宁东煤炭基地水资源需求预测分析

张 旭，王小军，刘永刚，尚熳廷，韩沂桦

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；3.陕西省水资源管理办公室， 陕西 西安 710004；4.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；5.水利部发展研究中心，北京 100038)



宁东煤炭基地水资源需求预测分析

张 旭1，2，王小军1，2，刘永刚3，尚熳廷4，韩沂桦5

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；3.陕西省水资源管理办公室， 陕西 西安 710004；4.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；5.水利部发展研究中心，北京 100038)

宁东煤炭基地地处宁夏中东部，区域水资源匮乏，目前基地规划发展煤炭采选、燃煤发电、煤化工多个高耗水行业，导致水资源供需矛盾将日益紧张。本文针对宁东煤炭基地水资源开发利用现状进行计算分析，得出宁东煤炭基地工业用水量占基地用水总量的92%以上，基地内煤炭采选、燃煤发电、煤化工等高耗水工业高速发展面临着水资源条件的重大压力，亟需控制基地工业取水量，使未来宁东基地需水量与区域水资源条件相适应。在此背景下考虑我国煤炭行业产能过剩影响，以2015年宁东煤炭基地发展现状和2020年近期发展规划为依据，在分析宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工行业内不同生产工艺比重基础上，提出基于不同生产工艺路径的煤炭基地水资源需求预测方法，预测宁东煤炭基地2020年不同情景下的水资源需求量，为强化煤炭基地水资源管理提供支撑。

煤炭基地；水资源；需求预测；宁东

宁东煤炭基地位于宁夏中东部，是国家确定的14个大型煤炭基地之一，也是《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》重点建设的9个千万千瓦级大型煤电基地之一。随着宁东煤炭基地的飞速发展，将实现“再造一个新宁夏经济总量”的宏伟目标，届时煤炭采选、燃煤发电、煤化工等高耗水工业的生产将需要大量水资源支撑，但区域水资源赋存条件较差，且用水总量控制指标约束趋紧，未来区域水资源供需矛盾将日益突出[1]。为破除宁东煤炭基地水资源约束瓶颈，迫切需要科学预测煤炭采选、燃煤发电、煤化工等产业需水，进而优化水资源配置，为宁东煤炭基地快速发展奠定基础。

1 宁东煤炭基地水资源条件及存在问题

宁东煤炭基地所辖矿区包括石嘴山、石炭笋、灵武、鸳鸯湖、横城、韦州、马家滩、积家井、萌城9个矿区，范围涉及宁夏回族自治区的银川、石嘴山、吴忠3个地级市。

1.1 水资源条件分析

根据2015年《宁夏水资源公报》，宁东煤炭基地所属行政区水资源量仅3.565亿 m3(见表1)，水资源十分匮乏，主要依托黄河过境水量作为供水水源。黄河宁夏段水质较好，可达到Ⅲ类及以上，其中基地区域内纳入国家重要江河湖泊水功能区考核名录的共有7个水功能区，达标率为71.4%。根据《自治区人民政府办公厅关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》(宁政办发〔2013〕61号)，2015年银川、石嘴山、吴忠三个地级市用黄河水总量控制目标为35.61亿 m3。

表1 2015年宁东煤炭基地所属行政分区水资源量

1.2 水资源供需分析

宁东煤炭基地水源主要由宁东水务公司和太阳山水务公司取用黄河水供给，2015年供水能力已达到2.4亿 m3/a以上，规划2020年总供水能力可达到91.5万 m3/d，届时可供给宁东煤炭基地生产、生活和生态用水3.3亿 m3/a。

根据《宁夏水资源公报》，2010年～2015年宁东煤炭基地工业用水量如图1所示，经过5年发展宁东煤炭基地工业用水量增长了近2倍，达到1.39亿 m3，总用水量约1.5亿 m3，宁东煤炭基地水资源供给保障能力较为充足。

图1 2010年～2015年宁东煤炭基地工业用水量变化趋势

1.3 存在问题

(1)宁东煤炭基地所在银川、石嘴山、吴忠三市水资源禀赋差，2015年区域地表水及地下水供水量仅占供水总量的10%，90%的用水依靠黄河取水，但目前银川、石嘴山、吴忠三市黄河取水量已超出控制目标1.40亿 m3，随着未来区域工业化进程加快，受限于黄河水量分配指标，基地所处地区水资源供需矛盾将更加突出。

(2)根据最严格水资源管理制度考核要求，2015年宁东煤炭基地取用水总量控制指标为1.84亿 m3，其中取用黄河水控制指标为1.7亿 m3。虽然宁东煤炭基地2015年用水指标富裕约0.34亿 m3，但其所在银川、石嘴山、吴忠3市取水总量已达到46.99亿 m3，超出取水总量控制目标0.14亿 m3，挤占了宁东煤炭基地取用水指标，直接影响未来宁东基地的进一步发展。

(3)2015年宁东煤炭基地万元工业增加值用水量61 m3/万元，高出当年自治区平均水平38.6%，且距离2015年宁东煤炭基地46 m3/万元的万元工业增加值用水量控制指标要求差距尚大，工业用水水平亟需进一步提高。

综上所述，宁东煤炭基地工业用水量占基地用水总量的92%以上，基地内煤炭采选、燃煤发电、煤化工等高耗水工业高速发展发展面临着水资源条件的重大压力，亟需控制基地工业取水量，使未来宁东基地需水量与区域水资源条件相适应。

2 煤炭基地需水预测方法研究

现有趋势分析法、时间序列法，以及时间回归法、指数平滑法、动态相关法、神经网络法等数字模型方法，均基于历史用水数据分析未来需水变化态势，不能反映工业用水内在机制；根据煤炭基地煤炭采选、燃煤发电、煤化工行业的用水环节分析，不同生产工艺需水差异较大，生产工艺变化可引发行业需水量突变[4]。因此，考虑各环节串级用水后，将煤炭基地煤炭采选、燃煤发电、煤化工行业内的生产工艺差异纳入考虑范围，以定额为基准分析不同生产工艺用水定额及其变化影响，结合产业政策发展变化趋势，对煤炭基地未来需水量进行预测。

煤炭基地主要包括煤炭采选、燃煤发电、煤化工行业，对其进行分行业计算相加即为煤炭基地需水量：

W=Wc+We+Wh

(1)

式中：W为煤炭基地需水量(m3)；Wc为煤炭采选需水量(m3)；We为燃煤发电需水量(m3)；Wh为煤化工需水量(m3)。

其中煤炭采选、燃煤发电、煤化工行业需水量差异较大的生产工艺如图2所示。

图2 影响煤炭基地需水的主要生产工艺示意图

考虑上述因素，则煤炭采选需水量为：

(2)

式中：E1为煤炭基地原煤年产量(t)；I为煤炭开采方式数量；αi为第i种煤炭开采方式原煤产量所占比例；Ai为第i种煤炭开采方式单位原煤生产需水量(m3/t)；J为煤炭洗选工艺数量；βj为第j种煤炭洗选工艺入洗原煤所占比例；Bj为第j种煤炭洗选工艺单位入洗原煤需水量(m3/t)。

燃煤发电需水量为：

(3)

式中：E2为煤炭基地年发电量(MW·h)；T为燃煤电厂冷却方式数量；K为燃煤电厂机组装机级别数量；λt&k为第t种冷却方式、第k类装机级别所占比例；Ct&k为第t种冷却方式、第k类装机级别的单位发电需水量(m3/MW·h)。

(4)

式中：G为煤化工产品种类数量；Mg为第g种煤化工产品产量(t)；Dg为第g种煤化工产品的单位产品生产需水量(m3/t)。

综上，将公式(2)、(3)、(4)带入公式(1)可得煤炭基地需水预测计算公式为：

(5)

3 宁东煤炭基地需水预测

3.1 基本情况

根据相关规划成果，结合目前项目开展情况，预计到2020年宁东煤炭基地煤炭生产能力达到1.3亿 t；火电装机容量达到16 000MW；煤化工行业中主要产品产能达到：煤炭间接液化820万 t/a，煤基甲醇430万 t/a，合成氨48万 t/a，尿素70万 t/a，煤基烯烃162万 t/a，焦炭720万 t/a；水资源供给供水能力达到3.3亿 m3，支撑基地工业项目、居民生活和生态用水需求[7]。

宁东煤炭基地煤炭采选行业到2020年原煤入选率应达到80%以上[10]。同时，选取宁东羊场湾煤矿等16座已建煤矿和金家渠煤矿等9座规划煤矿进行分析，目前宁东煤炭基地煤炭洗选工程均采用湿法选煤工艺，露天煤矿产能约占基地原煤总产量的3.4%，其中井工矿用水定额为0.11～0.80 m3/t、露天矿用水定额为0.17～0.28 m3/t、洗选煤用水定额为0.03～0.25 m3/t。同时，《取水定额第11部分：选煤》、《清洁生产标准 煤炭采选业》和《宁夏工业主要产品取水定额》中已明确了煤炭开采、洗选用水定额的约束值或推荐值。

宁东煤炭基地燃煤发电行业根据中国电力企业联合会2015年度数据以及《宁东煤电基地科学开发规划水资源论证报告书》，综合考虑已建及规划建设项目，预计2020年空气冷却约占全部电厂的84%，其中300 MW级占22%、用水定额0.25～0.50 m3/MW·h，600 MW级占45%、用水定额0.25～0.38 m3/MW·h，1 000 MW级占33%、用水定额0.38 m3/MW·h；循环冷却约占全部电厂的16%，大部分为300 MW级、用水定额1.50～1.72 m3/MW·h，300 MW级以下可忽略不计；装机利用小时数按2015年宁夏火电装机平均运行5 422 h计。同时，《取水定额第1部分：火力发电》、《节水型企业火力发电行业》、《电力(燃煤发电企业)行业清洁生产指标体系》、《宁夏工业主要产品取水定额》对不同冷却方式、不同机组装机级别的单位发电量取水定额指标进行了规定。

宁东煤炭基地煤化工行业根据《宁夏回族自治区化学工业“十三五”发展规划》，将控制合成氨、焦炭产能新增，大力发展煤制油、煤制烯烃等现代煤化工产业。其用水定额指标依据收集到的宁东煤化工行业2个已建项目和3个规划项目资料，为煤制甲醇5.3～18.3 m3/t、煤制烯烃7.7～57.4 m3/t、煤炭间接液化6.0～7.0 m3/t。同时，《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》、《取水定额 第8部分:合成氨》、《清洁生产标准 炼焦行业》、《宁夏工业主要产品取水定额》明确了宁东煤炭基地不同煤化工产品的用水定额指标。

因为信息不畅通等原因[3]，这些仪器设备往往只在课题组或学院内部使用，存在闲置浪费现象，专业化服务能力也有待提高。另一方面，一些刚刚入校的年轻教师因为经费不足，没有能力购买需要的科研设备[4]；有些院系和科研院所有跨学科跨行业科研的需求；有些企业或个人因为技术创新研究或其他原因，也需要仪器设备，社会各界对于科研设施与仪器设备的开放共享具有广泛而迫切的需求。

3.2 预测成果

考虑我国煤炭行业产能过剩影响，仅以2015年宁东煤炭基地发展现状和2020年近期发展规划为依据，在上述分析宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工行业内不同生产工艺比重基础上，预测2020年宁东煤炭基地不同用水水平情景下的需水量。

情景1：国家及地方标准约束

此时宁东煤炭基地用水水平以国家及宁夏回族自治区用水定额标准中的约束值作为宁东煤炭基地水资源需求的最高允许值。预测2020年宁东煤炭基地煤炭采选需水0.43亿 m3，燃煤发电需水0.69亿 m3，煤化工需水1.34亿 m3，共计需水2.46亿 m3。

情景2：2015年平均用水水平

以2015年宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工企业实际用水水平和新建项目设计值表征宁东煤炭基地现状用水水平(当指标缺失时以宁夏工业主要产品取水定额为标准)，取其平均值作为宁东煤炭基地2020年用水水平。结果显示：2020年宁东煤炭基地煤炭采选需水0.73亿 m3，燃煤发电需水0.47亿 m3，煤化工需水1.97亿 m3，共计需水3.17亿 m3。相比情景1，煤炭采选和煤化工行业需水量明显变大，主要是2015年宁东煤炭基地部分煤炭采选和煤化工企业用水效率已低于国家及宁夏回族自治区用水定额要求，致使宁东煤炭基地需水量增大28.9%。

图3 2020年宁东煤炭基地不同情景下主要行业需水量

情景3：全国先进用水水平

以国家标准、规范和规划，以及宁夏回族自治区用水定额标准中的最优值代表全国先进用水水平，预测2020年宁东煤炭基地用水达到全国先进水平时需水量。结果显示：2020年宁东煤炭基地煤炭采选需水0.24亿 m3，燃煤发电需水0.44亿 m3，煤化工需水1.22亿 m3，共计需水1.90亿 m3。相比情景1，宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工行业需水量均明显下降，总体需水量减少22.7%。

情景4：2015年最优用水水平

以2015年宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工企业实际用水水平和新建项目设计值中的最优值代表2020年宁东煤炭基地用水水平，则2020年宁东煤炭基地煤炭采选需水0.18亿 m3，燃煤发电需水0.42亿 m3，煤化工需水1.29亿 m3，共计需水1.89亿 m3。相比情景3，煤炭采选和燃煤发电行业中部分企业当前已达到或优于全国先进用水水平，但煤化工行业用水水平距离全国先进用水水平尚有差距，总体需水量相差不超过1%，如图3所示。

通过上述分析，可发现宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工行业用水水平不均衡，其中煤炭采选企业部分已达到全国先进水平，但总体用水水平超出国家及地方标准限制；燃煤发电企业总体用水水平满足国家及地方标准限制，且部分已达到全国先进水平；煤化工企业整体用水水平与国家及地方标准要求尚有差距，且需水量占宁东煤炭基地总需水量的54%以上，是基地未来水资源管理的重点。按照《宁夏水利发展“十三五”规划》、《宁夏回族自治区化学工业“十三五”发展规划》要求，结合宁东煤炭基地工业用水现状，预计2020年宁东煤炭基地煤炭采选与煤化工行业总体用水水平达到国家及地方标准要求、燃煤发电行业达到全国先进水平，组合情景1和3，预测2020年宁东煤炭基地水资源需求为2.22亿 m3。

4 结语

通过分析煤炭采选、燃煤发电、煤化工各行业不同生产环节用水差异，提出基于不同生产工艺路径的煤炭基地水资源需求预测方法，并对宁东煤炭基地进行实例分析，主要结论如下：

(1)2015年宁东煤炭基地用水量从2010年的0.6亿 m3增长至1.5亿 m3，水资源需求急剧增加。如维持2015年现状用水水平，预计2020年宁东煤炭基地需水量将达到3.17亿 m3，其中煤化工行业需水量占62%，已接近宁东煤炭基地2020年3.3亿 m3的规划供水能力，将挤占基地生态用水和其他行业用水需求，进一步强化水资源管理十分必要。

(2)将宁东煤炭基地各行业现状用水水平与国家及地方标准约束值和全国先进值对比，可发现宁东煤炭基地主要行业用水水平从高到低排序为：全国先进值、燃煤发电行业、国家及地方标准约束值、煤化工行业、煤炭采选行业。当2020年宁东煤炭基地各行业全部达到全国先进用水水平时，水资源需求量为1.90亿 m3。

(3)当宁东煤炭基地2020年各行业用水水平达到2015年最优用水水平时，宁东煤炭基地需水总量为1.89亿 m3，可达到全国工业用水先进水平。但考虑宁东煤炭基地煤炭采选、燃煤发电和煤化工行业用水水平的不均衡性，以及“十三五”期间水资源管理目标，预计2020年宁东煤炭基地水资源需求量为2.22亿 m3，距离全国先进水平尚有差距。

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[7]宁夏回族自治区发展和改革委员会.宁夏回族自治区宁东能源化工基地开发总体规划[R].2008.

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[10]国家能源局, 环境保护部, 工业和信息化部. 关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见[S]. 2014.

Water resources prediction of coal base in Ning dong

ZHANG Xu1，2,WANG Xiao-jun1，2,LIU Yong-gang3，SHANG Man-ting4，HAN Yi-hua5

(1.National key laboratory of Hydrology and water resources and water conservancy projects in nanjing hydraulic research institute, Jiangsu Nanjin 210029；2. Ministry of water resources climate change research center, Jiangsu Nanjin 210029；3. Water resources management office of Shaanxi province, Shaanxi, Xi'an, 710004；4. Hefei University of Technology, Anhui, Hefei,230009；5. development Research Center of Ministry of Water Resources, Beijing, 100038)

Ningdong coal base is located in the Middle East Ningxia, Lack of regional water resources, at current the base plan and development coal selecting, coal-fired power generation, coal chemical industry more high water consumption industries, leads to the contradiction between supply and demand of water resources will be increasingly strained. This paper, analyzed the present situation and problems of the development and utilization of water resources in east Ningxia coal base, concluded that coal base industrial water consumption accounts for over 92% of the total water base. Coal selecting, Industry rapid development is facing significant pressure conditions of water resources in such as coal-fired generation, coal chemical industry, needed to control industrial base withdrawals, The future water demand is adapted to regional water resource conditions. Thinking of China's coal industry overcapacity under the background, based on the recent development plan of 2015 and the current situation of the development of 2020,based on the analysis of the different proportion of production technology of the coal selecting, coal-fired power generation and coal chemical industry, Presented forecasting methods based on different production technology path coal base water demand, predicted the demand for water resources under different scenarios in 2020,provided support for strengthening coal base of water resources management.

Coal base；water resource；demand forecast；ningdong

2017-02-14

国家自然科学基金(51309155)；中国工程院重大咨询项目专题(2016-ZD-08-05-02)；中央分成水资源费(1261430210021；1261530210042)；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室基本科研业务费专项资金项目(Y515023)；中央财政水资源节约、管理与保护项目(126302001000150001)资助

张旭(1989-)，男，山东高唐人，在读硕士研究生，主攻方向：工业用水管理研究。

刘永刚(1973-)，男，陕西陇县人，高级工程师，主要从事水资源管理工作。

TV213.4

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1004-1184(2017)03-0099-04