未來干旱化對中國北方水資源影響的sd分析

未來干旱化對中國北方水資源影響的sd分析

1干旱化對中國北方土地系統(tǒng)環(huán)境的影響20世紀(jì)以來，在世界變化和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的影響下，環(huán)境變化顯著惡化，人類與環(huán)境的沖突日益明顯。在占國土面積約40%的中國北方地區(qū)，最突出的是干旱化問題，它不僅帶來氣候環(huán)境的惡化，并且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代以來，北方干旱化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年在1000億元以上。這對我國東北糧食基地建設(shè)、華北能源基地和“西部大開發(fā)”有著很大的阻礙作用。研究者利用干濕指標(biāo)、環(huán)流模型對中國北方干旱化過程以及規(guī)律進(jìn)行了探討，對未來的干旱化時空趨勢進(jìn)行了預(yù)測，總結(jié)不同的中國北方干旱化趨勢研究。例如，施雅風(fēng)等討論了西北地區(qū)從暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的趨勢，這是一種干旱化轉(zhuǎn)折的情形；張德二研究千年尺度的歷史氣候資料，認(rèn)為最近50年屬于氣候條件相對穩(wěn)定的時期，也就是沒有明顯的干旱化趨勢；符淙斌等認(rèn)為我國北方近20多年來降水減少和溫度升高導(dǎo)致了干旱化程度的提高，即干旱化有加劇的可能性。同時，干旱化對于水資源利用和土地資源利用過程的影響正得到普遍的認(rèn)同和重視，水資源與土地系統(tǒng)變化的相互作用機(jī)理已經(jīng)成為了當(dāng)前國際地圈生物圈計劃(IGBP)的前沿研究問題。一部分研究者從水資源承載能力入手，研究水資源承載的人口、經(jīng)濟(jì)和糧食水平。另一部分研究者從模型角度入手，致力于發(fā)展水土氣之間相互作用的動力學(xué)模型。Polani構(gòu)建了主要考慮自然因素的半永久濕潤草地地區(qū)植被變化模型，Veldkamp和Fresco提出的CLUE模型綜合了自然和人為因素，范澤孟等基于HLZ(HoldridgeLifeZone)分類系統(tǒng)與IPCC提供的氣候變化情景數(shù)據(jù)模擬中國未來土地覆蓋時空變化情景數(shù)據(jù)。土地利用系統(tǒng)動力學(xué)模型(SystemDynamics,SD模型)是在系統(tǒng)動力學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立、模擬土地利用變化的模型，能從宏觀上反映土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜行為，為決策者提供決策支持。陳正江從生態(tài)學(xué)入手，構(gòu)建了社會—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)的綜合模擬系統(tǒng)，對我國西北干旱區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行了情景模擬；Riebsame構(gòu)建了綜合土地利用SD模型，對美國大平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)過程進(jìn)行模擬；Lee利用SD模型模擬了巴西亞馬遜流域不同類型的土地利用對生態(tài)系統(tǒng)功能退化的作用，均取得比較好的效果。綜上可見，目前干旱化過程影響下的中國北方未來土地系統(tǒng)變化過程和機(jī)理還不是十分清楚，這將在一定程度上限制了中國北方土地資源的合理開發(fā)。很有必要將不同時空尺度的氣候變化過程與水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)變化結(jié)合起來，理解干旱化情景對中國北方未來土地利用變化過程的可能影響?？紤]到我們目前發(fā)展的中國北方土地利用情景模型僅僅考慮了社會經(jīng)濟(jì)因素，而忽略了干旱化過程的可能影響，因此我們在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，對該模型進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，通過加入氣候變化模塊，將發(fā)展一個干旱化過程影響下的土地利用情景變化系統(tǒng)動力學(xué)模型，模擬中國北方干旱化過程對水資源系統(tǒng)和土地利用系統(tǒng)變化的影響，進(jìn)而理解干旱化背景下的中國北方土地利用系統(tǒng)變化過程與機(jī)理。2在干旱影響下的土地利用模型中2.1水資源約束下土地利用變化過程該模型主要包括兩個部分：一是干旱化情景下的水資源總量變化過程，主要模擬不同干旱化情景對區(qū)域水資源總量的影響；二是水資源約束下的土地利用變化過程，主要模擬不同水資源總量約束下的由人口和經(jīng)濟(jì)因素驅(qū)動的土地利用變化過程。兩部分之間利用水資源的人口和經(jīng)濟(jì)承載力進(jìn)行銜接(圖1)。該模型的各要素之間的具體關(guān)系見因果關(guān)系圖(圖2)。模型在HPS(HighPerformanceSystem)公司開發(fā)的圖形界面系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Stella5.0上具體實(shí)現(xiàn)。2.2.1月平均溫度計算式中：Hi為地表濕潤指數(shù)，P為月降水量，Pei為根據(jù)Thornthwaite改進(jìn)的月潛在最大蒸發(fā)量，計算方法參考公式(2)式中：d為每月的天數(shù)除以30,Ti為月平均溫度，a=0.49239+1.792×10-2I-7.71×10-5I2+6.75×10-7I3,,i為月總加熱指數(shù)，i=(Ti/5)1.514為月平均加熱指數(shù)，其中Ti為第i個月的月平均溫度，a1=-415.8547,a2=32.2441,a3=-0.4325。2.2.2水資源總量回歸模型根據(jù)1994～2000年中國《水資源公報》中的中國北方13省水資源總量數(shù)據(jù)，首先利用北方331個站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)計算出的年均降水量和年均溫，然后采用逐步回歸方法對水資源總量進(jìn)行回歸，得到水資源總量的回歸方程：式中：W為水資源總量(億m3)，P為年均降水量(mm)，T為年均溫(oC)。回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.949，顯著性達(dá)到0.01水平。2.2.3最大人口承載預(yù)測最大人口承載力指水資源可以承載的人口發(fā)展規(guī)模。人口發(fā)展規(guī)?？梢酝ㄟ^生態(tài)承載力法、就業(yè)崗位需求預(yù)測法、回歸數(shù)學(xué)模型法和綜合增長率法等方法計算。其中比較常用的是生態(tài)承載力計算法：式中：Np為最大人口承載，ω1為城鎮(zhèn)居民生活用水比例，L1為城鎮(zhèn)居民用水定額，QL為用水總量，ω2為農(nóng)村居民生活用水比例，L2為農(nóng)村居民用水定額。在得到區(qū)域最大人口承載力后，可以利用目前常用的阻滯人口增長算法對區(qū)域未來的人口情況進(jìn)行預(yù)測。阻滯人口算法認(rèn)為人口增長率是人口總量的線性函數(shù)，模型采用的阻滯人口增長算法如下：式中：R(X)為阻滯人口增長率，R是固有增長率，表示當(dāng)人口增量為0時的人口增長率，X為人口總量，XM為最大人口承載力，即人口增長率為0時的人口總量。2.2.4ql和wgdp的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)計算參考區(qū)域水資源最大人口承載力，設(shè)計了經(jīng)濟(jì)約束方式，式中，Ep為最大經(jīng)濟(jì)承載量，QL為用水總量，WGDP為萬元GDP的耗水量，依此估算未來在水資源約束下的經(jīng)濟(jì)能力。當(dāng)經(jīng)濟(jì)承載量大于實(shí)際國內(nèi)生產(chǎn)總值時(Ep>GDP)，水資源沒有約束經(jīng)濟(jì)增長，模型利用實(shí)際的GDP計算，反之利用經(jīng)濟(jì)承載量來約束國內(nèi)生產(chǎn)總值計算。3在中國北方未來干旱條件的影響下，土地利用效率的變化過程為3.1土地利用模型中國北方13省市區(qū)(北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧、黑龍江、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆)位于東經(jīng)73～136o，北緯31～54o。地跨濕潤、半濕潤、半干旱和干旱4個地帶，氣候的地域差異性和過渡性明顯，地表植被類型多樣，生態(tài)環(huán)境相對比較脆弱。近年來，全球氣候變化和不合理的人類活動帶來的干旱化，使得日漸短缺的自然資源沖突日益明顯化，其中以水資源和土地資源最為突出。在當(dāng)前中國政府實(shí)施“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”、振興東北老工業(yè)基地、建設(shè)東北糧食基地和建設(shè)華北能源基地的背景下，發(fā)展不同干旱化情景下水資源約束的區(qū)域土地利用模型，模擬中國北方未來土地利用情景變化，評估區(qū)域土地利用系統(tǒng)變化的潛在生態(tài)效應(yīng)，顯然具有重要的理論和實(shí)踐意義(圖3)。由于基礎(chǔ)資料的限制，將主要模擬北方13省耕地、林地(包括園地在內(nèi))、牧草地、建設(shè)用地、交通、水域和未利用地等7種土地利用類型的變化。模擬時段從1990年至2020年。具體包括兩個階段，一是1990～2000年的模型模擬階段，主要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、模型調(diào)整和結(jié)果驗證。二是2000～2030年的情景仿真階段，主要設(shè)定不同的干旱化情景和社會經(jīng)濟(jì)情景，進(jìn)行不同情景下土地利用結(jié)構(gòu)的仿真模擬，為用地結(jié)構(gòu)調(diào)整提供建議。3.2《水資源認(rèn)識公約》歷史氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象局提供的北方13省331個站點(diǎn)40年(1961～2000年)的實(shí)測數(shù)據(jù)。水資源總量數(shù)據(jù)來自水利部1994～2000年每年主編的《水資源公報》(1994～2000年)。土地資源利用歷史數(shù)據(jù)來自2000年劉育成主編的《中國國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)集》、國土資源部編著的《中國國土資源年鑒2000》和《中國國土資源年鑒2001》。1991～2000年北方13省的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局經(jīng)濟(jì)綜合統(tǒng)計司編1999年中國統(tǒng)計出版社出版的《新中國五十年統(tǒng)計資料匯編》，1999～2000年的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自于2000、2001年《中國統(tǒng)計年鑒》。3.3模擬結(jié)果驗證1989～2001年模擬工作的基本目的是以歷史資料為基礎(chǔ)，調(diào)試模型并驗證模型的可靠性。以1989年為現(xiàn)狀年，取步長1年模擬并驗證結(jié)果(表1)。模擬結(jié)果中相對誤差小于1%的參數(shù)為62.86%，相對誤差小于2%的參數(shù)達(dá)94.27%，說明模型模擬結(jié)果比較可靠，可以在此基礎(chǔ)上對水資源約束下的北方未來用地變化進(jìn)行仿真研究3.4模型應(yīng)用3.4.1土地利用結(jié)構(gòu)在1989～2000年模擬的基礎(chǔ)上，以中國北方13省區(qū)域?qū)嶋H情況和中國未來整體發(fā)展情況為基礎(chǔ)，基于中國北方的干旱化進(jìn)程、GDP、人口、區(qū)域調(diào)水等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置和組合,設(shè)定未來相關(guān)情景，對未來土地利用結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行模擬。同時，根據(jù)《中華人民共和國水土保持法》的規(guī)定，假定在2010年前，坡度大于25o的陡坡耕地必須無條件的完成退耕還林還草。(1)干旱化情景下的水資源綜合政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)對全球氣候變化的評估和我國氣候變化的國家評估報告，在20世紀(jì)，全球溫度增加了0.6±0.2oC，中國升溫幅度約為0.5～0.8oC，較之全球略高。特別是近幾十年，亞洲地區(qū)的干旱頻率和強(qiáng)度都有增加，中國北方地區(qū)增溫明顯高于全球或北半球同期平均增溫速率。大部分地區(qū)的降水量有5%～10%的增加，但是華北、西北東部和東北南部有下降趨勢。根據(jù)預(yù)測，如果按照這種情況發(fā)展下去，到21世紀(jì)末，全球溫度將增加1.4～5.8oC，中國為3.9～6.0oC。到2030年，預(yù)計中國溫度將增加1.5～2.8oC。為此，我們設(shè)計未來30年溫度變化的三種情況：(1)溫度顯著升高(T1)，即到2030年，年均溫增加2oC；(2)增溫穩(wěn)定(T2)，年均溫增加1oC；(3)溫度緩慢升高(T3)，到2030年，年均溫增加0.5oC。同時，報告預(yù)測未來的降水量既有可能增加也有可能減少，幅度在5%～20%之間。結(jié)合前文提到的華北、西北和東北地區(qū)降水量變化的趨勢，我們設(shè)計了降水量變化的三種情況：(1)降水量不變(J1)，到2030年，年降水量不變；(2)降水量穩(wěn)定增加(J2)，到2030年，年降水量增加5%；(3)降水量明顯增加(J3)，到2030年，年降水量增加10%。將以上的溫度變化和降水量變化組合能得出9種可能性，我們從中定義了3種干旱化情景：(1)由溫度明顯升高和降水量不變帶來的干旱化加速過程；(2)由溫度穩(wěn)定升高和降水量穩(wěn)定增加帶來的干旱化不明顯過程；(3)由溫度緩慢升高和降水量明顯增加帶來的干旱化轉(zhuǎn)折過程(表2)。利用地表濕潤指數(shù)公式(公式1、2)，計算3種干旱化過程下的中國北方13省的地表濕潤指數(shù)變化,得到1960～2030年的中國北方地區(qū)地表濕潤指數(shù)，將濕潤指數(shù)與過去40年(1960～2000年)的距平繪制成中國北方13省地表濕潤指數(shù)距平變化圖(圖4)。圖中的數(shù)據(jù)負(fù)值表示相對干旱、正值表示相對濕潤。可見，20世紀(jì)的后20年中國北方13省有干旱化趨勢，距平平均為-0.01，與之前的20年有0.02的差值。到2000年之后，三種干旱化過程下的濕潤指數(shù)變化分別是：干旱化轉(zhuǎn)折情況下，濕潤指數(shù)增加，距平達(dá)到最后0.09，基本達(dá)到歷史記錄中濕度較高年份的水平；干旱化不明顯情況下，濕潤指數(shù)與平均值很接近，距平小于0.01；干旱化加速情景下，濕潤指數(shù)較小，最終距平達(dá)到-0.12，低于大多歷史記錄的干旱水平，比起過去20年干旱化趨勢，有加劇的趨勢，可見這三種干旱化情景可以基本反映未來中國北方的可能干旱化過程。由于跨區(qū)域的南水北調(diào)工程，會對區(qū)域的水資源實(shí)際利用總量產(chǎn)生影響，所以我們利用區(qū)域調(diào)水情況來設(shè)定系統(tǒng)的封閉和開放狀態(tài)。對于區(qū)域調(diào)水，根據(jù)1997年到2004年的《水資源公報》，北方流域調(diào)水在50～90億m3，占水資源總量的1%～2%，根據(jù)《南水北調(diào)東線工程規(guī)劃(2001年修訂)簡介》、《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃(2001年修訂)簡介》和《南水北調(diào)西線工程規(guī)劃簡介》，規(guī)劃的東線、中線和西線到2050年調(diào)水總規(guī)模為448億m3，由于東線主要供給為江蘇北部、安徽、山東等地區(qū)，在這里不計入內(nèi)。所以具體設(shè)定的2種調(diào)水情況為：(1)系統(tǒng)封閉狀態(tài)下，不進(jìn)行南水北調(diào)(Q1)；(2)系統(tǒng)開放狀態(tài)下，按照缺水量的100%補(bǔ)給的調(diào)水(Q2)，2020年后，調(diào)水量為320億m3(表2)。雖然萬元GDP用水量一直呈下降趨勢，但是由于我國水資源的利用效率一直都比較低，2003年的萬元GDP用水量仍是世界平均水平的4倍。因此，我國的“十一五”計劃指出，在未來要提高水的利用效率，萬元GDP的用水量年均減少率要達(dá)到6%以上。考慮到我國水資源利用正面臨水少、水臟、水混等多種不利因素，我們保守地設(shè)計在2000～2020年，萬元年GDP用水量減少為6%，之后到2030年減少率為3%。這樣到2030年，我國萬元GDP用水量為130m3，基本達(dá)到2003世界平均水平(表2)。(2)無水資源約束下的經(jīng)濟(jì)增長根據(jù)相關(guān)資料表明，中國北方13省產(chǎn)量所占比重在過去的10年中呈下降趨勢，GDP增長率比全國平均低1～2個百分點(diǎn)。同時，政府規(guī)劃表明，在未來20年間，經(jīng)濟(jì)增長將保持年均7.2%的水平，如果到2050年，國民生產(chǎn)總值能在2020年基礎(chǔ)上翻兩番，經(jīng)濟(jì)增長將達(dá)到年均4.7%，因此，我們將無水資源約束下的經(jīng)濟(jì)增長率設(shè)定為前20年經(jīng)濟(jì)增長達(dá)到7.2%，后10年為4.7%(表2)。中國北方13省人口增長水平和全國水平基本保持一致，因此結(jié)合根據(jù)不同的機(jī)構(gòu)就中國未來的人口變化的預(yù)測，將無水資源約束下的人口增長率設(shè)定為6.0‰(表2)。(3)糧食反滲透膜增長的資根據(jù)資料表明，在人均糧食需求400kg的前提下，中國北方13省的糧食自給率從1990的1.07上升到1998年的1.24，之后又降低到2000年的0.95。對于未來30年北方13省糧食自給率，因為情況比較復(fù)雜，很難有定論。為了簡化情景，我們設(shè)定了區(qū)域糧食自給率為100%(表2)。資料表明，我國糧食畝均產(chǎn)量從1980年的183kg迅速提升到1996年的290kg，平均每年提高6.7kg。但是，作為北方13省地區(qū)，糧食產(chǎn)量的增長卻低于全國水平，干旱半干旱的氣候條件和不利的土地條件，限制了糧食畝均產(chǎn)量的增長?？紤]技術(shù)進(jìn)步帶來的糧食畝均產(chǎn)量的增加，設(shè)置未來的糧食單產(chǎn)增長從頭10年的0.5%到最后10年的0.3%逐步遞減(表2)。在上述參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，我們設(shè)定了中國北方未來干旱化趨勢下的6種土地利用情景，配合已有研究中沒有水資源制約的情景進(jìn)行對比(表3)，對2001～2030年中國北方的土地利用變化過程進(jìn)行情景模擬分析。3.4.2干旱化情景對土地關(guān)系的影響表4中各種情景的仿真結(jié)果及其對比分析見表4～5，圖5。從中可見：(1)干旱化過程對中國北方未來水資源總量變化影響明顯。根據(jù)設(shè)置的干旱化情景變化，到2030年水資源總量在干旱化轉(zhuǎn)折(情景A)、干旱化不明顯(情景B)和干旱化加速(情景C)下分別為4686.17億m3、4367.28億m3、3887.88億m3，情景間差距最大達(dá)798.29億m3。比起多年平均水資源量4425.54億m3，三種干旱化情景下的水資源變化幅度為-537.66億m3～260.63億m3。(2)在未來干旱化過程影響下，中國北方的水資源正逐漸成為稀缺資源，成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。在不同的干旱化情景下，區(qū)域人口到2030年將增長到3.714～3.751億人，人口增長率為1.63‰～2.38‰。特別是在干旱化加速的情況下，未來的人口增長將受到明顯限制。在設(shè)置的無水資源約束的6‰的年人口增長率情況下，2030年的區(qū)域人口為4.145億，比干旱化情景下的人口多0.394～0.431億人。可見水資源在很大程度上限制了人口增長。在不考慮水資源約束的情況下，2030年的GDP達(dá)到17.33億萬元，而在不同干旱化情景下由水資源約束影響下的GDP為12.67～16.21億萬元，與無約束情況下的差距達(dá)到1.12～4.66億萬元，變化幅度達(dá)到6.46%～26.88%(表4)。(3)土地利用格局對水資源變化響應(yīng)較明顯，特別是建筑用地、交通用地和耕地。比較同樣社會經(jīng)濟(jì)條件下不同水資源制約因素的模擬結(jié)果(A與G)，這三類用地的變化幅度分別為19.3%、30.5%、-3.7%(A)和8.1%、37.5%和-10.4%(G)，差別很明顯，其他用地類型差別不明顯，這在一定程度上說明水資源對此三類土地的制約作用明顯(表5)。(4)在中國北方人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的持續(xù)壓力下，建筑和交通用地在未來增長迅速。在干旱化不明顯的情況下，建筑和交通用地分別增長了17477.2km2和6997.1km2，增加的幅度分別達(dá)到18.15%和28.38%，是所有用地類型中變化最大的。同時，由于退耕還林還草、農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整、城市和交通用地占用等因素的共同作用，未來中國北方耕地面積明顯減少。在干旱化加劇的情況下，耕地面積減少18151.7km2，對干旱化過程的響應(yīng)明顯。另外，由于退耕還林還草政策的影響，區(qū)