人类活动影响下内陆干旱区张掖盆地需水量预测

陈益平，秦欢欢,2

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013)

集中了全球大部分贫困人口的干旱区广泛分布于世界各地[1]，随着人口的剧增和经济的发展，水资源逐渐成为内陆干旱区社会经济和资源环境可持续发展的关键制约因素之一[2-4]。我国干旱区以仅占全国3.3%和5.5%的地表水及地下水支撑着全国24.5%的土地面积及其上的人口[1,5]，水资源形势十分严峻。我国干旱区水资源利用中存在水资源供需矛盾突出(多年平均降水<200 mm，干燥系数>3.5)、供用水结构不合理(地表水开发利用率低，地下水超采，农业用水占比过高)、用水效率低下(生产生活节水的水平较低，用水效率偏低)、生态问题日益严重(经济发展用水挤占生态用水，造成生态环境退化)及水资源管理体制和机制不健全(水资源统一调度机制、管理制度不完善，水价改革不彻底)等主要问题[6]。我国干旱区典型区域，包括黑河流域[7]、艾比湖流域[8]、石羊河流域[9]和塔里木河流域[10]，都已经出现了严重的水资源矛盾，造成了一系列诸如湖泊萎缩、土地沙化、植被退化等生态环境问题，也让这些区域付出了巨大代价。因此，针对内陆干旱区水资源利用中存在的问题进行研究，是干旱区社会经济可持续发展和水资源可持续利用的必然要求，具有重要的科学意义和指导价值。

黑河是我国第二大内陆河，发源于祁连山北麓。黑河流域气候干旱，水资源严重匮乏，生态环境脆弱，水资源逐渐成为社会经济发展的制约因素[11,12]。处于河西走廊中段、黑河流域中游的张掖盆地是黑河流域的主要经济区和用水区，全流域88.47%的人口和87.93%的GDP集中于此[13]。张掖盆地年均降水量190 mm，年均潜在蒸散发1 325 mm，具有干旱区水资源的典型特点。2000年国家对黑河流域实施分水政策以来，人口增长、经济发展、城镇化推进、分水方案实施及水利工程建设等人类活动对黑河流域水资源的影响越来越突出[11,14]，由此导致了中下游水量分配矛盾、河川断流等一系列生态环境问题[11,15-17]。在此情况下，合理预测张掖盆地需水量能够为其经济发展模式选择及水利工程建设等提供更多合理的科学依据[18]。

传统的需水量预测方法采用基于历史数据的定量关系[19]，忽略了诸多因素及其之间的相互关系，无法获得内陆干旱区需水量的系统行为[20]，更无法定量刻画人类活动对需水量的影响，而系统动力学(System Dynamics, SD)方法是处理这类问题的有效工具。SD方法在处理水资源系统动态变化及需水量预测中优势显著[21]，在生态、环境等领域获得了广泛的应用[22-25]。本文采用SD方法定量描述影响张掖盆地需水量的各种因素及其关系，考虑人口增长、城镇化、节约用水等人类活动，通过建立不同情景来预测张掖盆地2019-2050年的需水量。通过对结果的分析探讨不同人类活动对张掖盆地需水量的影响程度，为张掖盆地水资源可持续利用和发展提供科学的建议。

1 材料和研究方法

1.1 研究区概况

总面积14.3 万km2的黑河流域(98°～102°E，37°50′～42°40′N)是我国第二大内陆河流域，发源于祁连山北麓，与石羊河、疏勒河及居延海在东、西和北三面毗邻，战略地位十分重要。黑河出山口莺落峡以上为上游(年降水量350 mm，是黑河流域的产流区)，莺落峡至正义峡为中游(干旱严重，年降水量仅140 mm，蒸发量达1 410 mm)，正义峡以下为下游(极端干旱区，年降水量47 mm，蒸发量高达2 250 mm)。研究区张掖盆地位于黑河流域中游、古丝绸之路和今日亚欧大陆桥之要地，农牧业开发历史悠久，享有“金张掖”之美誉，面积近9 000 km2。张掖盆地在行政上属于甘肃省张掖市，包括民乐、山丹、甘州、临泽和高台五个县区，是黑河流域的主要经济区和用水区，2012年人口127万，GDP总额266 亿元，大牲畜91.3 万头，羊285.9 万只，猪146.9 万头，家禽1 087.7 万只，农田面积17.33 万hm2，粮食总产量90 万t。张掖盆地是黑河流域人类活动最集中的地方，除了黑河干流之外，人工水系和绿洲已经逐渐取代了天然水系和绿洲[26]。人工绿洲规模的扩大，带来的是水资源利用量的飞速增长，水资源承载力渐渐不足。张掖盆地总用水量占全流域的近87%，2000年通过水利工程供水量20.75 亿m3，其中近97%供水用于农业灌溉。

1.2 需水量计算方法

需水量按不同用水部门可分为农业需水量(包括灌溉、牲畜和林渔需水量三部分)、生活需水量、工业需水量和生态环境需水量。其中林渔需水量和生态环境需水量是模型的输入变量(时间序列变量)，不需通过模型计算；牲畜需水量采用定额法进行计算；灌溉、生活和工业需水量采用基于宏观经济模型、综合考虑各种影响因素的SD方法进行计算。具体来说，灌溉需水量与作物的水文及农学特征直接相关，相关因素包括作物种类、生长阶段、面积、参考蒸散发、有效降水等；生活需水量与研究区人口和人均收入有关系，相关因素包括总人口及增长率、GDP、水价、用水量收入弹性等；工业需水量与收入和用水技术有关系，相关因素包括GDP、技术进步、收入等。鉴于篇幅有限，具体计算方法参见文献[13]，此处不再赘述。

2 张掖盆地需水量预测SD模型

2.1 SD模型构建

张掖盆地需水量预测SD模型包括需水和供水两部分，前者包括农业、生活、工业和生态环境需水，其中农业需水包括灌溉、牲畜和林渔需水；后者包括地表水、地下水和污废水回用，图1展示了需水和供水系统之间相互作用及影响因素。气象、灌溉面积、牲畜及用水定额是农业需水的影响因素，人口及用水习惯决定了生活需水，工业规模及用水技术是工业需水的决定因素。供需水之间不平衡会造成水资源短缺问题，而缺水问题会在一定程度上影响需水量。在掌握这些定性的相互关系基础上，通过流图将其定量化并在VENSIM Professional软件上实现，通过设定不同情景便可以进行模拟，具体细节见文献[13]。

图1 张掖盆地SD模型概念模型图Fig.1 Conceptual model diagram of SD model in Zhangye basin

2.2 SD模型校准

模型模拟对象是黑河中游张掖盆地(包含甘州、民乐、临泽、高台和山丹5个区县)，校准期为2000-2018年，预测期为2019-2050年，时间步长为1年。表1是张掖盆地SD模型主要流位变量和需水量的相对误差，这些变量的历史数据来源于甘肃省统计年鉴和甘肃省水资源公报，模拟数据来源于SD模型的模拟。从表1可看出，在校准期内各变量的相对误差大多在±5%以内，说明模型校准是成功的，模拟结果能较准确刻画SD模型的系统行为，建立的SD模型可用于下阶段的需水量预测。

表1 模型中主要变量的相对误差 %

2.3 情景设计

情景设计和分析必须在一定的合理假设之下进行，这些假设包括：①气象数据(降水和参考蒸散发)采用历史数据重复使用的形式，生成预测期的数据；②大/小牲畜种类及用水定额、作物种类、面积和生长特征保持不变；③2018年的模拟结果作为预测期的初始值。影响张掖盆地需水量及水资源利用的人类活动有多种，本文考虑了经济发展、城镇化进程、节约用水等3种人类活动，共设计了三大类五小类情景(表2)。现状保持情景BAU假设保持现状经济结构的发展趋势，2030和2050年GDP增长率、城镇化率和总人口增长率分别设为5%和3%，55%和70%以及0.2%和0.1%。人类活动情景HA包含经济发展情景HA1、城镇化发展情景HA2和节约用水情景HA3，其中HA1强调经济的优先发展权，2030和2050年GDP增长率和总人口增长率分别设为10%和12%及0.5%和0.7%，其余参数保持和BAU一致；HA2考虑由于“一带一路”倡议而使得张掖盆地城镇化加快，由此将预测期内作物面积减少30%，2030和2050年GDP增长率和总人口增长率设为7%和10%及0.5%和0.7%，其余参数保持和BAU一致；HA3考虑节约用水措施的实施，将预测期内牲畜用水定额减少40%，其余参数保持和BAU一致。综合发展情景CD综合考虑以上3种人类活动的影响，2030和2050年GDP增长率、总人口增长率分别设为7%和10%及0.45%和0.60%，预测期内作物面积减少30%，牲畜用水定额减少40%，其余参数保持和BAU一致。

表2 张掖盆地需水量预测情景设计Tab.2 Scenario design of water demand prediction in Zhangye basin

3 结果与分析

3.1 需水量预测结果

表3为预测期内张掖盆地各需水量预测结果，从表3可以看出，生活和工业需水量在5种情景下均保持增长态势，农业需水量由于受到气象因素的波动而表现出一定的波动性，也使得总需水量表现出类似的波动性。预测期内平均来说，5种情景下张掖盆地分别需要26.21、26.21、19.51、25.77和19.07 亿m3的水用于农业生产，0.62、0.69、0.65、0.62和0.64 亿m3的水用于居民生活，1.75、3.24、2.15、1.71和2.16 亿m3的水用于工业生产，以及28.80、30.35、22.52、28.31和22.09 亿m3的水用于支撑整个张掖盆地的发展。总体来说，5种情景下农业需水量的大小关系是BAU=HA1>HA3>HA2>CD，总需水量的大小关系是HA1>BAU>HA3>HA2>CD，提高经济发展速度情景需水量最多，综合发展情景需水量最少。不同人类活动对张掖盆地需水量的影响各不相同，提高经济发展速度情景HA1中由于强调经济的发展，导致工业需水量大幅增加85.14%，生活需水量增加11.29%，农业需水量没有变化，而总需水量增加5.38%(表4)；城镇化加速情景HA2中由于城镇化而减少了作物种植面积，由此导致农业需水量减少25.56%，生活和工业需水量分别增加4.84%和22.86%，受此影响，总需水量减少21.81%(表4)；节约用水情景HA3中由于节约用水措施的实施，农业需水量略微减少1.68%，生活需水量不变，工业需水量减少2.29%，总需水量减少1.70%(表4)。这些分析说明，提高经济发展速度将显著增加张掖盆地用水量；而城镇化加速一方面显著减少农业需水量，另一方面会显著增加工业需水量，从而使总需水量显著减少21.81%；由于节约用水措施主要实施在牲畜用水方面，故只略微减少农业和工业需水量，生活需水量不受影响，总需水量同样略微减少。作为3种人类活动情景的综合，情景CD下农业需水量减少27.24%，生活和工业需水量分别增加3.23%和23.43%，总需水量则减少23.30%。

表3 张掖盆地需水量预测结果 亿m3

表4 不同情景相对于情景BAU的平均需水量变化率 %

图2为农业和总需水量在不同情景下的箱型图，从图2可以获得需水量在预测期内的大小分布和平均值的信息(最大值、最小值、中位数、平均数和上下四分位数等)。所有情景下张掖盆地农业需水量的最大值是37.60 亿m3(情景BAU的2041年)，最小值是12.51 亿m3(情景CD的2019年)；总需水量的最大值是44.89 亿m3(情景HA1的2046年)，最小值是14.07 亿m3(情景CD的2019年)。不同情景下农业需水量和总需水量的波动性比较大，表现在箱型图中竖向5%～95%区间线的长短不同。正是由于各情景所强调的侧重点不同，才导致占需水量主要部分的农业需水量及总需水量在不同情景下分布的不一样，这也从一定程度上反映出不同人类活动对张掖盆地农业及总需水量影响程度的不同。

图2 农业需水量和总需水量箱型图Fig. 2 Box charts of agricultural water demand and total water demand

鉴于张掖盆地是黑河流域最主要的农业区，农业用水在张掖盆地所有用水部门所占的比重一直居高不下(图3)。预测期内，5种情景下农业需水量占总需水量的平均比重均在86%以上，分别为90.79%、86.60%、86.60%、90.77%和86.24%，大小关系是BAU>HA3>HA1=HA2>CD。由于农业用水在张掖盆地所具有的绝对优势，人类活动相关的情景只能略微降低农业需水量所占的比重，要显著降低农业需水量及其所占比例，需要多管齐下、加大相关措施的力度才能奏效。作为对比，五种情景下生活需水量占总需水量的平均比重分别为2.23%、2.31%、2.94%、2.26%和3.00%，大小关系是CD>HA2>HA1>HA3> BAU；工业需水量占总需水量的比重分别为6.21%、10.35%、9.47%、6.18%和9.76%，大小关系是HA1>CD>HA2>BAU>HA3。不同情景下农业、生活和工业需水量占总需水量比重的差异性说明不同人类活动对于张掖盆地需水量影响程度的不同。经济发展情景HA1和城镇化进程加速情景HA2可以把农业需水量比重降低4%左右，而节约用水情景对农业需水量比重则几乎没有影响。与此同时，经济发展情景HA1对工业需水量比重的影响较大，可以将该比重从6.21%提升到10.35%；城镇化进程加快情景HA2则可以将工业需水量比重从6.21%提升至9.47%；节约用水情景HA3则会略微降低工业需水量比重。3种人类活动情景对生活需水量比重的影响均比较小，其对该比重变化的影响在0.03%～0.71%之间。作为3种人类活动情景的综合，情景CD则可以将农业需水量比重降低4.55%，将生活和工业需水量比重分别提升0.77%和3.55%。

图3 不同情景下部门需水量占总需水量的平均比重Fig.3 Average proportions of sectoral water demand to total water demand under different scenarios

3.2 人类活动对需水量的影响

从模拟结果和表4看，3种人类活动对需水量的影响方向和程度是不同的。经济发展情景HA1对除农业需水量以外所有需水量均产生正影响，影响程度最大的是工业需水量；城镇化进程加速情景HA2对生活和工业需水量产生正影响，对农业和总需水量产生负影响，影响程度最大的是农业需水量；节约用水情景HA3对除生活需水量以外所有需水量均产生负影响，但这种负影响程度较低。如果张掖盆地把经济发展放在首位，那么工业和生活需水量将分别增加85.14%和11.29%，但由于这两者在总需水量中所占的比例均较小，所以总需水量将略微增加5.38%。处于“一带一路”核心地带的张掖盆地将面临城镇化进程加快的情况，那么在该种情景下农业需水量将降低25.56%，而工业和生活需水量则将分别上升22.86%和4.84%，由于农业需水量占总需水量比重很大，总需水量将因此而下降21.81%。节水措施的采用，对于需水量产生不显著的负影响，这是由于一方面只考虑了牲畜用水方面的节水措施，另一方面节水措施的实施程度亦不大。如果把3种人类活动综合考虑，那么将产生比它们单独作用更显著的效果，农业需水量下降27.24%，生活和工业需水量分别上升3.23%和23.43%，总需水量则下降23.30%。

3.3 内陆干旱区水资源可持续利用

内陆干旱区普遍具有“降水量少，蒸发量大”的特点，由此导致的水资源供需短缺问题将会对当地社会经济发展及资源环境保护产生极大的制约作用。不同人类活动对内陆干旱区水资源利用会产生不同方向和程度的影响，尤其是对农业需水量和总需水量的影响是考虑的重点。单方面考虑某种人类活动的影响，会有顾此失彼情况出现。在“一带一路”倡议提出和国家相关扶持政策出台的情况下，经济发展和城镇化进程加速是我国西北内陆干旱区必然会面临的新情况，同时在社会经济发展和水资源利用过程中节约用水理念和技术是可持续发展的内在要求。通过对五种情景进行对比，可以发现，在预测期内综合发展情景CD平均每年需要22.09 亿m3的水，小于其余情景(分别需要28.80、30.35、22.52及28.31 亿m3)；农业生产需要19.07 亿m3的水，小于其余情景(分别需要26.21、26.21、19.51和25.77 亿m3)；农业需水量占总需水量比重为86.24%，小于其余情景(分别为90.79%、86.60%、86.60%和90.77%)；因此，内陆干旱区水资源可持续利用必须综合考虑经济发展、城镇化加剧和节约用水等各种人类活动的影响，只有这样才能显著降低农业生产用水量及总用水量，进而保证水资源可持续利用和发展。鉴于城镇化加剧对于农业用水量的显著影响及农业用水对于粮食安全的保障作用，在城镇化过程中不能进行盲目的土地扩张及减少农业用地，要保持一个合理的土地利用比例，以便保障内陆干旱区的粮食安全和用水安全。

4 结 论

地处内陆干旱区的张掖盆地，社会经济发展受到水资源的制约，而水资源利用又受到不同人类活动影响，对其需水量的预测显得十分重要和必要。本文考虑了经济发展、城镇化加剧和节约用水3种人类活动，通过系统动力学模型对张掖盆地2019-2050年需水量进行预测，可以得到以下结论：

(1)预测期内，张掖盆地生活和工业需水量保持增长趋势，农业需水量和总需水量表现出一定的波动性。平均来说，5种情景下张掖盆地农业需水量分别为26.21、26.21、19.51、25.77和19.07 亿m3，生活需水量分别为0.62、0.69、0.65、0.62和0.64 亿m3，工业需水量分别为1.75、3.24、2.15、1.71和2.16 亿m3，总需水量分别为28.80、30.35、22.52、28.31和22.09 亿m3。

(2)农业用水在张掖盆地所有用水部门所占比重一直居高不下，预测期内5种情景下农业需水量占总需水量平均比重分别为90.79%、86.60%、86.60%、90.77%和86.24%。不同情景下农业、生活和工业需水量占总需水量比重的差异性说明不同人类活动对张掖盆地需水量影响程度的不同。

(3)经济发展情景对除农业需水量以外所有需水量均产生正影响，影响程度最大的是工业需水量；城镇化进程加速情景对生活和工业需水量产生正影响，对农业和总需水量产生负影响，影响程度最大的是农业需水量；节约用水情景对除生活需水量以外所有需水量均产生负影响，但这种负影响程度较低。

(4)内陆干旱区水资源可持续利用必须综合考虑经济发展、城镇化加剧和节约用水等各种人类活动的影响，只有这样才能显著降低农业生产用水量及总用水量，保证水资源可持续利用和发展。同时，在城镇化过程中不能进行盲目的土地扩张及减少农业用地，要保持一个合理的土地利用比例，以便保障内陆干旱区的粮食安全和用水安全。