氣候變化和人類活動影響下北京市需水量預測

秦 歡 歡

(1.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室,江西 南昌 330013； 2.東華理工大學 水資源與環境工程學院，江西 南昌 330013)

大量研究證明，氣候變化和人類活動是影響陸面水文循環過程及水資源供需平衡最重要的兩大驅動因素[1-5], 對其進行研究是水科學研究中的熱點問題之一[3]。IPCC第五次評估報告[6]指出，相對于1850～1900年，預計到21世紀末(2081～2100年)，全球平均氣溫將上升0.30℃～ 4.80℃，以全球變暖為標志的氣候變化已成為世界上最重要的環境問題之一。氣候變化導致的全球變暖必定會對全球水文循環過程產生重要影響，造成水文循環各要素的變化及水資源的時空重分配，影響區域水資源總量，增加旱澇災害的頻率和強度，使得水資源供需不平衡問題更加突出[7]，從而對區域水資源開發利用、規劃管理、生態環境保護和社會經濟發展等產生深遠的影響[1]。

諸如灌溉、工業用水、水庫大壩的修建、超采地下水、土地開發利用等人類活動[8]對流域水循環及水資源的影響隨著經濟的發展和科技的進步而不斷增強，由此帶來水文循環要素和水資源數量在時空上發生了不可忽略的變化[9-11]。自20世紀80年代以來，由于經濟的發展、人口的增長及城鎮化的推進，全球生活、工業和農業用水不斷增加，人類活動產生的工農業“三廢”造成區域水資源的污染和生態環境的惡化，使得水資源供需矛盾不斷加劇，已成為制約社會經濟發展的關鍵要素之一。在氣候變化和人類活動雙重驅動因素影響下，針對水文循環及水資源變化進行研究，探討變化環境下水資源的可持續開發利用和規劃管理，對于解決水資源短缺的危機、促進生態環境的保護和社會經濟的可持續發展都具有十分重要的意義。

區域需水量預測涉及復雜的社會經濟和工程技術因素，是水資源可持續管理和規劃調度的重要依據[12]。一般來說，區域需水量預測的方法可分為時間序列法、結構分析法和系統方法等[13-15]。然而，傳統的方法無法系統地刻畫水資源供需之間復雜的動態反饋關系，亦無法在需水量預測中考慮諸多影響因素及其相互關系[16]，而系統動力學(System Dynamics, SD)是解決這一問題科學有效的方法[14,17-18]。

本文通過建立北京市需水量預測SD模型，考慮影響需水量的社會經濟、水文、氣象、工程技術等因素，在模型校準的基礎上，通過情景分析法預測在氣候變化和人類活動雙重驅動因素影響下北京市未來需水量及水資源供需平衡關系，為北京市水資源短缺問題的解決和可持續發展提供科學有效的建議，進而為氣候變化和人類活動影響下全球缺水問題的解決提供有益的嘗試。

1 材料和方法

1.1 系統動力學

SD出現于1956年，是為分析生產和庫存管理等問題提出的系統仿真方法，現已逐漸發展成為一門認識和解決系統問題的交叉學科[19]。SD對問題的理解是基于系統行為與內在機制間的依賴關系，通過數學模型的建立與操作而獲得，逐步發掘出產生變化形態的因果關系，構成的SD結構主要包括“流(flow)”、“積量(level)”、“率量(rate)”、“輔助變量(auxiliary)”等。SD模擬是按照步驟沿時間軸進行的，系統變量在每個時間步長末被更新，以代表前一步的模擬結果。目前，SD方法已經廣泛應用于各個領域[12,14,16-18,20]，擅長處理具有高度非線性、高階次、多變量、多重反饋等特點的問題，取得了明顯的優勢[19]。基于此，SD方法可以在需水量預測中綜合考慮氣候變化和人類活動這兩大驅動因素的作用，通過模擬獲得區域水資源的供需狀態，有助于準確合理地刻畫水資源供需關系中諸多因素的復雜關系，為特大城市需水量預測和水資源可持續利用提供強有力的研究工具。

1.2 需水量計算方法

北京市需水量預測包括生活需水量、工業需水量、灌溉需水量、牲畜需水量、林漁業需水量和環境需水量，其中林漁業需水量和環境需水量是輸入量，牲畜需水量的計算采用定額法，而對前三者的計算，采用的是考慮了宏觀經濟、水文、氣象等因素的方法進行計算。與生活需水量計算相關的因素包括人口、收入、生活水價、缺水指數等，與工業需水量計算相關的因素包括國內生產總值、用水技術的進步、工業水價等；而對灌溉需水量的計算是依據農作物水文學及農學特征來進行計算的，相關的因素包括農作物指數、農作物生長階段指數、農作物系數、農作物面積、參考蒸散發、鹽分浸出因素、有效降水量等，具體的計算細節請參考文獻[12]和[14]，此處不再重復。

1.3 研究區概況

北京市位于華北平原最北端，與津冀接壤，總面積約16 808 km2，包括38%的平原區和62%的山區。2014年全市人口約2 150萬，人口密度1 311人/km2，城鎮化率86.3%。2014年，北京市農業用地占土地總面積的67.5%。北京市的土地利用情況在過去30 a里發生了巨大變化，大量農業用地逐漸成為城市用地，形成了從城市核心區、農村—城市邊緣區到郊區等明顯的過渡結構。北京市屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年(1956～2003年)平均降水量603 mm，但年際變化較大、年內分布不均，約60%～80%的降水集中在6～9月的雨季，年均降水量呈減少的趨勢。北京市嚴重依賴地下水，這種情況在農業領域特別顯著。北京市水資源短缺問題與其對地下水的依賴性和農業用水量巨大關系密切[21]。

據統計，1988～2018年間，北京市年均總用水量達39.05億m3(見圖1)，年際間波動很大，而1999～2018年北京市平均水資源量則為24.64億m3。北京市總供水量年際波動較大，且大大低于總需水量(見圖1)，從而導致了北京市出現地下水過度開采及河流水庫枯竭的現象。北京市人均水資源占有量不足300 m3/a，遠低于國際上人均1 000 m3/a的缺水標準線，是全國40個嚴重缺水的城市之一[14,20]。

圖1 北京市需水量、水資源量和國內生產總值曲線

2 北京市需水量預測SD模型

2.1 SD模型結構

北京市需水量分為生活、工業、農業和環境四部分，而供水量由地表水、地下水、南水北調工程引水及廢水回用等組成。根據水資源供需之間關系，將北京市需水量預測SD模型分為人口、工業、農業及水資源等相互影響的子系統。在此基礎上，通過建立變量之間的因果關系(見圖2)，在VENSIM Professional軟件中建立北京市需水量預測SD模型系統流圖，用于下一步的預測。

2.2 模型校準

模型的校準周期是2001～2018年，時間步長為1a，可用3個指標(式(1))來衡量模擬結果與歷史數據之間的吻合程度：

(1)

表1列出了衡量擬合效果的指標值，總體來說，生活及工業需水量擬合得很好(R>0.93)，農業需水量次之(R=0.83)，而總需水量的表現則略差(R=0.41)，主要因為過量灌溉的現象在實際農業活動中很常見但卻無法在模型中得到精確的模擬。表1表明:農業和總需水量的模擬處于可接受水平，生活、工業及農業需水量的R值均大于0.82，其他3個指標也適中。總體來說，模型校準的結果表明了模型的可行性和適用性。

圖2 北京市需水量預測SD模型因果關系

表1 擬合結果衡量標準的計算值

2.3 情景設計

情景可以用來評估在給定的時間段內(通常是未來時期)潛在事件的合理性和不確定性，情景分析提供了一種實用的方法用于比較基于不同預測的系統未來狀態。本研究采用情景分析法，通過對不同情景的比較和分析來選擇一套方案，以幫助解決或減少北京市的缺水問題，進而給政策制定者提供水資源可持續發展的科學建議。

情景預測的周期是2019～2030年，本文共設計了4大類10小類情景(見表2)，分別是現狀保持情景(BAU)、氣候變化情景(包含3個情景CC_wet、CC_normal和CC_dry，分別代表未來濕潤、正常和干旱的氣候條件)；人類活動情景(包含3個情景HED、SNWDP和LWC，分別考慮經濟發展、南水北調中線工程供水及牲畜節水等人類活動)；綜合情景(包含3個情景HED_SNWDP、HED_LWC和HED_SNWDP_LWC，分別考慮不同人類活動的綜合)。

表2 北京市需水量預測情景設計總結

2.3.1現狀保持情景

BAU情景是基準情景，該情景假設系統結構和發展政策在預測期間沒有顯著變化，將保持當前的發展趨勢，采用校準階段獲得的參數進行預測。2001～2018年的歷史氣象數據(降水、蒸散發)用于生成代表2019～2030年的數據，由此獲得該場景及其他非氣候變化場景的氣象數據。根據研究區的實際情況和《北京市國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》，2019～2030年的經濟增長率設定為7.5%。

2.3.2氣候變化情景

模型中的降水數據是基于A1B二氧化碳排放情景下的3種大氣環流模型(GCM)，利用delta變化法(delta change method)對華北平原的數據進行了降尺度和偏差修正。由于研究區是華北平原的典型區域，用公式(2)來計算北京市的平均總降水量。該方法是利用歷史數據和GCM預測數據生成北京市總降水量數據的一種簡單、合理的方法。

TPBJ=TPNCP×TPBJ-base/TPNCP-base

(2)

式中，TPBJ和TPNCP分別是預測期北京市和華北平原的平均總降水量，TPBJ-base和TPNCP-base是目前北京市和華北平原的平均總降水量。本研究考慮了代表濕潤(UKMO_HADCM3模型)、正常(CSIRO _MK3模型)和干旱(CNRM_CM3模型)氣候條件的3種大氣環流模型。預測期內，3種大氣環流模型下參考蒸散發數據根據北京氣象臺提供的數據來生成。

2.3.3人類活動情景

該情景考慮了經濟高速發展、南水北調中線工程供水及牲畜節水措施等種人類活動對研究區需水量的影響，設計了3個情景(HED、SNWDP和LWC)。經濟高速發展情景(HED)基于BAU情景而設計，假設2020年和2030年的經濟增長率分別為15%和20%，其他參數與BAU情景一致。南水北調中線工程供水情景(SNWDP)考慮了該工程對北京市需水量預測及供需平衡的影響。根據計劃，南水北調中線工程從2014年12月27日起首次向北京供水，年供水量12億m3，模型結構和其他參數與BAU情景一致。牲畜節水情景(LWC)將4類牲畜的用水定額分別減少30%，其他參數與BAU情景一致。

2.3.4綜合情景

綜合情景包括3個情景(HED_SNWDP、HED_LWC和HED_ SNWDP_LWC)，這些情景綜合考慮了經濟高速發展、南水北調中線工程供水和牲畜節水措施，參數使用了這些組合情景的參數。

3 結果與分析

表3是各種情景下北京市2020年和2030年生活、工業、農業需水量和總需水量及缺水情況的預測結果。與2018年的數據相比，2030年北京市總用水量將至少增長15.1%(最多增長33.8%)，但不同情景具有不同的增長原因。氣候變化情景下灌溉需水量的大幅增長，導致北京市總需水量急劇增長，3種氣候條件下分別增長33.5%,33.8%和30.8%；人口的增長和工業的發展是經濟高速發展、牲畜節水措施及南水北調中線工程供水等情景下北京市需水量增長的主要原因；經濟高速發展情景下北京市總需水量比現狀保持情景下的總需水量更大，而在2030年，CC_dry和LWC情景的總需水量分別是所有情景中最大和最小的。結果表明，經濟高速發展和氣候變化將增加北京市的總需水量和水資源短缺程度。如果經濟高速發展繼續成為首要任務(情景HED)，那么到2030年，北京市總需水量將為51.82億m3；如果同時考慮經濟高速發展、牲畜節水措施和南水北調中線引水工程(情景HED_SNWDP _LWC)，那么到2030年，北京市總需水量將為50.36億m3。因此，除了情景SNWDP、HED_SNWDP和HED_SNWDP_LWC外，水資源短缺問題在其他情景下將繼續存在(見表3)。圖3是各情景下總需水量的箱型圖，顯示了總需水量的最大值、最小值和平均值。總需水量的最大值為59.57億m3，最小值為38.03億m3，這些值根據情景的不同而有所不同。經濟高速發展情景具有最大的總需水量最大值，而南水北調中線工程供水情景則具有最小的總需水量最大值。

缺水度(缺水量÷總需水量)是系統水資源短缺程度的衡量指標，其值為正表明系統存在缺水問題。根據模擬結果和表3，情景BAU、CC_wet、CC_normal、CC_dry、HED、LWC和HED_LWC下缺水度在預測期內始終是正值，表明這些情景下研究區存在缺水問題；其他3種情景在預測期內有多個年份缺水度為0，意味著在那些年份不存在缺水問題。雖然需水量會隨著社會的發展而增加，但南水北調中線工程可以通過增加供水來解決研究區缺水問題。然而，隨著社會的發展和作物灌溉的需要，這些情景下預測期末研究區又出現了缺水問題。畜牧業節水可以部分地解決缺水問題，但節約用水是一項全民、全行業參與的重要行動，只有全社會都參與到節約用水的活動中，才能發揮節約用水在水資源可持續發展中的作用。氣候變化可能會使缺水問題更加惡化，與其他情景相比，干旱的氣候條件導致研究區出現更加嚴重的缺水問題，需要采取適當的策略來應對。

表3 不同情景下北京市2020年和2030年的需水量及缺水情況

注：需水量單位為億m3。

根據模擬結果，情景HED_SNWDP 和HED_SNWDP_LWC是緩解北京缺水問題的最佳選擇。情景SNWDP亦可以通過南水北調中線工程增加供水，有效地解決研究區缺水問題。由于對供水和農業用水有直接的影響，氣候變化將在很大程度上影響研究區未來的水平衡。

注：矩形盒中間水平線表示中值，上、下邊緣分別表示上四分位數(25%)和下四分位數(75%)；垂直線的上、下部分分別表示最大值和最小值；矩形盒里的正方形表示平均值

圖3 不同情景下總需水量的箱形圖

Fig.3 Box chart of total water demand under different scenarios

許多與北京市類似的特大城市都面臨著人口急劇增長、經濟快速發展和水資源嚴重短缺的問題，本文建立的SD模型可以拓展至這些特大城市，以對其進行需水量的預測和缺水問題評估。首先，需水量預測的計算方法是通用的，可拓展至其他特大城市。該方法考慮了各種水文、氣候、農藝、社會經濟和技術因素及它們之間的相互作用，以計算生活、工業、灌溉和牲畜需水量。其次，本文構建的SD模型可以根據數據的可用性和用水條件的差異而進行相應地修改，以便用于其他特大城市。此外，本文闡述的情景設計和分析過程可以借助SD軟件提供的靈活接口而拓展至其他特大城市。

4 結 論

通過采用一種綜合的、系統的方法，考慮社會經濟、農業、水文和技術等因素及其之間相互作用的反饋關系，構建了北京市需水量預測SD模型，對生活、工業和農業等不同用水部門進行需水量計算，以預測氣候變化和人類活動雙重因素影響下北京市的需水量，分析了北京市未來缺水情況，并探討了將模型推廣到其他特大城市的可行性，結果如下。

(1)2019～2030年，總需水量將增長15.1%(最多增長33.8%)，相應的缺水量范圍為3.94億～19.22億m3。然而，有3種情景在模擬末期存在水過剩，范圍為1.29億～4.16億m3。

(2)3種氣候變化情景下需水量和缺水度的增大表明：氣候變化可能在很大程度上影響北京市的水平衡；跨流域調水(南水北調中線工程)和節水措施在緩解研究區未來缺水問題方面發揮著重要作用。建議實施3種情景：經濟高速發展和南水北調中線工程供水綜合情景(HED_SNWDP), 經濟高速發展、南水北調中線工程供水和畜牧業節水綜合情景(HED_SNWDP_LWC)及南水北調中線工程供水情景(SNWDP)。

(3)基于需水量計算方法的普遍性及情景設計和分析過程的可移植性，本文建立的SD模型也適用于其他特大城市。由于模型考慮了各種水文氣候和社會經濟條件，模擬結果及其分析可為水資源管理者和城市政策制定者提供借鑒。