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

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013;2.东华理工大学水资源与环境工程学院,江西 南昌 330013)

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[1]。水资源生态足迹是基于Willam Rees提出的生态足迹概念的非货币度量方法[2-4],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[5-8]。水资源生态足迹已在许多区域得到应用[9-18],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、BP神经网络等方法对区域水资源生态足迹进行预测[2,10]。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[19-21]。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[20]。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[20,22]。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[23],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300 m3/人)与国际人均缺水标准线(1 000 m3/人)差距巨大[24]。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6至8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30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[25]构建并校准的系统动力学模型基础上,考虑气候变化(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4大类10小类情景,对北京2022—2030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。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北京(115.7°～117.4°E,39.4°～41.6°N)是中国的首都和政治、经济、文化中心,面积16 808 km2,2021年总人口2 188.6万,人口密度1 302人/km2,城镇化率87.55%。气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候,2001—2021年降水量波动较大,均值548 mm;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10.33亿、17.10亿、27.30亿m3;南水北调工程引水量(2014年年底开始向北京供水,2008—2013年为南水北调河北应急段调水数据,2021年数据暂无)均值5.9亿m3。与此同时,除去丰水年,大多年份北京总用水量(均值37.05亿m3)大于水资源总量(图1),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1 北京历年水资源量、用水量和降水量曲线

1.2 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(1)、(2)[26-27]:

(1)

(2)

式中 efw、ecw——人均水资源生态足迹和生态承载力,hm2/人;N——总人口,人;βw——全球水资源均衡因子,取值5.19[2];Pw——全球水资源平均生产能力,m3/hm2,取值3 140 m3/hm2[11];Ui——第i个部门用水量,m3,包括生活、工业、农业和环境等部门;φ——水资源产量因子,取值0.77[26];WT、WS、WG、WR、WN——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,m3;0.4——在水资源生态承载力计算中需扣除用于生态和生物多样性补偿面积后的可用水资源比例[15]。

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(3)—(5):

edw=efw-ecw

(3)

(4)

(5)

式中 edw——人均水资源生态赤字,hm2/人,其值越大,说明水资源过度利用越严重;epiw——水资源生态压力指数,其值大于1代表不安全的水资源利用;efiw——水资源生态足迹强度,hm2/万元,用来衡量区域水资源利用效率,值越小表示用水效率越高;GDP——国内生产总值,万元。

1.3 北京水资源利用系统动力学模型

本文研究是在文献[25]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2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76个,具体参数信息见文献[24]。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[25](生活、工业、农业需水量拟合的相关系数分别为0.936 6、0.988 9、0.825 5)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[24]。

图2 北京水资源利用系统动力学模型因果关系

北京水资源生态足迹预测时间为2022—2030年,时间步长为1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4大类10小类情景,包括现状保持型情景BAU,气候变化型情景CC-wet(湿润)、CC-normal(正常)和CC-dry(干旱),人类活动型情景HA-ED(经济快速发展)、HA-SNWDP(南水北调工程)和HA-LWC(畜牧业节水)及综合型情景CS1(考虑经济快速发展和南水北调工程)、CS2(考虑经济快速发展和畜牧业节水)和CS3(考虑经济快速发展、南水北调工程和畜牧业节水),表1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。

表1 北京水资源利用系统动力学模型情景设计

气候变化型情景中降水数据是基于A1B CO2排放情景下代表湿润(UKMO_ HADCM3模型)、正常(CSIRO_MK3模型)和干旱(CNRM_CM3模型)气候的3种大气环流模型(General Circulation Model,GCM),利用delta变化法对数据进行降尺度和偏差修正处理,3种GCM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HA-SNWDP考虑了2014年12月27日开始每年向北京供水12亿m3的中线工程的影响,模型中使用“IF THEN ELSE”语句来输入这一变量。

2 结果与分析

2.1 北京水资源生态足迹预测

图3是2022—2030年北京各情景人均水资源生态足迹曲线,表2是2022—2030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CC-wet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BAU人均水资源生态足迹均值0.430 hm2/人,由2022年的0.419 hm2/人降为2030年的0.376 hm2/人,下降10.26%;情景CC-normal和CC-dry人均水资源生态足迹均值分别为0.426、0.463 hm2/人,由2022年的0.425、0.469 hm2/人降为2030年的0.415、0.448 hm2/人,分别下降2.35%、4.48%;情景HA-ED、HA-SNWDP、HA-LWC人均水资源生态足迹均值分别为0.475、0.425、0.427 hm2/人,由2022年的0.453、0.414、0.416 hm2/人降为2030年的0.396、0.375、0.373 hm2/人,分别下降12.58%、9.42%、10.34%;情景CS1、CS2和CS3人均水资源生态足迹均值分别为0.469、0.472、0.466 hm2/人,由2022年的0.443、0.450、0.440 hm2/人降为2030年的0.392、0.393、0.385 hm2/人,分别下降11.51%、12.67%、12.50%。情景CC-wet人均水资源生态足迹呈波动上升趋势,均值0.414 hm2/人,由2022年的0.398 hm2/人升为2030年的0.404 hm2/人,上升1.49%。总体而言,对于人均水资源生态足迹,情景CC-dry>BAU>CC-normal>CC-wet,情景HA-ED>BAU>HA-LWC>HA-SNWDP,情景CS2>CS1>CS3>BAU。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足迹影响较小。

表2 2022—2030年北京各情景下水资源生态足迹指标平均值

a)气候变化的影响

图4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(35.197%～39.523%)最高,农业用水生态足迹占比(23.943%～32.857%)次之,工业和环境用水生态足迹占比(分别为15.889%～23.259%和15.677%～17.971%)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,3种综合情景中各用水生态足迹占比几乎相同。

图4 2022—2030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5):3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BAU人均水资源生态承载力均值0.101 hm2/人(表2),由2022年的0.106 hm2/人降为2030年的0.096 hm2/人,下降9.21%;情景CC-wet、CC-normal和CC-dry人均水资源生态承载力均值均为0.101 hm2/人,由2022年的0.106、0.105、0.105 hm2/人降为2030年的0.096、0.096、0.096 hm2/人,分别下降9.12%、9.17%、9.34%;情景HA-ED、HA-SNWDP、HA-LWC人均水资源生态承载力均值分别为0.108、0.132、0.101 hm2/人,由2022年的0.111、0.140、0.106 hm2/人降为2030年的0.09 9、0.124、0.09 6 hm2/人,分别下降10.43%、11.42%、9.21%;情景CS1、CS2和CS3人均水资源生态承载力均值分别为0.139、0.108、0.139 hm2/人,由2022年的0.144、0.111、0.144 hm2/人降为2030年的0.127、0.099、0.126 hm2/人,分别下降12.24%、10.56%、12.65%。

a)气候变化的影响

2022—2030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6),但不同情景人均水资源生态赤字呈不同变化趋势:除情景CC-wet人均水资源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BAU人均水资源生态赤字均值0.329 hm2/人,由2022年的0.314 hm2/人降为2030年的0.280 hm2/人,下降10.83%;情景CC-normal和CC-dry人均水资源生态赤字均值分别为0.325、0.363 hm2/人,由2022年的0.319 3、0.364 0 hm2/人降为2030年的0.319 2、0.352 0 hm2/人,分别下降0.01%、3.13%;情景HA-ED、HA-SNWDP和HA-LWC人均水资源生态赤字均值分别为0.367、0.293、0.326 hm2/人,由2022年的0.342、0.274、0.311 hm2/人降为2030年的0.297、0.251、0.277 hm2/人,分别下降13.22%、8.46%、10.84%;情景CS1、CS2和CS3人均水资源生态赤字均值分别为0.330、0.364、0.327 hm2/人,由2022年的0.298、0.339、0.295降为2030年的0.265、0.293、0.259,分别下降11.23%、13.53%、12.22%。情景CC-wet人均水资源生态赤字均值0.313 hm2/人,由2022年的0.292 hm2/人升为2030年的0.308 hm2/人,上升5.54%。与情景BAU相比,干旱气候条件下北京会出现较大水资源生态赤字,而湿润和正常气候条件下水资源生态赤字有一定程度下降,说明气候越干旱,北京水资源生态赤字程度越严重,水资源不可持续利用越强。对于3类人类活动情景,经济快速发展会使北京水资源生态赤字有较大程度增大,南水北调工程则会使水资源生态赤字出现较大下降,而畜牧业节水则会产生较小影响,人均水资源生态赤字几乎和情景BAU相同,说明经济快速发展会扩大北京水资源生态赤字,加剧水资源供需平衡压力,而南水北调工程则能缩小北京水资源生态赤字,缓解水资源短缺程度。

a)气候变化的影响

2022—2030年所有情景下北京水资源生态压力指数均大于1且呈波动变化趋势(图7),其中情景BAU、HA-ED、HA-LWC和CS2下该指标呈波动下降趋势,情景CC-wet、CC-normal、CC-dry、HA-SNWDP、CS1和CS3下该指标呈波动上升趋势,说明这些情景下北京都将面临水资源生态足迹大于水资源生态承载力及水资源不安全利用的局面。情景BAU水资源生态压力指数均值4.258,由2022年的3.973降为2030年的3.920,下降1.34%;情景CC-wet、CC-normal和CC-dry水资源生态压力指数均值分别为4.099、4.230、4.608(表2),由2022年的3.768、4.027、4.451升为2030年的4.214、4.333、4.688,分别上升11.85%、7.58%、5.31%;情景HA-ED和HA-LWC水资源生态压力指数均值分别为4.382、4.226,由2022年的4.088、3.941降为2030年的3.992、3.888,分别下降2.35%、1.34%;情景HA-SNWDP水资源生态压力指数均值3.225,由2022年的2.958升为2030年的3.023,上升2.21%;情景CS1和CS3水资源生态压力指数均值分别为3.371、3.347,由2022年的3.066、3.043升为2030年的3.090、3.053,分别上升0.77%、0.33%;情景CS2水资源生态压力指数均值4.353,由2022年的4.059降为2030年的3.957,下降2.50%。干旱气候条件下水资源生态压力指数显著大于湿润和正常气候条件及现状保持情景,表明干旱气候条件会造成水资源压力增大。经济快速发展和畜牧业节水等情景下水资源生态压力指数和现状保持情景相差不大,但南水北调工程能显著降低水资源生态压力指数,即能缓解北京的水资源生态压力,促进水资源可持续利用。

a)气候变化的影响

水资源生态足迹强度表征区域用水效率高低,其值越小,用水效率越高。2022—2030年,所有情景下北京水资源生态足迹强度均呈显著下降趋势(图8),表明北京水资源利用效率在提高。与情景BAU相比,干旱气候条件能使得水资源生态足迹强度增大,而经济快速发展则会使得水资源生态足迹强度显著下降,这是因为干旱会导致用水量增加从而增大水资源生态足迹强度,而节水技术与用水效率都会随经济不断发展而提高从而降低水资源生态足迹强度。其他气候变化和人类活动情景下水资源生态足迹强度与现状保持情景相差不大,表明其他情景对水资源生态足迹强度的作用较小。综合考虑各种人类活动情景下,水资源生态足迹强度显著下降。情景BAU水资源生态足迹强度均值0.022 hm2/万元,由2022年的0.027 hm2/万元降为2030年的0.014 hm2/万元,下降48.51%;情景CC-wet、CC-normal和CC-dry水资源生态足迹强度均值分别为0.021、0.022、0.024 hm2/万元,由2022年的0.026、0.028、0.031 hm2/万元降为2030年的0.015、0.016、0.017 hm2/万元,分别下降42.19%、44.05%、44.54%;情景HA-ED、HA-SNWDP和HA-LWC水资源生态足迹强度均值分别为0.013、0.023、0.022 hm2/万元,由2022年的0.020、0.029、0.027 hm2/万元降为2030年的0.005、0.014、0.014 hm2/万元,分别下降74.05%、51.12%、48.58%;情景CS1、CS2和CS3水资源生态足迹强度均值均为0.013 hm2/万元,由2022年的0.022、0.020、0.022 hm2/万元降为2030年的0.005、0.005、0.005 hm2/万元,分别下降77.28%、74.18%、77.98%。

a)气候变化的影响

2.2 变化环境影响分析

气候变化和人类活动对北京水资源生态足迹及指标影响程度不同(表3)。与情景BAU相比,气候干湿程度对水资源生态足迹和生态赤字有较大影响,干旱气候使得人均水资源生态足迹和生态赤字分别增大7.84%、8.23%,而湿润与正常气候则会使得人均水资源生态足迹和生态赤字分别下降3.74%、0.84%,4.92%、1.05%;与此类似,气候干湿程度对水资源生态压力指数和生态足迹强度有较显著影响,干旱气候下水资源生态压力指数和生态足迹强度分别增大8.23%、10.19%,而湿润和正常气候下水资源生态压力指数和生态足迹强度分别下降3.73%、0.65%,4.83%、0.43%;而气候条件则对水资源生态承载力产生较微弱影响。综合来看,在未来不同气候条件下,气候越湿润,北京可用水资源量就越多,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,气候越干旱,北京可用水资源量则越少,与水资源生态足迹相关压力就越大。

表3 2022—2030年北京各情景下水资源生态足迹指标相比于情景BAU的增减率 %

对于人类活动的影响,一方面,经济快速发展对北京水资源生态足迹、生态承载力、生态赤字和生态压力指数产生较明显影响,它们相对情景BAU分别增长10.58%、7.39%、11.56%、2.92%。这是因为经济发展需要大量水资源来支撑,从而会增大水资源生态足迹、生态赤字和生态压力指数;而在经济快速发展的同时,其产生的污废水回用量也会增加,在模型中这部分水是北京水资源量的一部分,它的增加导致了水资源承载力的增大。在经济快速发展的情况下,北京GDP总量在快速增长,导致水资源生态足迹强度快速下降(与情景BAU相比下降42.17%)。另一方面,南水北调工程有着不一样的作用。在南水北调工程引水入京的情况下,北京人均水资源生态承载力急剧增长30.73%,而人均水资源生态足迹、生态赤字和生态压力指数则显著下降1.03%、10.77%、24.26%,水资源生态足迹强度上升4.91%。这说明,归功于水资源生态承载力的快速增长,南水北调工程对于北京水资源生态足迹和生态赤字有立竿见影的缩减效果,这对于北京水资源可持续利用有积极的作用。而畜牧业节水措施的采用则对于北京市水资源生态足迹相关指标有较小影响,人均水资源生态足迹、生态赤字、生态压力指数和生态足迹强度仅仅下降0.68%、0.90%、0.73%、1.01%。

综合发展情景是经济快速发展、南水北调工程和畜牧业节水等的综合,其影响是它们的结合。如果同时考虑经济快速发展和南水北调工程,那么该情景人均水资源生态承载力(增长37.81%)、水资源生态压力指数(下降20.83%)和水资源生态足迹强度(下降38.61%)均出现较大变化,人均水资源生态足迹(增长9.12%)也有较明显增长,这是经济快速发展和南水北调工程共同作用的结果。如果同时考虑经济快速发展和畜牧业节水,那么该情景人均水资源生态赤字(增长10.64%)和水资源生态足迹强度(下降42.78%)变化较大,其余指标变化较小。而如果同时考虑经济快速发展、南水北调工程和畜牧业节水,那么人均水资源生态足迹(增长8.34%)、人均水资源生态承载力(增长37.79%)、水资源生态压力指数(下降21.40%)和水资源生态足迹强度(下降39.44%)变化较大。

为保障北京水资源的可持续利用,一方面需针对气候变化采取措施,在满足干旱条件下各部门用水需求前提下保障北京水资源可持续利用。另一方面,政府决策部门要根据北京水资源利用实际制定发展目标,既要兼顾经济发展,又要保障水资源可持续利用;同时,较低的水资源生态足迹是保障水资源可持续利用的重要途径,北京在未来要充分利用南水北调工程引水,在提高全社会节水意识和促进节水技术发展的同时不断提高生产、生活用水效率,多管齐下保障北京水资源可持续利用。

3 结论

a)2022—2030年,北京水资源生态足迹呈波动下降趋势(情景CC-wet除外),水资源生态承载力呈下降趋势,水资源生态赤字均值范围0.293～0.367 hm2/人;水资源生态压力指数大于1且呈波动变化趋势,北京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,北京水资源利用效率不断提高。

b)在不同气候条件下,气候越湿润,北京水资源生态足迹、生态赤字、生态压力及生态足迹强度越小;反之,气候越干旱,与水资源生态足迹相关压力就越大。气候干湿程度与水资源量多寡直接相关,会直接影响水资源生态足迹、生态赤字和生态压力。

c)经济快速发展对北京水资源生态足迹、生态承载力、生态赤字和生态压力指数产生较明显影响;南水北调工程对北京水资源生态足迹和生态赤字有立竿见影的缩减效果;畜牧业节水措施则影响较小。

d)北京在未来发展中要兼顾经济发展和水资源保护,采取措施应对气候变化,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。