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1.華北地區(qū)嚴(yán)重的水問題

華北地區(qū)是我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心。華北平原2000年人口4.37億，占全國(guó)34.8%；GDP3.13萬(wàn)億元，占全國(guó)32.3%；農(nóng)業(yè)灌溉面積3.46億畝，占全國(guó)42%。但是，它也是我國(guó)水資源供需矛盾十分突出的地區(qū)[1-4]。海河流域多年平均水資源總量約為419億m3，人均水資源占有量?jī)H為335m3，不足全國(guó)1/6，世界的1/24。

從自然背景看，華北地區(qū)十年九旱，尤其1972、1999、2000年華北大旱，出現(xiàn)了嚴(yán)峻的缺水局面，不得不采取“棄農(nóng)、壓工、保生活”的供水措施。從人文背景看，華北地區(qū)尤其是海河流域，人類活動(dòng)強(qiáng)度之大、水資源開發(fā)利用程度之高為舉世矚目。20世紀(jì)60年代，大力開展水利工程建設(shè)，開發(fā)利用地表水資源；70年代后尤其1972年大旱，流域地表水不足，開始爭(zhēng)奪地下水。90年代，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展人口的增加，水資源嚴(yán)重不足導(dǎo)致超采地下水、爭(zhēng)奪雨水。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，合理的水資源開發(fā)利用程度一般為40%左右。然而，目前海河流域的水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)超過了90%。高強(qiáng)度的水資源開發(fā)利用導(dǎo)致該地區(qū)水資源供需嚴(yán)重失衡。目前，海河流域河川徑流衰減十分嚴(yán)重。地下水虧空接近900億m3。現(xiàn)狀年缺水80多億m3，主要靠超采地下水和利用不合標(biāo)準(zhǔn)的廢污水來解決。

水資源的短缺不僅影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且還導(dǎo)致華北地區(qū)尤其是海河流域嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[3]。突出表現(xiàn)在：

1.1山區(qū)來水大量減少，水資源量衰減嚴(yán)重

以首都北京市供水水源地的密云、官?gòu)d水庫(kù)為例，官?gòu)d水庫(kù)1955-1984年期間平均來水量11.3億m3，但到1985-1995年期間平均來水量已衰減到2.7億m3，僅為前者1/4。兩個(gè)時(shí)期的流域平均降水量卻相當(dāng)（407.5mm）。密云水庫(kù)來水減少的趨勢(shì)也十分嚴(yán)重，相比1960-1979年段，1980-1997年的平均來水量已減少了4億m3。山區(qū)水源地來水量的大量減少，給城市和中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來極大的危害。

1.2地下水過量開采，部分地區(qū)已經(jīng)枯竭

到目前，華北城市化地區(qū)地下水超采嚴(yán)重，范圍已近9萬(wàn)km2，占平原面積的70%。已分別形成了以北京、石家莊、保定、邢臺(tái)、邯鄲、唐山為中心，總面積達(dá)4.1萬(wàn)km2的淺層地下水漏斗區(qū)，其中1萬(wàn)km2范圍的含水層已疏干；形成了以天津、衡水、滄州、廊坊等多個(gè)城市為中心、面積達(dá)5.6萬(wàn)km2整體連片的深層地下水漏斗區(qū)。地下水枯竭直接威脅華北城市平原地區(qū)的安全用水儲(chǔ)備，同時(shí)引起嚴(yán)重的地面沉降、海水入侵，情況十分危急。

1.3河道斷流，功能喪失

目前華北地區(qū)多數(shù)中下游河道枯竭斷流，失去了地下水補(bǔ)給、輸沙、排鹽等作用。土地退化、濕地萎縮等生態(tài)問題十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，總長(zhǎng)1萬(wàn)km的河長(zhǎng)中，有4000km河道干涸。海河流域內(nèi)194個(gè)萬(wàn)畝以上天然湖泊、洼淀現(xiàn)在大多已經(jīng)干涸。入海水量由20世紀(jì)50年代的年均240億m3銳減為2001年的10多億m3。海河流域的生態(tài)系統(tǒng)已由開放型向封閉型和內(nèi)陸型方向轉(zhuǎn)化，造成河口泥沙淤積和鹽分積累，河口自然生態(tài)遭到破壞，河口海洋生物大量滅絕。

1.4水污染嚴(yán)重

目前，水污染已由20年前的局部河段發(fā)展到現(xiàn)在的全流域，由下游蔓延到中上游，由城市擴(kuò)散到農(nóng)村，由地表侵入地下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來海河流域的廢污水排放量每年高達(dá)60億噸。官?gòu)d水庫(kù)因水質(zhì)惡化，被迫于1997年開始退出生活供水。流域內(nèi)每年還引用20多億m3污水進(jìn)行灌溉，對(duì)淺層地下水、土壤和農(nóng)作物造成污染。

產(chǎn)生華北地區(qū)水生態(tài)環(huán)境變化有多方面原因，但核心問題是“水”，即在自然和人類活動(dòng)作用下的華北地區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了“不健全”的問題。例如，華北地區(qū)持續(xù)干旱引起降水（廣義水資源量）的減少；土地利用/覆被變化正在改變“陸-氣水循環(huán)”的響應(yīng)關(guān)系；城市化過程加速了深層地下水的消耗和水污染問題；流域中眾多的水庫(kù)、排洪工程建設(shè)改變了河流自然系統(tǒng)水循環(huán)的流路，減少了中下游地下水的補(bǔ)水與蓄水功能；社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的各種用水行為加劇了人工側(cè)支水循環(huán)中的“耗水”強(qiáng)度[17]，人類活動(dòng)大量超采地下水大大降低了區(qū)域水資源的可再生性。

為了緩解華北缺水問題，人們通過各種資源轉(zhuǎn)化技術(shù)和管理措施節(jié)水、通過跨流域調(diào)水增加本地的來水。與自然水循環(huán)系統(tǒng)相比較，現(xiàn)代水文水資源學(xué)科面對(duì)的高強(qiáng)度人類活動(dòng)作用下的“人工”側(cè)支水循環(huán)作用也愈來愈突出。因此，開展變化環(huán)境中的華北地區(qū)水循環(huán)機(jī)理研究，認(rèn)識(shí)“不健全”的水循環(huán)過程導(dǎo)致華北地區(qū)缺水、水生態(tài)環(huán)境退化的成因，提出可持續(xù)發(fā)展理念下解決華北水資源安全、改善生態(tài)環(huán)境的科學(xué)對(duì)策，是21世紀(jì)國(guó)家資源環(huán)境領(lǐng)域急待解決的重大國(guó)家需求中的水科學(xué)基礎(chǔ)問題[4-6]。

3.華北水資源研究的幾點(diǎn)反思

盡管華北水資源已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)墓ぷ鳎悄壳叭A北缺水問題還沒有真正解決，水生態(tài)環(huán)境問題愈來愈嚴(yán)重。究其原因，除了華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、人口壓力大和環(huán)境發(fā)生了新的變化之外，有許多水循環(huán)與生態(tài)環(huán)境交叉的關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)問題研究不夠。國(guó)家在解決華北缺水和遏制嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境退化措施和對(duì)策方面，迫切需要深層次的基礎(chǔ)研究的科學(xué)依據(jù)。這些問題不得不引起人們的反思。

目前，華北水資源研究亟待解決的關(guān)鍵問題有[16-32]：

3.1華北山區(qū)來水減少的成因問題

近30年華北山區(qū)來水及水資源量嚴(yán)重衰減，其變化究竟是氣候影響還是人類活動(dòng)所為？華北山區(qū)人類活動(dòng)用（耗）水究竟是個(gè)什么情況？山區(qū)土地利用/覆被變化與流域水循環(huán)有什么影響關(guān)系？山區(qū)業(yè)已修建大量的水利工程和水保工程，它們究竟在山區(qū)來水大量減少的變化過程中起到什么樣的角色？如何認(rèn)識(shí)它們的作用和水源地保護(hù)的關(guān)系？這些問題過去研究較少，其中內(nèi)在的原因和機(jī)制不太清楚。

3.2華北城市化地區(qū)水循環(huán)與地下水大漏斗問題

以人類活動(dòng)為主要特征的華北城市化水循環(huán)機(jī)理研究十分薄弱，嚴(yán)重滯后城市化經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口流動(dòng)面臨的集中供水、水污染、地下水大漏斗等帶來的城市生態(tài)環(huán)境問題。華北地區(qū)的地下水大漏斗主要集中在城市，這無不與城市持續(xù)性超采的用水特性有關(guān)。但是，淺層地下水與深層地下水的可再生能力有很大的不同。如何認(rèn)識(shí)城市地區(qū)淺層與深層地下水的變化機(jī)制？如何認(rèn)識(shí)城市集中供水、補(bǔ)水和淺層與深層地下水的水量水質(zhì)變化以及它們之間的相互作用關(guān)系？如何合理修復(fù)城市化地區(qū)深層地下水漏斗、防止地下水污染?等是急需研究的問題。

3.3平原農(nóng)業(yè)區(qū)大埋深條件下“土壤水-地下水”作用機(jī)理

相比80年代，目前華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)處在與過去不同的大埋深地下水條件，土壤層水資源的作用更加突出。但是，大埋深條件下的“土壤水-地下水”作用機(jī)理以及地下水參數(shù)的變化問題研究還比較欠缺，直接影響農(nóng)業(yè)節(jié)水和水資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)問題。

3.4對(duì)華北地區(qū)水生態(tài)環(huán)境演變過程認(rèn)識(shí)不足

人類活動(dòng)包括60年代在海河流域建設(shè)的大型水利工程對(duì)華北持續(xù)干旱面臨的水生態(tài)環(huán)境退化過程究竟起到什么樣的作用？如何看待防洪、缺水和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾與統(tǒng)一的對(duì)策措施問題，存在相當(dāng)大的爭(zhēng)議。

3.5缺乏社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中的“生活-生產(chǎn)-生態(tài)用水”規(guī)律研究，尤其生態(tài)需水研究比較薄弱

關(guān)鍵問題是：華北地區(qū)現(xiàn)狀條件相適宜的節(jié)水型“生活-生產(chǎn)-生態(tài)用水”應(yīng)該是什么樣的結(jié)構(gòu)與布局？在社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中華北地區(qū)的“生活-生產(chǎn)-生態(tài)”的用（耗）水會(huì)將發(fā)生什么的變化？如何估算華北地區(qū)的“生活-生產(chǎn)-生態(tài)”的用（耗）水，尤其是華北地區(qū)生態(tài)需水問題？

3.6華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的多維調(diào)控閾值與修復(fù)目標(biāo)是個(gè)新的問題

華北缺水及其聯(lián)系的生態(tài)環(huán)境惡化已是現(xiàn)實(shí)。如何從可持續(xù)發(fā)展的高度和與水相關(guān)的生態(tài)景觀過程與格局，確定有利于地下水補(bǔ)給、控制地面沉降、防止海水入侵的地下水位、河道生態(tài)需水等多維調(diào)控閾值？如何確定適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)修復(fù)目標(biāo)？是過去沒有研究的問題。

3.7缺乏定量描述人類活動(dòng)高強(qiáng)度作用下的流域水循環(huán)模型及綜合集成系統(tǒng)

在考慮人類活動(dòng)影響的流域水循環(huán)方面，陳家琦最先提出“人工側(cè)支水循環(huán)”問題（陳家琦，1986），后來王浩提出“自然-人工”水循環(huán)二元模式的概念。但是，到目前為止，描述人類活動(dòng)高強(qiáng)度作用下流域分布式模型研制，仍然是一個(gè)空白。在解決區(qū)域缺水與修復(fù)生態(tài)環(huán)境的決策支持問題方面，也缺乏將水循環(huán)變化和水生態(tài)環(huán)境演化耦合的綜合集成仿真系統(tǒng)。

3.8針對(duì)南水北調(diào)工程實(shí)施后如何合理調(diào)配“地表水-地下水-外調(diào)水”的問題，其科學(xué)基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

由于供水系統(tǒng)是由當(dāng)?shù)氐牡乇硭⒌叵滤屯庹{(diào)水以及處理的回用污水等多水源組成，在地表水調(diào)節(jié)水庫(kù)不足情況下，如何合理調(diào)配各種資源，充分發(fā)揮多種水源的綜合效益，是迫切需要研究的難題。其科學(xué)問題的難點(diǎn)是：解決華北缺水以及生態(tài)環(huán)境修復(fù)決策中合理調(diào)配的科學(xué)依據(jù)和準(zhǔn)則是什么？如何將自然科學(xué)問題與社會(huì)科學(xué)問題統(tǒng)一到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展層面，提出華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等重大決策的支持？

4.問題與挑戰(zhàn)

從華北地區(qū)水資源安全問題的國(guó)家需求的水循環(huán)基礎(chǔ)科學(xué)問題看，最為突出的挑戰(zhàn)有下列幾個(gè)方面：

4.1流域水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境變化中的人為影響因素的確定與量化方法

華北地區(qū)人口密度大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。1980年以來華北地區(qū)的流域產(chǎn)流和地下水補(bǔ)給條件發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致了華北山區(qū)徑流明顯減少、城市化地區(qū)地下水大漏斗問題嚴(yán)重、區(qū)域水資源評(píng)價(jià)還原估算等困難。這些變化的原因是什么？如何識(shí)別流域水循環(huán)中人工側(cè)支水循環(huán)的貢獻(xiàn)，科學(xué)估算水資源量？如何量化華北地區(qū)水生態(tài)環(huán)境變化中的人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)，剖析近五十年海河流域生態(tài)環(huán)境的演變過程？是揭示海河流域生態(tài)環(huán)境惡化根本原因的關(guān)鍵。

4.2華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中的用水規(guī)律

由于華北地區(qū)特殊的地位和水資源限制矛盾，其用水結(jié)構(gòu)正在不斷發(fā)生變化。在經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程中華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)將面臨重組與優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式新的格局挑戰(zhàn)。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中華北地區(qū)的“生活-生產(chǎn)-生態(tài)”的用水變化規(guī)律尤其是生態(tài)需水量估算，成為關(guān)鍵的科學(xué)問題。這需要借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，開展經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)與水資源的交叉研究。

4.3流域水循環(huán)與生態(tài)環(huán)境變化的耦合機(jī)理

華北地區(qū)缺水問題與目前生態(tài)環(huán)境惡化有直接的關(guān)系，涉及到地理、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)多個(gè)方面。如何將高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響的流域水循環(huán)變化過程與所制約的水生態(tài)環(huán)境變化過程實(shí)質(zhì)地聯(lián)系？它們的耦合機(jī)制是什么？如何建立高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下的流域水文-生態(tài)模型，定量復(fù)演變化環(huán)境中的流域水循環(huán)過程以及水文-生態(tài)變化過程？是擬解決的關(guān)鍵問題。

4.4可持續(xù)發(fā)展與地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的“節(jié)水-調(diào)水-用水”效益配置

南水北調(diào)工程實(shí)施后，如何合理調(diào)配各種資源，充分發(fā)揮多種水源的綜合效益，是問題的關(guān)鍵。目前，在多水源如何配置的效益評(píng)價(jià)問題上有相當(dāng)多的爭(zhēng)議。焦點(diǎn)是：如何確定華北地區(qū)未來的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)中的地位？如何協(xié)調(diào)華北地區(qū)缺水背景下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和修復(fù)生態(tài)環(huán)境之間的用水矛盾問題？如何通過華北地區(qū)用水大戶的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整提高農(nóng)業(yè)用水的效益？因此，從可持續(xù)發(fā)展基本準(zhǔn)則出發(fā)，在前面四個(gè)關(guān)鍵問題（流域水循環(huán)、生態(tài)演化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水以及它們綜合集成的系統(tǒng)規(guī)律）基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究華北地區(qū)未來經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的“節(jié)水-調(diào)水-用水”配置的綜合效益，是解決國(guó)家需求應(yīng)用問題的關(guān)鍵。

5.展望

長(zhǎng)期以來，華北地區(qū)高強(qiáng)度的人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間總是存在不可避免的沖突和矛盾，尤其是近50年來。有否二者共享的協(xié)調(diào)途徑呢？從宏觀的戰(zhàn)略方面，可持續(xù)發(fā)展的理念為解決這對(duì)矛盾提供了準(zhǔn)則。生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的價(jià)值觀為構(gòu)建有利于華北地區(qū)自身環(huán)境的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提供了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展模式的可能。為了真正解決華北缺水問題，提出有效的環(huán)境修復(fù)對(duì)策，除了要有新的思路之外，重視日趨嚴(yán)重水的問題的科學(xué)基礎(chǔ)研究和針對(duì)國(guó)家重大需求的應(yīng)用研究十分重要。

在未來的十年內(nèi)，華北水資源已經(jīng)與水相關(guān)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究，可望在水循環(huán)基礎(chǔ)研究、水生態(tài)環(huán)境演變及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水研究，和綜合集成模擬、調(diào)控與修復(fù)對(duì)策研究三個(gè)層面上有所進(jìn)展，系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示意。

水循環(huán)基礎(chǔ)層面上，將會(huì)注重于：

（1）華北地區(qū)干旱及生態(tài)演變的氣候背景研究

（2）華北典型山區(qū)徑流變化及環(huán)境影響的水循環(huán)機(jī)理研究

（3）華北典型城市地區(qū)水環(huán)境變化與地下水可再生性研究

（4）華北典型平原農(nóng)業(yè)區(qū)環(huán)境變化及水循環(huán)機(jī)理研究

（5）變化環(huán)境中的流域水循環(huán)及分布式模型研究。

在水生態(tài)環(huán)境演變及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水層面上，將會(huì)注重于：

（1）華北地區(qū)現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的形成過程與演變機(jī)理研究

（2）華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型下用水規(guī)律研究和華北地區(qū)生態(tài)變化的安全閾值與修復(fù)目標(biāo)研究。

在水資源安全和生態(tài)環(huán)境修復(fù)對(duì)策層面上，將會(huì)針對(duì)南水北調(diào)重大工程和北方節(jié)水問題，注重于：

（1）水-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)綜合集成研究

（2）解決華北地區(qū)缺水及生態(tài)修復(fù)的調(diào)控對(duì)策研究。

為此，以北京為首的城市地區(qū)供水以及水資源可持續(xù)利用問題、華北水資源耗用大戶的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力和日趨急迫的華北地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整問題將會(huì)放到十分突出的地位。以面向生態(tài)環(huán)境的水資源安全基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究可望有新的突破和進(jìn)展。