水资源是人与其他生命系统不可缺少的一种宝贵资源,是社会经济发展的基本支撑条件。通过影响农业生产、工业生产、居民生活和环境质量,水资源影响着城市的社会经济水平。在改革开放以来的30年内,北京经历了快速的国民经济发展,但这也对水资源造成了更大的压力,使得北京成为世界上严重缺水的大城市之一。

由于未来的经济和人口发展规划对水资源供给提出更高的要求,因此,论文利用系统动力学(SD)的原理和方法,首先构建了气候干旱和经济发展双重压力下的北京水资源承载力模型,进而在中国北方干旱化大背景和北京城市规划目标的基础上,设计了规划发展情景、气候干旱情景和适应对策情景并进行了模拟分析。1990~2005年的模型检验结果表明该SD模型具有一定的可靠性,能在一定程度上模拟北京水资源的复杂变化过程。2006~2020年的模拟结果显示气候干旱下北京水资源可供应量减少到29•88×108m3,比起2005年减少了7•62%,远低于按规划目标发展下的水资源需求量52•83×108m3。在水资源的约束下,人口和经济发展受到限制,北京可承载农业总产值、工业总产值和人口分别为128•05×108元、3 152•69×108元和1 167•18×104人,远低于北京城市总体规划设想。比较3种适应对策,开展调水工程对人口承载力影响最大,依靠科技进步对经济发展影响最大,产业结构调整的作用比较小。综合各种适应对策和气候干旱作用之后,水资源可供应量、人口和经济发展承载量接近或超过规划目标要求。

水资源是人与其他生命系统不可缺少的一种宝贵资源,是社会经济发展的基本支撑条件。在城市地区,水资源主要靠影响农业、工业生产、居民生活和环境质量影响城市的社会经济水平,从而影响城市的发展,所以城市区域的水资源承载力受到广泛的关注。关于承载力的研究最早可追溯到1921年,之后承载力概念被广泛用于人口学、资源学和环境科学领域。目前,区域水资源承载力的估算主要有两种观点:一是水资源对该地区生态与环境系统和社会经济系统的“最大支撑能力”的观点,是从分析水资源承载力系统中的现象入手构建指标体系,采用评价的方法与评价标准比较,得出“最大支撑能力”。

最主要的方法有模糊评价法、灰关联度评价法和主成分分析法等,但这种方法往往局限于单因素的表现,不能深刻反映多因素间的关系,并且评价指标体系建立有一定的主观性,因此最终结果大多作为定性判断;二是水资源对该地区生态与环境系统和社会经济系统的“最大支撑规模”,即某一地区的水资源,在一定社会历史和科学技术发展阶段,在不破坏社会和生态系统时,最大可承载的农业、工业、城市规模和人口的能力,为水资源承载力。主要研究方法包括:①常规趋势法;②系统动力学法;③多目标综合分析法。由于没有全面考虑影响水资源承载力中各要素的相互制约和作用关系,常规趋势的结果很难准确反映真实情况,而多目标非线性规划问题由于求解技术比较困难,往往将目标简化,所以较难反映系统内部的复杂关系。系统动力学是1956年由美国麻省理工学院Forrester JW创立的一门分析研究信息反馈的学科,具有高阶次、非线性、多变量、多反馈等特点,利用此模型可较好把握系统的各种反馈关系,并对系统进行模拟和预测。虽然系统动力学法对参量和数据的需求量比较大,但其能反映复杂系统反馈的优势很早就被承载力研究者注意。上个世纪60年代末,由美国麻省理工学院的梅多斯等学者组成的“罗马俱乐部”,就利用系统动力学模型对世界范围内的资源(包括土地、水、粮食矿产等)环境与人的关系进行评价。构建了著名的“世界模型”和经济的“零增长”发展模式。近来的研究表明,在水资源承载方面,系统动力学模型是分析变化原因、模拟变化过程和预测变化结果的有力工具,同时为规划和政策制定提供了可参考的信息。徐建华等利用系统动力学构建了绿洲型城市生态经济系统模型,对新疆奎屯市的持续发展进行了模拟;左其亭等将系统动力学模型与其它定量模型进行耦合,形成人水系统演变的嵌入式系统动力学模型。

在改革开放以来的20多年内,北京经历了快速的人口和经济发展,但这也对水资源造成了更大的压力。北京现在的水资源人均占有量约300 m3,是世界人均水资源量的1/30,远低于国际行动人口组织提出的人均1 000 m3的下限,为世界上严重缺水的大城市之一。水资源的可持续利用是保证可持续发展的重要基础,近年来,北京地区的干旱和污染造成水资源进一步紧缺,水资源已经成为影响区域发展的重要限制因素。

有的研究者分析了气候变化对北京水资源的影响,如刘中丽分析了降水和温度对北京水资源的影响,认为水资源主要受大气降水制约,而温度通过间接的方式影响水资源量;张庆云分析了1880年以来华北降水量和水资源的变化趋势,认为其存在明显的年际和年代际变化;陈惠娟等比较了北京、上海和广州的水资源消耗和经济、气候的关系,认为温度是影响城市气候耗水量的主要因子。有的研究者分别研究了用水结构、节水状况、境外调水、用水价格调整等政策和对策对北京水资源承载力的影响。如冯海燕等利用系统动力学模型衡量了北京水资源在不同情景下可承载的工业、农业总产值和人口数量,认为延续现状的用水模式,未来的水资源承载力将非常脆弱;范英英等模拟了5项水资源政策对水资源承载力的影响,认为调水工程对水资源承载力意义重大;王双等模拟了水资源约束下的北京土地利用变化,发现水资源通过限制经济和人口发展将更直观和深刻地影响北京的土地利用状况。通过对已有研究综合分析,可以看出目前大多数系统动力学模型正尝试综合考虑自然条件和社会经济对系统的综合影响,但能同时评价气候系统和社会经济系统两者作用下的水资源承载力模型还比较少见。

同时,对气候系统和社会经济系统双重压力下水资源承载力变化的适应对策的定量模拟分析也非常缺乏。因此,本文利用水资源承载力理论和系统动力学的方法,构建自然和人为双压力下的水资源承载力模型,分析水资源对社会经济系统的约束作用。并且利用情景分析方法,试图通过不同政策/对策的发展情况设置,气候干旱和经济发展双重压力下的北京水资源承载力变化情景模拟研究。

按照规划要求的速度持续发展(情景A)下,到2020年,需水量约52•83×108m3,人口、农业GDP和工业GDP分别1 800×104人, 172•59×108元和5 005•06×108元。对比气候干旱情景,水资源的供需缺口达到24•45×108m3,而可承载的人口、农业GDP和工业GDP比规划目标分别低了632•82×104人、84•82×108元和1 852•37×108元。可见在气候干旱和社会经济发展的双重压力下,如果不采取相应对策,将对北京社会经济发展带来较大的限制作用。

比较跨流域调水、科技进步和产业结构调整这3种对策的作用。对于可承载农业GDP的影响, 3个情景2020年可承载量依次为171•83×108元、220•48×108元和117•03×108元,达到规划目标的程度分别为99•56%、127•75%和67•81%。可见科技进步因素对提高农业GDP承载力影响最大。对于工业GDP承载而言,3个情景可承载量在2020年依次为4 230•79×108、4 768•58×108和2 294•17×108元,达到规划目标的程度分别为84•53%、95•28%和45•84%,仍然是科技进步因素影响最大而产业结构调整因素影响最小。对于人口承载量而言, 2020年三者可承载量分别为1 566•31×104、1 481•25×104和1 385•02×104人,对比规划目标的1 800×104人,可见调水工程对人口承载力影响最大。

综合考虑气候变化和适应对策之后(情景F),水资源可供应量达到45•47×108m3,高出现状年份(2005年) 14•75×108m3。可承载的农业和工业总产值分别为249•90×108元和4 541•21×108元,年均增长率分别为7•22%和6•81%。可承载人口达到2 264•61×104人,指标接近或超过规划的目标。

结论与讨论

(1)在气候干旱与经济发展双重压力下,北京水资源的供需矛盾存在进一步加剧的风险。本文利用系统动力学的原理和方法,构建了气候干旱化和经济发展双重压力下的北京水资源承载力情景模型。1990~2005年的模拟结果表明该模型具有一定的适用性和有效性,有助于理解气候系统和社会经济系统双重压力对北京水资源承载力变化过程的可能影响。在此基础上,模拟分析了2006~2020年不同情景下的北京水资源承载力的动态变化过程。

(2)在假定的华北地区气候持续干旱的情景下,地表湿润指数将下降0•06,到2020年北京水资源可供应量减少到28•38×108m3,比起现状年份(2005年)减少了7•62%。远低于按规划目标发展下的水资源需求量52•83×108m3。在水资源的约束下,人口和经济发展受到限制,北京可承载农业总产值、工业总产值和人口分别为128•05×108元、3 152•69×108元和1 167•18×104人,远低于规划的172•59×108元、5 005•06×108元和1 800×104人设想。

(3)研究表明,调水工程、科技进步和产业结构调整均是目前北京有效减轻水资源短缺、提高水资源承载能力的方法。对于人口承载力,调水工程影响较大;而对于经济承载力,科技进步的影响较大。但是,科技进步通过开源节流的方式增加水资源量,对其他地区依赖性较小;调水工程对其他地区依赖过重,可能成为发展的隐忧。综合气候变化和人为影响,发现综合调水工程、科技进步和产业结构调整对策能减轻干旱化带来的北京水资源短缺压力,并且能承载接近或超过规划目标的人口和经济发展水平。