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水資源是人與其他生命系統(tǒng)不可缺少的一種寶貴資源,是社會經(jīng)濟發(fā)展的基本支撐條件。通過影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活和環(huán)境質(zhì)量,水資源影響著城市的社會經(jīng)濟水平。在改革開放以來的30年內(nèi),北京經(jīng)歷了快速的國民經(jīng)濟發(fā)展,但這也對水資源造成了更大的壓力,使得北京成為世界上嚴重缺水的大城市之一。

由于未來的經(jīng)濟和人口發(fā)展規(guī)劃對水資源供給提出更高的要求,因此,論文利用系統(tǒng)動力學(xué)(SD)的原理和方法,首先構(gòu)建了氣候干旱和經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下的北京水資源承載力模型,進而在中國北方干旱化大背景和北京城市規(guī)劃目標的基礎(chǔ)上,設(shè)計了規(guī)劃發(fā)展情景、氣候干旱情景和適應(yīng)對策情景并進行了模擬分析。1990~2005年的模型檢驗結(jié)果表明該SD模型具有一定的可靠性,能在一定程度上模擬北京水資源的復(fù)雜變化過程。2006~2020年的模擬結(jié)果顯示氣候干旱下北京水資源可供應(yīng)量減少到29•88×108m3,比起2005年減少了7•62%,遠低于按規(guī)劃目標發(fā)展下的水資源需求量52•83×108m3。在水資源的約束下,人口和經(jīng)濟發(fā)展受到限制,北京可承載農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值和人口分別為128•05×108元、3 152•69×108元和1 167•18×104人,遠低于北京城市總體規(guī)劃設(shè)想。比較3種適應(yīng)對策,開展調(diào)水工程對人口承載力影響最大,依靠科技進步對經(jīng)濟發(fā)展影響最大,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的作用比較小。綜合各種適應(yīng)對策和氣候干旱作用之后,水資源可供應(yīng)量、人口和經(jīng)濟發(fā)展承載量接近或超過規(guī)劃目標要求。

水資源是人與其他生命系統(tǒng)不可缺少的一種寶貴資源,是社會經(jīng)濟發(fā)展的基本支撐條件。在城市地區(qū),水資源主要靠影響農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活和環(huán)境質(zhì)量影響城市的社會經(jīng)濟水平,從而影響城市的發(fā)展,所以城市區(qū)域的水資源承載力受到廣泛的關(guān)注。關(guān)于承載力的研究最早可追溯到1921年,之后承載力概念被廣泛用于人口學(xué)、資源學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域。目前,區(qū)域水資源承載力的估算主要有兩種觀點:一是水資源對該地區(qū)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的“最大支撐能力”的觀點,是從分析水資源承載力系統(tǒng)中的現(xiàn)象入手構(gòu)建指標體系,采用評價的方法與評價標準比較,得出“最大支撐能力”。

最主要的方法有模糊評價法、灰關(guān)聯(lián)度評價法和主成分分析法等,但這種方法往往局限于單因素的表現(xiàn),不能深刻反映多因素間的關(guān)系,并且評價指標體系建立有一定的主觀性,因此最終結(jié)果大多作為定性判斷;二是水資源對該地區(qū)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的“最大支撐規(guī)模”,即某一地區(qū)的水資源,在一定社會歷史和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段,在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時,最大可承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力,為水資源承載力。主要研究方法包括:①常規(guī)趨勢法;②系統(tǒng)動力學(xué)法;③多目標綜合分析法。由于沒有全面考慮影響水資源承載力中各要素的相互制約和作用關(guān)系,常規(guī)趨勢的結(jié)果很難準確反映真實情況,而多目標非線性規(guī)劃問題由于求解技術(shù)比較困難,往往將目標簡化,所以較難反映系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)系。系統(tǒng)動力學(xué)是1956年由美國麻省理工學(xué)院Forrester JW創(chuàng)立的一門分析研究信息反饋的學(xué)科,具有高階次、非線性、多變量、多反饋等特點,利用此模型可較好把握系統(tǒng)的各種反饋關(guān)系,并對系統(tǒng)進行模擬和預(yù)測。雖然系統(tǒng)動力學(xué)法對參量和數(shù)據(jù)的需求量比較大,但其能反映復(fù)雜系統(tǒng)反饋的優(yōu)勢很早就被承載力研究者注意。上個世紀60年代末,由美國麻省理工學(xué)院的梅多斯等學(xué)者組成的“羅馬俱樂部”,就利用系統(tǒng)動力學(xué)模型對世界范圍內(nèi)的資源(包括土地、水、糧食礦產(chǎn)等)環(huán)境與人的關(guān)系進行評價。構(gòu)建了著名的“世界模型”和經(jīng)濟的“零增長”發(fā)展模式。近來的研究表明,在水資源承載方面,系統(tǒng)動力學(xué)模型是分析變化原因、模擬變化過程和預(yù)測變化結(jié)果的有力工具,同時為規(guī)劃和政策制定提供了可參考的信息。徐建華等利用系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)建了綠洲型城市生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)模型,對新疆奎屯市的持續(xù)發(fā)展進行了模擬;左其亭等將系統(tǒng)動力學(xué)模型與其它定量模型進行耦合,形成人水系統(tǒng)演變的嵌入式系統(tǒng)動力學(xué)模型。

在改革開放以來的20多年內(nèi),北京經(jīng)歷了快速的人口和經(jīng)濟發(fā)展,但這也對水資源造成了更大的壓力。北京現(xiàn)在的水資源人均占有量約300 m3,是世界人均水資源量的1/30,遠低于國際行動人口組織提出的人均1 000 m3的下限,為世界上嚴重缺水的大城市之一。水資源的可持續(xù)利用是保證可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),近年來,北京地區(qū)的干旱和污染造成水資源進一步緊缺,水資源已經(jīng)成為影響區(qū)域發(fā)展的重要限制因素。

有的研究者分析了氣候變化對北京水資源的影響,如劉中麗分析了降水和溫度對北京水資源的影響,認為水資源主要受大氣降水制約,而溫度通過間接的方式影響水資源量;張慶云分析了1880年以來華北降水量和水資源的變化趨勢,認為其存在明顯的年際和年代際變化;陳惠娟等比較了北京、上海和廣州的水資源消耗和經(jīng)濟、氣候的關(guān)系,認為溫度是影響城市氣候耗水量的主要因子。有的研究者分別研究了用水結(jié)構(gòu)、節(jié)水狀況、境外調(diào)水、用水價格調(diào)整等政策和對策對北京水資源承載力的影響。如馮海燕等利用系統(tǒng)動力學(xué)模型衡量了北京水資源在不同情景下可承載的工業(yè)、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和人口數(shù)量,認為延續(xù)現(xiàn)狀的用水模式,未來的水資源承載力將非常脆弱;范英英等模擬了5項水資源政策對水資源承載力的影響,認為調(diào)水工程對水資源承載力意義重大;王雙等模擬了水資源約束下的北京土地利用變化,發(fā)現(xiàn)水資源通過限制經(jīng)濟和人口發(fā)展將更直觀和深刻地影響北京的土地利用狀況。通過對已有研究綜合分析,可以看出目前大多數(shù)系統(tǒng)動力學(xué)模型正嘗試綜合考慮自然條件和社會經(jīng)濟對系統(tǒng)的綜合影響,但能同時評價氣候系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)兩者作用下的水資源承載力模型還比較少見。

同時,對氣候系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)雙重壓力下水資源承載力變化的適應(yīng)對策的定量模擬分析也非常缺乏。因此,本文利用水資源承載力理論和系統(tǒng)動力學(xué)的方法,構(gòu)建自然和人為雙壓力下的水資源承載力模型,分析水資源對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的約束作用。并且利用情景分析方法,試圖通過不同政策/對策的發(fā)展情況設(shè)置,氣候干旱和經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下的北京水資源承載力變化情景模擬研究。

按照規(guī)劃要求的速度持續(xù)發(fā)展(情景A)下,到2020年,需水量約52•83×108m3,人口、農(nóng)業(yè)GDP和工業(yè)GDP分別1 800×104人, 172•59×108元和5 005•06×108元。對比氣候干旱情景,水資源的供需缺口達到24•45×108m3,而可承載的人口、農(nóng)業(yè)GDP和工業(yè)GDP比規(guī)劃目標分別低了632•82×104人、84•82×108元和1 852•37×108元。可見在氣候干旱和社會經(jīng)濟發(fā)展的雙重壓力下,如果不采取相應(yīng)對策,將對北京社會經(jīng)濟發(fā)展帶來較大的限制作用。

比較跨流域調(diào)水、科技進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整這3種對策的作用。對于可承載農(nóng)業(yè)GDP的影響, 3個情景2020年可承載量依次為171•83×108元、220•48×108元和117•03×108元,達到規(guī)劃目標的程度分別為99•56%、127•75%和67•81%。可見科技進步因素對提高農(nóng)業(yè)GDP承載力影響最大。對于工業(yè)GDP承載而言,3個情景可承載量在2020年依次為4 230•79×108、4 768•58×108和2 294•17×108元,達到規(guī)劃目標的程度分別為84•53%、95•28%和45•84%,仍然是科技進步因素影響最大而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整因素影響最小。對于人口承載量而言, 2020年三者可承載量分別為1 566•31×104、1 481•25×104和1 385•02×104人,對比規(guī)劃目標的1 800×104人,可見調(diào)水工程對人口承載力影響最大。

綜合考慮氣候變化和適應(yīng)對策之后(情景F),水資源可供應(yīng)量達到45•47×108m3,高出現(xiàn)狀年份(2005年) 14•75×108m3。可承載的農(nóng)業(yè)和工業(yè)總產(chǎn)值分別為249•90×108元和4 541•21×108元,年均增長率分別為7•22%和6•81%。可承載人口達到2 264•61×104人,指標接近或超過規(guī)劃的目標。

結(jié)論與討論

(1)在氣候干旱與經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下,北京水資源的供需矛盾存在進一步加劇的風險。本文利用系統(tǒng)動力學(xué)的原理和方法,構(gòu)建了氣候干旱化和經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下的北京水資源承載力情景模型。1990~2005年的模擬結(jié)果表明該模型具有一定的適用性和有效性,有助于理解氣候系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)雙重壓力對北京水資源承載力變化過程的可能影響。在此基礎(chǔ)上,模擬分析了2006~2020年不同情景下的北京水資源承載力的動態(tài)變化過程。

(2)在假定的華北地區(qū)氣候持續(xù)干旱的情景下,地表濕潤指數(shù)將下降0•06,到2020年北京水資源可供應(yīng)量減少到28•38×108m3,比起現(xiàn)狀年份(2005年)減少了7•62%。遠低于按規(guī)劃目標發(fā)展下的水資源需求量52•83×108m3。在水資源的約束下,人口和經(jīng)濟發(fā)展受到限制,北京可承載農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值和人口分別為128•05×108元、3 152•69×108元和1 167•18×104人,遠低于規(guī)劃的172•59×108元、5 005•06×108元和1 800×104人設(shè)想。

(3)研究表明,調(diào)水工程、科技進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整均是目前北京有效減輕水資源短缺、提高水資源承載能力的方法。對于人口承載力,調(diào)水工程影響較大;而對于經(jīng)濟承載力,科技進步的影響較大。但是,科技進步通過開源節(jié)流的方式增加水資源量,對其他地區(qū)依賴性較小;調(diào)水工程對其他地區(qū)依賴過重,可能成為發(fā)展的隱憂。綜合氣候變化和人為影響,發(fā)現(xiàn)綜合調(diào)水工程、科技進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對策能減輕干旱化帶來的北京水資源短缺壓力,并且能承載接近或超過規(guī)劃目標的人口和經(jīng)濟發(fā)展水平。