黃河流域需水分層預測

武 見，明廣輝,周翔南，嚴登明，張永永，賈冬梅

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水資源需求預測是進行水資源規劃、配置和管理的基礎和核心內容之一[1-2]。未來用水量的變化趨勢如何，既是制定正確的供需平衡對策的前提，也是國家宏觀經濟布局和重大水利工程決策的依據。對水資源需求規律認識的不足和需水管理認識的落后會導致對需水預測的失誤[3-4]，如20世紀80年代初，《中國水資源利用》[5]預測2000年全國總需水量約為7 096億m3，實際上2000年全國的用水量僅為5 497.6億m3；1982年黃河流域各省(區)編制了利用黃河水資源的規劃，預測2000年黃河流域需水量高達696億m3，超黃河天然徑流量近120億m3，而2000年實際用水量僅為480.68億m3[6]。

馬斯洛[7]認為人類的需求是分層逐步實現的。經濟社會中不同行業對水資源的需求也是分層次的，水資源的供給首先要滿足各行業的基本生存需水，然后才是更高層次的發展需水。Gleick[8]通過搜集各國的用水實例，較早地進行了維持人類生存的最小需水量研究。生態需水研究中最小和適宜生態流量概念就是根據生態系統服務的不同需水要求而提出的[9]。張雷等[10]根據馬斯洛需求層次理論將水資源開發利用過程分為工程水利、資源水利、人水和諧水利3個階段。侯保燈等[11]基于馬斯洛需求層次理論，將水資源需求分為基本需求、發展需求、和諧需求3個層次，并應用于普洱市水資源需求預測中。田文凱等[12]基于生活用水需求的層次化分析，提出了居民生活需水精細化管理的必要性和對策建議。

水資源需求涉及經濟社會、生態環境、科學技術、文化以及政治等多方面的因素，不同用水行業的用水過程十分復雜[13]。國內外從用水行業的用水過程角度考慮用水機制的研究越來越多，比如，作物需水從SPAC(土壤-作物-大氣連續系統)角度考慮了作物不斷生長階段的需水規律[14]，生態需水注重生態系統功能和水文過程的相互反饋作用[15]，居民生活需水考慮了水資源的不同用途[12]等。為了揭示不同行業需水機理，很多研究者[16-23]采用統計分析的方法分析了影響各行業需水的主要因素，并進行了模擬研究。

隨著水資源供需矛盾的加劇，需水精細化管理成為社會發展的必然。本文基于馬斯洛需求層次理論，提出了包括剛性、剛彈性和彈性需水的3層需水分層預測方法，并根據不同用水行業的用水特點進行層次劃分，對黃河流域各行業需水進行了分層預測，并分析了預測成果的合理性。

圖1 黃河流域需水分層內涵Fig.1 Implication of water demand hierarchy in the Yellow River Basin

1 研究區概況

黃河是我國西北、華北地區的重要水源，作為孕育了中華民族的母親河，黃河以僅占全國2%的河川徑流量承擔著全國15%的耕地和12%人口的供水任務，同時還承擔著向流域外部分地區遠距離調水的任務。黃河流域人均徑流量473 m3，不足全國平均水平的1/4，是我國水資源極其短缺的地區之一。黃河流域是國家重要能源基地和糧食主產區，自20世紀70年代以來，用水剛性需求持續增長，加上氣候變化的影響，徑流量逐漸減少，水資源供需矛盾不斷加劇，水資源開發利用率從20世紀50年代初的12%提高到2016年的84%[6,24-25]。

在水資源高度缺乏的黃河流域，不可能完全滿足各行業所有用水需求，優先滿足各行業的剛性需求，并對彈性需求根據一定的原則進行分配是一種重要水資源配置策略，而分層次的需水預測為水資源分層配置提供了基礎。

2 預測方法

2.1 需水分層內涵

馬斯洛將人的需求劃分為5個層次，由低到高分別為生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我實現的需求。在經濟社會中，首先要滿足基本生存需水，然后才是更高層次的發展需水，與馬斯洛的需求層次理論有相通之處。尤其是在缺水流域，不可能所有的需水要求都能得到滿足，需要分類管控，進行分層配置。因此，根據馬斯洛需求層次理論，并考慮到流域水資源特征，提出剛性、剛彈性和彈性的黃河流域需水分層預測方法，其內涵如圖1所示。

a. 剛性需水。屬于第一層次的需求，對應馬斯洛需求層次理論中的生理和安全需求。是指滿足人類生活、生物生存、企業開工生產、河湖基本健康所需要的基本水量，一旦缺失將會使得用水行業面臨生存威脅。在不受資源和工程條件的制約下，此層次的需水量應全部滿足，配置時主要考慮公平原則。

b. 剛彈性需水。屬于第二層次的需求，對應馬斯洛需求層次理論中的社交和尊重需求，即提高生活品質、滿足糧食消費需求、發展工業和塑造適宜生態環境所需的水量，該層次水量可以促進生產效率和生活品質的提高。在水資源充足的條件下此層次需水應盡量滿足，配置時需遵循公平和效率協調原則。

c. 彈性需水。屬于第三層次的需求，對應馬斯洛需求層次理論中的自我實現需求，即維持生活中的奢侈消費、高耗水產業和人工營造高耗水景觀所需的水量。此層次需水是經濟社會得到充分發展，人民生活水平得到極大提高時對水資源的更高需求，在水資源充裕的流域可以滿足，并按照效率優先的原則配水。

2.2 需水分層計算方法

考慮到不同行業對水資源的需求過程和機理不同，因此針對不同行業的用水特點，制定了黃河流域不同行業的需水分層原則，如表1所示。

表1 基于行業用水特點的黃河流域需水分層原則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、優質生活和奢侈需求3個層次將生活需水分為剛性、剛彈性和彈性需水。由于第三產業用水基本為生活用水，因此把生活用水和第三產業用水放在一起進行分析。生活需水量采用人均日用水量方法進行預測，計算公式為

(1)

式中：Wn為年生活需水量，m3；R為區域用水人口，人；Qd為生活用水定額，L/(人·d)。

2.2.2農業需水

農業需水包括農田灌溉需水和林牧漁畜需水。由于林牧漁畜需水量較少，按照農田灌溉需水分層的比例劃分。農田灌溉層次劃分按照居民口糧安全和消費需求來劃分，剛性需求定義為滿足基本口糧的需水量，剛彈性需求為滿足消費自足的需水量，彈性需求為外銷的糧食所對應的需水量。

利用人均糧食需求和最小保有灌溉面積推求農田灌溉需水[26]。對于一定區域，糧食需求總量取決于人口數量、人均糧食消費水平以及糧食自給程度，而糧食生產總量取決于耕地面積、灌溉面積、復種指數、糧經比、單位面積產量等因素。從糧食供需平衡角度出發，在確保一定的區域糧食生產總量前提下，根據區域灌溉面積及其單位面積產量，確定最小保有灌溉面積，再結合灌溉定額確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見圖2。

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

具體計算方法如下：

a. 區域糧食需求總量。按照人口數量、人均糧食需求量以及糧食自給率確定本區域糧食需求總量，即：

D=Rqλ

(2)

式中：D為區域糧食需求總量，kg；q為人均糧食需求量，kg/人；λ為區域糧食自給率。

b. 灌溉地最小播種面積。根據灌溉地單位面積糧食產量，結合本區域糧食需求總量，計算灌溉地最小播種面積，即

A0=D/C

(3)

式中：A0為灌溉地最小播種面積，hm2；C為灌溉地單位面積糧食產量，kg/hm2。

c. 最小保有灌溉面積。結合區域糧經比、復種指數等指標求得最小保有灌溉面積，即：

Am=A0/(θφ)

(4)

式中：Am為區域最小保有灌溉面積，hm2；θ為糧食作物種植比例；φ為灌溉地復種指數。最小保有灌溉面積不應大于區域有效灌溉面積，否則在給定糧食自給率條件下區域糧食安全難以保證。

d. 最小保有灌溉需水量。根據灌溉需水對干旱等級的響應關系，求得不同干旱條件下的灌溉毛需水定額，進而可計算最小保有灌溉需水量，即：

Wmin=AmQi

(5)

式中：Wmin為區域最小保有灌溉需水量，m3；Qi為灌溉毛需水定額，m3/hm2。

2.2.3工業需水

將一般工業和建筑業用水需求定為剛性需求，高耗水工業用水需求定為剛彈性需求。采用趨勢法預測，一般工業和建筑業需水計算公式為

Qt2=Qt1(1-rt2)t2-t1

(6)

式中：Qt2、Qt1分別為第t2和第t1水平年的用水定額，m3；rt2為第t1至t2水平年取水定額年均遞減率，%，其值可根據變化趨勢分析后擬定。

2.2.4河道外生態需水

河道外生態剛性需水主要是指流域內城鎮綠化、環境衛生、湖泊濕地生態環境補水量與生態防護林灌溉用水。除了維護缺水地區的生態環境健康，黃河還需為其他流域生態進行補水，因此將流域外生態補水定為剛彈性需求。

a. 城鎮生態環境需水量。城鎮生態環境需水量指為保持城鎮良好的生態環境所需要的水量，主要包括城鎮綠化需水量和城鎮環境衛生需水量。采用定額法，即按下式計算：

Wg=AgQg

(7)

式中：Wg為城鎮生態環境需水量，m3；Ag為綠地面積，hm2；Qg為綠地灌溉定額，m3/hm2。

b. 湖泊濕地生態環境補水量。湖泊濕地生態環境補水量指為維持湖泊一定的水面面積需要人工補充的水量。湖泊濕地生態環境補水量可根據湖泊水面蒸發量、滲漏量、入湖徑流量等按水量平衡法估算，計算公式如下：

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

(8)

式中：Wl為湖泊濕地生態環境補水量，m3；A為需要保持的湖泊水面面積，hm2；E為水面蒸發量，mm；P為降水量，mm；F為滲漏量，m3；Ql為入湖徑流量，m3。

2.2.5河道內生態需水

主要包括汛期輸沙水量和非汛期生態環境需水量。汛期輸沙水量的作用主要是輸送泥沙和污染物。非汛期生態環境需水量作用是維持河道不斷流、保持合理地下水位和維持河口三角洲濕地生態系統穩定。需水分層按照河道內泥沙淤積比進行劃分。輸沙需水量可用下式計算：

Ws=Sl/Scw

(9)

式中：Ws為年輸沙需水量，m3；Sl為多年平均輸沙量，kg；Scw為多年平均汛期含沙量，kg/m3。

3 預測結果與分析

3.1 現狀用水水平分析

黃河流域1980—2017年河道外各行業用水量情況如圖3所示。黃河流域1980—2017年河道外各行業用水量按從大到小的順序排列為農業、工業、生活和生態。其中，農業用水量占比最大，占到總用水量的70%以上，1980—2000年逐漸升高，2000年之后逐漸下降，農業用水占比從1980年的87%下降到2017年70%；工業用水量1980—2000年增長較快，2012年以后穩定在60億m3左右；生活用水量1980—2017年增長了1.76倍，生態需水量2005—2017年增長了4.24倍；總用水量2000年以來較為平穩，2017年出現下降的趨勢。參考發達國家水資源利用的經驗，在黃河流域水資源短缺的剛性約束下，黃河流域用水量或已經達到河流可利用水資源量的極限[27-29]。

圖3 1980—2017年黃河流域河道外各行業用水量變化Fig.3 Changes of water usage in different lines of theYellow River Basin from 1980 to 2017

1999—2017年黃河流域水資源利用效率指標變化如圖4所示。1999年以來，隨著社會經濟的發展，人均GDP呈指數型增長，萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量均呈指數型減小。人均用水量和單位面積(指每公頃的1/15)灌溉用水量均緩慢降低。2017年人均用水量、萬元GDP用水量、耕地實際單位面積灌溉用水量、萬元工業增加值用水量均低于全國平均水平。以上分析說明，黃河流域節水水平和水資源利用效率的提高，是農業用水量降低和工業用水保持平穩的推動因子。

圖4 1999—2017年黃河流域水資源利用效率變化Fig.4 Changes of water use efficiency in the Yellow RiverBasin from 1999 to 2017

3.2 2030年需水分層預測結果分析

2030年黃河流域各行業需水量以及河道外總需水量分層預測結果如表2所示。

表2 2030年黃河流域各行業需水分層預測結果Table 2 Forecasting results of water demand hierarchy in different lines of the Yellow River Basin 億m3

a. 社會經濟發展預測。社會經濟發展預測是河道外需水預測的基礎。依據黃河流域人口增加趨勢和城鎮化率，預測2030年黃河流域人口達到 13 093.85萬人，其中城鎮和農村人口分別達到 7 703.92萬人和5 389.93萬人，比2016年11 957萬人增加了9.5%，其中城鎮人口增加了20.0%，而農村人口減少了3.4%。

b. 生活需水。考慮到黃河流域經濟社會發展相對滯后，特別是上中游地區和下游灘區，是我國貧困人口相對集中的區域。2017年黃河流域城鎮和農村居民平均用水定額僅為103 L/(人·d)和 51 L/(人·d)，遠小于我國發達地區和發達國家的用水水平。因此僅把黃河流域生活需水分為剛性和剛彈性需水兩部分。規劃2030年城鎮居民需水凈定額平均取110 L/(人·d)，考慮水利用系數0.89，毛定額取124 L/(人·d)。規劃2030年農村居民生活毛定額取72 L/(人·d)。預測2030年生活需水量65.21億m3，其中剛性48.60億m3，剛彈性16.61億m3。

c. 農業需水。黃河流域大部分處于干旱半干旱區，一半以上的耕地以及目前可供開發的大部分土地資源主要分布在必須灌溉的干旱半干旱地區。考慮到流域糧食消費水平，剛性需求定義為人均180 kg口糧安全的最小保有灌溉需水量，剛彈性需求定義為人均消費糧食180～400 kg對應的需水量，而超過400 kg人均糧食需求的外銷糧食所對應的需水量定義為彈性需求。2030年預測黃河流域農業需水量共334.28億m3，其中剛性、剛彈性和彈性需水量分別為161.82億m3、137.36億m3和 35.10億m3，分別占比48.41%、41.09%和10.50%。黃河流域彈性需水主要是內蒙古和河南的糧食外銷。

d. 工業需水。2030年黃河流域工業需水量為110.41億m3，比2017年56.82億m3提高94.32%。鄭州、西安、濟南等中心城市和中原等城市群加快建設，全國重要的農牧業生產基地和能源基地的地位進一步鞏固，新的經濟增長點不斷涌現，預計未來工業需水量仍會進一步增長。

e. 河道外生態需水。河道外生態需水量由2017年的17.30億m3增加到2030年的24.72億m3，全部為剛性需水。近年來隨著生態用水得到重視，用于流域外的生態補水越來越多，例如為促進烏梁素海的生態改善，從2013年起黃河每年向烏梁素海生態補水2億～3億m3。據《黃河水資源公報》，2011—2017年向流域外生態補水4.80億m3，包括引黃入淀(白洋淀)、引黃濟烏(烏梁素海)等。

f. 河道外需水總量。綜合以上分析，2030年河道外需水總量為534.62億m3，其中剛性、剛彈性和彈性需水分別為319.77億m3、179.75億m3和35.10億m3，占比分別為59.81%、33.62%和6.57%。

g. 河道內生態需水。中游來沙4億t、5億t、6億t、7億t和8億t情景下，利津斷面基本生態需水量分別為126.20億m3、149.32億m3、155.10億m3、174.27億m3和179.34億m3，下游河道淤積比為0.0%、0.0%、10.0%、10.0%和16.1%；考慮南水北調西線工程調入水量80億m3后，中游來沙 6億t 和8億t情景下，利津斷面適宜生態需水量分別為193.00億m3和210.93億m3，下游河道淤積比為4.3%和15.0%。預測的基本生態需水量與石偉等[30]預測中游來沙7億～10億t條件下利津生態需水量130～180億m3接近。

3.3 預測成果合理性分析

2030年需水量與2017年用水量對比如表3所示。本文預測的2030年河道外需水量比2017年增加了139.01億m3，增加了35.14%，其中生活需水量增加了35.05%，農業需水量增加了22.35%，工業需水量增加了94.32%。各行業間對比，農業需水量的增長率最低，工業需水量增長率最高，說明隨著農業節水水平提高，節約的水量被用于工業等效益更高的行業。河道外生態需水量增加了42.91%，南水北調西線工程通水后河道內生態需水量增加了28.64%，體現了生態文明建設和“幸福河”對生態保護的內在要求。2030年人均用水量411 m3，小于2017年全國人均用水量436 m3，說明流域整體的用水水平得到提高，符合黃河流域生態保護和高質量發展對水資源節約集約利用的要求。

表3 2030年預測需水量與2017年用水量對比Table 3 Comparison of forecasting water demand in 2030and the water consumption in 2017

從以上分析可知，2017—2030年需水量的變化與1980—2017年各行業用水量變化情況是一致的，說明本文的預測結果符合流域歷史用水規律。隨著黃河流域生態保護和高質量發展上升為國家戰略，未來流域用水仍將有一定的剛性增長，但考慮水資源最大剛性約束及節約集約利用，流域水資源需求上升速率會逐漸放緩，表明預測結果符合黃河流域新時期“生態優先，水資源節約集約利用”的用水要求。

4 結 論

a. 為了更好地提高需水預測的精度，并為缺水流域水資源分層配置提供參考，引入馬斯洛需求層次理論初步提出了包括剛性、剛彈性和彈性需水的黃河流域需水分層預測方法。

b. 考慮各行業需水過程的用水特點，制定了黃河流域各行業剛性、剛彈性和彈性需水分層的原則和計算方法。

c. 對黃河流域2030年需水分層進行了預測，預測結果符合黃河流域歷史用水規律和新時期“生態優先，水資源節約集約利用”的用水要求，表明預測方法和結果是合理的。