转变经济发展方式应对气候变化下水资源变化

转变经济发展方式应对气候变化下水资源变化——以华北地区为例

王喜峰

（中国社会科学院数量经济与技术经济研究所）

摘　要:本文以华北地区为例，研究经济发展方式转变对未来气候变化下水资源的影响。首先将区域气候模式结果与华北地区“自然-经济”二元水循环模拟框架结合起来预测未来气候变化情境下华北地区地下水情况。其次，结合华北地区“十二五”规划纲要，分析经济结构调整情势下用水变化，并利用模型预测发展方式转变应对未来气候变化情景下水危机情况。得出主要结论如下:在现在的发展方式下，华北地区难以应对未来发生的水危机，浅层地下水平均每年下降0.4米。在经济发展方式转变情景下，地下水位下降速度缓解，配合其他工程措施，华北地区水危机可避免。

关键词:经济发展方式转变；气候变化；后果；水资源

引　言

华北地区是我国经济社会发展重要地区，耕地占全国的39.1%，人口占全国的34.8%，GDP占全国的32.1%。粮食、棉花的产量已分别占中国总产量的18.4%和40%，油料作用在中国也占很大比重。区域内的环渤海地区是我国功能区规划中三个优先开发区之一，承载着我国广大北方地区经济发展龙头的作用，具有极大的经济发展带动作用。然而，水资源是地区经济社会发展的重大资源约束。我国是水资源短缺国家，人均水资源量不足世界平均水平的1/4，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。华北地区人均占有量335m₃/人，不足全国的1/6、世界的1/24，是极度缺水地区。水资源短缺水危机严重制约着区域的经济社会发展。除此之外，工业化和城镇化、农业现代化带来的水环境严重污染不仅加剧了水资源短缺，更严重危害这些地区的可持续发展的能力和居民健康以及生活水平。为应对水资源短缺和水环境污染，大部分地区开采地下水作为支撑区域经济发展水资源措施，特别是华北地区七成的用水来自地下，多年来严重超采，不仅造成了生态环境灾难，而且引发了严重的经济社会问题。

在地下水过度开采的同时，气候变化也在影响着水资源形势。根据2007年IPCC（Intergovernmental Panel Climate Change）的第四次气候评估报告显示:近百年来，地表温度平均上升了0.74℃，其中近半个世纪以来全球平均地表温度增温速度为每十年0.13℃；并预计到本世纪末地表温度将增加1.1～6.4℃。在全球变暖的大背景下，水资源作为自然循环的一部分，在区域内会发生明显的变化。根据预测，华北地区降雨在未来50年将会增加，但由于其他自然、经济社会条件的一系列不确定性，未来华北地区水资源形势还难以确定。

转变经济发展方式是党和国家针对我国经济发展中出现的问题，为促进国民经济又好又快发展提出的发展战略。在之前的经济社会发展中，人与自然关系不够和谐，经济增长的资源环境代价过大。各地为保经济增长盲目发展高耗能、高污染、高排放产业。水资源、水环境已成为我国经济可持续发展的最大瓶颈和真正硬约束之一。转变经济发展方式，建设资源节约型、环境友好型社会是必由之路。

本文以华北地区为例，旨在考察经济发展方式转变对应对未来气候变化下水资源危机的效果。首先，本文将区域气候模式与华北地区“自然-经济”二元水循环模拟框架结合起来考察预测未来气候变化情境下华北地区水资源情况。由于水循环的复杂性，结合华北地区水资源应用特性，采用华北地区地下水位表征华北地区水危机情况。将地下水位作为表征区域水危机情势的原因主要有三个。一是地下水位于水循环末端，与外界交换小，地下水发生危机表征水资源危机十分严重，表征性强。二是地表水充足时，地下水由于开采成本等问题不优先使用，地下水作为战略水源、备用水源使用，地下水发生危机表征水资源枯竭。三是华北地区的主要用水来自地下水，地表水资源主要由水库供给大型城市，但也是城市的部分用水来源，地下水发生危机就是水危机。其次，结合华北地区“十二五”规划纲要，分析经济结构调整情势下用水变化，并利用模型预测发展方式转变应对未来气候变化情景下水危机情况。本文的结构安排如下:第一部分为模型构建。第二部分为气候变化情景下水资源情势分析。第三部分为发展方式转变应对未来气候变化情景下水危机情势分析。第四部分为结论。

一、模型构建

本次研究采用的模型耦合了区域气候模式、水资源模型和地下水流模型，以评价气候变化情景下华北平原地下水位情况。根据各部分水资源的投入和经济产出资料、“十二五”规划中对产业、节约型社会等要求，将各部门取水系数（以增加值计算）作为联系水资源和经济的纽带，分析未来情景下华北地区取水情况，代入模型中分析转变经济发展方式应对气候变化下水危机的情况。

图1　模型结构示意图

1.全球气候模式和区域气候模式

气候模式是目前进行气候变化预估的最重要工具，GCM是一种模拟气候变化情景的方法。气候模拟是指对自然界的气候状况及其演变进行模拟，其主要方法是数值模拟。其中数值模拟是根据控制气候及其变化的基本物理定律，建立复杂的数学模型，在给定的初始条件和边界条件下进行数值计算，进而计算包括大气、海洋、覆被、植被等在内的气候系统中气候要素的可能变化。通过数值模拟建立气候模式，可以模拟实时气候特征，也可以用来模拟气候系统各要素之间的相互作用，各种因子在不同时间尺度的气候变化中所起的作用，预测未来气候等。

大气环流模式（GCM模式）中主要的预报指标是温度、水平风速和地面气压，相应的控制数学方程为能量守恒方程、水平动量方程和地面气压倾向方程。根据全球气候模式模拟结果，根据尺度问题的特征，对区域气候数值模拟进行预测。首先把模式范围取到研究的区域，然后与相应的全球气候模式嵌套。大部分区域气候模式的框架来自于中尺度天气模式，并在其中加入全球环流模式的相关物理过程。区域气候模式在世界各地基本都有着较好的模拟能力，在区域气候模拟方面，比全球环流模式有着明显的优越性，是研究区域气候变化的重要工具。

2.“自然-经济”二元水资源模型

“二元”水资源模型是基于物理机制的分布式水循环模型WEP-L。模型综合了分布式水循环模型和陆面能量过程模型的各自优点，在考虑空间变异性基础上，耦合模拟了水循环过程和地表能量交换过程。模型具有以下主要优点:（1）耦合模拟了流域水循环过程和能量转化过程；（2）考虑土地利用、经济发展水平、人口、空间变异性；（3）分为植被覆盖区，灌溉农田区和非灌溉农田区从而考虑农业和灌溉对水资源的影响，以及气候变化下能量循环变化对生态、水资源的影响；（4）水资源模拟中模拟用水过程，包括水库运营规则，河道引水以及分水等；（5）根据人口和GDP的时空分布来估计各用水的时空分布；（6）引用气候变化下的各气象因素根据物理模型分析其对水资源的影响。

“自然-经济”二元水资源模型每个计算单元在纵向上将模型分为九层，从上到下依次为:植被冠层或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤表层、土壤中层、土壤底层、过渡带层、无压地下水层，弱透水层和承压地下水层。在计算单元表面采用“马赛克”法将每个计算单元的土地类型分为:植被域、灌溉农田域、非灌溉农田域、水域和不透水域。植被域又细分为裸地域、高植被域（森林和都市绿化树）和低植被域（草地）。不透水域则被分为城市不透水地面、城市冠层和裸岩区。计算单元内的各个土地利用类型的水、热通量参照土壤-植被-大气通量交换方法（SV A TS）的ISBA模型分别计算并平均为每个计算单元的水、热通量。此外模拟的能量过程主要包括:短波辐射、长波辐射、潜热通量、感热通量和土壤热通量。

3.地下水流模型MODFLOW简介

MODFLOW是Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water Flow Model（三维有限差分地下水流数值模拟模型）的简称，由美国地质调查局（USGS）开发。MODFLOW采用有限差分法求解地下水流方程。其空间离散一般采用矩形的网格剖分；其在时间划分上采用应力期（Period），并继续划分为多个时段（Time Step）。MODFLOW提供了多种迭代求解法，例如强隐式法（SIP）、预调共轭梯度法（PCG2）、逐次超松弛迭代法（SSOR）等。

MODFLOW所求解地下水流运动方程为:（L）；W为源汇项；S_s为介质的贮水率（L^-1）；t则为时间（T）；H₀（x，y，z）为给定的初始水头（L）；H₁（x，y，z，t）为第一类边界Γ₁上给定的水头（L）；q（x，y，z，t）为在第二类边界Γ₂上给定的水流通量（LT^-1）；G为研究区域；Γ为研究域的边界，Γ＝Γ₁＋Γ₂；cos（n，x），cos（n，y），cos（n，z）为边界外法线矢量与坐标轴正向之间夹角的余弦。

二、气候变化情景下水危机情势分析

1.气候变化情景

IPCC在《第四次评估报告》中根据人口增长经济发展、技术进步、环境条件和全球化等假设因子得到未来温室气候和硫酸盐气溶胶的排放情景，并根据这些排放情景来预测未来全球的气候变化情形。通常情况下不同的社会发展模式对应不同的排放情景。IPCC在2000年提出了SRES排放情景，本文选用其中的A1B，A2和B1三类:

A1类:描述了一个经济高速发展、全球人口在21世纪中叶达到峰值随后开始减少、高排放情景的世界。A1情景系列划分为3个群组，分别描述了能源系统技术变化的不同发展方向，以技术重点来区分这三个A1情景组:矿物燃料密集型（A1F1）、非矿物能源型（A1T）和各种能源资源均衡型（A1B）。

A2类:描述了一个人口持续增长、人均经济增长和技术变化有明显地方性、全球化不明显、发展极不均衡的世界。其基本点是自给自足和地方保护主义，地区间的人口出生率很不协调，经济发展主要以区域经济为主，低于其他框架的发展速度。

B1类:描述了一个人口发展同A1、但经济结构向服务和信息转变、强度从全球角度解决经济、社会和环境可持续性问题、均衡发展的低排放情景的世界。其基本点是在不采取气候行动计划的条件下，在全球范围内更加公平地实现经济、社会和环境的可持续发展。

根据这些情景的需要选用来自于PCMDI（Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison）公开发布的“WCRP（The World Climate Research Programme）的耦合模式比较计划-阶段3的多模式数据”（C）MIP3作为气候模式的数据。国家气候中心将该模式进行集合制成了1901—2099年的月平均数据。本次研究将选用华北地区2021—2050年的降雨系列。

表1　气候变化情景下雨量预测结果

图2　研究区各年降雨量分布示意图

从表1和图2可以看出，华北地区在这三种气候变化的情景下，降雨呈现增加的趋势，变差系数也呈现增加的趋势。这说明在这三种情况下，年际间的降雨差异将会增大，不排除有极端天气的出现。

2.各气候变化情景下的地下水位预测结果

根据表2～表6可以看出，在A1B气候模式下，华北地区地下水不能承担现状的开发情况。在2020年到2030年，华北地区浅层水位下降了5.32m，2030年到2040年4下降了3.34m，在2040年到2050年又下降了近3m，共下降了11.61m，最后20年以每年下降0.3m，2020到2030年十年平均速度为0.5m，可以看出，后20年速度少于2020到2030年的速度。深层地下水水位下降速度较浅层地下水大。2020—2030年下降了10m，2030—2040年下降了将近5m，2040—2050年下降了3m。

就各个城市而言，除了天津、沧州、德州、济南和东营的浅层地下水水位只有小的降低之外，其他城市的浅层地下水水位都发生了大于5m以上的降低。其中焦作和聊城部分在2050年将会达到接近40m的下降；保定和石家庄在2050年亦会下降20m以上。深层地下水比浅层地下水情况严重。其中新乡和焦作部分到2050年下降了50m左右。

A2的气候情景和现状开发的情景下，浅层地下水与A1B的变化趋势保持一致，但是2050年末，A2情景下的水头高于A1B。深层的地下水则持续地下降。B1的气候情景和现状开发的情景下，浅层地下水与A1B，A2的变化趋势一致，但是2050年末，B1情景下的水头低于A1B和A2。深层的地下水亦持续下降。

表2　华北地区各市范围内A1B情景下变化情况（与2020年相比）

如表2中所示，A1B情景下各市范围内浅层地下水与深层地下水相对于2020年水位的变幅。对于浅层地下水，2030年平均地下水水位降低5.3m，2040年降低8.7m，2050年平均水位会比2020年降低11.6m。北京市2020—2030年降深达8m，2030—2040年降深为4.9m，2040—2050年降深为4.5m，可见2020—2030年水位降深较大，之后趋于稳定。降深最大的为焦作，2050年比2020年水位下降近49.5m。对于深层地下水，北京市的降深较大，2020—2030年降深达14.4m，2030—2040年降深为6.2m，2040—2050年降深为5.0m，与浅层地下水水位变化趋势相近。天津市深层地下水水位2020—2030年为7.4m，之后降幅较小。

表3　华北地区各市范围内A2情景下变化情况（与2020年相比）

续　表

如表3所示，A2情景下各市范围内浅层地下水与深层地下水相对于2020年水位的变幅，此情景下水位降幅略低于A1B情景。对于浅层地下水，2030年平均地下水水位降低5.8m，2040年降低9.4m，2050年平均水位会比2020年降低13.2m。北京市2020—2050年降深达21.6m，天津市水位降幅低，平均10年降幅为1.5m左右。降深最大的城市焦作，2050年比2020年水位下降近50.2m。对于深层地下水，北京市2020—2030年降深达15.3m，2030—2040降深为6.9m，2040—2050年降深为6.2m。天津市深层地下水水位2020—2030年为7.5m，之后10年降幅为1.2m，石家庄市2030年水位比2020年下降15.5m，2050年比2020年会下降31.2m。

表4　华北地区各市范围内B1情景下变化情况（与2020年相比）

续　表

如表4所示，B1情景下地下水水位降幅略高于A1B情景，低于A2情景。对于浅层地下水，2030年年平均地下水水位降低5.6m，2040年降低8.9m，2050年年平均水位会比2020年降低12.0m。北京市2020—2050年年降深达19.4m，天津市水位降幅低，且2050年水位比2040年略有回升。沧州市2050年比2020年水位下降近2.7m。对于深层地下水，北京市2020—2030年降深达14.7m，2030—2040年降深为6.7m，2040—2050年降深为5.6m。天津市深层地下水水位2020—2030年为7.6m，之后10年降幅为2.1m和1.1m，石家庄市2030年水位比2020年下降15.0m，2050年比2020年会下降29.5m。

表5　各气候情景下各时间段年均变化（m/yr）

根据表5可以看出，A2情景下华北地区地下水位下降最快，A1B相对较好，B1最好。深层地下水在2020—2030年十年间年均下降1m以上，2030—2040年年均下降0.5m左右，2040—2050年年均下降0.4m。浅层地下水在2020—2030年年均下降0.6m，2030—2040年年平均下降0.36m，2040—2050年年均下降0.3m，但是A2情景下年均下降0.4m。

三、发展方式转变应对气候变化下水资源影响

在研究发展方式转变对水资源需求影响中，一般按用途将取用水分为生产用水、生活用水、生态用水。影响水资源需求的因素很多，总结起来，经济结构、技术进步、技术效率、政府政策影响着工业用水；农业用水与气候、作物、灌溉等因素相关。生活用水主要与人口和生活习惯相关。就方法而言有:趋势外延法、时间序列法、回归分析法、灰色数学法、人工神经网络法、定额法、投入产出法、可计算一般均衡法等。

本部分研究参照严婷婷和贾绍凤（2009）研究所用的水资源投入产出法。该方法根据传统投入产出表结合国民经济各部门用水数据，建立区域水资源投入产出表。根据投入产出表计算直接取水系数（分别以总产值和增加值计算）、完全取水系数（分别以总产值和增加值计算）、取水乘数结合AHP方法进行优化。设定发展方式转变方案，预测水资源需求量。

根据以上方法，结合华北地区用水情况。结合河北省、北京市、天津市“十二五”规划经济结构调整目标等，分析直接取水系数（分别以总产值和增加值计算）、完全取水系数（分别以总产值和增加值计算）、取水乘数变化，结合经济发展目标得出未来区域用水量，并据此预测地下水开采量。根据计算万元产值取水量由75m³降到61m³。并将预测的地下水开采量带入到模型中去，计算气候变化情景下，转变经济发展方式后地下水位情况。表6给出了各情景下地下水位变化。从表6可以看出，经济发展方式转变对华北地区放缓地下水位下降有明显的作用。再加上未来南水北调工程，在情景开采力度下，地下水位有望上升（预测结果不在本文中列出）。

表6　转变经济发展方式情景下地下水位下降情况（m/yr）

四、结论

本文以华北地区为例，研究经济发展方式转变对未来气候变化下水资源（地下水位）的影响。首先将区域气候模式结果与华北地区“自然—经济”二元水循环模拟框架结合起来预测未来气候变化情境下华北地区地下水情况。由于水循环的复杂性，结合华北地区水资源应用特性，采用华北地区地下水位表征华北地区水危机情况。其次，结合华北地区“十二五”规划纲要，分析经济结构调整情势下用水变化，并利用模型预测发展方式转变应对未来气候变化情景下水危机情况。

得出主要结论如下:第一，经过验证，建立的多模型耦合的用于研究气候变化、经济发展方式转变对水资源影响是成功的。第二，在现在的发展方式下，华北地区难以应对未来发生的水危机，浅层地下水平均每年下降0.4米，在某些地区，由于地下水位下降引起的“漏斗”会造成地质灾难和裂缝，并且由于地下水部分疏干，制约经济社会发展。第三，在经济发展方式转变情景下，地下水位下降速度缓解，配合相应水资源优化配置工程，足可应对气候变化下水资源变化。

参考文献

丁相毅.变化环境下流域水资源演变及其归因研究［D］.中国水利水电科学研究院博士学位论文，2010.

严婷婷，贾绍凤.河北省国民经济用水投入产出分析［J］.资源科学，2009（9）.

陈锡康.中国9大流域水利投入占用产出表的编制及在流域经济研究中的应用［J］.水利经济，2005（3）.