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杨伟，D. W. Hyndman, J. A. Winkler, A. Viña, J. Deines, F. Lupi, Luo L.， Li Y.， B. Basso，郑澄，马东，李硕，刘晓，郑浩，曹刚，Q.孟，欧阳铮，刘俊。2016。城市水可持续性:框架与应用。生态和社会21(4): 4。
http://dx.doi.org/10.5751/ES-08685-210404
城市水可持续性:框架与应用
摘要
大城市(人口超过1000万的城市)等城市地区是全球用水的热点地区，因此面临着严峻的水资源管理挑战。城市地区受到人类与自然系统之间的本地相互作用的影响，并通过水、食物、能源、人员、信息和资本的流动与遥远的系统相互作用。然而，对水的可持续性和城市地区水流量管理的分析往往是支离破碎的。迫切需要应用集成框架系统地分析城市水动力及其影响因素。我们运用遥耦合(远距离社会经济和环境相互作用)的框架来分析城市水问题，并以北京为示范特大城市。北京是全球水资源可持续发展对城市环境的挑战的例证。和许多其他城市一样，在过去几十年里，北京的地表水和地下水的数量和质量都急剧下降;它依靠从输水系统输入真实水和虚拟水来满足其对清洁水的需求，并将受污染的水释放到其他系统(溢出系统)。我们提出的综合框架展示了在人类和自然系统之间考虑社会经济和环境相互作用的重要性，这些系统不仅包括北京(受水系统)，还包括输水系统和溢出系统。这一框架有助于整合本地和远距离人类与自然相互作用的重要组成部分，并纳入影响水动力学的广泛的本地耦合和远耦合，进而产生重大的社会经济和环境后果，包括反馈效应。 The application of the framework to Beijing reveals many research gaps and management needs. We also provide a foundation to apply the telecoupling framework to better understand and manage water sustainability in other cities around the world.介绍
快速的人口增长、城市扩张和经济增长给世界各地的水资源管理带来了重大挑战(Liu和Yang 2012)，特别是在城市地区(McDonald et al. 2014)。世界人口从1950年的25亿迅速增长到2011年的70亿，预计到2050年将增长到93亿(Bloom 2011)。在未来的40年里，几乎所有的增长都将发生在城市地区，预计城市人口将从2014年的39亿增加到2050年的63亿(联合国经社部2014年)。大部分城市人口增长将集中在亚洲和非洲，2014年至2050年，中国和印度将占全球城市人口增长的三分之一(UN-DESA 2014年)。
超大城市(人口超过1000万的城市)是全球用水热点，因此面临着巨大的水资源可持续性挑战(联合国1998年，联合国人居署2008年，世界自然基金会2011年)。在全球范围内，超大城市的数量从1950年的两个(东京和纽约)增加到2014年的28个，预计到2030年将达到41个(联合国- desa 2014年)。与此同时，特大城市的居民数量从1950年的2360万增加到2014年的4.53亿，预计到2030年将达到7.3亿(UN-DESA 2014)。近几十年来，超大城市的快速增长导致管理能力明显落后于早期城市增长较低时期，当时超大城市能够逐步建设基础设施和创新治理(Varis et al. 2006)。
通过水、食物、能源、人口、信息和资本的流动，城市地区与其他地区的互动越来越多。根据我们汇编的统计数据，28个特大城市中有22个(79%)目前依靠远距离调水来满足其需求(联合国2014年)。城市食品的很大一部分也是进口的，进口食品相当于进口虚拟水(即生产贸易产品所消耗的水，但不以真实水的形式显示)。因此，超大城市对水动力的影响远远超出了它们的边界。
迄今为止，在大城市等城市地区，对水可持续性的分析和管理在很大程度上是分散的，往往只关注主要组成部分的一个子集。例如，一些研究关注内部互动(Bidhendi等人2008,Lorenzen等人2010,Bai等人2012)、远程互动(Sohel等人2003,Abraham 2010, Deines等人2016)、社会经济互动(Li和Shi 2003, Bidhendi等人2008)或环境互动(Tortajada和Castelan 2003, Lorenzen等人2010,Bai等人2012,Yan等人2012)。这在一定程度上是由于缺乏同时系统分析各种组件的集成概念框架。
我们以特大城市北京为例，应用遥耦合(社会经济和环境跨距离相互作用)的综合框架来分析和理解城市水动力。我们从框架的概述和示范超大城市的描述开始。然后描述了北京的水动力及其影响因素。在强调了影响北京水动态的主要本地耦合和远程耦合之后，我们说明了这些水动态的一些环境和社会经济后果。最后，我们讨论了研究的空白和对水政策和管理的启示。
城市水可持续性的遥耦合框架概述
城市地区通过真实的水或虚拟的水转移，在社会经济和环境方面依赖许多遥远的地区。因此，为了系统地解决城市水的可持续性问题，必须将所有主要相关问题置于一个概念性框架下，将城市内外的社会经济和环境相互作用结合起来。
在现有的概念框架(例如，Ostrom 2009, Binder等人。2013)中，Liu等人(2013)提出的远耦合框架在分析城市水问题方面具有相当大的潜力，因为它使用了系统方法，并将水的可持续性置于人类和自然系统耦合的背景下。该框架将每个地方(如城市)视为耦合的人与自然系统，其中人与自然组件相互作用(Liu et al. 2007)。它考虑了重要的相关因素及其在耦合系统内部和之间的相互作用。耦合系统内的相互作用称为内部局部耦合，而远耦合系统之间的相互作用称为远耦合。遥耦合框架包括五个主要的相互关联的组成部分:代理、流程、系统、原因和结果。遥耦合是由促进耦合的人类和自然系统之间的流动(能量、信息和物质(如水)的交换)的代理产生的。根据流动的方向，系统可以被分类为发送系统(源头)、接收系统(目的地)和溢出系统(那些影响发送系统和接收系统之间的相互作用，并受其影响的系统)(图1)。原因是在两个或多个系统之间产生远耦合的驱动因素或因素，在一个或多个系统中产生社会经济和环境影响。该框架还考虑了反馈(即耦合系统之间的相互作用)。需要指出的是，遥耦合框架中的“跨越距离”是相对的，类似于其他没有固定值的相对概念，如“生态系统”，根据问题和研究目标的不同，它可以小到一个池塘，也可以大到整个地球。这种灵活性极大地促进了生态的发展。 The flexibility of the telecoupling concept may play a similar powerful role because it can accommodate various situations. Furthermore, not all systems need to be far away.
遥耦合的概念自然地将系统内“耦合”的概念扩展到跨两个或多个遥远耦合系统的交互。此外，与“生态系统服务”的总体概念(包括生态系统对人类的各种类型的好处)类似，遥耦合的概念包括多种类型的远程交互作用，可以促进理解这些交互作用之间的关系(Liu等人，2015年一个)．它比传统学科研究中有关远距离相互作用的概念更为全面。例如，它扩展了大气科学中的遥相关(remote - onnection)概念，该概念指的是遥远地点(通常数千公里)的气候异常之间的关系，通过添加社会经济相互作用，并通过包含环境相互作用扩展了经济全球化(遥远的人类系统之间的相互作用)的概念(Liu et al. 2013)。
遥耦合框架在几个方面不同于其他耦合系统框架，如Binder等人(2013)和Liu等人(2016)分析的那些框架。首先，其他框架主要集中在耦合系统内的交互。遥耦合框架集成了焦点耦合系统和其他耦合系统之间的社会经济和环境相互作用，以及特定系统内的耦合系统。第二，一些框架虽然关注外部因素对焦点系统的影响，但却没有考虑焦点系统对其他系统的影响。因为城市地区依赖于其他系统的资源，并影响其他系统(例如，提供商品、产品、技术和污染物)(Liu et al. 2015b)，明确考虑与其他系统的交互是特别重要的。第三，一些框架考虑发送和接收系统之间的交互，但它们很少或根本不关注溢出系统。远程耦合框架提供了一种明确的方法来合并溢出系统，以内部化跨空间的社会经济和环境外部性，因为空间外部性广泛而重要(Brock和Xepapadeas 2010年，Bithas 2011年)。在遥耦合框架中的影响可能是，也可能不是可量化或可测量的。对于可量化的效应，可使用遥耦合框架提供对遥耦合过程的定量结果。对于不可量化的影响，遥耦合框架也可以从整体的角度提高对代理、流程、原因和结果之间关系的定性理解。
此外，遥耦合框架可以整合和扩展现有的方法，以量化城市用水的远距离影响和流量。例如，生态足迹概念(Wackernagel and Rees 1996)已被用于量化大城市供水需求所需的土地面积(例如，Jenerette and Larsen 2006)，但未能识别这些输送系统。通过整合特定发送系统的动因、原因、流量和影响，遥耦合框架增加了对城市水足迹的深度理解，这对有效和可持续的管理至关重要。此外，生态足迹可以作为遥测耦合框架中“效应”的衡量标准之一，也可以作为一种早期筛选工具，以识别具有较大外化水足迹的城市地区，从而从更严格的遥测耦合分析中受益。同样，适用于水的城市新陈代谢方法(Wolman 1965年)寻求量化进入、进入和流出城市的所有水通量，特别注重评估水的数量和质量的可持续性。以前在这个框架下的工作可以提供流量量化的方法(例如，生态网络分析[Zhang et al. 2010])，这对遥耦合研究很有用，而遥耦合框架通过合并相关的代理和原因，特别是城市范围外的耦合系统，扩展到当前水流的快照。
迄今为止，遥耦合框架已成功应用于许多重要问题，包括生态系统服务(Liu and Yang 2013, Liu et al. 2016);保护(Gasparri et al. 2015);食品贸易(Liu et al. 2013, 2015b）;林产品(Liu 2014);农业用化肥和塑料薄膜(Liu et al. 2015一个）;能源和虚拟水(Liu et al. 2015b）;信息传播、旅游和熊猫贷款(Liu et al. 2015一个）;土地变化科学(Eakin et al. 2014, Liu et al. 2014, Wicke 2014);国际土地销售(Liu et al. 2014);物种入侵(Liu et al. 2013, 2014)。我们用遥耦合框架来说明特大城市的水问题。
因为许多城市接收的水多于它们发出的水，我们把它们看作是水的接收系统。因此，我们将向城市净输出水的地区视为输水系统，将受输水系统相互作用影响的地区视为外溢系统(图1)。在耦合系统内，地表水和地下水的数量和质量都受到多种交互的人为和自然因素的影响(图1)。用水用户可分为四大类:家庭、工业、农业和环境(图1)。家庭用户(如家庭)需要饮用水、做饭和洗涤用水。人口规模和住户数目以及人口结构(例如年龄、性别)影响家庭用水。随着家庭数量和人口规模的增加，用水量也会增加，通常以非线性的方式增加。包括工业在内的经济发展也需要水，而土地利用和土地覆盖的变化反过来又改变了水的可得性和利用。农业地区围绕着城市地区，一些作物需要灌溉用水。生态系统的过程和功能也需要水。
政策和技术(例如废水回收、雨水收集、水价和灌溉技术)可以通过改变用水的需求和效率来扩大水的供应和调节水的使用。降水(主要气候因素之一)增加了水量，而地面径流从降水地区带走了水分，减少了水量(图1)。
耦合系统内的水动力学也受到诸如真实水和虚拟水的进出口等遥耦合过程的影响(图1)。水的需求和供应是这种遥耦合过程背后的主要原因。水的进口可以通过流水、水转移项目、瓶装水和虚拟水的移动来实现(图1)。即使有进口水的需要，也可以通过流水和虚拟水贸易来实现一些水的出口(图1)。水的进口和出口可以通过代理来实现，如创造水需求的用水户、制定和签署转让协议的决策者、以及进行远距离商品购买和销售的公司。与本地耦合一起，远程耦合影响水动态，进而产生社会经济和环境影响(图1)。例如，水资源短缺可能会增加对水的竞争，提高水价，限制人们获得水的机会，导致政治纠纷和社会动荡，并破坏环境。此外，接收系统、发送系统和溢出系统之间也存在反馈(图1)。所有这些系统都影响并受气候和宏观社会经济条件的影响(图1)。
北京大都市概述
在中国，“城市”是一个行政单位。它通常包括一个大都市(核心城市区)和一些县或区有农村人口的农村地区。因此，这里的北京(或北京市)是指城市边界内的整个土地面积，而不仅仅是核心城区。由于人口快速增长、城市化和经济发展，北京是实现城市水可持续发展的全球挑战的例证。它位于华北平原的西北边缘，近三分之二的城市在西北的太行山和燕山，其余的在北京平原。全市总面积约16410公里2包括16个区(两个核心区共92公里)2四个内郊区，总长1276公里2郊区10个，总面积15042公里2)(图2)。
在过去的30年里，北京经历了快速的人口和经济变化。1982年常住人口(即居住人口)为920万，1986年突破1000万，到2015年达到2170万(北京市统计局1980-2015年)。根据中国2010年的人口普查，北京市常住人口的平均家庭规模从1982年的3.7人下降到2010年的2.5人。人均国内生产总值从1986年的821美元飙升至2015年的17064美元(北京统计局1980-2015年数据)。
北京的水动力学
20世纪50年代至2010年代期间，北京当地平均年可用水量约为40亿立方米3.(从1.6米到9.7米不等)3.)(图3)。人均水资源从1000米左右下降3.1949年到100米左右3.2011年，只有1/24th占全国平均水平的1/90th(北京水务局1986-2012,Hao 2012)，远低于国际严重缺水标准1000米3.人均(Falkenmark和Widstrand 1992, Gleick 1995)。2014年，北京市可再生水资源总量为20.3亿立方米3.分别为0.65和13.8亿米3.分别来自地表水和地下水。人均可用性仅为94.9米3.使其成为世界上最缺水的城市之一。
表面水动力学
北京位于海河流域，汇集面积超过50公里的河流有108条2；它们构成了五个主要的自然水道:永定河、北云河、潮白河、大庆河和集云河(孟等，2012年)。这五条主要河流的年平均流量约为18亿米3.，其中潮白河和北云河占1956 - 2010年多年平均水量的64%(北京市水务局1986-2012年)。主要由于人类活动，自然资金流入随着时间的推移而减少。永定河的水流从上世纪60年代就开始断断续续了。20世纪70年代和80年代，永定河下游年平均无水日数分别为282天和299天，90年代以后，永定河下游无水日数逐渐减少。同样，根据苏庄水文站的监测观测，潮白河的年平均径流量下降了52%(从2.64亿米下降到12.5亿米)3.)从20世纪50年代到21世纪初。这两条主要河流流量的严重下降迫使北京开采地下水以满足其飙升的用水需求(Jiao 2008)。
降水是北京市主要的可再生水源，其变化是影响地表水和地下水储量的主要因素之一。总体而言，北京平原的降水量(2012年为796毫米)多于周边山区(2012年为656毫米)(北京市水务局2012年)。北京市降水具有较强的季节变化，降水主要集中在7月下旬至8月中旬，近60年来呈减少趋势(图3b)。
为了应对降水的时空变化，从1949年到2011年，北京将大部分天然河流系统改造为运河(Mansell and Wang 2010)，并建设了88个水库，总容量938亿米3.在最近的一场长时间干旱中，大部分地区的水都很少(北京市水务局和北京市统计局2013年)。两个最大的水库是官厅和密云(图2)，总容量分别为42亿和44亿米3.虽然它们的储存量分别只有0.33亿和10.3亿米3.密云水库整个位于北京市行政区划内，而官厅水库大部分位于河北省境内，因此可以认为是北京的一个输水系统。自1980年代中期以来，这两个水库都没有为农业用水提供水，这进一步加剧了对地下水的开采。
地下水动力学
自明(1368-1644)、清(1644-1912)以来，随着钻井技术的引入，地下水的开采越来越多。1949年共有水井123口，年采油803万米3.(Zhou et al. 2013)。到2011年，油井数量增加到84748口，其中62645口为动力泵，17887口为手动泵，4216口为废弃井。在手动水泵中，农业、家庭和工业分别占62%、31%和7%(北京市水务局和北京市统计局2013年)。截至2011年，北京近三分之二的供水来自地下水。
自1981年以来，北京通过发放许可证、收取水资源费、设置越来越高的区块关税等方式管理地下水。这些措施与一系列节约用水和科学管理的方法相结合，为地下水资源提供了一定的保护。在郊区，年平均采掘量从9亿米下降3.20世纪70年代达到0.75亿米3.20世纪90年代(Zhang et al. 2008)。从2001年到2014年，地下水总使用量从27亿m持续减少到18亿m3.其中农业用途从17亿米下降到8亿米3.(图5)。尽管最近在减少地下水使用方面取得了进展，但每年总用水量仍达35至40亿立方米3.(图5)继续大大高于图3所示的流入的自然可再生水资源总量。
20世纪60年代，北京平原以下的地下水位处于相对自然的状态，几乎没有人为干扰，自然水流从靠近山区的高水位地区向西北、东南方向流动(图6)。从70年代开始，随着工业的快速发展和内郊地区地下水开采的增加，地下水位开始下降，在市中心附近形成了一个巨大的锥状洼地(图6)。而在远郊，地下水位更接近其自然状态。20世纪80年代，潮白河持续干旱，地下水补给减少，开采增加，内郊区东部和东北部形成了几个锥状洼地(图6)。20世纪90年代，虽然控制了地下水开采，但开采密集的中心城区(图6)地下水位持续下降。1999年至2008年连续9年干旱，平均每年开采5.7亿米3.，导致1998 - 2011年平均地下水位从地下11.9 m下降到22.9 m (Zhang et al. 2008，北京水资源公报2011)。
影响北京水动力的因素
在这里，我们提供了具体的例子，说明本地耦合和远程耦合如何影响北京的水动力学。
当地的耦合
局部联轴器包括局部用水和减少用水的措施(反馈)。从20世纪50年代到21世纪初，北京的面积平均降水量减少了39%(图3)。年总用水量在20世纪90年代初达到峰值，然后逐渐下降到一个相对稳定的速率，约35亿米3.·年－1(图5a)。四种主要用水户的相对重要性随着时间的推移而变化。每年农业和工业用水减少了66.7%(24亿至8亿立方米)3.)及62.9%(14亿至5亿米)3.)。在同一时期，生活用水和环境用水增加了3.3倍(4亿至17亿米)3.)和39.3倍(0.018 - 7.25亿米)3.),分别。从百分比上看，1980 - 2014年，农业和工业用途分别从58.1%下降到21.8%和32.1%下降到13.6%;与此同时，住宅及环保用途则分别由9.8%增至45.3%及0.4%增至19.3%。
家庭用水量的飙升主要是由于人口的快速增长和家庭数量的增加(Liu et al. 2003)。从1978年到2011年，北京外来人口、居住人口和居住家庭分别增长了36.8倍、0.5倍和1.4倍(北京统计局1980-2012年)。相对于337千米2在1984年城市建成区面积的基础上，2000年北京市建成区总面积增长136%，2010年增长256% (Li et al. 2013)。此外，两个农村地区(密云和怀柔)和城区(图2)之间的环境和社会经济互动是北京最接近的地方耦合之一。这种城乡相互作用影响水动力。例如，密云水库为市区提供饮用水。此外，农村农民利用嵌入式虚拟水种植农产品，并将其产品销售给市区内的人们。城市居民经常在周末去农村地区享受清洁的空气、风景和户外活动，因此，在农村地区消耗生活用水。这种当地旅游为农村家庭提供了额外的收入，使他们能够购买嵌入虚拟水的工业产品(如衣服、家用电器)。
为了解决水供应的挑战，北京已经采取了一系列行动(反馈)来减少用水。北京是最积极推广节水政策、污水处理和水循环技术的城市之一。例如，为了减少工业用水，北京市政府逐步关闭或搬迁用水密集型行业(如钢铁厂)。此外，从1975年到2011年，采用节水灌溉技术的耕地面积增加了107倍(从2.6万公顷增加到28.58万公顷)(北京市水务局2009-2011年)。从2003年到2014年，共66亿美元3.的废水被回收利用(图5b)。截至2010年底，北京市共有雨水收集系统1355个，收集水量5000万立方米3.(新华网2014)。截至2014年底，全国雨水收集系统已增至2150套，其中城市雨水收集系统1050套。2014年，北京的雨水收集总量为1.83亿立方米3.雨水:1.04亿米3.在城市地区和7900万平方米3.(中国新闻2015)。
Telecouplings
北京的自然水流入总量下降了约91%(从47亿立方米下降到4亿立方米)3.)(图3)。官厅水库(图2)距离北京核心城区约100公里，是北京的输水系统，自20世纪50年代以来，由于气候变化、上游土地覆盖和土地利用的变化(Ma et al. 2010)和上游地区用水量的增加(Jiao 2008)，该水库的来水急剧下降(图3)。其中，官厅水库进水量从20亿m下降3.·年－120世纪50年代达到1亿米3.·年－1(图3)。官厅水库上游共建成水库267座，全长3636公里2从20世纪50年代开始，大量的水密集型工业(如冶金、化工和电力工业)被建立起来(Jiao 2008)。1997年至2007年期间，官厅水库上游的工业开发造成了严重的水污染，使其无法作为饮用水使用。自1997年以来，密云水库一直是北京的主要饮用水源。这意味着官厅水库与北京的遥耦合过程的变化影响了密云水库供水变化的局部耦合过程。
反过来，局部耦合过程也可能影响远耦合过程。现在有人担心密云水库可能会步官厅水库的后尘。密云水库的进水量从30亿立方米急剧下降3.·年－120世纪60年代达到3亿米3.·年－1(图3)，原因是降水减少和上游农业用水增加。为了应对这种不断恶化的情况，2006年启动了水田转旱地(PLDL)项目，该项目补贴上游地区的农民将水田(水稻)转化为旱地作物。该项目由北京市政府(接收系统)和河北省政府(发送系统)联合实施，为北京节约用水(Zheng et al. 2013)。
此外，为了解决自然水量大幅减少的问题，北京一直在人为地调水，并从其他输水系统进口虚拟水。从2005年到2014年，共45亿米3.调水15.7亿立方米3.正在进行的南水北调工程的水(图5b)。南水北调工程是世界上最长、最大的调水工程，计划总工程规模450亿米3.每年的调水。该项目的目标是从中国南方的长江流域引水，以缓解包括北京在内的华北地区的水资源短缺(Yang and Zehnder 2005)。虚拟水的使用量远远高于真实水的使用量，而且随着肉类和乳制品消费的增长，虚拟水的使用量估计还会继续增加(Huang et al. 2010)。尽管对北京虚拟水的研究很少(Zhang et al. 2011)，但一项估计表明，在1990年至2005年间，北京虚拟水的净进口量从31亿立方米增加到125亿立方米3.其中约90%来自农产品进口(Huang et al. 2010)。另一项最近的估计表明，北京的虚拟水净进口量将减少到107亿立方米3.根据2011年宣布的新的严格的水资源计划(Liu and Yang 2012)，在2030年(Zhao et al. 2015)的乐观情景下。2005年，虚拟水的净进口量估计是实际用水总量的4倍(Huang et al. 2010)。特别是2005年人均用于食品的虚拟水为1023米3.(其中42.3%是通过肉类消费)，是人均实际用水量的5倍(Wu et al. 2011)。
流入北京的自然资金大幅减少，也意味着从北京流向下游地区(溢出系统)的自然资金大幅减少。从20世纪60年代到2000年代，北京的年平均自然流出量下降了55%(图3)。对于密云水库和官厅水库来说，90年代到2000年代，年平均自然流出量分别下降了45%和64%(图4)。相比之下，废水总排放量从大约10亿立方米增加了3.1988年达到15亿米3.在2012年。工业废水排放量在20世纪90年代末达到峰值，此后持续下降。然而，生活污水的排放量从5亿立方米上升3.1988年达到14亿米3.2012年(北京市水务局1986-2012年)。
许多代理人(即利益相关者)参与了远程耦合过程，例如北京的用水用户需要更多的清洁水，接收和发送系统的官员谈判水转让协议，以及促进虚拟水贸易的贸易商。发送、接收和溢出系统之间也存在反馈(Liu等，2016)。例如，为了从河北省获得更多的清洁水(输送系统)，北京向该省的农民提供补贴，通过种植玉米而不是水稻来减少污染和水的使用(Zheng et al. 2013)。另一方面，针对下游居民的投诉(外溢系统)，北京市在2014年出台了新的政策，对外溢系统排放的污水进行补偿(北京市人民政府办公室2014)。
水动力学的影响
虽然许多因素通过局部耦合和远耦合影响北京的水动力，但北京水动力的变化也会导致直接和间接的环境和社会经济后果，其中一些可能反过来通过反馈影响北京内外的水动力。其中一些影响可能在短期内就能观察到，而另一些则可能需要几十年才能显现。在这里，我们强调主要的影响。
环境影响
在北京，人们与供水系统的相互关系导致了城市以及输水和外溢系统的环境后果。其中包括河流和湖泊的间歇性流动、河岸和水生生态系统的退化、生物多样性的丧失、地面沉降和地下水质量的恶化(Jiao 2008，孟et al. 2012)。虽然有些影响可能通过恢复工作(如河岸湿地恢复)而可逆，但其他影响大多是不可逆的(如沉降)或治疗或恢复费用高昂(如处理富营养化和地下水污染)。
在北京，一系列的环境后果已经被观察到了。北京附近或北京境内的大多数河流和支流现在几乎没有水流。北京的湖泊也有类似的情况，许多湖泊都是著名水景和文化遗产的重要组成部分，如北海、昆明湖、圆明园和中南海。近几十年来，几乎所有这些湖泊的供水都来自官厅和密云水库的引水或抽水地下水(Probe International Beijing Group 2008)。
地下水的开采导致了严重的地面沉降。1955 - 2010年，北京市下沉大于50 mm和100 mm的面积分别为4181和2815 km2，分别(Du 2013)。下沉仍在继续，扩张速率为30-60 mm·年－1(Du 2013)。下沉常常永久性地改变泥沙颗粒的排列，使恢复成为不可能。此外，沉陷区内或周边的生态系统经常受到地表径流的改变以及土地覆盖和土地利用的变化(Zhang et al. 2008)。
北京的水问题的影响还蔓延到中国周边地区和偏远地区(如南水北调的输水区域)，以及世界其他地区(如污染物排入海洋并通过生物地球化学循环传播)。例如，SNWTP涉及大量的大坝建设和河流蓄水，这永久性地破坏了植被覆盖，改变了输水系统的自然径流(Yan et al. 2012)。南水北调东线附近的东平湖水位预计将上升2- 3米，水位上升320-400吨/公里2水生植物生物量的减少，以及其他水生生态系统组成部分的相关后果，如草食动物群落(Zhou et al. 1994, Wan et al. 2003)。此外，抽地下水和长距离引水消耗大量能源。例如，南水北调东线工程共依靠51个抽水站，其中抽水机278台，每小时耗电量529兆瓦(中国水利水电研究院2013年)，将长江下游的水提升到华北平原。
社会经济影响
北京水动态的社会经济影响包括下沉造成的破坏、渔业受损和作物产量下降、工业结构转型和恢复河岸和水生生态系统的成本，以及水污染对健康的影响。过度开采(即超过自然可再生量)的经济成本很高。据保守估计，北京过量取水的成本为每立方米1.5美元(Li and Shi 2003年)，这意味着从20世纪60年代到2011年，累计成本超过167亿美元。然而，这一估计并没有完全考虑到许多间接成本，如下沉，这是过度开采最危险和最昂贵的后果之一(世界银行2002年)。沉降破坏基础设施，包括道路、桥梁、管道、雨水排水系统、大坝和铁路(Zhang et al. 2008)。以北京的自来水管道为例，2000年至2006年期间，下沉事故占所有自来水管道损坏事件的34% (Zhang et al. 2008)。另一个过度开采造成经济成本的例子是圆明园(圆明园);它的湖泊需要1000万立方米3.·年－1由于该地区的地下水位已经远远低于地表，因此，官厅水库的水迅速向下渗透，以补充地下水，从而维持1.5-2米的水深。为了解决这个问题，2004年，故宫当局提出了一项360万美元的预算，在湖底铺设一层塑料薄膜，但被生态学家和市政府拒绝，取而代之的是使用再生水和雨水收集(Probe International Beijing Group 2008)。
北京的水动态也对北京以外的社会经济产生了复杂的影响。对于南水北调工程，中国政府估计每年总经济效益将高达85亿美元(1美元= 6.47元人民币，2016年6月)，包括增加供水、防洪、改善航运和其他生态系统服务(南水北调工程建设委员会办公室2013年)。考虑到输水地区环境影响的经济成本，每年的净经济效益仅为7亿美元(Lin et al. 2012)。除了经济影响，还有社会影响。调水工程在安置数千人的同时，也创造了数千个就业机会。以南水北调中线工程为例，预计将迁移34.5万人，东中线一期工程在建设期间每年提供18万个临时工作岗位(南水北调工程建设委员会办公室2013年)。
反馈效应
水问题迫使北京和其他输水地区的地方政府分别或联合采取行动，包括转变经济结构、恢复沿江地区、推广节水技术、使用循环水、收集雨水、长距离调水、实施流域服务项目付费等。这些行动反过来又影响到北京以及输水和外溢系统的水动态和人们的生计，从而形成反馈效应。例如，日益严重的水资源短缺和污染迫使北京市政府提高用水效率，提高处理设施的能力，从而减少了用水量，并在一定程度上缓解了水污染(图7)。从2001年到2014年，万元国内生产总值用水量下降了83%，而废水处理率从1978年的7.6%上升到1998年的22.5%和2014年的86.1%(北京市统计局1980-2015年)。
一个令人担忧的反馈是，南水北调工程可能进一步刺激北京的人口移民、城市化和经济发展，从而可能增加用水量，这将加剧而不是缓解水危机。最近的一项研究支持这一担忧，并声称无论是真正的水转移还是虚拟水交易都不会在减少供水系统的水压力方面发挥主要作用;相反，它们会加剧中国输水和受水系统的水资源压力(Zhao et al. 2015)。
尽管许多反馈加剧了水危机，进一步损害了生计，但政策干预带来了一些令人鼓舞的迹象。PLDL项目是一个案例(Zheng等人，2013)。评估结果表明，PLDL项目平均每年增加地表径流5%(或1820万m)3.)，减少了向密云水库排放的总氮10.4吨和总磷4.3吨(Zheng et al. 2013)。PLDL项目不仅减少了对环境的负面影响，还改善了参与者的生计。与未参与研究的家庭相比，参与研究的家庭的平均农业收入每年减少了约330美元，而来自流动劳动力活动的收入每年增加了500美元(Zheng et al. 2013)。这是因为参与调查的家庭种植玉米的劳动比种植水稻少。有趣的是，PLDL项目还改变了参与者的消费行为。例如，参与调查的家庭在教育上的支出更多，消耗的煤炭和液化天然气多于木柴，在电视、洗衣机、冰箱和汽车等家庭资产上的投资更多(Zheng et al. 2013)。SNWTP提供了改善生活的另一个例子。从公平和正义的角度来看，国务院正在计划为生态系统服务项目支付新的费用，以抵消输水地区放弃的社会经济效益(Zheng and Han 2012)。
讨论和结论
应用遥耦合框架的结果表明，北京的水动力受到许多局域耦合和遥耦合过程的影响，水动力影响着北京内外许多人为和自然因素。将北京等城市地区视为人类与自然系统远程耦合的一部分，有助于更系统地研究特大城市作为水接收系统的水动力学，同时考虑其与发送系统和溢出系统的关系。
关于北京的水资源管理已经提出了许多建议(例如，提高用水效率，通过调水、回用、脱盐和雨水收集扩大供水)，但远程联用及其与当地联用的相互作用尚未得到系统研究，更不用说有效地纳入政策。我们提供了一些策略建议来集成本地耦合和远程耦合以及它们的交互。从长远来看，有效的水管理措施需要监测和管理直接和间接驱动水使用行为的因素(Liu和Yang 2012)。
就地方耦合而言，实现水可持续性的一个重要方法是控制总需水量和减少需要大量水的活动(例如农业生产)。然而，本地行动也可能影响发送和溢出系统。国家和全球两级的水可持续性要求全面减少用水，如遥耦合框架所示，如果不采取整体办法，就无法实现这一目标。在中国的城市中，北京是通过多种措施减少用水的先驱，如为不同部门和实体设置最高用水限额，改革水价体系(如提高价格和实施大宗关税)以抑制高用水量，并对节水技术和设备提供激励(如现金奖励、税收优惠)(Ma et al. 2011, Hao 2012，孟et al. 2012)。尽管这些措施值得称赞，但它们可能不足以从根本上改变许多用水者的行为。例如，人们已经发现，水价主要是低收入用户的有效工具，但价格可能对许多顶级用水用户的行为影响较小，这些用户往往是富人或实体(Olmstead et al. 2007, Jorgensen et al. 2009, Olmstead and Stavins 2009)。在这种情况下和更普遍的情况下，还应考虑采取补充性措施(例如，公共教育、公共监测和披露长期用水大户的情况，以及非经济惩罚，如对用水大户的强制性社区服务)(Nieswiadomy 1992, Gleick 2003)。没有一刀切的方法，“硬路径”(如工程项目)和“软路径”(如公共教育和参与、激励计划)的结合往往是必不可少的(Gleick 2003, Liu和Yang 2012)。
管理用水需求还必须认识到水价和政策的社会和公平方面。联合国已宣布个人和家庭用水是一项基本人权(联合国人权高专办2010年)。虽然这项权利没有规定免费或无限的水，但它确实规定，满足基本需求必须是穷人负担得起的(联合国人权高专办2010年)。虽然经济效率和节约似乎与社会和公平问题相冲突，但考虑周全的定价体系和政策可以促进这两个目标(OECD 2003, Peña 2011)。例如，可以以较低的成本(例如，低于回收成本)保证所有人的基本用水需求，但可以根据经济和环境目标对基本需求以外的用水进行定价和分配(OECD 2003年，Barraqué和montgomery 2015年)。一种可能的办法是采用分段费率结构，有时被称为基于水预算的分段费率，即根据家庭的特点，如人口数量，以较低的价格向所有家庭分配一段水，然后对更多的用水量收取越来越高的费率。这样的系统通过价格信号促进节约用水，同时也保持财政平衡和促进公平(Baerenklau et al. 2014, Chan 2015)。遥想耦合框架提供了一个有价值的工具，通过考虑对特定地区以外的水的影响，进一步理解用水的社会和公平问题。城市化进程的公平和正义层面可以通过遥耦合框架加以解决，因为它们可能是遥耦合的原因和/或结果。例如，农村向城市迁移是促进城市化的一个重要的相互耦合过程。 Some migrants from rural areas relocate to the cities because they are not treated fairly by local rural governments (a cause for the migration). The migrants often experience inequity and injustice in the cities, as they and their children may not be treated equally in job, education, and other opportunities (an effect of the migration).
切断或减少一些本地联轴器和远程联轴器是减少北京用水需求的另一种方法。北京已经将一些重工业转移到其他省份(Hao 2012)，因此断开了一些当地的连接。然而，有必要关闭或将更多的重水使用者和污染者从北京转移到供水更充足的地区。另一种管理远程联系的方法是控制人口移民。作为中央集权国家的首都，北京有独特的政治权力来塑造像南水北调工程这样的相互耦合的过程。然而，在移民等其他遥耦合过程中，即使是北京的力量也是有限的。尽管北京市政府已经要求控制移民(北京市人民政府2010年)，但这是一个政治和社会敏感的问题，因为北京比其他地区提供了更多的教育和就业机会。减少北京和其他地区之间的机会不平等，将有助于使此类管制变得可行。一些工人可以在远离城市的家中工作，而不是每天来北京上班并消耗真实和虚拟的水。
发展输水系统并减少对溢出系统的负面影响符合北京的长期利益，因为北京持续依赖于输水系统，并且从输水系统和溢出系统都有反馈效应。一种选择是扩大对生态系统服务的付费，如PLDL项目(或补偿虚拟水交易和向北京输水造成的负面环境影响)。生态系统服务项目的支付可以通过技术援助或对作物替代的补偿和使用较少水的企业的运营鼓励系统使用较少水的活动(Liu and Yang 2013, Zheng et al. 2013)。然而，重要的是要超越输水系统和受水系统之间的双边协议，这些协议不考虑溢出系统，如其他影响或受SNWTP影响的领域(Liu和Yang 2013)。例如，如果其他地区收到来自北京的污染废水，这可能会污染农作物，向北京供应不安全的食品。
我们的分析还揭示了多个研究空白，包括很少量化局部耦合和遥耦合过程及其在水动力学中的相互作用的相对重要性。关于溢出系统和反馈的数据缺乏，知识不完整。例如，与北京水动力学相关的外溢系统的数量和类型没有很好的记录，更不用说充分了解。人们对许多溢出系统的环境和社会经济影响了解甚少。关于效应的许多复杂性(如时滞、遗留效应、非线性和阈值)的定量信息也不足(Liu et al. 2007)。填补这些空白和其他空白需要一种在这里描述的遥耦合框架中概念化的整体方法，因为该框架显式地考虑了各种组件及其交互。虽然不可能在一篇论文中演示遥耦合框架的所有实用程序，但识别知识差距是我们的目标之一。它提供了一个重要的概念进步和一个良好的基础，为未来的研究工作收集相关数据填补这些空白。
我们已经证明，遥耦合框架可以帮助系统地理解和管理与北京地区水动力学相关的主要问题。与在其他框架中分别考虑局部耦合和遥耦合不同，遥耦合框架同时考虑局部和遥耦合过程及其相互作用。这种综合分析可以为制定更有效的政策提供基础，从整体上解决水的可持续性挑战。例如，需要更多的政策干预措施，涉及输水和外溢系统。由于北京与其他21个特大城市(如洛杉矶和圣保罗)有许多共同的属性，这些城市都依赖于远距离的水运，因此对北京的远程耦合框架和一些研究结果和建议很可能适用于其他特大城市。
致谢
我们感谢密歇根州立大学的CWS-ESPP水创新研究基金、美国国家科学基金会和密歇根aqbiresearch以及浙江大学百人计划的资助。我们感谢William McConnell和Susanne Nichols对早期草案的评论和编辑。我们也感谢匿名主题编辑和审稿人Lance Gunderson博士非常建设性的评论和建议。
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