基于投入产出和“生态网络”的京津冀水足迹演变趋势与水资源调控研究

论文摘要

湿地凭借独特的生态特征,成为地球上物种最丰富、提供最多生态服务功能的生态系统,湿地系统的优劣与社会进步和人类福祉息息相关。由于超量开采地下水、过度抽取地表水等不合理的水资源开发利用模式用于生产过程,大量实体水资源被消耗,生产用水严重挤占生态需水,使得水资源分配失衡,湿地生态需水得不到足够供应,导致湿地面临面积不断减少,各项生态服务功能持续退化等生态威胁。因此,代表社会经济发展的生产用水挤占保障湿地生态系统正常运转的生态需水是造成湿地面积锐减、功能退化的重要原因。如何准确核算区域经济活动对水资源的消耗,科学调控水资源在生产用水和生态需水的合理分配,是水资源和湿地生态学领域亟待解决的关键问题。本研究面向水与生态安全的重大需求,以“缓解区域水压力,促进湿地恢复”为目标,针对目前生产用水研究主要关注水量型水资源消耗,较少关注水质型水资源消耗,主要关注直接用水量,较少关注间接用水和产业部门间水资源相互作用关系,需水管理视角下的水资源调控方法体系不健全等科学问题,从水足迹角度对产业水资源消耗情况进行深入研究。选择水短缺问题突出、湿地退化明显的“北京-天津-河北”城市群（简称为京津冀）为研究区,以水足迹“产业分布特征-演变及驱动机制-网络结构解析-水资源调控”为主线,在综合分析产业水足迹的基础上,构建以“水资源硬约束”为目标,以“需水管理”为导向的兼顾经济发展与社会可持续性的水资源调控模式,为京津冀地区实施最严格水资源管理制度和保障区域水安全提供科学依据。通过研究得出如下主要结论:（1）耦合多区域投入产出经济模型和GEPIC（GIS-based Environmental Policy Integrated Climatemodel）环境模型,构建了产业水足迹量化模型,分别从生产端和消费端核算京津冀产业蓝水足迹、绿水足迹与灰水足迹。结果表明:从生产和消费角度核算的产业水足迹存在显著差异,从生产角度看,京津冀地区蓝水足迹为17676×106 m3（164 m3/人）,绿水足迹为 20829×106m3（193 m3/人）及灰水足迹 528920×106m3（4911m3/人）,虚拟水出口占总生产水足迹的65%,其中河北的虚拟水出口量约占总出口量的80%以上;从消费角度看,京津冀地区蓝水足迹为21346×106m3（198 m3/人）,绿水足迹为 50272×106m3（467 m3/人）及灰水足迹 764682×106m3（7100 m3/人）,虚拟水进口占主导作用,北京的进口依赖度高达90%,天津次之（85%）,河北最小（60%）,粮食相关部门（农林牧渔业和食品制造及烟草加工业）是虚拟水进口的主要产业。（2）耦合多区域投入产出经济模型和结构分解分析（SDA）模型,构建京津冀产业水足迹驱动力分析模型,研究京津冀三地在2002-2012年生产水足迹的驱动机制。结果表明:京津冀生产蓝水足迹减少2613 ×106 m3,生产绿水足迹减少706×106 m3,生产灰水足迹增加282656×106m3,虚拟水出口占比逐渐增加,粮食相关产业的水足迹占比最大,建筑业和住宿餐饮业次之。直接耗水强度效应是抑制京津冀三地水量型水足迹增加的关键驱动因子,且直接耗水强度降低趋势与总体水足迹减少趋势高度一致,是推动京津冀生产水足迹变化的关键驱动因子,最终需求效应同时拉动水量型水足迹和水质型水足迹的增加。（3）利用生态网络分析法定量分析2012年京津冀产业间蓝水足迹相互作用关系,探明京津冀地区的产业结构调整方向和关键路径。结果表明:京津冀产业间接水足迹的总量和占比最大,水足迹生态网络中各节点对网络的间接影响远大于直接影响。农林牧渔业、建筑业和食品制造和烟草加工业的网络总流量的贡献占总量60%,农林牧渔业和电力、热力、燃气和水的生产和供应业是控制系统的主要产业部门,货物运输及仓储业和采选业受系统控制,是未来产业调整需要重点关注的产业。京津冀产业部门间通过非直接水足迹交易使40%的捕食与被捕食关系发生实质性转变,且河北食品制造和烟草加工业和其他轻工业的网络路径效率小于其他部门。京津冀三地的系统稳健性均处于在上升性过低,恢复力过高的不可持续状态,尚存在很高的调整空间。（4）基于（1）-（3）的研究,为缓解区域水压力,促进湿地生态修复,结合京津冀水资源现状与“以水定产”产业政策,将供给约束模型引入水资源调控领域,构建了以“缓解区域水压力,促进湿地修复”为终极目标的多种产业结构调整情景,全面评估各调整情景对地区经济可持续性与社会可持续性的影响。结果表明:在水资源硬约束的背景下,京津冀新增湿地面积将分别达到188 km2、115 km2和2462.9 km2,新增湿地面积将带来52.7亿元、19.9亿元和609.9亿元的生态价值。只减少农林牧渔业（B1,T1和H1）的生产活动对京津冀系统的GDP与失业人数的影响最小,此情景使京津冀的GDP分别较少11.2亿元、8.9亿元和294.2亿元,同时分别带来10万、3.8万和144.1万的失业人员。水资源硬约束前提下,京津冀地区的产业结构调整使得区域整体GDP平均损失约为531亿元,约占京津冀总GDP的1%;产业结构调整导致的平均失业人口为177.8万,约占就业人口的3%。以经济损失与就业人数减少量的比值作为衡量产业结构调整效果好坏的评价指标,选择10种兼顾经济损失与社会可持续性的最优产业调整情景作为未来京津冀地区“以水定产”的产业结调整政策的重要参考情景。基于本研究结果,对京津冀地区未来水资源保护与湿地恢复提出以下建议:首先,应用“虚拟水战略”缓解区域水压力时,配套建立完善的从虚拟水进口省份向虚拟水出口省份的水资源补偿机制是保障贸易双方水资源可持续性的必要条件;其次,京津冀地区的以出口水密集型产品为主的经济发展模式会加剧本地水资源消耗,进一步恶化水生态系统,因此,未来京津冀地区应降低对低附加值的水密集型产品的依赖,逐步向高附加值的低虚拟水含量的资本密集型经济发展模式转变以缓解经济生产对本地的水资源压力和水污染问题;最后,通过调产业结构降低区域水资源消耗是缓解水资源短缺的重要方式,水资源供给约束模型可为水资源管理者在水资源调控方案比选和影响评估提供科学的技术支撑,该方法体系可作为衡量社会发展对水资源禀赋、湿地生态系统影响的关键手段,广泛应用于水资源政策制定、湿地保护与管理实践中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 选题背景与研究意义
•     1.1.1 选题背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 水足迹研究进展
•     1.2.2 生态网络分析研究进展
•     1.2.3 水资源调控研究进展
•     1.2.4 国内外相关研究总结
•   1.3 研究目标及拟解决的关键科学问题
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 拟解决的关键问题
•   1.4 研究内容
•     1.4.1 联合水量水质的水足迹产业分布特征与区域虚拟水贸易
•     1.4.2 基于MRIO和SDA的产业水足迹演变及驱动机制
•     1.4.3 基于生态网络理念的产业水足迹关联分析
•     1.4.4 基于供给约束模型的京津冀水资源调控模式选择
•   1.5 技术路线
•   1.6 研究区概况
• 2 联合水量水质的水足迹产业分布特征与区域虚拟水贸易
•   2.1 基于MRIO和GEPIC耦合的水足迹核算方法
•     2.1.1 直接蓝绿水足迹核算方法体系
•     2.1.2 直接灰水足迹核算体系
•     2.1.3 耦合MRIO与GEPIC模型的水足迹核算模型
•   2.2 数据来源与预处理
•   2.3 京津冀地区水足迹分布特征
•   2.4 水足迹产业分布特征
•   2.5 京津冀产业虚拟水转移
•   2.6 京津冀与其他地区虚拟水贸易
•   2.7 讨论
•   2.8 本章小结
• 3 基于MRIO和SDA的产业水足迹演变及驱动机制
•   3.1 产业水足迹驱动机制研究方法概述
•     3.1.1 研究方法选择
•     3.1.2 京津冀生产水足迹SDA分解
•   3.2 数据来源与预处理
•   3.3 京津冀生产水足迹的时间变化趋势
•   3.4 京津冀生产水足迹驱动力分析
•     3.4.1 北京生产水足迹驱动力分析
•     3.4.2 天津生产水足迹驱动力分析
•     3.4.3 河北生产水足迹驱动力分析
•   3.5 讨论
•   3.6 本章小结
• 4 基于“生态网络”理念的产业水足迹关联分析及系统评价
•   4.1 研究方法概述
•     4.1.1 构建水足迹生态网路
•     4.1.2 环境元指标选取（部门评价）
•     4.1.3 上升性指标选择（系统评价）
•   4.2 产业水足迹流量分析
•   4.3 产业水足迹控制分析
•   4.4 产业水足迹效应分析
•   4.5 产业水足迹系统评价
•   4.6 本章小结
• 5 基于供给约束模型的京津冀水资源调控模式选择
•   5.1 供给约束模型构建
•     5.1.1 供给约束模型方法体系
•     5.1.2 产业结构调整情景设置与约束优化指标选择
•     5.1.3 数据来源
•   5.2 “水资源硬约束”情景下京津冀各自新增湿地面积及生态效益
•   5.3 “水资源硬约束”情景下京津冀各自GDP损失和失业人数
•   5.4 不同组合情景下京津冀整体GDP损失与失业人数
•   5.5 兼顾经济损失与社会可持续性的京津冀产业结构调整策略
•   5.6 讨论
•   5.7 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 创新点
•     6.2.1 产业水足迹从直接用水发展为联合水量水质的水足迹综合评估
•     6.2.2 基于生态网络理念的产业水足迹网络结构分析
•     6.2.3 构建“需水管理”视角下的区域水资源调控方法体系
•   6.3 研究展望
• 7 附表
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 参与项目
• 获得成果目录清单
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵丹丹

导师: 刘俊国

关键词: 湿地生态,水足迹,驱动力分析,生态网络分析,供给约束模型,水资源调控

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 资源科学,水利水电工程

单位: 北京林业大学

分类号: TV213.4

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000013

总页数: 119

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