陳益平，秦歡歡,2

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室，南昌 330013；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013)

集中了全球大部分貧困人口的干旱區(qū)廣泛分布于世界各地[1]，隨著人口的劇增和經(jīng)濟的發(fā)展，水資源逐漸成為內(nèi)陸干旱區(qū)社會經(jīng)濟和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素之一[2-4]。我國干旱區(qū)以僅占全國3.3%和5.5%的地表水及地下水支撐著全國24.5%的土地面積及其上的人口[1,5]，水資源形勢十分嚴峻。我國干旱區(qū)水資源利用中存在水資源供需矛盾突出(多年平均降水<200 mm，干燥系數(shù)>3.5)、供用水結(jié)構(gòu)不合理(地表水開發(fā)利用率低，地下水超采，農(nóng)業(yè)用水占比過高)、用水效率低下(生產(chǎn)生活節(jié)水的水平較低，用水效率偏低)、生態(tài)問題日益嚴重(經(jīng)濟發(fā)展用水擠占生態(tài)用水，造成生態(tài)環(huán)境退化)及水資源管理體制和機制不健全(水資源統(tǒng)一調(diào)度機制、管理制度不完善，水價改革不徹底)等主要問題[6]。我國干旱區(qū)典型區(qū)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]，都已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的水資源矛盾，造成了一系列諸如湖泊萎縮、土地沙化、植被退化等生態(tài)環(huán)境問題，也讓這些區(qū)域付出了巨大代價。因此，針對內(nèi)陸干旱區(qū)水資源利用中存在的問題進行研究，是干旱區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用的必然要求，具有重要的科學(xué)意義和指導(dǎo)價值。

黑河是我國第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山北麓。黑河流域氣候干旱，水資源嚴重匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源逐漸成為社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素[11,12]。處于河西走廊中段、黑河流域中游的張掖盆地是黑河流域的主要經(jīng)濟區(qū)和用水區(qū)，全流域88.47%的人口和87.93%的GDP集中于此[13]。張掖盆地年均降水量190 mm，年均潛在蒸散發(fā)1 325 mm，具有干旱區(qū)水資源的典型特點。2000年國家對黑河流域?qū)嵤┓炙咭詠?，人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化推進、分水方案實施及水利工程建設(shè)等人類活動對黑河流域水資源的影響越來越突出[11,14]，由此導(dǎo)致了中下游水量分配矛盾、河川斷流等一系列生態(tài)環(huán)境問題[11,15-17]。在此情況下，合理預(yù)測張掖盆地需水量能夠為其經(jīng)濟發(fā)展模式選擇及水利工程建設(shè)等提供更多合理的科學(xué)依據(jù)[18]。

傳統(tǒng)的需水量預(yù)測方法采用基于歷史數(shù)據(jù)的定量關(guān)系[19]，忽略了諸多因素及其之間的相互關(guān)系，無法獲得內(nèi)陸干旱區(qū)需水量的系統(tǒng)行為[20]，更無法定量刻畫人類活動對需水量的影響，而系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics, SD)方法是處理這類問題的有效工具。SD方法在處理水資源系統(tǒng)動態(tài)變化及需水量預(yù)測中優(yōu)勢顯著[21]，在生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[22-25]。本文采用SD方法定量描述影響張掖盆地需水量的各種因素及其關(guān)系，考慮人口增長、城鎮(zhèn)化、節(jié)約用水等人類活動，通過建立不同情景來預(yù)測張掖盆地2019-2050年的需水量。通過對結(jié)果的分析探討不同人類活動對張掖盆地需水量的影響程度，為張掖盆地水資源可持續(xù)利用和發(fā)展提供科學(xué)的建議。

1 材料和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

總面積14.3 萬km2的黑河流域(98°～102°E，37°50′～42°40′N)是我國第二大內(nèi)陸河流域，發(fā)源于祁連山北麓，與石羊河、疏勒河及居延海在東、西和北三面毗鄰，戰(zhàn)略地位十分重要。黑河出山口鶯落峽以上為上游(年降水量350 mm，是黑河流域的產(chǎn)流區(qū))，鶯落峽至正義峽為中游(干旱嚴重，年降水量僅140 mm，蒸發(fā)量達1 410 mm)，正義峽以下為下游(極端干旱區(qū)，年降水量47 mm，蒸發(fā)量高達2 250 mm)。研究區(qū)張掖盆地位于黑河流域中游、古絲綢之路和今日亞歐大陸橋之要地，農(nóng)牧業(yè)開發(fā)歷史悠久，享有“金張掖”之美譽，面積近9 000 km2。張掖盆地在行政上屬于甘肅省張掖市，包括民樂、山丹、甘州、臨澤和高臺五個縣區(qū)，是黑河流域的主要經(jīng)濟區(qū)和用水區(qū)，2012年人口127萬，GDP總額266 億元，大牲畜91.3 萬頭，羊285.9 萬只，豬146.9 萬頭，家禽1 087.7 萬只，農(nóng)田面積17.33 萬hm2，糧食總產(chǎn)量90 萬t。張掖盆地是黑河流域人類活動最集中的地方，除了黑河干流之外，人工水系和綠洲已經(jīng)逐漸取代了天然水系和綠洲[26]。人工綠洲規(guī)模的擴大，帶來的是水資源利用量的飛速增長，水資源承載力漸漸不足。張掖盆地總用水量占全流域的近87%，2000年通過水利工程供水量20.75 億m3，其中近97%供水用于農(nóng)業(yè)灌溉。

1.2 需水量計算方法

需水量按不同用水部門可分為農(nóng)業(yè)需水量(包括灌溉、牲畜和林漁需水量三部分)、生活需水量、工業(yè)需水量和生態(tài)環(huán)境需水量。其中林漁需水量和生態(tài)環(huán)境需水量是模型的輸入變量(時間序列變量)，不需通過模型計算；牲畜需水量采用定額法進行計算；灌溉、生活和工業(yè)需水量采用基于宏觀經(jīng)濟模型、綜合考慮各種影響因素的SD方法進行計算。具體來說，灌溉需水量與作物的水文及農(nóng)學(xué)特征直接相關(guān)，相關(guān)因素包括作物種類、生長階段、面積、參考蒸散發(fā)、有效降水等；生活需水量與研究區(qū)人口和人均收入有關(guān)系，相關(guān)因素包括總?cè)丝诩霸鲩L率、GDP、水價、用水量收入彈性等；工業(yè)需水量與收入和用水技術(shù)有關(guān)系，相關(guān)因素包括GDP、技術(shù)進步、收入等。鑒于篇幅有限，具體計算方法參見文獻[13]，此處不再贅述。

2 張掖盆地需水量預(yù)測SD模型

2.1 SD模型構(gòu)建

張掖盆地需水量預(yù)測SD模型包括需水和供水兩部分，前者包括農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境需水，其中農(nóng)業(yè)需水包括灌溉、牲畜和林漁需水；后者包括地表水、地下水和污廢水回用，圖1展示了需水和供水系統(tǒng)之間相互作用及影響因素。氣象、灌溉面積、牲畜及用水定額是農(nóng)業(yè)需水的影響因素，人口及用水習(xí)慣決定了生活需水，工業(yè)規(guī)模及用水技術(shù)是工業(yè)需水的決定因素。供需水之間不平衡會造成水資源短缺問題，而缺水問題會在一定程度上影響需水量。在掌握這些定性的相互關(guān)系基礎(chǔ)上，通過流圖將其定量化并在VENSIM Professional軟件上實現(xiàn)，通過設(shè)定不同情景便可以進行模擬，具體細節(jié)見文獻[13]。

圖1 張掖盆地SD模型概念模型圖Fig.1 Conceptual model diagram of SD model in Zhangye basin

2.2 SD模型校準

模型模擬對象是黑河中游張掖盆地(包含甘州、民樂、臨澤、高臺和山丹5個區(qū)縣)，校準期為2000-2018年，預(yù)測期為2019-2050年，時間步長為1年。表1是張掖盆地SD模型主要流位變量和需水量的相對誤差，這些變量的歷史數(shù)據(jù)來源于甘肅省統(tǒng)計年鑒和甘肅省水資源公報，模擬數(shù)據(jù)來源于SD模型的模擬。從表1可看出，在校準期內(nèi)各變量的相對誤差大多在±5%以內(nèi)，說明模型校準是成功的，模擬結(jié)果能較準確刻畫SD模型的系統(tǒng)行為，建立的SD模型可用于下階段的需水量預(yù)測。

表1 模型中主要變量的相對誤差 %

2.3 情景設(shè)計

情景設(shè)計和分析必須在一定的合理假設(shè)之下進行，這些假設(shè)包括：①氣象數(shù)據(jù)(降水和參考蒸散發(fā))采用歷史數(shù)據(jù)重復(fù)使用的形式，生成預(yù)測期的數(shù)據(jù)；②大/小牲畜種類及用水定額、作物種類、面積和生長特征保持不變；③2018年的模擬結(jié)果作為預(yù)測期的初始值。影響張掖盆地需水量及水資源利用的人類活動有多種，本文考慮了經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程、節(jié)約用水等3種人類活動，共設(shè)計了三大類五小類情景(表2)。現(xiàn)狀保持情景BAU假設(shè)保持現(xiàn)狀經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，2030和2050年GDP增長率、城鎮(zhèn)化率和總?cè)丝谠鲩L率分別設(shè)為5%和3%，55%和70%以及0.2%和0.1%。人類活動情景HA包含經(jīng)濟發(fā)展情景HA1、城鎮(zhèn)化發(fā)展情景HA2和節(jié)約用水情景HA3，其中HA1強調(diào)經(jīng)濟的優(yōu)先發(fā)展權(quán)，2030和2050年GDP增長率和總?cè)丝谠鲩L率分別設(shè)為10%和12%及0.5%和0.7%，其余參數(shù)保持和BAU一致；HA2考慮由于“一帶一路”倡議而使得張掖盆地城鎮(zhèn)化加快，由此將預(yù)測期內(nèi)作物面積減少30%，2030和2050年GDP增長率和總?cè)丝谠鲩L率設(shè)為7%和10%及0.5%和0.7%，其余參數(shù)保持和BAU一致；HA3考慮節(jié)約用水措施的實施，將預(yù)測期內(nèi)牲畜用水定額減少40%，其余參數(shù)保持和BAU一致。綜合發(fā)展情景CD綜合考慮以上3種人類活動的影響，2030和2050年GDP增長率、總?cè)丝谠鲩L率分別設(shè)為7%和10%及0.45%和0.60%，預(yù)測期內(nèi)作物面積減少30%，牲畜用水定額減少40%，其余參數(shù)保持和BAU一致。

表2 張掖盆地需水量預(yù)測情景設(shè)計Tab.2 Scenario design of water demand prediction in Zhangye basin

3 結(jié)果與分析

3.1 需水量預(yù)測結(jié)果

表3為預(yù)測期內(nèi)張掖盆地各需水量預(yù)測結(jié)果，從表3可以看出，生活和工業(yè)需水量在5種情景下均保持增長態(tài)勢，農(nóng)業(yè)需水量由于受到氣象因素的波動而表現(xiàn)出一定的波動性，也使得總需水量表現(xiàn)出類似的波動性。預(yù)測期內(nèi)平均來說，5種情景下張掖盆地分別需要26.21、26.21、19.51、25.77和19.07 億m3的水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，0.62、0.69、0.65、0.62和0.64 億m3的水用于居民生活，1.75、3.24、2.15、1.71和2.16 億m3的水用于工業(yè)生產(chǎn)，以及28.80、30.35、22.52、28.31和22.09 億m3的水用于支撐整個張掖盆地的發(fā)展。總體來說，5種情景下農(nóng)業(yè)需水量的大小關(guān)系是BAU=HA1>HA3>HA2>CD，總需水量的大小關(guān)系是HA1>BAU>HA3>HA2>CD，提高經(jīng)濟發(fā)展速度情景需水量最多，綜合發(fā)展情景需水量最少。不同人類活動對張掖盆地需水量的影響各不相同，提高經(jīng)濟發(fā)展速度情景HA1中由于強調(diào)經(jīng)濟的發(fā)展，導(dǎo)致工業(yè)需水量大幅增加85.14%，生活需水量增加11.29%，農(nóng)業(yè)需水量沒有變化，而總需水量增加5.38%(表4)；城鎮(zhèn)化加速情景HA2中由于城鎮(zhèn)化而減少了作物種植面積，由此導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水量減少25.56%，生活和工業(yè)需水量分別增加4.84%和22.86%，受此影響，總需水量減少21.81%(表4)；節(jié)約用水情景HA3中由于節(jié)約用水措施的實施，農(nóng)業(yè)需水量略微減少1.68%，生活需水量不變，工業(yè)需水量減少2.29%，總需水量減少1.70%(表4)。這些分析說明，提高經(jīng)濟發(fā)展速度將顯著增加張掖盆地用水量；而城鎮(zhèn)化加速一方面顯著減少農(nóng)業(yè)需水量，另一方面會顯著增加工業(yè)需水量，從而使總需水量顯著減少21.81%；由于節(jié)約用水措施主要實施在牲畜用水方面，故只略微減少農(nóng)業(yè)和工業(yè)需水量，生活需水量不受影響，總需水量同樣略微減少。作為3種人類活動情景的綜合，情景CD下農(nóng)業(yè)需水量減少27.24%，生活和工業(yè)需水量分別增加3.23%和23.43%，總需水量則減少23.30%。

表3 張掖盆地需水量預(yù)測結(jié)果 億m3

表4 不同情景相對于情景BAU的平均需水量變化率 %

圖2為農(nóng)業(yè)和總需水量在不同情景下的箱型圖，從圖2可以獲得需水量在預(yù)測期內(nèi)的大小分布和平均值的信息(最大值、最小值、中位數(shù)、平均數(shù)和上下四分位數(shù)等)。所有情景下張掖盆地農(nóng)業(yè)需水量的最大值是37.60 億m3(情景BAU的2041年)，最小值是12.51 億m3(情景CD的2019年)；總需水量的最大值是44.89 億m3(情景HA1的2046年)，最小值是14.07 億m3(情景CD的2019年)。不同情景下農(nóng)業(yè)需水量和總需水量的波動性比較大，表現(xiàn)在箱型圖中豎向5%～95%區(qū)間線的長短不同。正是由于各情景所強調(diào)的側(cè)重點不同，才導(dǎo)致占需水量主要部分的農(nóng)業(yè)需水量及總需水量在不同情景下分布的不一樣，這也從一定程度上反映出不同人類活動對張掖盆地農(nóng)業(yè)及總需水量影響程度的不同。

圖2 農(nóng)業(yè)需水量和總需水量箱型圖Fig. 2 Box charts of agricultural water demand and total water demand

鑒于張掖盆地是黑河流域最主要的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)用水在張掖盆地所有用水部門所占的比重一直居高不下(圖3)。預(yù)測期內(nèi)，5種情景下農(nóng)業(yè)需水量占總需水量的平均比重均在86%以上，分別為90.79%、86.60%、86.60%、90.77%和86.24%，大小關(guān)系是BAU>HA3>HA1=HA2>CD。由于農(nóng)業(yè)用水在張掖盆地所具有的絕對優(yōu)勢，人類活動相關(guān)的情景只能略微降低農(nóng)業(yè)需水量所占的比重，要顯著降低農(nóng)業(yè)需水量及其所占比例，需要多管齊下、加大相關(guān)措施的力度才能奏效。作為對比，五種情景下生活需水量占總需水量的平均比重分別為2.23%、2.31%、2.94%、2.26%和3.00%，大小關(guān)系是CD>HA2>HA1>HA3> BAU；工業(yè)需水量占總需水量的比重分別為6.21%、10.35%、9.47%、6.18%和9.76%，大小關(guān)系是HA1>CD>HA2>BAU>HA3。不同情景下農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)需水量占總需水量比重的差異性說明不同人類活動對于張掖盆地需水量影響程度的不同。經(jīng)濟發(fā)展情景HA1和城鎮(zhèn)化進程加速情景HA2可以把農(nóng)業(yè)需水量比重降低4%左右，而節(jié)約用水情景對農(nóng)業(yè)需水量比重則幾乎沒有影響。與此同時，經(jīng)濟發(fā)展情景HA1對工業(yè)需水量比重的影響較大，可以將該比重從6.21%提升到10.35%；城鎮(zhèn)化進程加快情景HA2則可以將工業(yè)需水量比重從6.21%提升至9.47%；節(jié)約用水情景HA3則會略微降低工業(yè)需水量比重。3種人類活動情景對生活需水量比重的影響均比較小，其對該比重變化的影響在0.03%～0.71%之間。作為3種人類活動情景的綜合，情景CD則可以將農(nóng)業(yè)需水量比重降低4.55%，將生活和工業(yè)需水量比重分別提升0.77%和3.55%。

圖3 不同情景下部門需水量占總需水量的平均比重Fig.3 Average proportions of sectoral water demand to total water demand under different scenarios

3.2 人類活動對需水量的影響

從模擬結(jié)果和表4看，3種人類活動對需水量的影響方向和程度是不同的。經(jīng)濟發(fā)展情景HA1對除農(nóng)業(yè)需水量以外所有需水量均產(chǎn)生正影響，影響程度最大的是工業(yè)需水量；城鎮(zhèn)化進程加速情景HA2對生活和工業(yè)需水量產(chǎn)生正影響，對農(nóng)業(yè)和總需水量產(chǎn)生負影響，影響程度最大的是農(nóng)業(yè)需水量；節(jié)約用水情景HA3對除生活需水量以外所有需水量均產(chǎn)生負影響，但這種負影響程度較低。如果張掖盆地把經(jīng)濟發(fā)展放在首位，那么工業(yè)和生活需水量將分別增加85.14%和11.29%，但由于這兩者在總需水量中所占的比例均較小，所以總需水量將略微增加5.38%。處于“一帶一路”核心地帶的張掖盆地將面臨城鎮(zhèn)化進程加快的情況，那么在該種情景下農(nóng)業(yè)需水量將降低25.56%，而工業(yè)和生活需水量則將分別上升22.86%和4.84%，由于農(nóng)業(yè)需水量占總需水量比重很大，總需水量將因此而下降21.81%。節(jié)水措施的采用，對于需水量產(chǎn)生不顯著的負影響，這是由于一方面只考慮了牲畜用水方面的節(jié)水措施，另一方面節(jié)水措施的實施程度亦不大。如果把3種人類活動綜合考慮，那么將產(chǎn)生比它們單獨作用更顯著的效果，農(nóng)業(yè)需水量下降27.24%，生活和工業(yè)需水量分別上升3.23%和23.43%，總需水量則下降23.30%。

3.3 內(nèi)陸干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用

內(nèi)陸干旱區(qū)普遍具有“降水量少，蒸發(fā)量大”的特點，由此導(dǎo)致的水資源供需短缺問題將會對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展及資源環(huán)境保護產(chǎn)生極大的制約作用。不同人類活動對內(nèi)陸干旱區(qū)水資源利用會產(chǎn)生不同方向和程度的影響，尤其是對農(nóng)業(yè)需水量和總需水量的影響是考慮的重點。單方面考慮某種人類活動的影響，會有顧此失彼情況出現(xiàn)。在“一帶一路”倡議提出和國家相關(guān)扶持政策出臺的情況下，經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加速是我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)必然會面臨的新情況，同時在社會經(jīng)濟發(fā)展和水資源利用過程中節(jié)約用水理念和技術(shù)是可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求。通過對五種情景進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測期內(nèi)綜合發(fā)展情景CD平均每年需要22.09 億m3的水，小于其余情景(分別需要28.80、30.35、22.52及28.31 億m3)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要19.07 億m3的水，小于其余情景(分別需要26.21、26.21、19.51和25.77 億m3)；農(nóng)業(yè)需水量占總需水量比重為86.24%，小于其余情景(分別為90.79%、86.60%、86.60%和90.77%)；因此，內(nèi)陸干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用必須綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化加劇和節(jié)約用水等各種人類活動的影響，只有這樣才能顯著降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量及總用水量，進而保證水資源可持續(xù)利用和發(fā)展。鑒于城鎮(zhèn)化加劇對于農(nóng)業(yè)用水量的顯著影響及農(nóng)業(yè)用水對于糧食安全的保障作用，在城鎮(zhèn)化過程中不能進行盲目的土地擴張及減少農(nóng)業(yè)用地，要保持一個合理的土地利用比例，以便保障內(nèi)陸干旱區(qū)的糧食安全和用水安全。

4 結(jié) 論

地處內(nèi)陸干旱區(qū)的張掖盆地，社會經(jīng)濟發(fā)展受到水資源的制約，而水資源利用又受到不同人類活動影響，對其需水量的預(yù)測顯得十分重要和必要。本文考慮了經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化加劇和節(jié)約用水3種人類活動，通過系統(tǒng)動力學(xué)模型對張掖盆地2019-2050年需水量進行預(yù)測，可以得到以下結(jié)論：

(1)預(yù)測期內(nèi)，張掖盆地生活和工業(yè)需水量保持增長趨勢，農(nóng)業(yè)需水量和總需水量表現(xiàn)出一定的波動性。平均來說，5種情景下張掖盆地農(nóng)業(yè)需水量分別為26.21、26.21、19.51、25.77和19.07 億m3，生活需水量分別為0.62、0.69、0.65、0.62和0.64 億m3，工業(yè)需水量分別為1.75、3.24、2.15、1.71和2.16 億m3，總需水量分別為28.80、30.35、22.52、28.31和22.09 億m3。

(2)農(nóng)業(yè)用水在張掖盆地所有用水部門所占比重一直居高不下，預(yù)測期內(nèi)5種情景下農(nóng)業(yè)需水量占總需水量平均比重分別為90.79%、86.60%、86.60%、90.77%和86.24%。不同情景下農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)需水量占總需水量比重的差異性說明不同人類活動對張掖盆地需水量影響程度的不同。

(3)經(jīng)濟發(fā)展情景對除農(nóng)業(yè)需水量以外所有需水量均產(chǎn)生正影響，影響程度最大的是工業(yè)需水量；城鎮(zhèn)化進程加速情景對生活和工業(yè)需水量產(chǎn)生正影響，對農(nóng)業(yè)和總需水量產(chǎn)生負影響，影響程度最大的是農(nóng)業(yè)需水量；節(jié)約用水情景對除生活需水量以外所有需水量均產(chǎn)生負影響，但這種負影響程度較低。

(4)內(nèi)陸干旱區(qū)水資源可持續(xù)利用必須綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化加劇和節(jié)約用水等各種人類活動的影響，只有這樣才能顯著降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量及總用水量，保證水資源可持續(xù)利用和發(fā)展。同時，在城鎮(zhèn)化過程中不能進行盲目的土地擴張及減少農(nóng)業(yè)用地，要保持一個合理的土地利用比例，以便保障內(nèi)陸干旱區(qū)的糧食安全和用水安全。