黄河流域需水分层预测

2020-10-20明广辉周翔南严登明张永永贾冬梅

水资源保护 2020年5期

武见，明广辉,周翔南，严登明，张永永，贾冬梅

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003)

水资源需求预测是进行水资源规划、配置和管理的基础和核心内容之一[1-2]。未来用水量的变化趋势如何，既是制定正确的供需平衡对策的前提，也是国家宏观经济布局和重大水利工程决策的依据。对水资源需求规律认识的不足和需水管理认识的落后会导致对需水预测的失误[3-4]，如20世纪80年代初，《中国水资源利用》[5]预测2000年全国总需水量约为7 096亿m3，实际上2000年全国的用水量仅为5 497.6亿m3；1982年黄河流域各省(区)编制了利用黄河水资源的规划，预测2000年黄河流域需水量高达696亿m3，超黄河天然径流量近120亿m3，而2000年实际用水量仅为480.68亿m3[6]。

马斯洛[7]认为人类的需求是分层逐步实现的。经济社会中不同行业对水资源的需求也是分层次的，水资源的供给首先要满足各行业的基本生存需水，然后才是更高层次的发展需水。Gleick[8]通过搜集各国的用水实例，较早地进行了维持人类生存的最小需水量研究。生态需水研究中最小和适宜生态流量概念就是根据生态系统服务的不同需水要求而提出的[9]。张雷等[10]根据马斯洛需求层次理论将水资源开发利用过程分为工程水利、资源水利、人水和谐水利3个阶段。侯保灯等[11]基于马斯洛需求层次理论，将水资源需求分为基本需求、发展需求、和谐需求3个层次，并应用于普洱市水资源需求预测中。田文凯等[12]基于生活用水需求的层次化分析，提出了居民生活需水精细化管理的必要性和对策建议。

水资源需求涉及经济社会、生态环境、科学技术、文化以及政治等多方面的因素，不同用水行业的用水过程十分复杂[13]。国内外从用水行业的用水过程角度考虑用水机制的研究越来越多，比如，作物需水从SPAC(土壤-作物-大气连续系统)角度考虑了作物不断生长阶段的需水规律[14]，生态需水注重生态系统功能和水文过程的相互反馈作用[15]，居民生活需水考虑了水资源的不同用途[12]等。为了揭示不同行业需水机理，很多研究者[16-23]采用统计分析的方法分析了影响各行业需水的主要因素，并进行了模拟研究。

随着水资源供需矛盾的加剧，需水精细化管理成为社会发展的必然。本文基于马斯洛需求层次理论，提出了包括刚性、刚弹性和弹性需水的3层需水分层预测方法，并根据不同用水行业的用水特点进行层次划分，对黄河流域各行业需水进行了分层预测，并分析了预测成果的合理性。

图1 黄河流域需水分层内涵Fig.1 Implication of water demand hierarchy in the Yellow River Basin

1 研究区概况

黄河是我国西北、华北地区的重要水源，作为孕育了中华民族的母亲河，黄河以仅占全国2%的河川径流量承担着全国15%的耕地和12%人口的供水任务，同时还承担着向流域外部分地区远距离调水的任务。黄河流域人均径流量473 m3，不足全国平均水平的1/4，是我国水资源极其短缺的地区之一。黄河流域是国家重要能源基地和粮食主产区，自20世纪70年代以来，用水刚性需求持续增长，加上气候变化的影响，径流量逐渐减少，水资源供需矛盾不断加剧，水资源开发利用率从20世纪50年代初的12%提高到2016年的84%[6,24-25]。

在水资源高度缺乏的黄河流域，不可能完全满足各行业所有用水需求，优先满足各行业的刚性需求，并对弹性需求根据一定的原则进行分配是一种重要水资源配置策略，而分层次的需水预测为水资源分层配置提供了基础。

2 预测方法

2.1 需水分层内涵

马斯洛将人的需求划分为5个层次，由低到高分别为生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我实现的需求。在经济社会中，首先要满足基本生存需水，然后才是更高层次的发展需水，与马斯洛的需求层次理论有相通之处。尤其是在缺水流域，不可能所有的需水要求都能得到满足，需要分类管控，进行分层配置。因此，根据马斯洛需求层次理论，并考虑到流域水资源特征，提出刚性、刚弹性和弹性的黄河流域需水分层预测方法，其内涵如图1所示。

a. 刚性需水。属于第一层次的需求，对应马斯洛需求层次理论中的生理和安全需求。是指满足人类生活、生物生存、企业开工生产、河湖基本健康所需要的基本水量，一旦缺失将会使得用水行业面临生存威胁。在不受资源和工程条件的制约下，此层次的需水量应全部满足，配置时主要考虑公平原则。

b. 刚弹性需水。属于第二层次的需求，对应马斯洛需求层次理论中的社交和尊重需求，即提高生活品质、满足粮食消费需求、发展工业和塑造适宜生态环境所需的水量，该层次水量可以促进生产效率和生活品质的提高。在水资源充足的条件下此层次需水应尽量满足，配置时需遵循公平和效率协调原则。

c. 弹性需水。属于第三层次的需求，对应马斯洛需求层次理论中的自我实现需求，即维持生活中的奢侈消费、高耗水产业和人工营造高耗水景观所需的水量。此层次需水是经济社会得到充分发展，人民生活水平得到极大提高时对水资源的更高需求，在水资源充裕的流域可以满足，并按照效率优先的原则配水。

2.2 需水分层计算方法

考虑到不同行业对水资源的需求过程和机理不同，因此针对不同行业的用水特点，制定了黄河流域不同行业的需水分层原则，如表1所示。

表1 基于行业用水特点的黄河流域需水分层原则Table 1 Principles of water demand hierarchy of the yellow River Bain based on water usage characteristics in different lines

2.2.1生活需水

按照基本生存、优质生活和奢侈需求3个层次将生活需水分为刚性、刚弹性和弹性需水。由于第三产业用水基本为生活用水，因此把生活用水和第三产业用水放在一起进行分析。生活需水量采用人均日用水量方法进行预测，计算公式为

(1)

式中：Wn为年生活需水量，m3；R为区域用水人口，人；Qd为生活用水定额，L/(人·d)。

2.2.2农业需水

农业需水包括农田灌溉需水和林牧渔畜需水。由于林牧渔畜需水量较少，按照农田灌溉需水分层的比例划分。农田灌溉层次划分按照居民口粮安全和消费需求来划分，刚性需求定义为满足基本口粮的需水量，刚弹性需求为满足消费自足的需水量，弹性需求为外销的粮食所对应的需水量。

利用人均粮食需求和最小保有灌溉面积推求农田灌溉需水[26]。对于一定区域，粮食需求总量取决于人口数量、人均粮食消费水平以及粮食自给程度，而粮食生产总量取决于耕地面积、灌溉面积、复种指数、粮经比、单位面积产量等因素。从粮食供需平衡角度出发，在确保一定的区域粮食生产总量前提下，根据区域灌溉面积及其单位面积产量，确定最小保有灌溉面积，再结合灌溉定额确定最小保有灌溉需水量。最小保有灌溉需水量基本分析思路见图2。

图2 最小保有灌溉需水量分析思路Fig.2 Analysis train of minimum irrigation water demand

具体计算方法如下：

a. 区域粮食需求总量。按照人口数量、人均粮食需求量以及粮食自给率确定本区域粮食需求总量，即：

D=Rqλ

(2)

式中：D为区域粮食需求总量，kg；q为人均粮食需求量，kg/人；λ为区域粮食自给率。

b. 灌溉地最小播种面积。根据灌溉地单位面积粮食产量，结合本区域粮食需求总量，计算灌溉地最小播种面积，即

A0=D/C

(3)

式中：A0为灌溉地最小播种面积，hm2；C为灌溉地单位面积粮食产量，kg/hm2。

c. 最小保有灌溉面积。结合区域粮经比、复种指数等指标求得最小保有灌溉面积，即：

Am=A0/(θφ)

(4)

式中：Am为区域最小保有灌溉面积，hm2；θ为粮食作物种植比例；φ为灌溉地复种指数。最小保有灌溉面积不应大于区域有效灌溉面积，否则在给定粮食自给率条件下区域粮食安全难以保证。

d. 最小保有灌溉需水量。根据灌溉需水对干旱等级的响应关系，求得不同干旱条件下的灌溉毛需水定额，进而可计算最小保有灌溉需水量，即：

Wmin=AmQi

(5)

式中：Wmin为区域最小保有灌溉需水量，m3；Qi为灌溉毛需水定额，m3/hm2。

2.2.3工业需水

将一般工业和建筑业用水需求定为刚性需求，高耗水工业用水需求定为刚弹性需求。采用趋势法预测，一般工业和建筑业需水计算公式为

Qt2=Qt1(1-rt2)t2-t1

(6)

式中：Qt2、Qt1分别为第t2和第t1水平年的用水定额，m3；rt2为第t1至t2水平年取水定额年均递减率，%，其值可根据变化趋势分析后拟定。

2.2.4河道外生态需水

河道外生态刚性需水主要是指流域内城镇绿化、环境卫生、湖泊湿地生态环境补水量与生态防护林灌溉用水。除了维护缺水地区的生态环境健康，黄河还需为其他流域生态进行补水，因此将流域外生态补水定为刚弹性需求。

a. 城镇生态环境需水量。城镇生态环境需水量指为保持城镇良好的生态环境所需要的水量，主要包括城镇绿化需水量和城镇环境卫生需水量。采用定额法，即按下式计算：

Wg=AgQg

(7)

式中：Wg为城镇生态环境需水量，m3；Ag为绿地面积，hm2；Qg为绿地灌溉定额，m3/hm2。

b. 湖泊湿地生态环境补水量。湖泊湿地生态环境补水量指为维持湖泊一定的水面面积需要人工补充的水量。湖泊湿地生态环境补水量可根据湖泊水面蒸发量、渗漏量、入湖径流量等按水量平衡法估算，计算公式如下：

Wl=A(E-P)/10+F-Ql

(8)

式中：Wl为湖泊湿地生态环境补水量，m3；A为需要保持的湖泊水面面积，hm2；E为水面蒸发量，mm；P为降水量，mm；F为渗漏量，m3；Ql为入湖径流量，m3。

2.2.5河道内生态需水

主要包括汛期输沙水量和非汛期生态环境需水量。汛期输沙水量的作用主要是输送泥沙和污染物。非汛期生态环境需水量作用是维持河道不断流、保持合理地下水位和维持河口三角洲湿地生态系统稳定。需水分层按照河道内泥沙淤积比进行划分。输沙需水量可用下式计算：

Ws=Sl/Scw

(9)

式中：Ws为年输沙需水量，m3；Sl为多年平均输沙量，kg；Scw为多年平均汛期含沙量，kg/m3。

3 预测结果与分析

3.1 现状用水水平分析

黄河流域1980—2017年河道外各行业用水量情况如图3所示。黄河流域1980—2017年河道外各行业用水量按从大到小的顺序排列为农业、工业、生活和生态。其中，农业用水量占比最大，占到总用水量的70%以上，1980—2000年逐渐升高，2000年之后逐渐下降，农业用水占比从1980年的87%下降到2017年70%；工业用水量1980—2000年增长较快，2012年以后稳定在60亿m3左右；生活用水量1980—2017年增长了1.76倍，生态需水量2005—2017年增长了4.24倍；总用水量2000年以来较为平稳，2017年出现下降的趋势。参考发达国家水资源利用的经验，在黄河流域水资源短缺的刚性约束下，黄河流域用水量或已经达到河流可利用水资源量的极限[27-29]。

图3 1980—2017年黄河流域河道外各行业用水量变化Fig.3 Changes of water usage in different lines of theYellow River Basin from 1980 to 2017

1999—2017年黄河流域水资源利用效率指标变化如图4所示。1999年以来，随着社会经济的发展，人均GDP呈指数型增长，万元GDP用水量和万元工业增加值用水量均呈指数型减小。人均用水量和单位面积(指每公顷的1/15)灌溉用水量均缓慢降低。2017年人均用水量、万元GDP用水量、耕地实际单位面积灌溉用水量、万元工业增加值用水量均低于全国平均水平。以上分析说明，黄河流域节水水平和水资源利用效率的提高，是农业用水量降低和工业用水保持平稳的推动因子。

图4 1999—2017年黄河流域水资源利用效率变化Fig.4 Changes of water use efficiency in the Yellow RiverBasin from 1999 to 2017

3.2 2030年需水分层预测结果分析

2030年黄河流域各行业需水量以及河道外总需水量分层预测结果如表2所示。

表2 2030年黄河流域各行业需水分层预测结果Table 2 Forecasting results of water demand hierarchy in different lines of the Yellow River Basin 亿m3

a. 社会经济发展预测。社会经济发展预测是河道外需水预测的基础。依据黄河流域人口增加趋势和城镇化率，预测2030年黄河流域人口达到 13 093.85万人，其中城镇和农村人口分别达到 7 703.92万人和5 389.93万人，比2016年11 957万人增加了9.5%，其中城镇人口增加了20.0%，而农村人口减少了3.4%。

b. 生活需水。考虑到黄河流域经济社会发展相对滞后，特别是上中游地区和下游滩区，是我国贫困人口相对集中的区域。2017年黄河流域城镇和农村居民平均用水定额仅为103 L/(人·d)和 51 L/(人·d)，远小于我国发达地区和发达国家的用水水平。因此仅把黄河流域生活需水分为刚性和刚弹性需水两部分。规划2030年城镇居民需水净定额平均取110 L/(人·d)，考虑水利用系数0.89，毛定额取124 L/(人·d)。规划2030年农村居民生活毛定额取72 L/(人·d)。预测2030年生活需水量65.21亿m3，其中刚性48.60亿m3，刚弹性16.61亿m3。

c. 农业需水。黄河流域大部分处于干旱半干旱区，一半以上的耕地以及目前可供开发的大部分土地资源主要分布在必须灌溉的干旱半干旱地区。考虑到流域粮食消费水平，刚性需求定义为人均180 kg口粮安全的最小保有灌溉需水量，刚弹性需求定义为人均消费粮食180～400 kg对应的需水量，而超过400 kg人均粮食需求的外销粮食所对应的需水量定义为弹性需求。2030年预测黄河流域农业需水量共334.28亿m3，其中刚性、刚弹性和弹性需水量分别为161.82亿m3、137.36亿m3和 35.10亿m3，分别占比48.41%、41.09%和10.50%。黄河流域弹性需水主要是内蒙古和河南的粮食外销。

d. 工业需水。2030年黄河流域工业需水量为110.41亿m3，比2017年56.82亿m3提高94.32%。郑州、西安、济南等中心城市和中原等城市群加快建设，全国重要的农牧业生产基地和能源基地的地位进一步巩固，新的经济增长点不断涌现，预计未来工业需水量仍会进一步增长。

e. 河道外生态需水。河道外生态需水量由2017年的17.30亿m3增加到2030年的24.72亿m3，全部为刚性需水。近年来随着生态用水得到重视，用于流域外的生态补水越来越多，例如为促进乌梁素海的生态改善，从2013年起黄河每年向乌梁素海生态补水2亿～3亿m3。据《黄河水资源公报》，2011—2017年向流域外生态补水4.80亿m3，包括引黄入淀(白洋淀)、引黄济乌(乌梁素海)等。

f. 河道外需水总量。综合以上分析，2030年河道外需水总量为534.62亿m3，其中刚性、刚弹性和弹性需水分别为319.77亿m3、179.75亿m3和35.10亿m3，占比分别为59.81%、33.62%和6.57%。

g. 河道内生态需水。中游来沙4亿t、5亿t、6亿t、7亿t和8亿t情景下，利津断面基本生态需水量分别为126.20亿m3、149.32亿m3、155.10亿m3、174.27亿m3和179.34亿m3，下游河道淤积比为0.0%、0.0%、10.0%、10.0%和16.1%；考虑南水北调西线工程调入水量80亿m3后，中游来沙 6亿t 和8亿t情景下，利津断面适宜生态需水量分别为193.00亿m3和210.93亿m3，下游河道淤积比为4.3%和15.0%。预测的基本生态需水量与石伟等[30]预测中游来沙7亿～10亿t条件下利津生态需水量130～180亿m3接近。

3.3 预测成果合理性分析

2030年需水量与2017年用水量对比如表3所示。本文预测的2030年河道外需水量比2017年增加了139.01亿m3，增加了35.14%，其中生活需水量增加了35.05%，农业需水量增加了22.35%，工业需水量增加了94.32%。各行业间对比，农业需水量的增长率最低，工业需水量增长率最高，说明随着农业节水水平提高，节约的水量被用于工业等效益更高的行业。河道外生态需水量增加了42.91%，南水北调西线工程通水后河道内生态需水量增加了28.64%，体现了生态文明建设和“幸福河”对生态保护的内在要求。2030年人均用水量411 m3，小于2017年全国人均用水量436 m3，说明流域整体的用水水平得到提高，符合黄河流域生态保护和高质量发展对水资源节约集约利用的要求。

表3 2030年预测需水量与2017年用水量对比Table 3 Comparison of forecasting water demand in 2030and the water consumption in 2017

从以上分析可知，2017—2030年需水量的变化与1980—2017年各行业用水量变化情况是一致的，说明本文的预测结果符合流域历史用水规律。随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略，未来流域用水仍将有一定的刚性增长，但考虑水资源最大刚性约束及节约集约利用，流域水资源需求上升速率会逐渐放缓，表明预测结果符合黄河流域新时期“生态优先，水资源节约集约利用”的用水要求。