武 見，明廣輝,周翔南，嚴(yán)登明，張永永，賈冬梅

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水資源需求預(yù)測是進(jìn)行水資源規(guī)劃、配置和管理的基礎(chǔ)和核心內(nèi)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(jīng)濟(jì)布局和重大水利工程決策的依據(jù)。對水資源需求規(guī)律認(rèn)識的不足和需水管理認(rèn)識的落后會導(dǎo)致對需水預(yù)測的失誤[3-4]，如20世紀(jì)80年代初，《中國水資源利用》[5]預(yù)測2000年全國總需水量約為7 096億m3，實(shí)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(qū))編制了利用黃河水資源的規(guī)劃，預(yù)測2000年黃河流域需水量高達(dá)696億m3，超黃河天然徑流量近120億m3，而2000年實(shí)際用水量僅為480.68億m3[6]。

馬斯洛[7]認(rèn)為人類的需求是分層逐步實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)濟(jì)社會中不同行業(yè)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(yè)的基本生存需水，然后才是更高層次的發(fā)展需水。Gleick[8]通過搜集各國的用水實(shí)例，較早地進(jìn)行了維持人類生存的最小需水量研究。生態(tài)需水研究中最小和適宜生態(tài)流量概念就是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的不同需水要求而提出的[9]。張雷等[10]根據(jù)馬斯洛需求層次理論將水資源開發(fā)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(fā)展需求、和諧需求3個層次，并應(yīng)用于普洱市水資源需求預(yù)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(xì)化管理的必要性和對策建議。

水資源需求涉及經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境、科學(xué)技術(shù)、文化以及政治等多方面的因素，不同用水行業(yè)的用水過程十分復(fù)雜[13]。國內(nèi)外從用水行業(yè)的用水過程角度考慮用水機(jī)制的研究越來越多，比如，作物需水從SPAC(土壤-作物-大氣連續(xù)系統(tǒng))角度考慮了作物不斷生長階段的需水規(guī)律[14]，生態(tài)需水注重生態(tài)系統(tǒng)功能和水文過程的相互反饋?zhàn)饔肹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(yè)需水機(jī)理，很多研究者[16-23]采用統(tǒng)計分析的方法分析了影響各行業(yè)需水的主要因素，并進(jìn)行了模擬研究。

隨著水資源供需矛盾的加劇，需水精細(xì)化管理成為社會發(fā)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(yù)測方法，并根據(jù)不同用水行業(yè)的用水特點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，對黃河流域各行業(yè)需水進(jìn)行了分層預(yù)測，并分析了預(yù)測成果的合理性。

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

1 研究區(qū)概況

黃河是我國西北、華北地區(qū)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(dān)著全國15%的耕地和12%人口的供水任務(wù)，同時還承擔(dān)著向流域外部分地區(qū)遠(yuǎn)距離調(diào)水的任務(wù)。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(qū)之一。黃河流域是國家重要能源基地和糧食主產(chǎn)區(qū)，自20世紀(jì)70年代以來，用水剛性需求持續(xù)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(fā)利用率從20世紀(jì)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(yè)所有用水需求，優(yōu)先滿足各行業(yè)的剛性需求，并對彈性需求根據(jù)一定的原則進(jìn)行分配是一種重要水資源配置策略，而分層次的需水預(yù)測為水資源分層配置提供了基礎(chǔ)。

2 預(yù)測方法

2.1 需水分層內(nèi)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(shí)現(xiàn)的需求。在經(jīng)濟(jì)社會中，首先要滿足基本生存需水，然后才是更高層次的發(fā)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(jìn)行分層配置。因此，根據(jù)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(yù)測方法，其內(nèi)涵如圖1所示。

a. 剛性需水。屬于第一層次的需求，對應(yīng)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(yè)開工生產(chǎn)、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(yè)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(yīng)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(yīng)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(zhì)、滿足糧食消費(fèi)需求、發(fā)展工業(yè)和塑造適宜生態(tài)環(huán)境所需的水量，該層次水量可以促進(jìn)生產(chǎn)效率和生活品質(zhì)的提高。在水資源充足的條件下此層次需水應(yīng)盡量滿足，配置時需遵循公平和效率協(xié)調(diào)原則。

c. 彈性需水。屬于第三層次的需求，對應(yīng)馬斯洛需求層次理論中的自我實(shí)現(xiàn)需求，即維持生活中的奢侈消費(fèi)、高耗水產(chǎn)業(yè)和人工營造高耗水景觀所需的水量。此層次需水是經(jīng)濟(jì)社會得到充分發(fā)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(yōu)先的原則配水。

2.2 需水分層計算方法

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

表1 基于行業(yè)用水特點(diǎn)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(yōu)質(zhì)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(chǎn)業(yè)用水基本為生活用水，因此把生活用水和第三產(chǎn)業(yè)用水放在一起進(jìn)行分析。生活需水量采用人均日用水量方法進(jìn)行預(yù)測，計算公式為

(1)

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

2.2.2農(nóng)業(yè)需水

農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)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(nóng)田灌溉需水分層的比例劃分。農(nóng)田灌溉層次劃分按照居民口糧安全和消費(fèi)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(fèi)自足的需水量，彈性需求為外銷的糧食所對應(yīng)的需水量。

利用人均糧食需求和最小保有灌溉面積推求農(nóng)田灌溉需水[26]。對于一定區(qū)域，糧食需求總量取決于人口數(shù)量、人均糧食消費(fèi)水平以及糧食自給程度，而糧食生產(chǎn)總量取決于耕地面積、灌溉面積、復(fù)種指數(shù)、糧經(jīng)比、單位面積產(chǎn)量等因素。從糧食供需平衡角度出發(fā)，在確保一定的區(qū)域糧食生產(chǎn)總量前提下，根據(jù)區(qū)域灌溉面積及其單位面積產(chǎn)量，確定最小保有灌溉面積，再結(jié)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(qū)域糧食需求總量。按照人口數(shù)量、人均糧食需求量以及糧食自給率確定本區(qū)域糧食需求總量，即：

D=Rqλ

(2)

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

b. 灌溉地最小播種面積。根據(jù)灌溉地單位面積糧食產(chǎn)量，結(jié)合本區(qū)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(chǎn)量，kg/hm2。

c. 最小保有灌溉面積。結(jié)合區(qū)域糧經(jīng)比、復(fù)種指數(shù)等指標(biāo)求得最小保有灌溉面積，即：

Am=A0/(θφ)

(4)

式中：Am為區(qū)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(fù)種指數(shù)。最小保有灌溉面積不應(yīng)大于區(qū)域有效灌溉面積，否則在給定糧食自給率條件下區(qū)域糧食安全難以保證。

d. 最小保有灌溉需水量。根據(jù)灌溉需水對干旱等級的響應(yīng)關(guān)系，求得不同干旱條件下的灌溉毛需水定額，進(jìn)而可計算最小保有灌溉需水量，即：

Wmin=AmQi

(5)

式中：Wmin為區(qū)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(yè)需水

將一般工業(yè)和建筑業(yè)用水需求定為剛性需求，高耗水工業(yè)用水需求定為剛彈性需求。采用趨勢法預(yù)測，一般工業(yè)和建筑業(yè)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(jù)變化趨勢分析后擬定。

2.2.4河道外生態(tài)需水

河道外生態(tài)剛性需水主要是指流域內(nèi)城鎮(zhèn)綠化、環(huán)境衛(wèi)生、湖泊濕地生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量與生態(tài)防護(hù)林灌溉用水。除了維護(hù)缺水地區(qū)的生態(tài)環(huán)境健康，黃河還需為其他流域生態(tài)進(jìn)行補(bǔ)水，因此將流域外生態(tài)補(bǔ)水定為剛彈性需求。

a. 城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量。城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量指為保持城鎮(zhèn)良好的生態(tài)環(huán)境所需要的水量，主要包括城鎮(zhèn)綠化需水量和城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生需水量。采用定額法，即按下式計算：

Wg=AgQg

(7)

式中：Wg為城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境補(bǔ)水量。湖泊濕地生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量指為維持湖泊一定的水面面積需要人工補(bǔ)充的水量。湖泊濕地生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量可根據(jù)湖泊水面蒸發(fā)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(tài)環(huán)境補(bǔ)水量，m3；A為需要保持的湖泊水面面積，hm2；E為水面蒸發(fā)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(nèi)生態(tài)需水

主要包括汛期輸沙水量和非汛期生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。需水分層按照河道內(nèi)泥沙淤積比進(jìn)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(yù)測結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)狀用水水平分析

黃河流域1980—2017年河道外各行業(yè)用水量情況如圖3所示。黃河流域1980—2017年河道外各行業(yè)用水量按從大到小的順序排列為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)。其中，農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)用水占比從1980年的87%下降到2017年70%；工業(yè)用水量1980—2000年增長較快，2012年以后穩(wěn)定在60億m3左右；生活用水量1980—2017年增長了1.76倍，生態(tài)需水量2005—2017年增長了4.24倍；總用水量2000年以來較為平穩(wěn)，2017年出現(xiàn)下降的趨勢。參考發(fā)達(dá)國家水資源利用的經(jīng)驗(yàn)，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(jīng)達(dá)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(yè)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(biāo)變化如圖4所示。1999年以來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人均GDP呈指數(shù)型增長，萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量均呈指數(shù)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(shí)際單位面積灌溉用水量、萬元工業(yè)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(jié)水水平和水資源利用效率的提高，是農(nóng)業(yè)用水量降低和工業(yè)用水保持平穩(wěn)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(yù)測結(jié)果分析

2030年黃河流域各行業(yè)需水量以及河道外總需水量分層預(yù)測結(jié)果如表2所示。

表2 2030年黃河流域各行業(yè)需水分層預(yù)測結(jié)果Table 2 Forecasting results of water demand hierarchy in different lines of the Yellow River Basin 億m3

a. 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測是河道外需水預(yù)測的基礎(chǔ)。依據(jù)黃河流域人口增加趨勢和城鎮(zhèn)化率，預(yù)測2030年黃河流域人口達(dá)到 13 093.85萬人，其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口分別達(dá)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(zhèn)人口增加了20.0%，而農(nóng)村人口減少了3.4%。

b. 生活需水?？紤]到黃河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相對滯后，特別是上中游地區(qū)和下游灘區(qū)，是我國貧困人口相對集中的區(qū)域。2017年黃河流域城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民平均用水定額僅為103 L/(人·d)和 51 L/(人·d)，遠(yuǎn)小于我國發(fā)達(dá)地區(qū)和發(fā)達(dá)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(guī)劃2030年城鎮(zhèn)居民需水凈定額平均取110 L/(人·d)，考慮水利用系數(shù)0.89，毛定額取124 L/(人·d)。規(guī)劃2030年農(nóng)村居民生活毛定額取72 L/(人·d)。預(yù)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(nóng)業(yè)需水。黃河流域大部分處于干旱半干旱區(qū)，一半以上的耕地以及目前可供開發(fā)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(qū)?？紤]到流域糧食消費(fèi)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(fèi)糧食180～400 kg對應(yīng)的需水量，而超過400 kg人均糧食需求的外銷糧食所對應(yīng)的需水量定義為彈性需求。2030年預(yù)測黃河流域農(nóng)業(yè)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(nèi)蒙古和河南的糧食外銷。

d. 工業(yè)需水。2030年黃河流域工業(yè)需水量為110.41億m3，比2017年56.82億m3提高94.32%。鄭州、西安、濟(jì)南等中心城市和中原等城市群加快建設(shè)，全國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源基地的地位進(jìn)一步鞏固，新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)不斷涌現(xiàn)，預(yù)計未來工業(yè)需水量仍會進(jìn)一步增長。

e. 河道外生態(tài)需水。河道外生態(tài)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(tài)用水得到重視，用于流域外的生態(tài)補(bǔ)水越來越多，例如為促進(jìn)烏梁素海的生態(tài)改善，從2013年起黃河每年向?yàn)趿核睾Ｉ鷳B(tài)補(bǔ)水2億～3億m3。據(jù)《黃河水資源公報》，2011—2017年向流域外生態(tài)補(bǔ)水4.80億m3，包括引黃入淀(白洋淀)、引黃濟(jì)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(nèi)生態(tài)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(tài)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(diào)西線工程調(diào)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(tài)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(yù)測的基本生態(tài)需水量與石偉等[30]預(yù)測中游來沙7億～10億t條件下利津生態(tài)需水量130～180億m3接近。

3.3 預(yù)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(yù)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(nóng)業(yè)需水量增加了22.35%，工業(yè)需水量增加了94.32%。各行業(yè)間對比，農(nóng)業(yè)需水量的增長率最低，工業(yè)需水量增長率最高，說明隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水水平提高，節(jié)約的水量被用于工業(yè)等效益更高的行業(yè)。河道外生態(tài)需水量增加了42.91%，南水北調(diào)西線工程通水后河道內(nèi)生態(tài)需水量增加了28.64%，體現(xiàn)了生態(tài)文明建設(shè)和“幸福河”對生態(tài)保護(hù)的內(nèi)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(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展對水資源節(jié)約集約利用的要求。

表3 2030年預(yù)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(yè)用水量變化情況是一致的，說明本文的預(yù)測結(jié)果符合流域歷史用水規(guī)律。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)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(jié)約集約利用，流域水資源需求上升速率會逐漸放緩，表明預(yù)測結(jié)果符合黃河流域新時期“生態(tài)優(yōu)先，水資源節(jié)約集約利用”的用水要求。

4 結(jié) 論

a. 為了更好地提高需水預(yù)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(yù)測方法。

b. 考慮各行業(yè)需水過程的用水特點(diǎn)，制定了黃河流域各行業(yè)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(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果符合黃河流域歷史用水規(guī)律和新時期“生態(tài)優(yōu)先，水資源節(jié)約集約利用”的用水要求，表明預(yù)測方法和結(jié)果是合理的。