曹和平，顧興國，郭來喜（.北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 0087；.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京000）

基于供需構(gòu)造的北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡及修復(fù)機(jī)理

曹和平1*，顧興國1，郭來喜2（1.北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100871；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101）

水資源短缺嚴(yán)重制約著北京21世紀(jì)世界城市宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).在引入基于自然與人然良性互動(dòng)基礎(chǔ)上的成水構(gòu)造、蓄水構(gòu)造與用水構(gòu)造等跨學(xué)科概念之后，提出區(qū)域水生態(tài)“供需構(gòu)造鏈條說”.進(jìn)一步，本研究對(duì)半個(gè)世紀(jì)來北京水循環(huán)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水資源總量隨降水量而變化，相對(duì)多年平均量均減，北京水資源生態(tài)系統(tǒng)呈弱化態(tài)勢(shì)；2001～2012年用水總量超過水資源總量，水生態(tài)系統(tǒng)失衡.循上述發(fā)現(xiàn)，對(duì)北京區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)供需數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、揭示北京氣候變化與人然活動(dòng)水文關(guān)聯(lián)效應(yīng)，指出水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡機(jī)理的行為貢獻(xiàn)因子.最后，基于用水增長有行為上改進(jìn)空間的思想，提出北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡在短期運(yùn)用行為矯正機(jī)制，采用總量管理和水市場(chǎng)調(diào)節(jié)合理用水，長期上運(yùn)用水環(huán)境動(dòng)態(tài)均衡修復(fù)原理，啟動(dòng)北京和周邊地區(qū)的地下水位復(fù)升工程的政策建議.

都會(huì)化；人然水循環(huán)；供需構(gòu)造；水位復(fù)升工程

北京建成21世紀(jì)世界城市的限制性條件中，水生態(tài)環(huán)境短缺最具挑戰(zhàn)性.第一，水資源總量短缺是剛性瓶頸，伴隨收入的增加，人均生活用水有絕對(duì)增加趨勢(shì).這一點(diǎn)與大氣污染有差別，隨著能源基礎(chǔ)設(shè)施集中建設(shè)階段完成，霧霾有絕對(duì)下降的局勢(shì)；第二，工程調(diào)水和淡化海水有舒緩供給不足的作用，但無法涵蓋水生態(tài)所需要的各個(gè)方面，稍有不慎，可能會(huì)反向改變水生態(tài)環(huán)境.第三，水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)是世界城市資質(zhì)的門檻性條件，其存在若失卻，北京很難居于21世紀(jì)世界城市第一方陣之中.三個(gè)方面疊加起來，促成“基于供需構(gòu)造的北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡及其修復(fù)機(jī)理”的研究.其理論考量在于，長期以來決策界為調(diào)水和淡化水的工程解決思路分配了較多權(quán)重；對(duì)水權(quán)、水價(jià)等行為解決思路放置較少權(quán)重.工程思路僅是經(jīng)濟(jì)學(xué)意義上的供給變量解決思路，而行為解決是需求解決思路.顯然，將二者集合起來，在供需構(gòu)造上統(tǒng)籌解決水動(dòng)態(tài)失衡問題，亦即在水生態(tài)文明意義上尋求一攬子解決水生態(tài)環(huán)境良性永續(xù)的頂層設(shè)計(jì)方案，尚不多見.

基于供需構(gòu)造意義上的綜合探索北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡機(jī)理需要跨學(xué)科知識(shí)的整合.本文擬從定義幾個(gè)必要的跨學(xué)科概念入手，概括半個(gè)世紀(jì)以來北京供需意義上的水循環(huán)均衡特征，進(jìn)而討論北京水循環(huán)供需動(dòng)態(tài)失衡機(jī)理及其行為因子，最后提出北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡修復(fù)的對(duì)策性建議.

1 幾個(gè)必要的跨學(xué)科概念的定義

1.1 自然和人然概念的區(qū)分及其方法上的便利之處

自然是指獨(dú)立于人的群類活動(dòng)之外的環(huán)境類實(shí)體及其動(dòng)態(tài)過程的總和.當(dāng)人類的群體活動(dòng)以超大規(guī)模工程參與到自然過程的時(shí)候，原始條件下的自然過程就內(nèi)置了人類活動(dòng)因素.并且，其不再是一個(gè)可以忽略的微量，而是一個(gè)內(nèi)生的變量.例如都會(huì)區(qū)的給排水道網(wǎng)不是動(dòng)植物生態(tài)水的自循環(huán)過程，而是城市超大人群集聚區(qū)的生產(chǎn)和生活用水加入條件下的水循環(huán)過程.

基于此，把與自然相對(duì)的，給定時(shí)刻的人的群類活動(dòng)內(nèi)置的規(guī)律及其過程總和稱為人然.其是人類的，但是客觀的；獨(dú)立于個(gè)體人的，但又不是自然的.稱為人然還由于其更為重要特質(zhì):相對(duì)于自然而言，人類高密度集聚.超大規(guī)?；顒?dòng)的參與下，自然過程開始變得脆弱，人然過程居于主導(dǎo)，常常對(duì)自然過程造成傷害.建國后，我國失去了大大小小數(shù)百條河流和小溪，就是人然過程在給定范圍內(nèi)影響力變得顯著并在某些區(qū)域起決定作用的結(jié)果.這些過程在工業(yè)革命以前或者在當(dāng)今的原始森林中是不可想象的.

抽象出人然概念后，可以方便本文對(duì)人類參與條件下水生態(tài)過程進(jìn)行“人然-自然”的復(fù)合性特征的理解，而且還可以將這種復(fù)合過程單獨(dú)分離出來，進(jìn)行歸一化的單元對(duì)象理解.這無疑對(duì)都會(huì)城市水循環(huán)過程存在問題的全面理解有幫助.在“人然-自然”水循環(huán)視野下，原來的過程加入新的變量，其收斂均衡與動(dòng)態(tài)失衡的理解也會(huì)大不相同.

1.2 成水構(gòu)造、蓄水構(gòu)造與用水構(gòu)造概念及其合理意義

在“人然-自然”合一高度上來理解水循環(huán)動(dòng)態(tài)過程，原本一些不被賦予重要性的概念可能變得更為重要.這里列出3個(gè)相對(duì)聯(lián)系的概念，它們不僅能夠刻畫水動(dòng)態(tài)循環(huán)的工程學(xué)機(jī)理，也能容納經(jīng)濟(jì)學(xué)意義上的市場(chǎng)供求關(guān)系原理. 這3個(gè)跨學(xué)科概念分別是成水構(gòu)造、蓄水構(gòu)造和用水構(gòu)造.

成水構(gòu)造是指在給定條件下，太陽和關(guān)聯(lián)熱源照（輻）射海洋和陸地等水富集區(qū)塊形成水分子，加入大氣循環(huán)形成運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過各種冷熱界面凝結(jié)成較大水分子團(tuán)，以水滴匯聚或者落降等形式匯聚為溪流、江河、湖泊和海洋等的過程構(gòu)造.此概念似與水文氣象學(xué)中降水概念一致，但成水構(gòu)造本身是個(gè)結(jié)構(gòu)抽象，符合工程學(xué)理解；它又有經(jīng)濟(jì)學(xué)含義，成水構(gòu)造是個(gè)水資源的生成過程，具有水供給的含義.降水概念難以與供給變量相聯(lián)系.

蓄水構(gòu)造意為水資源經(jīng)過成水構(gòu)造生成后，以云層、落入地表地下等以自然或人然的方式匯聚成一定存量的儲(chǔ)蓄資源的過程構(gòu)造.例如，大氣中的富水云團(tuán)、長江水系中的太湖、一定地質(zhì)構(gòu)造形成的地下水湖、住宅社區(qū)中的水塔等.蓄水構(gòu)造在水循環(huán)過程中發(fā)揮資源池和調(diào)節(jié)功能，其本質(zhì)是個(gè)結(jié)構(gòu)概念，不僅包容云團(tuán)、河流、湖泊、涌泉等蓄水形式，土壤水、潛水、承壓水和基巖水等也容納其中.經(jīng)濟(jì)學(xué)者可以將蓄水構(gòu)造理解為供需過程的特定庫存變量，類似于經(jīng)濟(jì)學(xué)預(yù)測(cè)中的先行指數(shù)，方便決策層了解水動(dòng)態(tài)過程中不同期間的變化趨勢(shì).

用水構(gòu)造是指“人然-自然”意義上所有消耗和消費(fèi)水的實(shí)體單元的過程總和.其中，自然域下的用水構(gòu)造是兩然水循環(huán)的子消耗過程，比如自然域下的動(dòng)植物消耗水等.在人然參與條件下，生產(chǎn)和生活用水使得用水構(gòu)造更為復(fù)雜:都會(huì)區(qū)的給排水工程、社區(qū)的家庭用水、零售市場(chǎng)的銷售以及整個(gè)城區(qū)的污水處理系統(tǒng)等.沿“成水構(gòu)造-蓄水構(gòu)造-用水構(gòu)造”邏輯線考察，可以發(fā)現(xiàn)自然的成分在減少，人然的成分在增加，但仍是二者合一的過程

2 都會(huì)城市區(qū)域水循環(huán)邏輯解構(gòu)

在從鄉(xiāng)村發(fā)展成為城市的過程中，區(qū)域水循環(huán)隨人然活動(dòng)程度的加深而發(fā)生顯著變化，如圖1.在城市化前期，區(qū)域內(nèi)人口規(guī)模較小，生活用水較少，生產(chǎn)用水主要是農(nóng)業(yè)灌溉，人然活動(dòng)帶來的失衡因子對(duì)水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡沒有造成顛覆性后果，區(qū)域水循環(huán)以自然特征為主.在城市化后期，區(qū)域內(nèi)人口高度集中，產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，建筑面積迅速擴(kuò)大，蓄水工程大量興建，人然活動(dòng)用水資源量猛增，局部地區(qū)甚至超過當(dāng)?shù)刈匀凰h(huán)的供給，造成水生態(tài)動(dòng)態(tài)失衡.都會(huì)城市區(qū)是城市化完善時(shí)期的高級(jí)空間組織形式，其區(qū)域水循環(huán)具有顯著的人然特征.

圖1 都會(huì)城市形成過程中區(qū)域水循環(huán)變化示意Fig.1 The change of water ecology with metro expansion

2.1 都會(huì)區(qū)自然與人然水循環(huán)互動(dòng)及均衡示意

依據(jù)水文學(xué)“二元水循環(huán)”理論［1］，可以描述區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)中自然水循環(huán)和人然水循環(huán).

自然界中各種形態(tài)的水在太陽輻射、地心引力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽擴(kuò)散與輸送、降水凝水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)而持續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)過程［2］.其動(dòng)力主要源于太陽輻射、地心引力等.水的理化性質(zhì)獨(dú)特，具有較大的比熱容和很強(qiáng)的溶解能力，不僅能夠傳輸和儲(chǔ)存大量能量，而且能攜帶和轉(zhuǎn)移各種營養(yǎng)元素和有害物質(zhì)，對(duì)生命體和自然界會(huì)產(chǎn)生不可估量的影響.在自然水循環(huán)中，大氣降水后，除一部分蒸發(fā)變回水汽外，余者形成地表徑流和地下徑流.在一定區(qū)域內(nèi)，入境水連同降水蒸發(fā)形成的地表水、地下水中可以被人類開發(fā)利用的部分稱之為水資源，一旦被開發(fā)則納入經(jīng)濟(jì)社會(huì).

進(jìn)入社會(huì)的水資源供人類生產(chǎn)、生活使用，然后以廢棄水的形式返回到地表或地下的過程是人然水循環(huán).通過人然水循環(huán)獲取、利用水資源，向自然界排放廢棄水，而與自然水循環(huán)進(jìn)行一定數(shù)量的水交換.在獲取水資源的途徑中，除了對(duì)本區(qū)域內(nèi)地表水和地下水進(jìn)行開采外，調(diào)水、淡化水和虛擬水也常成為區(qū)域內(nèi)人然水循環(huán)的來源.

都會(huì)城市區(qū)以自然水循環(huán)為基礎(chǔ)，形成顯著的人然水循環(huán)，兩大水循環(huán)共同組成都會(huì)城市區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng).根據(jù)圖，自然水循環(huán)在自然力的作用下運(yùn)行，人然水循環(huán)截取徑流而獲得水資源，利用后向自然水循環(huán)排放廢棄水或處理水.從水分流動(dòng)的過程上看，人然水循環(huán)的水流可以看作是自然水循環(huán)派生的“支流”，前者依賴后者而存在，二者運(yùn)動(dòng)合一.為保證都會(huì)城市自然與人然水循環(huán)的良性互動(dòng)，水資源的開發(fā)利用要與其更新速度相匹配，否則易造成水生態(tài)破壞、供需失衡等問題.

2.2 區(qū)域水循環(huán)“供需構(gòu)造成鏈條說”

如圖3，在人然水循環(huán)與自然水循環(huán)二者合一的大循環(huán)中，成水構(gòu)造、蓄水構(gòu)造、用水構(gòu)造受人然活動(dòng)與自然變化不同程度的影響，具有內(nèi)在動(dòng)態(tài)過程聯(lián)結(jié)邏輯的一致性.當(dāng)人然活動(dòng)較弱時(shí)，“成水構(gòu)造-蓄水構(gòu)造-用水構(gòu)造”三大過程環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)成區(qū)域水生態(tài)鏈條，區(qū)域水循環(huán)均衡.當(dāng)人然活動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，用水構(gòu)造在生產(chǎn)消耗和生活消費(fèi)兩種主要力量作用下不斷加強(qiáng)，成水構(gòu)造與蓄水構(gòu)造同時(shí)發(fā)生引致變化，區(qū)域水生態(tài)鏈條局部斷裂，造成“人然-自然”意義上的水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡.

針對(duì)水資源供給與需求間差距，區(qū)域管理者一方面在區(qū)域內(nèi)節(jié)水與提高水資源利用效率，另一方面可能實(shí)施跨區(qū)域轉(zhuǎn)移水來解決失衡.再生水與轉(zhuǎn)移水環(huán)節(jié)的加入形成新的補(bǔ)償型區(qū)域水生態(tài)鏈條，區(qū)域水循環(huán)暫時(shí)恢復(fù)均衡.在這條補(bǔ)償型區(qū)域水生態(tài)鏈條中，局部斷裂被恢復(fù)，但成水構(gòu)造與蓄水構(gòu)造的引致變化短期內(nèi)無法修復(fù).

圖2 都會(huì)城市自然與人然水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡示意Fig.2 A quasi-nature water dynamics in metro area

圖3 “自然-人然”意義上的水循環(huán)“供需構(gòu)造成鏈條”示意Fig.3 The structure chain of the quasi-nature water ecology

2.3 北京水資源供需意義上的描述性統(tǒng)計(jì) 北京位于華北平原北部邊緣，靠近渤海，屬于北溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候.其西部為太行山脈，北部和東北部屬燕山山脈，中南部為平原區(qū)，地形極像半封閉的海灣，地史上曾受海侵，常被稱作“北京灣”.在自然地理上，北京屬海河流域，其境內(nèi)包含大清河、永定河、北運(yùn)河、潮白河與薊運(yùn)河5大水系，41處湖泊，大、中、小型水庫88 座，地表水網(wǎng)發(fā)達(dá).歷史上北京地下水資源豐富，占水資源總量的一半以上，目前共有水源地83處，其中特大型水源地5處，大型水源地7處［3］.

2.3.1 降水量與水資源量供給統(tǒng)計(jì)分析 北京多年平均降水量（1956～2000年）為585mm，總降水量98.0億m3，形成水資源37.4億m3［4］.2001～2012年，北京年降水量分布不均，干濕交替，總體上降水略升，如圖4.北京以平原為主，入境水量較少，且上游攔截增多，其年水資源總量的變化趨勢(shì)與年降水量相當(dāng)，如圖5.2001～2012年北京年平均降水量494.5mm，形成年平均水資源總量24.1 億m3，與多年平均相比它們分別減少15.5%和35.6%.降水量與水資源總量作為區(qū)域自然水流量的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，其動(dòng)態(tài)變化直接反映北京地區(qū)自然水循環(huán)的變化情況.

圖4 北京2001～2012年降水量變化與多年平均降水量Fig.4 The annual precipitation in 2001～2012，and the long-term annual average， Beijing數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［8］

2.3.2 供水結(jié)構(gòu)與供需失衡分析 從供水結(jié)構(gòu)上看，2001～2012年北京地下水用水量呈下降趨勢(shì)，再生水、南水北調(diào)引水呈上升趨勢(shì)，應(yīng)急水基本不變.北京近年來的用水水源主要是地表水、地下水、再生水、南水北調(diào)和應(yīng)急水.再生水于2003年開始啟用.應(yīng)急水源地建于2003年， 2005年啟用，主要取自懷柔、平谷、昌平等地的地下水，因此在計(jì)算供水結(jié)構(gòu)時(shí)可以歸為地下水用水.南水北調(diào)中線工程預(yù)計(jì)于2014年汛后通水，2008年以來的所謂“南水北調(diào)”是從河北省崗南、黃璧莊和王快3座水庫向京輸送的救急水.

2001～2012年北京年用水總量變幅不大，處于35.1～38.9億m3之間，如圖5.計(jì)算得北京年平均用水總量為35.4億m3，高出年平均水資源總量達(dá)11.3億m3.這表明北京地區(qū)人然水循環(huán)“支流”較穩(wěn)定，但超過自然水循環(huán)“干流”的供給量，北京處于水供需失衡狀態(tài).

圖5 北京2001～2012年水資源總量、用水總量與多年平均水資源總量Fig.5 The local potential supply， consumption in 2001～2012 and annual average potential supply in 2001～2012， Beijing

從圖6可以看出，地表水和地下水為北京主要用水來源，其中地下水用水量占用水總量68.3%.北京市地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水入滲、山區(qū)河谷潛流和地表水體下滲，平原區(qū)地下水多年平均補(bǔ)給量約為16.8億m3［5］.由于降水量和地表水水資源的減少，北京2001～2011年地下水用水量一直大于地下水資源量，導(dǎo)致地下水埋深不斷下降，如圖7.2014年1月，北京平原區(qū)地下水平均埋深24.5m，與超采前的1998年同期相比，地下水位下降12.83m，地下水儲(chǔ)量減少65億m3.目前北京地下已經(jīng)形成約1000km2的地下水降落漏斗區(qū)［6］，這是水資源供需失衡的具體表現(xiàn).

圖6 北京2001～2012年供水結(jié)構(gòu)Fig.6 The water supply share of Beijing from 2001 to 2012

圖7 北京2001～2012年地下水資源量與地下水缺水量Fig.7 The groundwater resources and its shortage quantity of Beijing from 2001 to 2012

3 北京水循環(huán)供需動(dòng)態(tài)失衡機(jī)理及其行為因子分析

由于自然或人為因素，使地理環(huán)境發(fā)生改變，從而引起水循環(huán)要素、過程、水文情勢(shì)發(fā)生改變，即水文效應(yīng)［7］.本節(jié)基于區(qū)域水生態(tài)供需構(gòu)造說，從北京水循環(huán)自身出發(fā)，研究北京水供需動(dòng)態(tài)失衡的根本機(jī)理，闡述氣候變化與人然活動(dòng)的水文效應(yīng)，分析北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡的行為因子.

3.1 都會(huì)區(qū)用水爆發(fā)增長誘發(fā)水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡機(jī)理

在人然活動(dòng)參與條件下，都會(huì)城市水循環(huán)不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，自然與人然兩大水循環(huán)之間的供需數(shù)量關(guān)系隨人然活動(dòng)作用的增進(jìn)而此消彼長.圖2與圖8分別反映都會(huì)城市自然與人然水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡與失衡狀態(tài)，對(duì)照二者可以得出:水資源在兩種狀態(tài)下的流動(dòng)路線與方向沒有發(fā)生改變，改變的是兩大循環(huán)中水流量供求的對(duì)比關(guān)系；在均衡狀態(tài)下，人然水循環(huán)的水流量需求小于自然水循環(huán)的水流量供給，即人然水資源開發(fā)利用沒有超過自然水資源更新速度，而在失衡狀態(tài)下，反之.從根本上看，區(qū)域人然水循環(huán)的水流是自然水循環(huán)分出的“支流”，都會(huì)城市區(qū)用水爆發(fā)引起“支流”水量需求超越了本地“干流”供給量，而導(dǎo)致其水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡.

圖8 都會(huì)城市自然與人然水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡示意Fig.8 The schematic diagram of natural and human water cycling dynamic unbalance in metropolis city

3.2 人然參與條件下的氣候變化水文效應(yīng)

成水過程中，水汽形成、轉(zhuǎn)移和液化降落一方面對(duì)大氣的成分比例變化、能量傳輸轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響，另一方面它基本屬于大氣環(huán)流活動(dòng)的一部分，因此也會(huì)受到氣候變化的制約.統(tǒng)計(jì)意義上的水資源量是由區(qū)域內(nèi)水汽的液化和汽化的對(duì)比關(guān)系來決定，不受入境水量的影響.受蒸發(fā)量數(shù)據(jù)難以獲取的限制，本文以降水量與平均氣溫（溫度是影響水面、陸面蒸發(fā)量大小的重要因素，在其他影響因素不變的前提下，氣溫越高，蒸發(fā)量越大）作為衡量區(qū)域內(nèi)水汽液化和汽化的氣候指標(biāo)，以分析氣候變化對(duì)北京地區(qū)成水構(gòu)造的水文效應(yīng).

圖9 北京1978～2012年平均氣溫變化趨勢(shì)Fig.9 The changing trend of average temperature of Beijing from 1978 to 2012

受溫室效應(yīng)、城市熱島效應(yīng)等因素影響，北京1978～2012年年平均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)（圖9）.根據(jù)年平均氣溫的線性趨勢(shì)線，可以計(jì)算出北京2012年的線性年平均氣溫高于1978年1.64℃，而2012年的實(shí)際平均氣溫也比1978年高出1.3℃，升幅達(dá)0.038℃/a.平均氣溫的上升必然會(huì)對(duì)北京地區(qū)蒸發(fā)量及其他氣候特征產(chǎn)生影響，但由于影響區(qū)域蒸發(fā)的因素復(fù)雜多樣，氣溫與蒸發(fā)量關(guān)系難以精確衡量.

北京2001～2012年的氣溫較穩(wěn)定，短期內(nèi)北京地區(qū)的蒸發(fā)量對(duì)水資源產(chǎn)生的影響可以忽略. 圖4與圖5分別給出了北京2001～2012年降水量與水資源總量的變化.將兩者結(jié)合起來進(jìn)行趨勢(shì)分析，可以得到近年北京降水量與水資源總量之間的關(guān)系（圖10）.回歸分析結(jié)果表明，北京的降水量與水資源總量之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.81，線性方程為y=0.0393x+4.7237（R2值為0.6568）.因此，降水量作為北京地區(qū)水資源的主要補(bǔ)給，對(duì)水資源總量的影響很大.

圖10 北京2001～2012年降水量與水資源總量之間關(guān)系Fig.10 The relation between rainfall and total water resources of Beijing from 2001 to 2012數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［8］

3.3 供需構(gòu)造中的人然活動(dòng)水文效應(yīng)

人然活動(dòng)對(duì)北京水循環(huán)的影響可以分為直接影響和間接影響，直接影響即人類直接對(duì)水資源的質(zhì)和量進(jìn)行作用，而間接影響是人類通過對(duì)除水資源以外的資源環(huán)境發(fā)生作用而影響水循環(huán)各要素.從作用機(jī)理上看，用水構(gòu)造、蓄水構(gòu)造受人然活動(dòng)的直接影響，成水構(gòu)造受間接影響.

圖11 北京2001～2012年用水結(jié)構(gòu)Fig.11 The water consumption structure of Beijing in 2001～2012

用水構(gòu)造是基于人然活動(dòng)形成的獨(dú)立過程，北京地區(qū)用水構(gòu)造總體上可以分成“用水”和“補(bǔ)水”兩方面來分析.北京用水總量主要分配在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和環(huán)境四個(gè)方面，即用水結(jié)構(gòu).總的來看，北京2001～2012年用水總量基本穩(wěn)定，其中工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量呈下降趨勢(shì)，生活與環(huán)境用水量呈上升趨勢(shì)，如圖11.（1）農(nóng)業(yè)用水方面.農(nóng)業(yè)用水效率遠(yuǎn)低于其他產(chǎn)業(yè)，但隨著節(jié)水灌溉率的提高和種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整， 北京農(nóng)業(yè)用水逐年減少.（2）工業(yè)用水方面.2001～2012年，北京工業(yè)產(chǎn)值在總產(chǎn)值中的占比由25.3%降至18.4%，而工業(yè)用水量在用水總量中占比由23.7%降至13.6%，萬元工業(yè)增加值用水水平處于全國領(lǐng)先地位.這種變化一方面由于北京工業(yè)規(guī)模的縮小和工業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)調(diào)整，例如電力工業(yè)、金屬冶煉等耗水企業(yè)的退出；另一方面工業(yè)用水發(fā)展循環(huán)利用，北京工業(yè)用水重復(fù)利用率已超90%，接近世界先進(jìn)水平.（3）生活用水方面.北京近年人口的不斷增長和城鎮(zhèn)化水平的提高，形成生活用水剛性需求增加.據(jù)新京報(bào)，北京人均生活日用水量為210dm3左右，約為德國人的1.73倍，因此生活用水節(jié)水還有上升空間.（4）環(huán)境用水方面.環(huán)境用水主要以河湖補(bǔ)給、園林綠化為主，用以維持和改善生態(tài)環(huán)境.隨著生活水平的提高，對(duì)生活環(huán)境的要求必將日益提高.總體來看，北京用水結(jié)構(gòu)逐步趨向合理，用水總量仍有下降空間.

在“補(bǔ)水”方面，北控水務(wù)集團(tuán)預(yù)計(jì)2019年北京引入渤海的淡化水（日產(chǎn)100萬t）.虛擬水是生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源量［9］，但目前還只是作為新研究方向停留在概念層面，只有南水北調(diào)工程已經(jīng)為緩解北京水資源短缺真正做出了貢獻(xiàn).自2008年以來，利用南水北調(diào)京石段工程每年從河北水庫向京已經(jīng)輸送0.7億～2.88億m3的水.2014年10月南水北調(diào)中線工程通水以后，預(yù)計(jì)每年向北京分配12.4億m3的漢江水.南水北調(diào)中線工程未來短期內(nèi)能夠有效緩解北京人然水循環(huán)與自然水循環(huán)之間的水缺口壓力，但是大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水會(huì)影響舊的水生態(tài)平衡狀態(tài)，改變至少兩個(gè)區(qū)域的水循環(huán)路徑，可能會(huì)引起調(diào)水相關(guān)區(qū)域一系列水環(huán)境效應(yīng)，不利于北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡的長期發(fā)展.

人然活動(dòng)對(duì)蓄水構(gòu)造的影響主要通過對(duì)動(dòng)態(tài)水循環(huán)中地表徑流與地下徑流（包括壤中徑流）的載體改造來實(shí)施，可以從三個(gè)方面來分析:其一，水利工程對(duì)地表徑流的影響.北京地區(qū)自20世紀(jì)50年代初期開始建設(shè)新中國的第一座水庫——官廳水庫以來，陸續(xù)建成大、中、小型水庫88座，總庫容93.75億m3.水庫具有攔截地表徑流、減少出境水量的作用，能夠?yàn)楸本┑貐^(qū)積聚水資源，從而改變區(qū)域水量平衡的對(duì)比關(guān)系.2012年北京18座大中型水庫年蓄水量為15.06億m3①，占地表水資源的84%.其二，城市化對(duì)下墊面的改造.地下水的補(bǔ)給主要來源于降水和地表水的下滲，城市的興建和發(fā)展會(huì)在一定程度上阻斷下滲過程，不僅會(huì)減少地下水供給，還會(huì)形成城市雨島效應(yīng)［10］.北京自1985年以來城市化水平不斷提高，北京建成區(qū)面積變化情況如圖12.城市基礎(chǔ)設(shè)施和地面建筑的覆蓋會(huì)減弱北京城市集水區(qū)內(nèi)的天然調(diào)蓄能力，減少下滲，增大地表徑流.其三，城市建設(shè)對(duì)地下水層水運(yùn)動(dòng)的破壞.北京作為我國的特大城市，其空間擴(kuò)展不僅局限于水平方向，而且垂直方向亦不斷延伸，例如地下商場(chǎng)、地下車庫、地下交通等設(shè)施.地鐵作為代表性城市地下軌道交通，深入地下達(dá)數(shù)十米，必然會(huì)對(duì)城市地下水層產(chǎn)生干擾和破壞.北京地鐵目前共有17條運(yùn)營線路，線路長度共465km，是世界上規(guī)模最大的城市地鐵系統(tǒng)之一.②公路網(wǎng)加速地表水和淺層地下水運(yùn)動(dòng)的改變，惡化了自然水流動(dòng).

圖12 北京1985～2011年建成區(qū)面積Fig.12 The metro area of Beijing from 1985 to 2011

另外，根據(jù)國內(nèi)外近年來對(duì)氣候變化的相關(guān)研究，工業(yè)化、城市化帶來的溫室效應(yīng)使全球氣候在近50年快速變暖，引發(fā)區(qū)域溫濕度、蒸發(fā)、降水等氣象因素的變化.人然活動(dòng)通過氣候變化也對(duì)北京地區(qū)的成水構(gòu)造產(chǎn)生間接影響，因此人然活動(dòng)的水文效應(yīng)是造成北京水生態(tài)系統(tǒng)失衡的主要原因.

3.4 北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡的行為因子分析

對(duì)造成北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)失衡的人然活動(dòng)分析，可以總結(jié)提煉其主要相關(guān)行為因子:

（1）人口數(shù)量持續(xù)增加.北京人口數(shù)量多，且持續(xù)增長，城鎮(zhèn)化水平高.1978～2000年，改革開放為人們帶來巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，生產(chǎn)高速發(fā)展需要與生活質(zhì)量提高要求使得北京人均用水量總體上升，配合增長的人口數(shù)量因數(shù)，產(chǎn)生都會(huì)城市生活用水爆發(fā)增長.2001～2012年，北京常住人口由1385.1萬人增至2069.3萬人，年平均增長人數(shù)達(dá)57.0萬人，由于年人均用水量的持續(xù)下降，才使得年用水總量維持在35.5億m3左右，而2001～2012年北京平均年水資源總量僅為24.1 億m3.

（2）區(qū)域經(jīng)濟(jì)集聚增長.產(chǎn)業(yè)集聚能夠產(chǎn)生很好的外部規(guī)模經(jīng)濟(jì)和外部范圍經(jīng)濟(jì).作為中國的首都城市，北京必然成為各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的集聚地，成為帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長極.按照當(dāng)年價(jià)格計(jì)算，北京2001～2012年萬元地區(qū)生產(chǎn)總值水耗從104.91m3降為20.07m3，但地區(qū)生產(chǎn)總值增長4.82倍，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和用水效率的提高才使北京用水總量基本持平.

（3）城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大.生活、生產(chǎn)需要帶動(dòng)城市建設(shè)面積攀升，產(chǎn)生對(duì)區(qū)域下墊面的重大影響.根據(jù)圖12，北京2011年的建成區(qū)面積相當(dāng)于2000年的近3倍大，占市轄區(qū)面積的11.7%.高速增長與高比重的建設(shè)規(guī)模必然在一定程度上阻斷地表與地下水之間聯(lián)系，從而引起北京地區(qū)蓄水構(gòu)造甚至是成水構(gòu)造的重大不可逆變化.

（4）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè).水利工程、交通設(shè)施、水資源、能源供應(yīng)管網(wǎng)等是為滿足城市生活、生產(chǎn)需要的公共產(chǎn)品.基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅為生活、生產(chǎn)提供便利，也會(huì)改變?cè)械牡乇硭岛偷叵潞畬?，給北京水環(huán)境與水循環(huán)構(gòu)造帶來負(fù)面影響.例如2008年引冀水進(jìn)京時(shí)發(fā)生“水黃”現(xiàn)象，境外水通過水利工程進(jìn)入境內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生新的水問題.

4 北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡修復(fù)的對(duì)策性建議

北京水循環(huán)的動(dòng)態(tài)失衡本質(zhì)上系自然水循環(huán)與人然水循環(huán)不相匹配而造成的水資源供不應(yīng)求，根源在于都會(huì)城市區(qū)域人然水循環(huán)的爆發(fā)式增長.為修復(fù)北京水循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡，依據(jù)首都水循環(huán)失衡機(jī)理提出對(duì)策性建議.

4.1 完善水資源管理模式，運(yùn)用市場(chǎng)機(jī)制合理配置水資源

以水定人，以水定產(chǎn)，以水定都，推動(dòng)首都人口和功能疏解.控制人口規(guī)模，防止人口進(jìn)一步無序過快增長，以匹配水資源承載力.實(shí)施首都產(chǎn)業(yè)瘦身計(jì)劃，堅(jiān)決轉(zhuǎn)移耗水耗能耗勞耗地產(chǎn)業(yè)，發(fā)展節(jié)水綠色特色經(jīng)濟(jì)，突出首都核心產(chǎn)業(yè)功能.

建立健全水權(quán)制度，構(gòu)建水交易的平臺(tái)和機(jī)制，優(yōu)化水資源配置.打破國家壟斷水的所有權(quán)和使用權(quán)、行政手段強(qiáng)行分配的機(jī)制，將行政配置和市場(chǎng)化相結(jié)合，對(duì)水資源增量需求進(jìn)行合理配置.借鑒國內(nèi)外水市場(chǎng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在國家水權(quán)制度的基礎(chǔ)上成立北京水資源交易所，通過市場(chǎng)長鏈，促進(jìn)水權(quán)合理流轉(zhuǎn)，健全水量配額、排污權(quán)、生態(tài)補(bǔ)償交易等配套機(jī)制，形成北京經(jīng)濟(jì)用水市場(chǎng)價(jià)格，爭(zhēng)取水交易的國際話語權(quán).

通過虛擬水交易可以實(shí)現(xiàn)從富水區(qū)購買水密集型產(chǎn)品（糧食、肉類等），以獲得虛擬水形式的水資源.北京地區(qū)應(yīng)大力推行虛擬水戰(zhàn)略，加強(qiáng)虛擬水理論的研究力度，實(shí)現(xiàn)虛擬水交易的廣泛實(shí)施.

4.2 啟動(dòng)地下水位復(fù)升工程，修復(fù)與改善蓄水構(gòu)造

提議市委市政府領(lǐng)導(dǎo)一把手牽頭，動(dòng)員多學(xué)科、多部門協(xié)調(diào)，科學(xué)運(yùn)用水環(huán)境生態(tài)修復(fù)原理，盡快啟動(dòng)北京地下水位復(fù)升工程并分“三步走”實(shí)施建議:

第一步（2015～2018年）:勘察與實(shí)驗(yàn)階段；基于京津冀一體化戰(zhàn)略，率先在北京啟動(dòng)“用水構(gòu)造-蓄水構(gòu)造-成水構(gòu)造”的系統(tǒng)性勘察修復(fù)研究工程.成立市領(lǐng)導(dǎo)掛帥的領(lǐng)導(dǎo)小組，設(shè)置3～5個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域的科研實(shí)驗(yàn)分組，建立首席科學(xué)家和首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家負(fù)責(zé)制；建立3～5個(gè)水環(huán)境動(dòng)態(tài)修復(fù)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)區(qū)域，爭(zhēng)取在2018年前完成總體勘察實(shí)驗(yàn)任務(wù):拿出基于勘察數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，又有實(shí)驗(yàn)室修復(fù)模擬和小范圍試驗(yàn)支持的方案.

第二步（2019～2025年）:北京地區(qū)修復(fù)階段.北京在京津冀一體化中應(yīng)該先走一步，在水環(huán)境修復(fù)工程方面北京擁有該地區(qū)最雄厚的科研基礎(chǔ)，一系列院校和關(guān)聯(lián)環(huán)境科研單位能夠很好地支持勘察和實(shí)驗(yàn)所需的人力和設(shè)備條件，北京的地理尺度也具備和適宜在小范圍實(shí)點(diǎn)試驗(yàn)的條件.在勘察實(shí)驗(yàn)和用水構(gòu)造失衡啟動(dòng)矯正的同時(shí)，適時(shí)啟動(dòng)北京地下水位沉降復(fù)升工程.復(fù)升工程的原理在于:（1）北京筒狀水環(huán)境立體空間中，99.99%的用水在總量意義上是循環(huán)用水而不是耗散用水.例如人畜飲用1t水資源后，從人畜體中釋放的水也大概是1t，工業(yè)清洗冷卻過程也一樣，只有非常少量的用水是化學(xué)過程用水，水分子的構(gòu)成被一次性打破而消失了.（2）北京筒狀立體水空間與周邊大環(huán)境的關(guān)系在過去1000年間沒有出現(xiàn)災(zāi)變周期，公元1153年時(shí)的完顏亮率人第一次大規(guī)模進(jìn)京后遇到的水環(huán)境供給條件，除了遠(yuǎn)距離調(diào)水部分之外，基本上沒有改變，這是北京地下水位復(fù)升的可行性基礎(chǔ).問題是水的分類保潔工程的管理優(yōu)良與否、地下密集式豎井取水工程造成地下蓄水構(gòu)造漏洞的堵漏成功與否，以及將1960年以后大面積排洪和城建設(shè)施形成的排水網(wǎng)對(duì)自然蓄水構(gòu)造的“吸納-排放”均衡程度的破壞能夠恢復(fù)成功與否.

第三步（2025～2030年）:北京周邊——華北板塊水環(huán)境修復(fù)階段.北京地區(qū)先走一步的同時(shí)，勘察研究可與津冀合作，待北京取得試驗(yàn)成果后，在京津冀——華北板塊展開.當(dāng)然，京津冀同步走是一個(gè)更好的選擇.

北京水環(huán)境生態(tài)修復(fù)童話式展望.在全球范圍，北京水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程是一個(gè)時(shí)代亟需、規(guī)模超大、勘察超難、研究又滯后的中國人面臨的人類未來工程.但是，該工程的啟動(dòng)又具有劃時(shí)代和寓意未來的巨大魅力.摸清超大城市水資源動(dòng)態(tài)過程失衡的機(jī)理，找出堵住失衡漏洞的各種途徑和工具；逆向啟動(dòng)水生態(tài)修復(fù)型工程，使北京地下水位復(fù)升到1965年以前的水平，再現(xiàn)海淀有“海子”，昆玉河有“萬泉”，蓮花池有邊藕， “南海-中海-北海-后海人然水系”與自然水系和諧并存；在更大的華北范圍，恢復(fù)“白洋淀萬頃蘆蕩”， “保定到天津可行船”的故北國美景，不僅是北京人，不僅是北國人，不僅是中國人，而且也是世界人的一個(gè)童話式夢(mèng)想.當(dāng)天宮一號(hào)上天時(shí)，誰能說嫦娥奔月的童話僅僅是個(gè)幻想？當(dāng)人然生態(tài)和自然生態(tài)在中國夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)過程中于北京試點(diǎn)成功時(shí)，誰能說它僅僅是個(gè)童話式幻想呢！

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Dynamic disequilibrium and restoration mechanism of Beijing’s water resources in a supply-demand perspective.

CAO He-ping1*， GU Xing-guo1， GUO Lai-xi2（1.School of Economics， Peking University， Beijing 100871， China；2.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101，China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1271～1280

The shortage of water resources restricts Beijing’s global city position in the 21th Century. With the assistance of the definition of a quasi-nature process of water dynamics by a metro-population body， this paper presents a construct chain consisting of water-genesis structure， water conservation structure and water-consumption structure， which enabling the authors to argue that the dynamic disequilibrium of the chain is caused by the metro-sized urbanization. With the analysis of Beijing’s water supply-demand cycle over half a century， the authors indicate that: The marginal reservation of water resources is roughly equal to variation of the precipitation， and both decrease relative to their long-term levels； the consumption in 2001～2012 was up to a higher level than the annual amount the local could supplied， a dynamic disequilibrium of water ecological system. Through regressions， the authors， then， reveals that there exists a correlation between the climate change and human activities， and points out the behavioral pattern of metro population body is a contribution factor of the disequilibrium. In the end， the authors raises up some advice for reform and projects inversing the disequilibrium.

urbanization；a quasi-nature water ecology；water supply-demand disequilibrium；ecological restoration

X32

A

1000-6923（2015）04-1271-10

曹和平（1957-），男，陜西富平人，教授，博士，主要從事環(huán)境與資源經(jīng)濟(jì)、發(fā)展金融與資本市場(chǎng)研究.發(fā)表論文50余篇.

2014-09-20

北京市中國特色社會(huì)主義理論體系研究中心重大項(xiàng)目（ZD2013004）

* 責(zé)任作者， 教授， cheping@pku.edu.cn