第1章 绪论
1.1 研究背景
水循环通过各种状态的水体，联系并调节着地球系统各个圈层，是水资源形成和演化的基础，同时也深刻影响着与其相生相伴的生态环境系统的演变。水循环的自然驱动力主要来源于太阳辐射、地球引力、毛细作用力等，它本是一种自然过程，但随着人类社会发展和水资源利用，如城镇化建设、工农业生产、地下水开采、跨流域调水等，打破了其原有的规律和平衡，改变了降水、蒸发、入渗、产流和汇流等水循环各个过程，表现出自然-社会二元特征，且社会属性愈加明显（王浩等，2006；王浩和贾仰文，2016）。
近年来，气候变化和人类活动对自然水循环过程的扰动加剧，全球许多地区面临着水循环健康和水资源安全问题，水多、水少、水脏、水浑等水问题突出，区域可持续发展遭受严峻挑战（V*r*smarty et al.，2000，2010；Milly et al.，2005；Piao et al.，2010；Haddeland et al.，2014；Brown et al.，2010；Plummer et al.，2010）。例如，厄尔尼诺南方涛动（El Nio-Southern Oscillation，ENSO）造成洪水和干旱等极端灾害事件频发，导致水资源可利用量减少，威胁着区域水资源安全和粮食安全（Fujimori et al.，2019）。气候变化影响范围广，2006年的ENSO事件造成包括东非、美国南部、中国、澳大利亚南部等全球许多国家和地区发生持续干旱（李威和朱艳峰，2007）。气候变化影响时间长，在可预见的50～100年里，降水时空分布变化和温度不断攀升将进一步影响水循环过程和水资源安全（Overpeck and Udall，2010）。此外，近年来世界人口激增，工业化、城镇化发展，经济规模扩张，水资源急剧消耗，水资源短缺成为全球性问题。预计到21世纪中叶，包括非洲、中东、中国北部、印度中南部、墨西哥、美国西部、巴西东北部等许多国家和地区将发生持续性缺水（陈志恺，2002）。长期来看，水资源短缺和过度开发不仅制约了区域可持续发展，还造成了系列生态环境问题，包括河道干涸断流、湿地湖泊萎缩、水体严重污染、地下水位下降、地面沉降、海水入侵等（Aeschbach-Hertig and Gleeson，2012；Wang et al.，2015；Zhang et al.，2016），甚至还可能由于水资源矛盾日益深化引发地缘政治冲突（Ather et al.，2018）。
水资源安全也是我国区域可持续发展面临的重要挑战。我国水资源主要特征有：一是水资源总量丰富，约28 000亿m3，占世界水资源总量的6%～7%；二是人均水资源量少，不到世界人均水平的1/3；三是时空分布不均，全国18个省（自治区、直辖市）、400余座城市存在不同程度的缺水问题，华北、西北等地区水资源供需矛盾突出；四是水生态环境退化，除源头外，全国主要江河受到了不同程度的污染，大量城市下游河段为Ⅴ类或劣Ⅴ类水体（王浩和王建华，2012；夏军和石卫，2016）。联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）将我国评级为水资源脆弱地区。针对国家水安全问题，2011年《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》明确建立用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条红线”，实行*严格的水资源管理制度。2014年，习近平总书记明确提出了“节水优先，空间均衡，系统治理，两手发力”的新时期水利工作思路。近期，多次强调要把水资源作为*大刚性约束。基本确立了国家对于水安全问题的应对战略和制度安排。
京津冀地区是全国的政治、文化、国际交往、科技创新中心，人口和经济尤其集中，但水资源先天禀赋差，并且受快速工业化、城镇化等影响，京津冀地区成为全球水循环扰动*剧烈的地区之一，区域可持续发展与水资源承载力严重不足的矛盾长期存在并不断深化（赵勇和翟家齐，2017；杜朝阳和于静洁，2018；Li et al.，2019a）。2014年2月26日，习近平总书记发表重要讲话，把推动京津冀协同发展上升为重大国家战略。紧接着，我国政府陆续出台了多重积极政策，通过统筹区域城乡规划、推进产业结构升级、扩大生态环境容量等，确保京津冀协同发展稳步推进，主要包括：2015年4月，中共中央政治局审议通过了《京津冀协同发展规划纲要》；2015年12月和2016年2月，国家发展和改革委员会印发了《京津冀协同发展生态环境保护规划》和《“十三五”时期京津冀国民经济和社会发展规划》；2016年5月，水利部印发了《京津冀协同发展水利专项规划》等。可以预见，未来通过人口转移、产业结构调整等，非首都功能将得到有序疏解，“大城市病”问题将得到有效解决。此外，随着南水北调等跨流域调水工程规划和建设，来自长江、黄河等水源地的外埠水有序配置到京津冀等缺水地区，为提升区域水资源承载能力，保障水资源安全提供了强力支撑（Liu and Zheng，2002）。
1.2 研究意义
城市是人口和经济*集中的区域，水的健康、良性循环是城市实现可持续发展的重要前提。随着工业化和城镇化发展到高级阶段，城市连片发展形成了城市群的概念。国务院《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》明确提及了7个城市群，其中京津冀、长江三角洲、珠江三角洲更是明确定位以建设世界级城市群为目标。城市群高速发展引发的强人类活动干预，扰动了区域自然水循环的结构和进程，使得区域水循环呈现出显著的自然-社会二元特征。不合理的水资源开发利用带来了水资源短缺、水灾害频发、水生态损害、水环境污染等水问题。本质上讲，这些问题都是人类活动对自然水循环的干扰后效，是水循环二元化后的不健康表现。随着国民生活水平的提高，人们渴望宜居的需求更加强烈，蓝天碧水已成为广大人民群众的普遍诉求。党的十九大报告中明确提出，“要着眼解决水利发展中存在的不平衡不充分问题，统筹解决水资源、水环境、水生态、水灾害问题，使人民获得感、幸福感、安全感更加充实、更有保障、更可持续。”而满足上述人民诉求、破解上述水问题的关键，就是要实现区域健康的自然-社会二元水循环。
京津冀地区位于我国首都经济圈，是中国北方地区经济规模*大、发展潜力*大的地区，对于拉动我国北方经济发展有决定性的作用。相比长江三角洲、珠江三角洲，京津冀地区经济明显落后且区域内部发展严重不平衡（孙久文和原倩，2014）。北京拥有政治、经济、科技、文化等多方面优势。天津为国内4个直辖市之一，政策红利优势也较为明显。河北的面积和人口比重与发展资源却严重不匹配。因此，尽管三地地缘相接，同属华北地区，但是三地定位区别所导致的发展资源不均，不可避免地引起自然资源的不合理分配。例如，河北人均水资源仅为全国平均水平的1/7，在2008～2012年期间向北京应急供水超过10亿m3；仅2013年，河北向北京供水4.1亿m3，向天津供水5.5亿m3（薄文广和陈飞，2015）。根据《京津冀协同发展规划纲要》，京津冀地区计划在未来10～30年内发展成特大型城市群，在此背景下，为保证区域经济社会发展的有序进行，维持水系统的正常运转和加强水资源的安全保障已成为亟待解决的首要问题（徐辉，2012）。根据《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（2016—2020）》和*严格的水资源管理制度，城市发展应遵照“以水定城，以水定地，以水定人，以水定产”的原则要求。为此，有必要定量描述京津冀地区本地水资源的空间分布，评估水资源对于新的经济社会发展模式的承载能力和匹配程度的空间分布，以便于合理确定城市规模、土地利用方式、人口和产业数量，指导人口转移和产业结构调整。过去几十年，全球变暖、工业化、城镇化等强干预已造成京津冀地区降水产流关系发生明显变化。近年来，京津冀地区开源和节流多措并举，着力解决水资源供需矛盾。为此，有必要揭示气候影响、区域协同发展、不同用水水平、跨流域调水等变化背景下的京津冀地区水资源安全状况的空间分布，支撑水资源科学管理和优化配置，建立有效的区域间协调机制。
综上，本书选取我国战略要地京津冀地区作为研究区域，开展水循环健康评价和水资源安全诊断研究，从而为准确把脉区域水问题、修复区域水循环、保障水资源安全、实现可持续发展、推进京津冀协同发展战略实施等提供科技支撑，同时为同类城市群水问题研究提供重要参考。
1.3 研究区域概况
1.3.1 自然地理
京津冀地区（即北京、天津和河北，如图1-1所示）位于中国的东部，介于东经113°04′～119°53′，北纬36°01′～42°37′，东临渤海湾，西倚太行山，南临黄河，北接蒙古高原，区域面积为21.7万km2，约占我国陆地面积的2.3%。
图1-1 京津冀地区和海河流域
数字高程模型（DEM）数据产品为HydroSHEDS
京津冀地区内北部和西部主要为山地，东部和东南部为华北平原和沿海海岸潮间带，整体地形由西北部向东南部倾斜，山地和平原面积各占60%和40%。京津冀地区大部分面积位于海河流域，流域面积31.8万km2。海河流域是渤海湾西部流域的主体，主要包括海河、滦河、徒骇马颊河三大河流域。其中，海河水系由5条主要支流（潮白河、永定河、大清河、子牙河和南运河）和1条小支流（北运河）组成。
京津冀地区位于温带东亚季风气候区，冬季寒冷少雪，夏季气温高，降水丰沛且多为暴雨，降水量变差较大，旱涝时有发生。近年来，海河流域降水减少、蒸散发增加，导致径流量明显减少。据统计，1980年前后地表径流减少约34%，入海水量减少约78%（Liu et al.，2010）。京津冀多年平均（1956～2018年）水资源量为237亿m3，仅为全国水资源总量的0.8%左右；按2018年人口计，人均水资源量为210m3，仅为全国人均水平的10%左右，小于水资源严重短缺发生阈值500m3，水资源安全保障形势十分严峻。
京津冀土地利用的主要形式为耕地、林地、草地和不透水地面，分别占总面积的44.4%、25.0%、16.1%和10.2%，如图1-2所示。其中，耕地集中在中南部地区，林地、草地集中在西部和北部地区，不透水地面分布在城市地区。
图1-2 京津冀地区土地利用
土地利用数据产品为FROM-GLC10（2017年，空间分辨率10m）
1.3.2 社会经济
京津冀地区涵盖北京、天津2个直辖市以及河北的石家庄、保定、廊坊、唐山、邯郸、秦皇岛、张家口、承德、邢台、沧州和衡水11个地级市，如图1-3所示。京津冀地区的县域行政区划近几年发生一定变化，本书研究采用2017年行政建制，县域数为200个，如图1-4所示。图1-3京津冀地区市域区划
图1-4 京津冀地区县域区划
县域边界数据来源于地理国情监测云平台
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