足迹已在许多区域得到应用 成为水科学领域主要研究方法之一 然而目前水资源生态足迹应用缺乏对区域不同水资源利用情景的预测和评估仅有少数研究采用系统动力学、神经网络等方法对区域水资源生态足迹进行预测 水资源生态足迹与生态承载力的关系是区域水资源供需平衡的重要衡量方式能表征区域水资源盈亏状况进而为区域
4、水资源管理制定针对性政策研究表明气候变化和人类活动对区域水资源可持续利用有重要影响 以全球气温升高为标志的气候变化对区域水文循环全过程产生重要影响从而对水资源时空分布及数量多寡带来巨大变化进一步加剧缺水程度 与此同时人类利用水资源方式随社会经济发展不断变化此过程也会对水文循环过程及水资源质与量时空分布产生明显影响 以上两类变化环境正逐渐成为区域水资源供需失衡问题最重要的驱动因素 中国社会经济快速发展对水资源的大量需求使区域水资源短缺问题愈发严重水环境污染也成为一个不可忽视的问题生态文明建设已成为可持续发展重要内容水资源生态足迹亦受到广泛关注与重视 因此变化环境影响下区域水资源生态足迹的研究显得
5、尤其重要北京是资源型缺水的特大城市人均水资源量(小 于 /人)与 国 际 人 均 缺 水 标 准 线(/人)差距巨大 受气候变化影响北京年均降水量呈下降趋势降水量年内分布不均约 至 成集中在雨季由此造成北京水资源量不足同时城镇化、经济发展等人类活动使北京土地利用发生巨大变化大量农业用地转为城市用地造成地表径流下渗量减少(地表水补给地下水减少)和水资源需求增加进一步加剧水资源供需矛盾 近 年来北京对地下水开采依赖愈发严重已对地下水含水层产生不可忽略影响地面沉降、含水层疏干、土壤盐渍化等问题接踵而至 变化环境已对北京水资源短缺问题产生了深远影响本文在文献构建并校准的系统动力学模型基础上考虑气候变化
6、(湿润、正常和干旱气候)和人类活动(经济高速发展、南水北调工程和农业节水措施)的影响设定 大类 小类情景对北京 年水资源生态足迹进行预测选取水资源生态赤字、水资源生态压力指数和水资源生态足迹强度等指标对北京水资源可持续利用状况进行分析为北京可持续水资源利用提供科学依据和建议 材料与方法.研究区概况北京(.)是中国的首都和政治、经济、文化中心面积 年总人口 .万人口密度 人/人民珠江 年第 期城镇化率.气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候 年降水量波动较大均值 地表水资源量、地下水资源量和水资源总量与降水量曲线一致均值分别为.亿、.亿、.亿 南水北调工程引水量(年年底开始向北京供水 年为南水北调
7、河北应急段调水数据 年数据暂无)均值.亿 与此同时除去丰水年大多年份北京总用水量(均值.亿)大于水资源总量(图)由此导致较长时期处于水资源短缺状态对社会经济可持续发展产生严重影响图 北京历年水资源量、用水量和降水量曲线.水资源生态足迹计算水资源生态足迹和生态承载力计算见式()、():().()()式中、人均水资源生态足迹和生态承载力/人 总人口人 全球水资源均衡因子取值.全球水资源平均生产能力/取值 /第 个部门用水量包括生活、工业、农业和环境等部门 水资源产量因子取值.、水资源总量地表水、地下水、灌溉回 归 水 和 南 水 北 调 工 程 引 水 量.在水资源生态承载力计算中需扣除用于生态和
8、生物多样性补偿面积后的可用水资源比例为评估北京水资源可持续利用情况选取人均水资源生态赤字、水资源生态压力指数和水资源生态足迹强度等参数为评价指标见式()():()()()式中 人均水资源生态赤字/人其值越 大 说 明 水 资 源 过 度 利 用 越 严 重 水资源生态压力指数其值大于 代表不安全的水资源利用 水资源生态足迹强度/万元用来衡量区域水资源利用效率值越小表示用水效率越高 国内生产总值万元.北京水资源利用系统动力学模型本文研究是在文献构建并校准的北京水资源利用系统动力学模型基础上进行的 图 是北京水资源利用系统动力学模型因果关系 模型中涉及的参数分为常数类、表函数和初始值等三类共 个具
9、体参数信息见文献 这些参数现状年份的值来自于北京市相关统计数据包括北京市统计年鉴中的社会经济数据和各类增长率数据及北京市水资源公报中的水资源数据和用水定额数据 模型校准的结果(生活、工业、农业需水量拟合的相关系数分别为.、.、.)表明了模型的可行性和适用性可用于本文研究经过校准的模型参数可参阅文献北京水资源生态足迹预测时间为 年时间步长为 年 根据北京水资源利用和社会经济发展现状考虑气候变化和人类活动的影响设计 大类 小类情景包括现状保持型情景 气候变化型情景(湿润)、(正常)和(干旱)人类活动型情景(经济快速发展)、(南水北调工程)和 人民珠江 年第 期(畜牧业节水)及综合型情景(考虑经济快
10、速发展和南水北调工程)、(考虑经济快速发展和畜牧业节水)和(考虑经济快速发展、南水北调工程和畜牧业节水)表 列出了这些情景具体内容模型参数预测值根据北京不同用水部门特点和对水资源可持续发展的需求参考国内外相似研究区域的相关参数依据北京人口增长情况、经济发展水平、科技应用状况、水资源利用程度、工农业节水工艺和技术等因素变化综合评价并确定参数值 模型中情景设计充分考虑了北京未来社会经济发展过程中影响水资源可持续利用的因素依据北京水资源利用和经济发展现状设定各情景相关参数值是具有合理性和科学依据的图 北京水资源利用系统动力学模型因果关系表 北京水资源利用系统动力学模型情景设计类别情景名称简称情景描述
11、气候变化现状保持保持现状的结构和发展模式、年经济增速分别为.、湿润降水量由 排放情景下 生成其余参数同 正常降水量由 排放情景下 生成其余参数同干旱降水量由 排放情景下 生成其余参数同人类活动经济发展强调经济快速发展、年经济增速分别为、其余参数同 南水北调考虑南水北调工程的供水年供水量 亿 其余参数同 畜牧节水考虑畜牧业节水将 个牲畜群体用水定额分别减少 其余参数同 综合情景经济发展 南水北调考虑经济快速发展和南水北调工程引水使用它们的参数组合经济发展 畜牧节水考虑经济快速发展和畜牧业节水使用它们的参数组合经济发展 南水北调 畜牧节水考虑经济快速发展、南水北调工程引水和畜牧业节水使用它们的参数
12、组合 气候变化型情景中降水数据是基于 排放情景下代表湿润(模型)、正常(模型)和干旱(模型)气候 的 种 大 气 环 流 模 型()利用 变化法对数据进行降尺度和偏差修正处理 种 下参考蒸散发数据由北京气 象 台 提 供 的 数 据 生 成 南 水 北 调 型 情 景 考虑了 年 月 日开始每年向北京供水 亿 的中线工程的影响模型中使用“”语句来输入这一变量 结果与分析.北京水资源生态足迹预测图 是 年北京各情景人均水资源人民珠江 年第 期生态足迹曲线表 是 年北京各情景下水资源生态足迹指标平均值从中可看出除情景 外其余情景人均水资源生态足迹均呈波动下降趋势其中情景 人均水资源生态足迹均值./
13、人由 年的./人降为年的./人下降.情景 和 人均水资源生态足迹均值分别为.、./人由 年的.、./人降为 年 的.、./人 分 别 下 降.、.情景、人均水资源生态足迹均值分别为.、.、./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.情景、和 人均水资源生态足迹均值分别为.、.、./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.情景 人均水资源生态足迹呈波动上升趋势均值./人由 年的./人升为 年的./人上升.总体而言对于人均水资源生态足迹情景 情景 情景 以上分析说明气候变化对北京人均水资源生态足迹有较大影响南水北调工程和畜牧业节水对人均水资源生态
14、足迹影响较小)气候变化的影响)人类活动的影响)综合影响图 年北京各情景下人均水资源生态足迹曲线表 年北京各情景下水资源生态足迹指标平均值情景人均水资源生态足迹/(人)人均水资源生态承载力/(人)人均水资源生态赤字/(人)水资源生态压力指数水资源生态足迹强度/(万元).人民珠江 年第 期 图 是北京各情景水资源生态足迹平均组成从中可看出 所有情景生活用水生态足迹占比(.)最高农业用水生态足迹占比(.)次之工业和环境用水生态足 迹 占 比(分 别 为.和.)最小 不同情景北京水资源生态足迹平均组成略有不同 对于气候变化情景干旱气候会扩大农业用水生态足迹占比缩小其他用水生态足迹占比对于人类活动情景经
15、济快速发展会扩大工业用水生态足迹占比缩小其他用水生态足迹占比对于综合情景水资源生态足迹组成变化微小 种综合情景中各用水生态足迹占比几乎相同图 年北京各情景下水资源生态足迹平均组成不同情景对北京水资源生态承载力影响各不相同(图):种气候变化情景对水资源生态承载力影响较小且相差不大南水北调工程对水资源生态承载力有很大影响该情景人均水资源生态承载力最大经济快速发展对水资源生态承载力有一定影响且大于气候变化和畜牧业节水的影响畜牧业节水对水资源生态承载力几乎没有影响 所有情景下北京人均水资源生态承载力均呈下降趋势其中情景 人均水资源生态承载力均值./人(表)由 年的./人降为 年的./人下降.情景、和
16、人均水资源生态承载力均值均为./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.情景、人均水资源生态承载力均值分别为.、.、./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.情景、和 人均水资源生态承载力均值分别为.、.、./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.)气候变化的影响)人类活动的影响)综合影响图 年各情景下北京人均水资源生态承载力 年所有情景下北京人均水资源生态承载力始终小于人均水资源生态足迹导致出现水资源生态赤字(图)但不同情景人均水资源生态赤字呈不同变化趋势:除情景 人均水资源人民珠江 年第 期生态赤字呈波动上升趋势外其余情景人均水资源生态赤字呈波动下降趋势 情景 人均水资源生态赤字均值./人由 年的./人降为 年的./人下降.情景 和 人均水资源生态赤字均值分别为.、./人由 年的.、./人降为 年的.、./人分别下降.、.情景、和 人均水资源生态赤字均值分别为.、.、./人由 年的.、.、./人降为 年的.、.、./人分别下降.、.、.情景、和 人均水资源生态赤字均值分别为.、.、./人由 年的.、.
