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环境科学杂志，2010,22(8)1297-1304。
从水的角度来评价北京的人口承载力
资源约束
Yingxuan Zhang1,Min Chen2,WenhuaZhou1,Changwei Zhuang1,Zhiyun Ouyang1,lowast;
1.中国科学院生态环境科学研究中心，北京100085.电子邮件:zyx2008y@yahoo.cn
2.伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国，61801.
收到2009年7月11日;修订2009年12月02;接受于2009年12月27日
文摘
随着对有限水资源需求的加剧，人们开始担心水资源的人口承载力。然而，很少有研究人员研究过区域水资源的承载力。北京是中国第二大城市，面临着严重的水资源短缺问题，这将限制北京的未来发展。我们开发了一种方法，通过考虑基于农业、工业和国内用水比例的水使用结构来量化北京水资源的承载能力。我们将参考结构定义为:45:22:33(分别为总的%)，优化结构为40:20:40，理想结构50:15:35。我们还考虑了四项国内用水定额:55、75、95和115立方米/(人·年)。城市承载力为1000万到1200万，与北京2003年实际人口最接近。然而，在考虑到我们的基本假设之后，调整后的承载力接近500-600万。2003年北京的人口几乎是调整后的人口承载力的两倍。在此基础上，我们讨论了北京人口过剩所造成的生态环境问题，并提出了缓解这些问题的措施。
关键词:城市人口承载能力;区域水资源;可持续城市发展;水资源管理
DOI: 10.1016/S1001-0742(09)60253-9.
介绍
人口承载力的概念起源于人口学、生物学和应用生态学(Clarke, 2002)。在生态学中，承载力定义为栖息地在不影响起(Rees, 1997)。人们对人口承载力的担忧可以追溯到马尔萨斯对人类人口增长的描述(Seidl and Tisdell, 1999)，但现代的研究主要集中在可以由区域、国家和全球农业潜在生产力维持的人口(Cao et al.， 1995;哈里斯和肯尼迪,1999;Hopfenberg,2003;悦et al .,2008)。已经建立了模型来估计地球的承载力(Cohen, 1995;马et al .,1996;迈耶和奥苏贝尔，1999年)，但对于最合适的模型几乎没有达成一致。
人类的承载力是区域可持续性的一个指标(Yount, 1998)，实现区域可持续性是很重要的，因为社会制度和生态功能在这个方面上是紧密联系的(Graymore等，2009)。研究区域生态系统的城市人口承载能力强调需要需求管理而不是供应，因为供应通常是受限于很多方面。区域生态系统通常用流域等单位来表示，让研究人员在这些边界内分析生态系统的结构、功能和过程，确定区域资源和环境的承载能力。区域生态系统特征所定义的可持续承载能力的概念是基于两个前提的。第一，必须有可能维持区域生态系统的正常运作;因此，研究人员必须计算出维持这些功能所需的资源和环境容量。其次，有必要对自然资源在满足生态系统需求后的城市人口和城市活动强度进行评价。这种方法优先考虑区域生态系统的健康，并可能避免由于分析的范围更有限而导致过于复杂的计算的缺陷。
由于现有资源和环境的变化，一个区域的承载力将随时间而改变，只能通过指定期间和在此期间的自然和社会经济发展水平来计算。因为一个地区的过度需求不应该通过将问题出口到另一个地区来解决(例如:通过过度开发另一个地区的资源，与其他地区的贸易应该受到可持续的水平的限制;要保持合理的承载力，就必须保持较高的自给自足，特别是水资源，不应依赖于流域间的交流。还必须保护城市居民的生活水平，这些标准受到现有区域资源和环境条件和目前技术、文化、经济和政策条件的限制。为了简化计算，必须对主要约束进行分组;典型的群体包括土地、水和能源。
承载力在很大程度上取决于水资源。然而，研究人员对于如何定义这种携带能力的观点并不一致。由于这种能力往往包括在更大的可持续发展理论中(UNCSD, 1996)，因此也很少有关于区域水资源承载力的理论研究。例如，Falkenmark和Lundqvist(1998)利用对水资源的最大全球利用的估计来研究区域水资源的承载力是如何决定的。另一个例子是研究佛罗里达群岛在美国的承载力(NRC, 2002)，研究人员在不同的土地使用情况下模拟了承载力。
在中国，严重的环境问题迫使政府开始了一系列的研究，以确定在水资源严重短缺地区(如中国西部和华北平原)的地区水资源承载力(夏和朱，2002;朱et al .,2009)。这些研究主要集中在社会和经济发展的规模上，可以通过特定流域或地区的水资源可持续地支持，而不影响生态系统的正常运行(Zhang和Guo, 2006)。
在中国，城市人口是由城市人口增长率和经济发展目标决定的。这些计划很少考虑到可用水资源和其他自然资源所造成的限制，这或许可以解释为什么大多数中国城市面临严重的水资源短缺和周围地区的生态问题。北京，中国的首都和第二大城市，也面临着严重的水资源短缺(焦尔，2007;RSPRG BMCDR,2001)。在本研究中，我们开发了一种通过评估现有水资源、评估环境需水量、分析城乡居民用水量的方法，来量化北京的水资源承载力。在分析的基础上，我们讨论了如何解决水需求与现有供给失衡所造成的一些问题。
1研究区域
北京占地16400平方公里，位于华北平原的北部,北纬39◦26 到 41◦03之间，东经 115◦25 到 117◦30 之间。北京的特点是在南部和东部为冲积平原,北部西北部为丘陵和山脉。北京有东亚季风气候，四季分明，夏季炎热潮湿，冬季寒冷、多风、干燥。中国年均温度12.5°C,平均年降水量为566 mm年度波动大,年均蒸发量1842毫米(bmb,1981 - 2006)。
北京是中国的政治、文化和国际交流中心。由于中国社会和经济的快速发展，北京经历了剧烈性的城市化。从1978年到2005年，北京市户籍人口从849.7万人增加到1180万人，实际人口从871.5万人增加到1538万人，其中包括来自其他地区的人。在此期间，市区人口从479万增加到1286.1万，占全市总人口的55.0%和83.6% (BMBS, 1981-2006)。建成区面积也大幅增加，从1984年的366平方公里增加到2005年的1182平方公里(CNBS, 1985-2006)。
北京位于海河流域，包括5个排水区域:吉云河运河、潮白河、北运河、永定河、大清河。北京的饮用水主要来自永和河和潮白河的汇流，这些河流经北京北部的山区。这些流域的总面积约为5万平方公里，但这一地区的大部分都超出了北京的行政区划范围。
目前，人均水资源量不足300立方米，仅为全国平均水平的12.5%，占世界平均水平的3.3%。从1999年到2007年，北京经历了干旱，从2003年9月起，北京就被迫每年从河北、山西等周边省份调水，为城市的正常运行提供足够的水。最终，北京可能被迫从数千英里以外的长江流域调水，因为水资源短缺限制了其社会和经济的扩张(焦尔，2007)。
2方法
2.1总体框架
评估可利用水资源所允许的承载力涉及许多学科，包括水文、生态学、环境科学、经济学、管理学、社会学和法学。其中最常见的方法有趋势分析、模糊综合评价、原理成分分析、系统动力学、多目标决策分析和投影追踪方法(Feng et al.， 2006;张和郭,2006)。然而，从管理的角度来看，情景分析是最合适的，因为它揭示了不同管理策略对承载能力的影响。这种方法包括研究城市社会经济系统、自然生态系统及其相互作用。考虑到模糊动态人类、其他有机体和自然环境之间的关系的本质，很难用简单或复杂的数学模型来描述这些关系。在本研究中，我们通过定性和定量相结合的方法对影响北京水资源使用的主要因素进行了识别和分析。然后根据相应的需水量，开发了农业、工业和国内用水的用水结构方案，并根据现有的水资源量计算了承载力。
由于灌溉方式的改变，农业的经济结构和种植结构，以及农业和相关产品的自由贸易，很难确定北京的农业用水定额额。因此，很难评价该组分对承载能力的影响。为了克服这一困难，我们控制了农业用水总量。此外，用于工业用途的水的组成是复杂的，因为测量标准在公司规模、产品种类、技术和生产过程中有所不同。因此，很难确定工业用水定额(Zhang, 2003)。为此，我们还控制了工业用水总量。利用这些假设，北京的承载力可以根据城市生活用水的总量和相关的服务行业，以及城市家庭用水和城市公共用水的综合人均城市用水量来确定。
PU =WU/AU = [(WT - WE)alpha; - WR]/AU (1)
其中，PU(人)是基于现有水资源的城市人口承载力;WU (m3)是城市生活用水的总水量;AU (m3/(person·yr))是综合人均城市生活用水定额;WT (m3)是可用水资源总量;我们(m3)是最低的生态环境需水量;alpha;(%)的比例是国内用水;WR (m3)是用于农村家庭用水的总水量。
目前，城市近郊的平均生活用水定额为120 - 140 L/(人·日)，在城市的偏远郊区(BWSO和BWSMC, 2003年)为80-100 L/(人·日)。相比之下，BMBS(1981-2006)报告说，城市地区的综合城市生活用水定额平均为260 L/(人·日)。因此，我们选择了2:1的综合城市生活用水配额与年度农村家庭用水配额的比例，这与阮和魏(2004)的数据一致。北京的城市人口约占总人口的75% (BMBS, 1981-2006)，因此，农村人口占城市人口的三分之一。基于这些假设:
WR = PRAR = (PU/3) (AU/2) = PUAU/6 (2)
其中，PR是农村人口承载力的基础
目前可利用的水资源，和AR是综合人均农村生活用水定额。
将Eq.(2)代入Eq.(1)得到Eq. (3):
PU = 6 (WT - WE)alpha;/7AU
(3)
从Eq.(3)可知，我们需要四个参数的数据来确定基于当前水资源可用性的承载能力。
2.2北京现有水资源总量的评价。
来源
从1986年至2002年北京水资源公报(BWA, 1986 - 2005)中，获得了用于计算总可用水资源的数据(WT)。由于1999年以后发生的干旱，北京市水务管理局从河北省的云州水库和山西省的Cetian水库调度了许多紧急调水。自2003年以来，许多节水措施得到实施，污水的回收和再利用也增加了。因此，2003年以前收集的水资源数据与2003年以后收集的水资源数据不一致。因此，我们在2003年之前利用现有的水资源数据来评估承载力;后续数据仅供参考用途。
2.3对最低生态环境需水量的评价。
由于需要不同的水量来维持生态系统在不同的质量水平，我们初步评估了三个水平的生态环境水需求(Zuo et al.， 2002):在最大程度上，植被生长良好，形成了一个强有力的生态系统;在合理的水平上，植被生长可接受，但生态系统的活力不如最大的情况;在最低水平上，植被生长不良，生态系统的完整性较差，但可以接受。基于北京地区生态系统的健康状况，对现有水资源的激烈冲突，以及对高需水量的需求，我们选择了本研究剩余部分的最低生态环境需水量方案。这意味着该地区自然植被消耗的水主要是由降水和地下水提供的，而不是北京可利用的水资源。因此，我们只需要考虑对地下水的过度抽取所需要的水，为河流提供基本的流量要求，并允许在城市环境中使用水。
2.4农业、工业和国内用水的分配。
生活用水的比例(alpha;)是基于场景的分配水在北京的农业,工业和国内使用。Liu et al.(2003)报道农业用水在过去20年里减少了。在此期间，工业用水最初增加，然后减少，最近稳定了，而家用用水增加了。自北京经历了许多产业调整以来。
在过去的20年里，结构和实施了许多节水措施，很难提出一个更好的用水结构，用于目前的用水模式或进一步改善目前的用水技术。
结合北京的现状，设计了农业、工业、国内用水分配的三种方案。第一个场景使用了2002年的水资源分配模式作为参考结构。第二种方案认为，2005年的水分配格局是一种优化结构，反映了目前的用水情况，并假定已经实现了用水的最大调整。第三种情况是北京的理想结构，如果开发出更先进的用水技术，或者城市的经济结构调整以更可持续的用水，这可能是可行的。
2.5综合人均城市生活用水定额。
水配额是当地政策、法规、水价、生活标准、技术、公众对节水意识和管理水平的综合指标。这些指标是否科学合理地确定，在计算承载力方面发挥着重要作用。
因此，我们考虑了北京的自然和社会经济条件及其周边地区的情况，并将国外类似城市的水配额作为参考(RSPRG and BMCDR, 2001)。基于以前的研究和与水配额有关的统计资料(BMBS, 1981-2006;冯et al .,2003;RSPRG BM-CDR,2001;鲁安和魏，2004)，我们定义了4个水平的人均城市生活用水定额:55、75、95和115立方米/(人·年)。
3结果与讨论
除非另有说明，本节所报告的所有水资源值均为年度总数。
3.1北京市现有水资源总量的计算(WT)
表1提供了1986年至2005年北京水资源的基本统计信息。基于这些数据,可用水资源从1986年到2002年(不包括1987年的数据)平均为39.5times;108立方米。因此，我们在分析的其余部分中使用了这个平均值作为当前可用的水资源。
表1显示，年降雨量变化很大，导致可用水量的年际变化很大。当降水大幅减少时，平衡水供需的方法是过量抽取地下水和北京以外的紧急调水;前一种做法导致北京周边平原地下水位持续下降。在2002年底，地下水的平均深度为17.32 m，比19
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