中国水科院李想博士等发文揭示京津冀协同发展下的县域水资源安全分布

  近期,中国水科院李想博士等与澳大利亚国立大学、中国农业大学等人员合作,提出了一套基于县域的水资源安全诊断研究框架,通过广泛收集京津冀地区(见图1)社会经济、陆地水循环、水资源利用等资料构建数据集,深度解读相关规划,揭示了京津冀协同发展、跨流域调水工程增补水、气候变化等情景下京津冀200个县域的水资源安全分布,为变化环境下的京津冀地区水资源科学管理和优化配置提供了科技支撑。该研究成果以“Mapping the distribution of water resource security in the Beijing-Tianjin-Hebei region at the county level under a changing context”为题,于2019年11月发表至国际期刊《可持续性》(Sustainability)。 

   

  图1 研究区域 a) 海河流域和京津冀地区;b) 市域分布;c) 县域分布 

  (其中,紫框为通州区;红框为雄安新区) 

  京津冀地区水资源先天禀赋差,加之过去几十年,受快速工业化、城镇化、人口膨胀、经济发展等影响,成为全球水循环扰动最剧烈的地区之一,区域可持续发展受到严峻挑战。与此同时,随着区域协同发展战略的实施以及南水北调工程的建设,京津冀地区水资源格局可能发生重大变化。县域是我国最小的能够实施水资源管理策略的行政单元,但是目前以县级作为尺度开展水资源安全评价和分布方面的研究较为缺乏。如何估计区域内县域尺度的本地水资源分布?如何评估变化环境下的县级水资源安全分布?如何优化配置从外埠调入的水资源?本地水和外调水资源共同保障区域协同发展的能力怎样?气候变化会对哪些子区域带来困扰?为回答上述问题,中国水科院李想博士等人开展了联合攻关,取得了阶段性的研究成果。 

  基于县域的水资源安全诊断研究框架(见图2),包括四个主要步骤,即水资源总量估算、评价指标建立、未来情景预测以及方案构建和分析。其中,水资源总量估算方面,通过收集和处理基于VIC水文模型模拟的长系列中国陆地水文数据集以及跨流域调水规划资料,得到了自然状态下以及近期和远期调水工程增补的县域供水情景。评价指标方面,采用人均水资源量、万元GDP水资源量、基于人口和GDP的水资源短缺指数等指标,并根据中国水资源公报的统计资料估计了相应的指标阈值。未来情景预测方面,以2015年为现状,2030年为未来情景,广泛收集了京津冀13个地级市的社会经济数据,在了解社会经济发展现状基础上,通过深入解读“十三五”和区域协同发展相关规划,在县域尺度上,预测了一体化下的人口和GDP(见图3)。方案构建和分析方面,在地理信息系统环境下绘制了多年平均和不同水平年、调水工程增补前后、现状和一体化等情景组合下的水资源安全分布。 

   

  图2 基于县域的水资源安全诊断研究框架 

   

  a) 京津冀市域人口 

   

  b) 京津冀市域GDP 

  图3 京津冀地区现状和一体化下的市域人口和GDP 

  图4为京津冀县域水资源量分布。总体上看,京津冀多年平均径流深为104mm,约合自然水资源量236亿m3;考虑近期调水工程增补后,多年平均径流深增至135mm,约合水资源总量306亿m3,较自然状态下增加30%;考虑远期调水工程增补后,多年平均径流深增至154mm,约合水资源总量350亿m3,较自然状态下增加49%。分布上看,自然状态下,东北部县域水资源更为丰富;调水工程增补后,中南部县域水资源有明显增加。 

   

  4 县域水资源量分布 

  图5和图6为京津冀县域人均水资源量分布和基于人口的水资源短缺指数分布。总体上看,对于京津冀全境,不考虑外调水、考虑近期调水、考虑远期调水情景下,多年平均人均水资源量分别为213、279和290m3,基于人口的水资源短缺指数分别为1.04、0.79和0.76(指数越小表示越趋于安全,一般以阈值0.4或1.0表示高度或极度压力)。分布上看,京津冀西北部县域的人均水资源量比东南部县域大,尽管调水工程增补后县域人均水资源量有明显提高、水资源压力有所缓解(如考虑近期调水,指数范围由0.12-46.66缩减至0.12-6.76),尤其是中南部县域有明显改善,然而还有不少县域处于高压力状态。 


   

  图5 县域人均水资源量分布 

   

  图6 基于人口的水资源短缺指数分布 

  图7和图8分别为京津冀县域万元GDP水资源量分布和基于GDP的水资源短缺指数分布。总体上看,对于京津冀全境,不考虑外调水、考虑近期调水、考虑远期调水情景下,多年平均万元GDP水资源量分别为35、46和18m3,基于GDP的水资源短缺指数分别为0.82、0.62和1.67。分布上看,京津冀西北部县域的万元GDP水资源量比东南部县域大,调水工程增补后中南部县域万元GDP水资源量有明显提高、水资源压力有所缓解(如考虑近期调水,指数范围由0.05-88.40缩减至0.05-6.33)。然而,除非显著提高节水技术(特别是农业部门),实现高耗水向低耗水行业的大力转变,以及其他水源的大规模应用,否则水资源难以承载中南部县域持续高速经济发展。 

   

  图7 县域万元GDP水资源量分布 

    

   

  图8 基于GDP的水资源短缺指数分布 

  受水短缺影响的人口和缺水量根据所取阈值的不同而有所区别(见图9)。当以人均水资源量500m3作为阈值,在调水工程增补前后,近期受影响人口从100.1降至98.9百万人,远期受影响人口从111.5降至110.1百万人;近期缺水量从374.1降至304.3亿m3,远期缺水量从428.0降至313.3亿m3。当以基于人口的水资源短缺指数1.0作为阈值,在调水工程增补前后,近期受影响人口从86.6降至67.8百万人,远期受影响人口从96.6降至64.3百万人;近期缺水量从108.5降至54.3亿m3,远期缺水量从127.5降至36.4亿m3。 

   

  a) 以人均水资源量作为阈值 

  与受影响人口的关系

   

  b) 以人均水资源量作为阈值 

  与缺水量的关系

   

  c) 以水资源短缺指数作为阈值 

  与受影响人口的关系

   

  d) 以水资源短缺指数作为阈值 

  与缺水量的关系 

  图9 不同阈值下的受影响人口和缺水量 

  为探索气候变化对区域水资源安全的影响,计算了径流对降水的弹性系数并绘制县域分布(见图10),发现北部、西部和南部县域的径流对降水变化较为敏感。尤其是,南方县域水资源相对短缺且脆弱,需要更加关注该子区域在气候变化下的水资源安全问题。 

   

  图10 径流对降水的弹性系数县域分布(反映水资源对气候变化的敏感性) 

  该项研究由中国水科院、澳大利亚国立大学、中国农业大学等机构合作完成。中国水科院李想博士为该论文第一作者。该研究获得国家重点研发计划、中国科协青年人才托举工程等项目的资助。 

    

  原文链接:https://www.mdpi.com/2071-1050/11/22/6463/htm 

  补充材料:https://www.mdpi.com/2071-1050/11/22/6463/s1

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