基于分項定額法的華亭市水資源需水總量預測研究

雒 儀,王啟優(yōu),王海燕,馬 榕

(1.甘肅省平涼水文站，甘肅 平涼 744000；2.甘肅省水文站，蘭州 730030；3.甘肅省定西水文站，甘肅 定西 743000)

1 概述

華亭市位于甘肅省東部，隸屬于甘肅省平涼市管轄，是隴東煤電化產業(yè)發(fā)展基地。華亭市自2018年撤縣立市后經濟快速發(fā)展，工業(yè)方面立足煤炭資源著力打造千億級煤電化冶循環(huán)經濟，推動工業(yè)向更高層次發(fā)展。但是華亭市水資源總量短缺，時空分布不均衡，地下水資源過度開發(fā)，水土流失嚴重，資源環(huán)境承載能力弱[1]。隨著工業(yè)生產、生活和生態(tài)環(huán)境需水量的逐年增加，水資源供求關系日趨緊張，已嚴重影響到城市經濟社會可持續(xù)發(fā)展，華亭市規(guī)劃年需水總量預測研究顯得十分重要[2]。

需水總量預測是水資源規(guī)劃的重要組成部分，是區(qū)域水資源利用程度的體現(xiàn)，直接影響著一個地區(qū)的經濟發(fā)展水平和人民生活質量[3]，其目的是針對水資源的實際承載能力，綜合考慮時間、空間等多種因素，建立具有高效利用、節(jié)約、可持續(xù)性的水資源綜合配置方案。近年來，已有學者對需水總量預測與水資源配置進行研究。如王德維等[4]以連云港市徐圩新區(qū)為例，采用分類計算法和實際用水量指標法預測規(guī)劃年需水總量，預測結果合理，可提高規(guī)劃編制的科學性與準確性。根據(jù)平涼市人民政府辦公室關于水資源管理控制指標的通知，華亭市規(guī)劃年用水總量控制目標為5 000萬m3/a。本文采用分項定額法并參考以往學者的研究成果，根據(jù)華亭市發(fā)展現(xiàn)狀，在反復論證的基礎上，對華亭市水資源規(guī)劃需水總量進行預測研究，為水資源綜合規(guī)劃提供科學合理的的數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)域概況

華亭市東西長為44.3 km，南北寬為39.5 km，總面積為1 183 km2。城市規(guī)劃區(qū)面積為26.7 km2，城市建成區(qū)面積為15.4 km2。城市駐地東華鎮(zhèn)，交通便利，北距平涼市55 km。屬隴東溫帶半濕潤區(qū)，大陸腹地季風性氣候。根據(jù)華亭氣象站資料統(tǒng)計，年平均氣溫為8.0℃，極端最高氣溫為35.0℃，多年平均降水量為621.0 mm，降水主要集中在7—9月，約占全年降水量的69.2%。境內河流主要有汭河干流及其支流策底河、北汭河、南汭河、南川河、石堡子河等[5-6]。

2.1 行政區(qū)劃及人口

華亭市轄7鎮(zhèn)、3鄉(xiāng)、1個城市社區(qū)、1個省級工業(yè)園區(qū)。有漢、回、滿等15個民族，2020年末，華亭市常住人口為19.16萬人，其中城鎮(zhèn)人口為9.73萬人，占常住人口的50.8%。全年出生率為7.95‰，死亡率為2.76‰，人口自然增長率為5.18‰。

2.2 經濟社會發(fā)展

2020年，華亭市地區(qū)生產總值為65.6億元，比上年增長3%。其中，第一產業(yè)增加值為6.4億元，增長5.8%；第二產業(yè)增加值為37.5億元，增長0.4%；第3產業(yè)增加值為21.7億元，增長8.3%；3次產業(yè)結構比為9.63∶57.21∶33.16。城鎮(zhèn)居民可支配收入為36 787.7元，農村居民人均可支配收入為 10 460.4元，城鄉(xiāng)居民人均可支配收入比值為3.52。

2.3 水資源概況

華亭市位于黃河流域涇河水系，按照水資源分區(qū)，屬于黃河流域涇河水系，水資源3級區(qū)為涇河張家山以上、渭河寶雞峽至咸陽，境內水文站有華亭水文站、安口水文站，華亭市水系分布見圖1。根據(jù)甘肅省第三次水資源調查評價1956—2016年水資源總量評價成果，華亭市多年平均水資源總量為1.65億m3，水資源評價成果見表1[7]。

圖1 華亭市水系分布位置示意

表1 甘肅省第三次水資源調查評價成果(華亭市部分)

根據(jù)華亭市水系分布特點，以安口水文站1956—2021年徑流系列資料為基礎，采用年徑流量差積值分析豐枯情況，安口站年徑流差積曲線見圖2。分析圖2可知,安口水文站年徑流量差積曲線從1956—2021年出現(xiàn)了最豐、豐、平、枯、最枯各個不同的時段,說明系列代表性很好，按徑流量差積曲線走勢，2018—2021年為豐水年。

圖2 安口水文站年徑流量差積曲線示意

3 需水量研究方法

需水量預測研究就像傳統(tǒng)的預測問題，有很多種方法可以用來預測區(qū)域用水量。預測的實質就是通過一些與結果相關的數(shù)據(jù)進行分析，這個過程通常都是基于現(xiàn)有資料而得出的結論，所以一種有效的預測方法，可以很好的模擬出未來的數(shù)據(jù)。通過對現(xiàn)有資料的分析，將其作為預測變量，可將預測方法歸結為線性和非線性兩大類，其中分項定額法屬于線性預測方法[8-9]。

按照華亭市實際用水情況和用水行業(yè)分類，需水量預測應包括居民生活需水量、工業(yè)需水量、農業(yè)需水量和生態(tài)環(huán)境需水量，并進一步細化各行業(yè)的需水情況，使預測成果更加真實有效，計算表達式如下：

W=∑W生活+W工業(yè)+W農業(yè)+W生態(tài)

(1)

式中：

W——總需水量，萬m3；

W生活——居民生活需水量，萬m3；

W工業(yè)——工業(yè)需水量，萬m3；

W農業(yè)——農業(yè)需水量，萬m3；

W生態(tài)——生態(tài)環(huán)境需水量，萬m3。

生活需水量應細化為城鎮(zhèn)生活和農村居民生活分類預測，根據(jù)政府主管部門的經濟社會發(fā)展及人口發(fā)展預測成果，經分析后確定城鎮(zhèn)和農村人口指標；工業(yè)需水量可采用萬元工業(yè)增加值用水量指標，采用工業(yè)用水量趨勢法計算規(guī)劃年需水量[10-11]；農業(yè)需水量包括農田灌溉和畜牧養(yǎng)殖，其中農田灌溉應考慮未來年份氣候與來水的影響，以此計算不同保證率下的需水量[12]；生態(tài)環(huán)境需水量應按照保護河湖生態(tài)環(huán)境的實際，結合本地水資源條件和水利開發(fā)程度，統(tǒng)籌考慮河道內外的需水量。現(xiàn)狀年行業(yè)用水定額按照《甘肅省行業(yè)用水定額(2017)》的有關規(guī)定，查詢對應數(shù)值，規(guī)劃年行業(yè)用水定額以現(xiàn)狀年為基礎，依據(jù)歷年社會經濟與發(fā)展情況，確定增長率，推算規(guī)劃年行業(yè)用水定額[13]。

4 需水量預測計算

按照華亭市國民經濟和社會發(fā)展第十四個5 a規(guī)劃和2035年遠景目標綱要，結合國家和地方發(fā)展部署以及有關產業(yè)政策，考慮華亭市經濟發(fā)展特點和水資源條件，通過預測規(guī)劃水平年國內生產總值發(fā)展指標、人口與城鎮(zhèn)化發(fā)展指標、工業(yè)發(fā)展指標、農業(yè)發(fā)展指標、畜牧業(yè)發(fā)展指標等結合各行業(yè)用水定額確定規(guī)劃年需水量，現(xiàn)狀年為2020年，規(guī)劃年為2030年。

4.1 居民生活需水量計算

現(xiàn)狀年華亭市常住人口為19.1萬人，其中城鎮(zhèn)人口為9.7萬人，占常住人口的50.8%，農村人口為9.4萬人，占常住人口的49.2%。根據(jù)《華亭市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌總體規(guī)劃(2015—2030)》，預測規(guī)劃年華亭市總人口為22.5萬人，城鎮(zhèn)化水平將達到74.2%，城鎮(zhèn)人口為16.7萬人，農村人口為5.8萬人。城市人口的增長主要是考慮對周邊人口的吸引，通過推進新型工業(yè)化、農業(yè)現(xiàn)代化、城鄉(xiāng)一體化，發(fā)揮綜合資源優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢，周圍地區(qū)的人口會向華亭市集中，人口增長過程將會逐漸加快。

華亭市現(xiàn)狀年城鎮(zhèn)居民綜合用水定額參考《甘肅省行業(yè)用水定額(2017)》，為80 L/(人·d)(含城鎮(zhèn)公共用水)，城鎮(zhèn)居民生活需水量為283.2萬m3。華亭市撤縣劃市后社會經濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，市區(qū)水資源條件不斷改善，城鎮(zhèn)綜合生活用水定額將有所提高。規(guī)劃年城鎮(zhèn)居民綜合用水定額按100 L/(人·d)計(含城鎮(zhèn)公共用水)，預測城鎮(zhèn)居民生活需水量為609.6萬m3。

華亭市現(xiàn)狀年農村生活用水定額為50 L/(人·d)，農村居民生活需水量為171.6萬m3。今后，隨著華亭市經濟社會發(fā)展和新農村建設的不斷實施，農村居民生活需水定額將不斷提高，預測到規(guī)劃年，農村居民用水定額采用60 L/(人·d)，考慮城鎮(zhèn)化率的提高，導致農村人口減少，和管網漏失水量，規(guī)劃年農村居民生活需水量為127.0萬m3。華亭市居民生活需水量計算成果見表2。

表2 華亭市居民生活需水量計算成果

4.2 工業(yè)需水量計算

近年來，華亭市經濟社會保持較快發(fā)展，新型工業(yè)化進程加快，綜合經濟實力顯著增強，產業(yè)發(fā)展水平進一步提升?，F(xiàn)狀年華亭市規(guī)模以上工業(yè)增加值為37.6億元，比上年增長0.4%，規(guī)模以上工業(yè)增加值增長1.6%。根據(jù)《華亭市十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，華亭市將大力發(fā)展“煤炭、煤電、煤化工”三大支柱產業(yè)，改造升級“陶瓷、建材、裝備制造、高載能”四大傳統(tǒng)產業(yè)。預測2020—2030年華亭市工業(yè)增加值年均增長率為7.0%～10.5%，規(guī)劃年華亭市工業(yè)增加值達到64.0億元。

華亭市現(xiàn)狀年工業(yè)萬元增加值用水量為 36.5 m3/萬元，工業(yè)需水量為1 373.86萬m3。隨著節(jié)水技術的推廣和深入、產業(yè)結構調整力度的加大，以及工業(yè)用水重復利用率的提高，預測到規(guī)劃年，工業(yè)萬元增加值用水量下降至30 m3/萬元。據(jù)此預測規(guī)劃年工業(yè)需水量為1 920.0萬m3。華亭市工業(yè)需水量計算成果見表3。

表3 華亭市工業(yè)需水量計算成果

4.3 農業(yè)需水量計算

現(xiàn)狀年華亭市規(guī)劃基本農田2.78萬hm2，占全市土地總面積的23.1%，全部為耕地。全市共有灌區(qū)7處，均為自流引水的灌區(qū)，設計灌溉面積0.41萬hm2，有效灌溉面積為0.31萬hm2，現(xiàn)狀年實灌面積為0.15萬hm2。華亭市灌區(qū)主要以渠灌為主，建設標準低，且因年久失修，管理不善等諸多方面原因，渠系不配套，工程設施完好率低，灌溉標準不高。根據(jù)華亭市土地資源、水資源條件，規(guī)劃年維持有效灌溉面積0.31萬hm2不變，同時加大農業(yè)節(jié)水力度，實施灌區(qū)高效節(jié)水灌溉工程，實灌面積增加至0.2萬hm2，新增節(jié)水灌溉面積為0.07萬hm2，綜合灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.55提高到0.58。

農業(yè)需水量主要由農田灌溉需水量和畜牧養(yǎng)殖需水量組成，農田灌溉需水量按有效灌溉面積和實灌面積分別計算。經計算，現(xiàn)狀年綜合灌溉水利用系數(shù)為0.55，有效灌溉面積農田灌溉需水量為1 350.2萬m3，實灌面積農田灌溉需水量為651.8萬m3；規(guī)劃年綜合灌溉水利用系數(shù)提高至0.58，有效灌溉面積農田灌溉需水量為1 299.2萬m3，實灌面積農田灌溉需水量為840.0萬m3，華亭市農田灌溉需水量計算成果見表4。

表4 華亭市農田灌溉需水量計算成果

畜牧養(yǎng)殖方面，現(xiàn)狀年華亭市豬牛羊禽肉產量為0.84萬t，比上年增長11.5%。年末大牲畜存欄為4.8萬頭，增長4.8%。牛存欄為4.8萬頭，增長5.1%；出欄為3.9萬頭，增長8.6%。豬存欄為2.4萬頭，增長3.7%；出欄為4.6萬頭，增長2.2%。羊存欄為1.8萬只，增長3.3%；出欄為2.9萬只，增長7.5%。根據(jù)華亭市畜牧業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀以及畜牧產品的需求，預測規(guī)劃年大牲畜欄量達12萬頭，豬存欄量達6.0萬頭，羊存欄量達4.6萬頭。

通過對現(xiàn)狀年用水水平分析，結合《甘肅省行業(yè)用水定額(2017)》，確定大牲畜(牛)用水定額為60 L/(頭·d)、豬35 L/(頭·d)，羊9 L/(只·d)，現(xiàn)狀年牲畜養(yǎng)殖需水量為141.26萬m3。一般情況下牲畜養(yǎng)殖的需水定額變化不大，規(guī)劃年牲畜養(yǎng)殖的需水定額維持現(xiàn)狀水平，據(jù)此預測2030年牲畜需水量為354.34萬m3。華亭市牲畜養(yǎng)殖需水量計算成果見表5。

表5 華亭市畜牧養(yǎng)殖需水量計算成果

4.4 生態(tài)需水量計算

2020年華亭市綠地及廣場用地面積為262.98萬m2，人均公園綠地面積11.00 m2，全市綠化覆蓋率35.5%。根據(jù)《華亭市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌整體規(guī)劃2015—2030》，華亭市規(guī)劃年規(guī)劃綠地與廣場用地面積546.4萬m2，占城市建設用地14.20%，城鎮(zhèn)人均公園綠地面積12.7 m2，全市綠化覆蓋率45%，達到國家生態(tài)園林城市標準。

依據(jù)《甘肅省行業(yè)用水定額(2017)》，園林綠化業(yè)1、4季度用水定額為1.0 L/(m2·d)，2、3季度用水定額為3.0 L/(m2·d)；路面噴灑1、4季度用水定額為1.0 L/(m2·d)，2、3季度用水定額為2.0 L/(m2·d)。綜合考慮華亭市氣候及用水習慣，公共園林綠化按全年120 d計算，其中1、4季度30 d，2、3季度90 d；道路及廣場澆灑按全年180 d計，其中1、4季度60 d，2、3季度120 d。現(xiàn)狀年城市綠化及環(huán)境衛(wèi)生需水量為90.1萬m3；規(guī)劃年城市綠化及環(huán)境衛(wèi)生需水量為175.1萬m3。華亭市生態(tài)需水計算成果見表6。

表6 華亭市生態(tài)需水量計算成果 萬m3

4.5 總需水量計算

按式(1)計算，華亭市現(xiàn)狀年總需水量為2 787.3萬m3，其中工業(yè)占比為49.9%，農業(yè)占比為28.8%；規(guī)劃年，由于人口的增長以及經濟的快速發(fā)展，華亭市需水量逐步增加。規(guī)劃年總需水量為4 110.7萬m3，其中工業(yè)占比為46.7%，農業(yè)占比為29.1%。各部門用水量中工業(yè)生產是用水大戶，華亭市總需水量計算成果見表7，現(xiàn)狀年與規(guī)劃年需水結構見圖3。

表7 華亭市總需水量計算成果 萬m3

圖3 華亭市現(xiàn)狀年與規(guī)劃年需水結構示意

5 合理性分析

依據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—2016)，采用單位建設用地綜合用水指標法分別計算華亭市現(xiàn)狀年與規(guī)劃年需水量，計算表達式如下：

(2)

式中：

V城——城市單位建設用地綜合用水量，通過查表求得，m3/(km2·d)；

A——城市單位建設用地面積，km2；

D——天數(shù)，d；

η——日均用水量系數(shù)，無量綱。

根據(jù)《華亭市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌總體規(guī)劃》，華亭市現(xiàn)狀年和規(guī)劃年城鎮(zhèn)建設用地面積分別為19.6 km2、24.5 km2?，F(xiàn)狀年人口為19.1，屬于小城市規(guī)模，日均用水量系數(shù)選取0.4。規(guī)劃年預測人口為22.5，屬于中等城市規(guī)模，日均用水量系數(shù)選取0.5。單位建設用地綜合用水指標法需水量計算對比見表8。分析表8可知，采用單位建設用地綜合用水指標法和分項定額法預測的需水量差額在5.2%～10.0%之間，兩者計算結果接近，分項定額法預測需水量基本合理。同時單位建設用地綜合用水指標法對η日均用水量系數(shù)較為敏感，其值的確定影響因素眾多，較難精準確定。綜合考慮，分項定額法對城市需水量的預測優(yōu)于單位建設用地綜合用水指標法。

表8 華亭市建設用地綜合用水指標法需水量計算對比

6 結語

本文根據(jù)華亭市發(fā)展現(xiàn)狀和相關資料，以2020年為現(xiàn)狀年，2030年為規(guī)劃年，采用分項定額預測法對該市生活、農業(yè)、工業(yè)、生態(tài)等各項需水量進行預測。預測結果與城市單位建設用地綜合用水指標法對比相差5.2%～10.0%，兩者計算結果基本一致，預測需水量基本合理。規(guī)劃年各行業(yè)需水總量增幅較大，由現(xiàn)狀年2 711.9萬m3增長至規(guī)劃年4 026.0萬m3，規(guī)劃年與現(xiàn)狀年各行業(yè)需水量所占需水總量比重基本一致，預測規(guī)劃年需水量基本合理。綜上所述，基于分項定額法的水資源需水總量研究結果可用于華亭市經濟發(fā)展規(guī)劃與水資源配置方案，實現(xiàn)以水定產、以水定城的可持續(xù)高質量發(fā)展之路，研究結果可供相關部門和機構參考。