京津冀水 食物系统风险评估.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:李玲慧()女博士研究生主要从事水文水资源研究:.通信作者:何国华()男高级工程师博士主要从事水文水资源研究:.京津冀水 食物系统风险评估李玲慧何国华赵 勇何 凡李海红常奂宇(.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京.清华大学水利水电工程系北京)摘要:构建了京津冀水 食物系统风险评估体系考虑农业水足迹因素分 个时段对 年京津冀水 食物系统风险进行了评估 结果表明:年京津冀水 食物系统总体面临损害性风险系统会发生风险并造成明显破坏河北邯郸、张家口和石家庄等市为系统风险最大的地区北京最小在时间变化上 年京津冀大部分地区为级风险级风险地区在第一时期(年)为 个第二时期(年)为 个第三时期(年)为 个系统稳定性随时间有所提高在空间变化上前两个时期风险最高的地区为张家口第三时期为邯郸 个时期中风险最小的地区分别为邢台、北京、唐山 年系统主要致险因素为农业灌溉缺水率主要承险因素为节水灌溉程度、农业灌溉设施建设状况和本地水资源量满足需求率关键词:水 食物系统损害性风险农业水足迹农业灌溉缺水率京津冀地区中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):.()()().:农业用水的有效供给是保障食物安全的基础而食物生产又是耗水量最大、对水循环扰动最显著的环节 目前农业用水占全球水资源消耗总量的 根据第二次全国污染源普查公报 年我国农业面源污染产生的化学需氧量、总氮和总磷排放分别占地表水体污染总负荷的.、.和.是水体污染的主要贡献源 在全球气候变暖、人口规模增加、消费水平升级、水生态环境整体恶化等多种因素的影响下农业供水能力、食物生产用水需求、农业废污水排放之间的不匹配现象日益突出识别水 食物系统风险确保水资源和食物的协同安全已经成为世界各国面临的共同挑战水 食物系统风险是指水资源和食物相互作用产生的双向影响 一方面由于降水波动、地下水供水能力下降、水利工程不完善等因素影响导致农业生产用水受限进而影响区域食物生产另一方面由于灌溉用水损耗、农业废污水排放等因素影响导致水资源粗放利用和水环境污染影响整个水循环系统健康运行 从 世纪 年代起许多学者对水资源和食物的风险评估开展了研究但早期研究大多将水资源或食物作为单一研究对象未将二者整体考虑 随着水系统和食物系统的耦合不断加深将水 食物作为一个关联系统开展风险研究成为近年来的前沿热点 目前世界银行、联合国教科文组织、联合国粮农组织等国际机构都已着手开展水 食物系统风险研究并取得了一定的研究成果 但总体来看水 食物系统风险研究仍处于起步阶段相关研究主要集中在水 食物关联系统与风险的定性描述仅有少数开展了理论模型框架构建 此外目前大多数研究仅考虑了水资源与某一种作物之间的关联风险较少将全口径类食物作为研究对象开展水 食物系统风险的定量研究京津冀地区是我国水资源最短缺、地下水超采问题最突出的区域人均水资源量不足全国平均水平的/多年平均水资源量不足全国总量的.但却承担着全国.的粮食生产、.的肉类生产和.的油料生产 水 食物系统风险已经成为京津冀地区水资源安全保障和食物有效供给的最突出制约因素建立京津冀水 食物系统风险评估体系准确评估水 食物系统可能面临的风险源对于京津冀地区可持续发展具有重要意义 京津冀水 食物系统风险评估指标体系随着居民收入水平的不断提高京津冀地区已经度过了粮食匮乏的贫困期和以满足温饱为目的的温饱期正在由植物性食物消费向动物性食物消费调整并逐步向营养健康阶段过渡 在这种食物消费需求变化的环境下 更应关注“大食物安全”面对京津冀地区严重缺水和大规模食物生产并存的情况量化评估水 食物系统风险成为保障区域水资源系统和食物系统协同安全的重要基础本文全面考虑粮食、肉类、蛋类、奶类等全口径类食物选取小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类、蔬菜、油料、干鲜果、饲料、猪肉、牛肉、羊肉、禽蛋、奶类、水产品等 种区域典型食物类型作为研究对象在综合考虑水 食物系统属性、风险过程的基础上基于致险因素、承险因素及损害性风险构建水 食物系统风险的评估指标体系.评估指标的选取水 食物系统风险的构成可归结为外界输入的致险因素以及系统内部对此做出响应的承险因素两类 致险因素包括输入要素的短缺性、系统内部的波动性以及系统输出时的脆弱性承险因素是指系统本身在面对致险因素作用时做出的反馈和调节能力从而降低风险产生的危害程度包括系统本身的资源禀赋、对输入要素的适应程度以及可能做出的应急响应 当承险因素不足以抵抗致险因素的压力时即产生风险水 食物系统风险产生过程如图 所示 水 食物系统是相互联系、紧密耦合的复杂系统水资源系统对食物的生产、贸易、消费等环节都会产生影响而食物生产则是最大的用水环节占全国用水量的 以上 此外社会制度、气候变化、人口增长、经济水平、生态保护等多种外部要素也会通过激励或约束作用改变水资源的配置 图 水 食物系统风险产生过程.格局、食物生产模式及需求规模从而与水 食物系统构成复杂的纽带网络 总体来看水 食物系统风险传递过程与致险因素和承险因素的相互作用密切相关 在致险性方面水 食物系统的短缺性包含水资源对农业生产的供给不足以及食物生产对水资源造成的污染两方面即水量短缺性和水质短缺性波动性指农业用水、耗水和缺水的多年不平衡程度对系统造成的损害可用水源波动性和缺水波动性表征脆弱性表示系统风险输出后对社会、经济、生态等产生的潜在损害程度主要体现在农民收入、食物保障和经济损失等方面 在承险性方面水 食物系统本身具有一定的抵御风险能力包括自身水资源禀赋条件、在长期的农业生产活动中形成的高效灌溉手段和节水措施等以及面对突发缺水事件时相关部门的应急能力基于以上水 食物系统风险产生过程构建出京津冀水 食物系统风险评估指标体系如图 所示各指标计算方法如下:为蓝水消费水足迹超过蓝水生产水足迹年数占比为地下水灌溉量超过地下水资源量年数占比为农业废污水中 排放超标率为灰水生产水足迹最值之比为降水量最值之比为单位面积灌溉耗水量最值之比为消费与生产水足迹差值最值之比为农作物受灾损失占农民收入比例为农作物受灾减产量占总产量比例为食物自给率低于 年数占比为农业受灾损失占农业产值比例为水资源开发利用率倒数为节水灌溉面积占耕地面积 京津冀水 食物系统风险评估指标体系 短缺性 水量短缺性 农业灌溉缺水率 地下水超采程度 水质短缺性 农业 排放超标率 农业污水排放波动性 波动性 水源波动性 降水波动性 农业耗水强度波动性 缺水波动性 农业缺水波动性 脆弱性 农民收入 水旱灾害农民收入损失 食物保障 水旱灾害农业减产率 食物自给程度 经济损失 水旱灾害农业产值损失 承险性 资源禀赋 本地水资源禀赋 适应程度 节水灌溉程度 有效灌溉程度 农业灌溉设施建设状况 应急响应 应急调配灌溉水占缺水量比例 紧急限水措施 图 京津冀地区水 食物系统风险评估指标体系.比例为有效灌溉面积占耕地面积比例为灌溉水利用系数、通过专家意见及部分调查问卷得到 本文通过微信、邮件、短信等方式发放了 份调查问卷收回有效问卷 份结果显示对于京津冀地区应急调配水量的设施、预警、管理与能力建设状况 位专家认为通过多年的水资源保障设施的建设京津冀应急调配灌溉水占缺水量比例这一指标处于优秀水平故赋值.位专家认为在缺水状况下京津冀紧急限水措施处于能够容忍的阈值故赋值.需要说明的是为了对水 食物风险评估指标进行准确量化本文在部分指标计算过程中引入生产水足迹和消费水足迹概念 考虑到水足迹计算方法近年来被广泛使用并且同一地区的相关参数取值基本相近因此不再赘述具体可参考文献.评估模型的构建采用 等提出的利用风险概率与系统脆弱性的乘积来度量风险的思路构建京津冀水 食物系统综合风险评估模型:()其中 式中:为系统综合风险损害参数 为风险概率为系统脆弱性为致险率为承险率为因子 的权重为风险因子 的指标值 在这里脆弱性作为致险性中所包含的一个风险属性层与其他属性层的权重统一计算 为脆弱性指标 的独立权重需独立计算为脆弱性指标 的值为了便于量化分析利用系统综合风险损害参数用来计算风险指数:约束性风险风险可能发生或造成轻微破坏 损害性风险风险会发生并造成明显破坏 严重破坏性风险极易发生并造成极大破坏 毁灭性风险风险频繁发生且造成不易恢复的破坏表 水 食物系统风险评估指标权重 地区北京.天津.河北.地区北京.天津.河北.地区北京.天津.河北.表 脆弱性风险评估指标权重 地区北京.天津.河北.数据来源及处理本文评估指标计算中所需的气象数据来自中国气象数据网公布的中国地面气候资料日值数据集(:/.)食物产量、人均消费量等数据来自国家统计局(:/.)及京 津冀各地区统计年鉴灌溉耗水量、本地水资源量等数据来源于各省(市)水资源公报农产品受灾面积、受灾损失等数据来自中国水旱灾害公报农民收入、有效灌溉面积及 排放量等数据取自中国统计年鉴、京津冀各市的统计年鉴及搜集数据 研究期为 年为了探究风险变化规律将研究期分为 个子时段:时期 为年时期 为 年 时 期 为 年 结果与分析.京津冀水 食物系统风险变化.时间变化根据构建的系统风险指标及权重计算结果得到京津冀地区 年不同时期水 食物系统的致险率、承险率及风险等级如表 所示 由表 可见 年京津冀各地区水 食物系统风险等级整体为级风险 分时段看近年来京津冀水食物系统风险有所减缓处于级风险的地区 年的 个减少到 年的 个并进一步减少到 年以来的 个 致险率方面虽然整体上各地区均表现为降低趋势但邯郸和邢台两市致险率有所增大 承险率方面除北京市承险率减弱外其余各地承险率均有所提高其中邢台和沧州两市表现为先减小后增大的趋势天津、保定和张家口 市表现为先增大后减小的趋势.空间变化图 为京津冀地区不同时期水 食物系统风险指数空间分布可见 年京津冀地区水食物系统风险等级最高的 个地区分别为邯郸、保定和衡水风险等级最低的 个地区分别为承德、北 表 京津冀地区不同时期各风险要素计算值 地 区 年 年 年 年致险率承险率风险等级致险率承险率风险等级致险率承险率风险等级致险率承险率风险等级北 京.天 津.石家庄.唐 山.秦皇岛.邯 郸.邢 台.保 定.张家口.承 德.沧 州.廊 坊.衡 水.()年()年()年()年图 京津冀地区不同时期水 食物系统风险指数空间分布.京和天津 年处于级风险的地区包括张家口、邯郸、石家庄和天津 年邯郸和天津由级风险降低为级风险石家庄、唐山、张家口、承德和沧州的风险等级虽然没有提高但风险指数则有所增大 年京津冀 个地区的风险指数均较前两个时期有所减小此时段风险指数最高地区的为邯郸.京津冀水 食物系统风险归因图 为 年京津冀水 食物系统指标风险贡献率 可以看出在致险因素方面 年京津冀地区致险率最高的指标为农业灌溉缺水率()该因素在河北、北京和天津的贡献率分别为.、.和.其他主要致险因素包括地下水超采灌溉程度()、农业耗水强度波动性()和农业缺水量波动性()在承险因素方面北京起主要承险作用的指标为节水灌溉程度()承险率.天津为有效灌溉程度()承险率.邯郸、保定和衡水的主要承险指标为农业灌溉设施建设状况()其余各市 表 京津冀地区不同时期各指标风险贡献率变化情况 地区北 京天 津石家庄唐 山秦皇岛邯 郸邢 台保 定张家口承 德沧 州廊 坊衡 水 注:表示增大表示不变表示减小图 年京津冀水 食物系统指标风险贡献率.则是本地水资源禀赋()表 为京津冀地区不同时期各指标风险贡献率变化情况可见 年京津冀地区农业灌溉设施建设状况()指标持续增大说明近年来京津冀地区农田水利建设不断完善成为重要的承险因素 持续减小的指标为地下水超采灌溉程度()表明近年来京津冀地区地下水超采情况不断好转水生态环境在不断改善 基本保持不变的指标主要有农业灌溉缺水率()、农业缺水波动性()、食物自给率()、应急调配灌溉水占缺水量比例()和紧急限水措施()表明京津冀地区农业缺水问题仍十分严重近年来未出现明显好转 具体来看邯郸和邢台致险率增大主要是由于农业耗水强度波动性()致险贡献率的增加 北京承险率减小是由于适应程度不断下降主要表现为节水灌溉程度()和有效灌溉程度()承险率均逐渐减小综合来看农业缺水是京津冀水 食物系统风险的主要来源其中灌溉供水短缺和农业生产加工造成水污染等是破坏区域水 食物系统稳定性的首要风险因子承险因素中的适应程度在系统中起到了重要的风险抵御作用应急调配水与紧急限水对于农业常态化灌溉用水短缺贡献并不明显.京津冀水 食物系统风险评估及建议研究结果表明京津冀水 食物系统风险主要来源于系统的短缺性其中起主导作用的因素是农业灌溉用水短缺和农业地下水超采抵御风险的主要因素为农业灌溉设施和节水灌溉程度 胡振通等的研究表明灌溉既是京津冀地区农业稳产高产的主要支撑条件也是导致京津冀平原区地下水持续超采的主要原因 京津冀地区承担着全国的小麦和 的玉米生产任务自然降水无法满足小麦玉米一年两熟模式的水分需求年均水分亏缺达到 以上 为了解决农业缺水问题京津冀地区长期超采地下水进行农业灌溉 世纪 年代以来京津冀平原区开凿了近 万眼灌溉机井农业用水量占平原区地下水开采量 以上超出了区域地下水可开采规模 据水利部统计 年 以 来 华 北 地 区 地 下 水 超 采 累 计 亏 空 亿 左右超采的面积达到 万 导致京津冀地区成为仅次于印度北部的全球第二大地下水漏斗区造成地面沉降、河道断流等严重问题近年来京津冀地区对于农业用水风险问题高度重视各类节水灌溉技术与田间减蒸降耗措施促进了京津冀平原区作物水分利用效率的持续提高 年北京、天津、河北的灌溉水有效利用系数分别较 年提高了.、.和.有效缓解了京津冀地区农业用水短缺的问题提高了水 食物系统的承险能力为了应对水 食物系统风险近年来京津冀地区采取了大量措施 在降低致险率方面 年北京和河北部分地市联合实施“稻改旱”项目通过水稻改种玉米等方式减少灌溉用水量和农业面源污染 年北京出台了调结构转方式发展高效节水农业的意见开始压缩小麦种植面积和肉禽生产总量 同年天津进一步修订了天津市地下水取水控沉预审管理规定加强了地下水开采限值约束 针对京津冀地区农业地下水超采问题 年起财政部、水利部、农业农村部等有关部门组织河北省开展了地下水超采综合治理试点 通过实施体制机制改革、工程节水、农艺节水、调整结构节水、水源置换、严格地下水管理等多种治理措施有效压减地下水开采量 在提高承险性方面 年北京发布了北京市农业节水灌溉初步设计报告编制大纲推广利用高新技术提升农业节水水平自此建设了多处高标准精准灌溉示范区通过适时适量灌溉有效促进农业增产 同年河北水利厅颁布关于加强节水农业工作的指导意见对节水农业灌溉在管理运行机制、技术推广、工程建设、投入渠道等方面存在的问题进行改进为提升节水农业的发展做出了制度安排 自 年以来河北依托高标准农田建设和旱作节水农业项目大力推广高效节水灌溉技术有效提高了水分利用率天津则大力推进农业末级渠系节水改造提升节水灌溉及相关配套设施农田灌溉水有效利用系数达到了全国领先水平虽然近年来京津冀水 食物系统风险有所降低但依旧面临着中等风险现状仍不乐观 根据风险归因分析未来北京和天津应重视水量短缺和波动问题立足区域水资源供需格局提高废污水、雨洪水等非常规水源的利用效率通过推动区域内污水资源化利用提升农业供水保障效率 河北作为京津冀地区水 食物系统风险最大的地区应有效平衡好水资源短缺与农业生产水安全保障之间的关系 在农业节水方面继续推广普及节水农业综合配套技术完善用水计量设施在微咸水区、渠灌区等不同区域因地制宜分类实施节水灌溉工程在粮食生产方面应根据水资源承载能力和国土空间规划合理确定农业发展布局和规模研究制定农业用水承载上限 在地下水严重超采区综合协调地下水压采、粮食安全等国家战略目标严格控制灌溉面积和高耗水作物种植面积 结 论.在时间变化方面 年京津冀水食物系统总体处于级风险 分时段来看京津冀绝大部分地区长期处于为级风险处于级风险的地区由 年的 个减少到年的 个再进一步减少到 年 个可见近年来京津冀地区水 食物系统风险发生概率呈降低趋势.在空间变化方面 年京津冀水食物系统风险等级最高的 个地区分别为邯郸、保定和衡水风险等级最小的 个地区分别为承德、北京和天津 年和 年时期风险最高的地区主要为张家口 年变为邯郸 个时期中面临风险最小的地区变化依次为邢台、北京、唐山.在风险指标贡献方面 年京津冀水 食物系统致险率最高的因素为农业灌溉缺水率该因 素 在 河 北、北 京 和 天 津 的 贡 献 率 分 别 为.、.和.其他主要致险因素包括地下水超采灌溉程度、农业耗水强度波动性和农业缺水量波动性 在承险因素方面北京起主要承险作用的指标为节水灌溉程度天津为有效灌溉程度河北的邯郸、保定和衡水的主要承险指标为农业灌溉设施建设状况其余各市为本地水资源禀赋参考文献:王慧敏洪俊刘钢.“水 能源 粮食”纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究.中国人口资源与环境():.(.():.()马振超.总体国家安全观:开创中国特色国家安全道路的指导思想.行政论坛():.(.:.():.()谷树忠成升魁.中国资源报告:新时期中国资源安全透视.北京:商务印书馆.马永喜孙亚丽.“食品 能源 水”纽带关系研究方法评述与展望.中国资源综合利用():.(.():.()张士锋陈俊旭华东等.水资源系统风险构成及其评价:以北京市为例.自然资源学报():.(.:.():.().:.唐国平李秀彬 等.气候变化对中国农业生产的影响.地理学报():.(.():.()./:.:.:.():.(/):.():.董战峰张力小赵元浩等.生命周期视角下中国餐饮浪费的生态环境效应研究/.生态经济.:/./.(./.:/./.()纪鸿飞李翔鹏李方豪等.水足迹视角下哈尔滨市玉米生产用水分析.农业与技术():.(.():.()刘徐然李小雅赵耀等.基于冬小麦水足迹的黄河流域农业结构协同调整.人民黄河(增刊):.(.():.().:.:.:.:.():.():.:.():.():.“”.:.吴刚郝兰凤.加快推进粮食安全信用体系建设.江南论坛():.(.():.()习近平.高举中国特色社会主义伟大旗帜为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗.人民日报().张翔夏军史晓新等.可持续水资源管理的风险分析研究.武汉水利电力大学学报():.(.():.()韩宇平.水资源短缺风险管理理论与实践.郑州:黄河水利出版社.姜秋香曹璐王子龙等.基于 的黑龙江城市水资源配置及风险管理.水利水电科技进展():.(.():.()何国华.我国北方地区水土资源空间优化及其生态效应系统评价 .北 京:中 国 水 利 水 电 科 学 研 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