西北干旱区水资源需求预测方法与态势分析

——以陕西省延安市为例

鲍卫锋， 黄介生， 谢 华

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘 要: 延安市位于陕北黄土高原丘陵沟壑区，属典型的暖温带与中温带过渡区的西北干旱气候，平均海拔1 000 m，年平均气温7.8 ～10.6 ℃，无霜期在150 d至209 d，多年平均降水量为550 mm，主要集中在6～9月份。2000年延安市下辖13个县、区，总人口205.6×104人，土地面积3.7×104 km2，森林面积184.6×104 hm2，林草覆盖率42.9%。延安是黄河中游水土流失最严重的地区之一，也是黄河流域的主要沙源区，水土流失面积达2.88×104 km2，占全市总面积的77.84%。针对我国西北干旱地区特点和人工生态环境稳定的要求，分别建立了生活、生产及生态需水预测模型。以延安市为例，详细计算了各县、区在不同水平年条件下的需水量，对于需求增长态势进行了分析，最后结合区域实际情况给出适当建议与对策。 关键词: 水资源 统计口径 生态需水 蒸腾 延安

中图分类号： P641.8 文献标识码：A 文章编号：1000-6060（2006）01-0029-06

需水指在未来某一发展水平下某时段所需求的水量，是规划的概念，主要包括各行业、部门、地区的需水量[1]。汪党献[2]、王芳[3]、杨志峰[4]等人认为用水是现状条件下实际利用的水量。传统的统计口径认为，需水是社会经济发展所必需的水量。2002年《全国水资源综合规划》给出了新的统计口径，将维持人工生态景观稳定的需水纳入需水范畴，即所说的“三生”（生活、生产和生态）需水[5]。在水资源开发和利用领域，需水预测是人们始终关注的问题，它反映各区域社会发展对水资源的需求态势，也是资源配置、供水决策、水利投资的重要参考依据，对于社会、经济和环境的协调发展、重大水利工程的方案选择和实施、乃至对市场经济条件下的用水管理，均有重大意义。

在干旱、半干旱地区，以水资源开发利用为中心的人类活动所导致的水资源重新分配过程较一般地区远为剧烈，不仅改变了河流水系水质水量的时空分布，而且强烈干扰与之有密切水力联系的地下含水层，并可能产生灾难性、难以恢复的水文和环境效应[6，7]。因此，供水对水循环模式和路径的影响更复杂，而需水预测作为供水的主要依据显得尤为重要。西北地区水资源时空分布不均且受水质因

素强烈约束，承载力小且开发利用难度大，水资源短缺已成为区域可持续发展的最大自然障碍，而处于工业化与城市化进程关键期的该地区需水会进一步加大，随着农业节水潜力的萎缩，人口爆炸和城市化水平的提高会激化供用水之间已有的矛盾[8]。针对西北干旱地区的特点，本文以延安市为例，计算了各县、区在不同水平年条件下的水资源需求量，并分析其走势，结合当地实际情况给出适当建议和对策。

1 研究方法

1.1 研究区概况

延安市位于陕北黄土高原丘陵沟壑区，属典型的暖温带与中温带过渡区的西北干旱气候。全市平均海拔1 000 m，年平均气温在7.8 ～10.6 ℃之间，无霜期在150 d至209 d，多年平均降水量为550 mm，主要集中在6～9月份。2 000年延安市下辖13个县、区，总人口205.6 × 104 人，土地面积3.7 × 104 km2。市内已探明地下矿藏10多种，其中石油储量7.5 × 108 t，煤炭71 × 108 t，天然气33 × 108 m3。森林总面积184.6 × 104 hm2，林草覆盖率42.9%。延

收稿日期：2 005-06-25； 修改日期：2 005-10-19． 基金项目：黄委会“十五”治黄重大科技项目（2002Z02）．

作者简介：鲍卫锋(1977-)，男，安徽人，博士研究生，从事水资源管理、生态环境等方面研究．

30

干 旱 区 地 理 29卷

安是黄河中游水土流失最严重的地区之一，也是黄河流域的主要沙源区，水土流失面积达2.88 × 104 km2，占全市总面积的77.84%。境内以白于山区为界，从北向南分延安北部、黄河沿岸和延安南部三大自然区域。全市海拔高程在900～1 200 m，区内主要以塬、梁、峁组成的沟涧地和沟壑地貌为主，石油、天然气、煤炭资源储量丰富。 1.2 需水预测模型的构建

1.2.1 生活需水预测 生活需水包括城镇生活和农村生活两部分，其中在城镇生活中又分居民生活和公共用水，居民生活需水量不是传统分类的包括公共用水和畜牧用水的广义“大生活”需水量。农村生活用水中又分农村居民和牲畜用水。本文采用发展指标与定额法，依据各区域人口计划控制指标和城镇化发展趋势，再结合用水定额，生活毛需水量为:

GLWi=LWic/ηic+LWir/ηir

1.2.2 生产需水预测 包括第一、二、三产发展需水。其中农业是高投入低产出的最大用水户，主要有农田灌溉和林草畜牧水产业需水。本文以75%的中等干旱年来水条件为研究情景，采用1992年FAO推荐的彭曼修正公式（Penman-Moteith）计算各农作物潜在腾发量，再结合作物系数扣除有效降雨和田间损失后计算出净需水量，则毛灌溉需水量为：

GAW=

n

i

=AW

地

i

/ηg

=

∑k=1

n

Aki×AQ+Aki水

田

i

k

/ηigk

(Aki旱∑k=1

i

k田间

×AQ

i

k旱地

AQ

i

k水田

)

/(η×ηi

k渠系

) ，

(2)

式中，AWi为第i单元农业灌溉净需水量；ηg为第i单元综合灌溉水利用系数；Aki为第i单元第k类作物灌溉面积；AQki为第i单元第k类作物灌溉定额；Aki旱地、Aki水田分别为第i单元旱作和水田灌溉面积；ηki渠系为第i单元的渠系水利用系数。由于延安市可灌面积基本分布于川道地，水田面积有限，本文忽略。全市各主要作物不同水平年的灌溉定额见表2。

表2 各类作物灌溉定额 (m3/ hm2)

Tab.2 Irrigation water quotas for different crops

水 平 年

冬小麦春玉米春谷子 夏糜子 林地

9751 4252 325

525

1 050

0 750

烟草0 900

其它1 0501 9502 700

湿润年25%1 200中等年50%2 400干旱年75%3 000

=Po×LQ×365/1 000/ηci

ci

ri

ri

ci

(1)

+Po×LQ×365/1 000/η ，

ri

式中:LW

ci

、LW

ci

ri

分别为第i单元的城镇和农村净

ci

需水量；η、η分别为第i单元的城镇和农村水资源综合利用系数；Po趋势；LQ

ci

ri

、Po

ri

分别为第i单元的

城镇和农村人口，参考延安市统计年鉴的人口增长

、LQ

ri

分别为第i单元的城镇和农村人

均日用水量（L·人-1·d-1），由历史长系列资料通过线形趋势预测。人口与定额预测结果见表1，

表1 延安市各县、区不同水平年人口与人均

用水定额预测 ( 104 人、L·人-1·d-1)

Tab.1 Predicted results of population and per capita water

consumption in the Yan’an region in different years

水平年

2 000年 2 010年 2 020年 2 030年

农城

村 镇

人 口

农城村 镇

人 口

农城村 镇

人口

农村

城镇

1 425 1 575

1 875 2 100 1 800 2 250

表3 延安市工业万元需水定额 （m3/104元）

Tab.3 Water quotas per ten thousands Yuan production

value in different industries in Yan’an 年份 高耗水工业 一般工业 2 000 2 010 2 020

110.0 74.0 74.0 49.0

87.0 58.0 47.0 32.0

人

县、区

口

宝塔 34.04 30 90 39.06 40 9541.88 45 100 44.9150100延长 14.20 20 85 15.14 35 9516.24 40 100 17.0745100延川 18.03 20 85 19.50 30 9020.91 35 95 21.9840100子长 22.92 30 90 24.92 35 9525.93 40 100 26.9945100安塞 15.10 30 90 15.86 40 9516.34 45 100 16.8450100志丹 11.80 30 90 13.14 40 9514.09 45 100 14.9650100吴旗 12.10 20 85 12.96 30 9013.90 35 95 14.9040100甘泉 7.46 30 90 8.07 40 95

8.48 45 100 8.91

50100

富县 14.26 30 90 15.16 35 9515.78 40 100 16.4245100洛川 19.09 20 85 20.17 35 9021.62 40 95 23.1945100宜川 11.22 30 90 11.61 40 9512.08 45 100 12.7050100黄龙 4.70 25 90 4.90 35 95合计 196.64

5.25 40 100 5.58

45100

黄陵 11.72 30 90 12.23 40 9512.98 45 100 13.9250100

212.72 225.50 238.37

2 030

工业需水方面，分别按电力为主的高耗水工业和一般工业统计，一般工业里又涵盖建筑业需水。本文采用万元产值用水法预测工业需水，工业毛需水量为：

GIWi=

∑

n

IWk/ηi

i

k

=

k=1

∑

n

k=1

(IQki∗βki/ηki),(3)

式中：IWki为第i单元第k工业部门的净需水量；

1期 鲍卫锋等：西北干旱区水资源需求预测方法与态势分析

31

ηki为第i单元第k工业部门的水资源综合利用系

ii

数；IQk为第i单元第k工业部门用水定额；βk第

i单元第k工业部门工业发展目标。建筑业需水一

般采取单位建筑面积用水法预测，单位建筑面积用水量约为2～4 m3。工业万元需水定额及工业需水预测结果分别见表3和表4。

表4 延安市各县、区不同水平年工业需水预测结果 （104m3）

Tab.4 Predicted results of water consumption of industry in the Yan’an region in different years

水平年 2 000年 2 010年 2 020年 2 030年 类型 宝塔 延长 延川 子长 安塞 志丹 吴旗 甘泉 富县 洛川 宜川 黄龙 黄陵 合计

高耗水工业

一般工业

高耗水工业

一般工业

高耗水工业

一般工业

高耗水工业

一般工业 1 857.17 1497.29 770.09

3 181.16 2 380.74 726.41 2 335.84 643.24 893.32 1 194.06

316.05 58.89 1 741.89 1 7596.16

42.42 591.05 60.41 882.88 93.07 1 326.29 122.18 2.60 17.14 26.52 183.59 87.54 590.87 207.96 1 295.53

237.51

2 145.97

412.69

3 298.07

618.39

3 850.45

16.06 105.99 69.51 481.25 205.79 1 389.10 441.83 31.38 130.41 98.10 427.61 269.38 1 144.84 525.16 12.40 172.74 26.59 388.59 32.02 456.33 47.79 13.86

91.49

57.34

396.99

149.25

1 007.46

324.42

11.70 48.64 30.55 133.19 83.87 356.46 141.89 0.34 8.12 2.46 61.16 16.33 396.01 34.54 1 076.09

139.26

2 507.33

340.36

5 219.49

690.82

8 457.90

- 13.20 - 32.23 - 131.77 - - 3.75 - 25.75 - 42.13 - 1.28 93.19 2.32 176.90 7.91 586.96 21.99 2 503.67

1 652.50

5 027.10

3 943.17

9 462.73

8 737.43

1 4176.12

按国家统计局颁布的产业划分新标准，第三产业界定为除第一产业（农、林、牧、渔业）和第二产业以外的其它行业。其需水包括传统“大生活”所涵盖商饮业和服务业需水，与第二产业类似，一般多采取定额法进行预测。第三产业需水量有非常明显的地域特征，可根据各区万元增加值需水及社会经济发展指标确定需水量，定额预测见表5。以延安市2000－2005年三产总值为基础，进行线性拟合，并按照这样的趋势粗略计算第三产业值，再结合定额就可得到三产需水。

表5 延安市第三产业需水定额 （m3/104元）

Tab.5 Water quotas for tertiary industry in the Yan’an

region in different year

水平年 2 000年 2 010年 2 020年 2 030年延安市各县、区 14.72 12.50 10.00 10.00

生态系统维持良好的稳定状态时所需要的水量。在空间尺度上有河道内生态需水和河道外生态需水之分，其中河道内需水为维持河道基本功能和河口生态环境用水，河道外需水指维持河道外植被群落稳定所需要的水量[10]。其计算方法分别如下，

W水面蒸发

⎧0,LLLL∀P>E601

=⎨1

（E601−P）,L∀P⎩1000×A水面×

，（4）

；P为降水式中：W水面蒸发为水面蒸发量（104m3）

量（mm）；A水面是水面面积（hm2）；E601为当地年均水面蒸发量（mm）（E601型蒸发皿实测）。同时还要对市内主要河道生态需水进行复核，应满足合理性检验，延安市主要流域多年平均的河道内需水见表6。

对于我国西北干旱地区来说，维持生态稳定的意义在于植被状况，且其生存与繁衍取决于区域地下水禀赋。阿维里扬诺夫标定公式是基于大量干旱区的实地试验数据得出来的，适合干旱内陆区气候条件，能基本反映延安地区生态系统的特殊性[11]。所以，本文采用阿维里扬诺夫公式：

W植被

n1（5） =×∑Ak×a×(1−H/Hmax)b×E601 ，710k=1

1.2.3 生态需水计算 维持、改善生态系统的生命功能为生态需水，是以协调人与自然的关系为基础，维持生态系统稳定，天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。杨爱民[9]从系统的角度研究生态环境与广义水资源之间的关系，认为生态需水（ecological water requirement）是在一定的生态保护、恢复或建设目标下，在特定的时空范围内，其

32

干 旱 区 地 理 29卷

表6 延安市主要流域河道内生态需水要素

Tab.6 Water consumption for the ecology within the main drainage basins in the Yan’an region

河系 水文站

3

北洛河

吴旗

志丹 刘家河 张村驿

交口河

延安

1.11

延河

甘谷驿枣园杏河安塞

0.16

0.12

0.35

清涧河 子长

云岩河 仕望河大村0.61

延川 新市河 临镇

最小月平均（m/s） 0.48 0.10 1.64 1.16 4.21 0.76需水量（104m3）

124.42 25.92 425.09 300.67

1.11 0.93 0.32 0.19

1 091.23196.99287.7141.4731.1090.72287.71 241.06 82.94 49.25158.11

；Ak式中：W植被为天然植被生态需水量（104m3）为k类植被的计算面积（m2）；根据中科院寒旱所的试验数据和结论，本文a、b值分别采用1.174和3.632。H为地下水实际埋深（m）；H

max

从上表可以看出，现状年全市需水量为1.80×108 m3，到2 010年、2 020年、2030年，全市总需水量将分别达到3.02×108 m3、3.93×108 m3、5.60×108 m3。到2010年，宝塔区、洛川和黄陵三县的需水增长超过50%，其它各县基本维持在38%左右的速度增长。到2020年，由于节水措施的落实，进一步限制石油、电力等高耗水工业的发展，有效地压缩了需水增长，各县需水的增长速度均有所下降，综合增长率为28%。2 030年，各县需水增长速度有所减缓，全市年需水总量为5.6×108 m3。

为潜水

。蒸发极限埋深（m）；E潜水为潜水蒸发深（mm）延安市各县的多年平均河道外需水见表7。 1.2.4 需水量汇总 本文在第一产业需水预测时，采取频率为75%的降雨水平，其它各类与天然降雨有关的需水项均采取同样的来水条件。将延安市各 县、区不同水平年的各类需水进行代数迭加，汇总后成果见表8。

表7 延安市河道外生态需水量 （104m3）

Tab.7 Water consumption for the ecology in the areas outside the main drainage basins in the Yan’an region

县 区

宝塔

延长

延川

子长

安塞

志丹589.1654.2815.7835.3

吴旗275.8337.6372.1390.7

甘泉531.9624.2673.0744.3

富县294.3298.6358.7363.5

洛川

宜川

黄龙

黄陵

全 市 7 062.7 8 389.2 9 616.4 10 384.6

2 000年 1 949.4 412.4 827.5 678.5 233.32 010年 2 020年 2 030年

2 191.1 2 225.6 2 319.3

419.4 477.2 577.6

816.8 934.4 976.5

750.9 909.1 1 011.0

281.3297.2314.1

726.7 175.5 100.8 267.41 125.51 389.41 545.7

246.9 322.1 387.5

98.6 118.3 120.6

544.1723.6798.4

表8 延安市各县、区不同水平年的需水预测成果 （104m3） Tab.8 Predicted results of water demand in the Yan’an

region in different years 水平年 县、区 宝塔 延长 延川 子长 安塞 志丹 吴旗 甘泉 富县 洛川 宜川 黄龙 黄陵 合计

2 000年 2 010年 2 020年 2 030年 3 103.96 901.26 2 459.75 1 555.85 1 120.45 1 101.96 1 200.04 1 254.98 1 508.60 1 941.99

5 523.25 1 181.11 3 785.12 2 381.95 1 833.03 1 637.42 1 656.94 1 558.52 2 262.91 3 916.54

6 237.80 1 801.96 5 444.88 3 497.57 2 914.85 1 912.30 2 448.49 1 815.83 2 710.06 5 197.09

7 646.45 2 976.70 6 472.29 5 860.26 4 600.40 2 299.71 4 198.67 2 132.57 3 229.62 6 230.50

2 区域水资源需求态势分析

通过对延安市现状年各县用水总量的统计分析，再结合各县的水资源禀赋，2 000年各县区水资源利用效率见图1， 35.0030.0025.00 延川安塞吴旗富县宜川黄陵利用率/%20.0015.0010.005.000.00279.49 294.11 386.82 458.23 1 099.74 18 041.12

3 473.40 30 227.37

3 578.85 39 306.88

3 696.44 55 972.62

图1 现状年延安市各县水资源利用效率 Fig.1 Utilization efficiencies of water resources

in the Yan’an region

宝塔区513.04 723.07 860.40 1 170.78

1期 鲍卫锋等：西北干旱区水资源需求预测方法与态势分析

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从图1可以看出，现状水平年延安各县水资源利用率都比较低，只有宝塔区、延川和洛川三县超过20%；宜川和黄龙两县的水资源利用率低于5%，属于水资源相对丰富地区；其它各县利用率处于11%左右的开发水平。所以整体来看，提高用水效率是全市水资源管理的工作重点。对全市在不同水平年下的需水进行汇总后，按照三产的口径划分，延安市的需水格局见图2。

生活需水45000.040000.035000.0需水量/104m3结构松散，河流有沙多水少的显著特点，水沙资源集中在汛期。水库作为城市供水的主要水源地，目前多采取汛期敞泄空库运行的调度方式，对于资源型缺水地区来说，这样的下泄水平非常可惜。随着延安市区规模的扩大及工业的发展，城市供水压力会加大，应研究适合本地区的水库运行方式，实现真正意义上的水沙资源联合调度。 参考文献（References）

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图2 延安市各水平年部门需水格局 Fig.2 Water demand structure in the Yan’an region in

different years

从图2可以看出，不同水平年条件下全市生活和生态需水增长呈缓慢均匀的态势，在整个需水结构中工业需水所占比重大，增长幅度剧烈。随着能源工业的快速发展，在未来30年内一直保持这种格局，需要足够的水资源为经济社会可持续发展提供支撑。

3 结论与建议

（1） 在需水结构中，生态需水在30年的尺度上平均年增长速度为12.4%，比工业需水平均增长速度10.6%幅度略高。本文按生态系统健康高指标预测生态需水，是人与自然和谐发展的现实体现。

（2） 水资源开发利用率按30%水平计算，2010年近期水平年宝塔区会产生0.12×10 m的供需缺口。全区高耗水工业和农业用水份额较小，节水潜力有限。“引洛济延” 跨流域调水工程的上马势在必行。同时应加快龙安、南沟门、红石峁水库的建设进程，可在一定程度上提高各县水资源利用率，降低供水风险，同时对小流域治理及维持生态环境良性循环也会起到积极的促进作用。

（3） 延安地处我国西北黄河流域，区内土质

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3

34

干 旱 区 地 理 29卷

Prediction and analysis of water resources demands in the arid areas in

Northwest China

— A case study in Yan’an City, Shaanxi Province

BAO Wei-feng， HUANG Jie-sheng， Xie Hua

（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China）

Abstract: Yan’an City (900~1200 m a.s.l. and 1000 m a.s.l. in average) is located in a hilly-valley region of the Loess Plateau in Shanxi Province, where it belongs to the arid climate of the transitional area between the typical warm-temperate zone and the mid-temperate zone, the annual temperature and the frost-free period vary in ranges of 7.8℃~10.6℃ and 150~209 days, and the annual precipitation is 550 mm and occurs mainly during the period from June to September. Under Yan’an City there are 13 counties and districts, the population was 2.056×106 in 2000, and its total land area is 3.7×104 km2. The area of forests is 1.846×106 ha, and the vegetation coverage is 42.9%. Yan’an is one of the regions with the most serious soil erosion in the middle reaches of the Yellow River, and is also one of the main sand-dust source areas in the Yellow River Watershed, and the area of soil erosion is 2.88×104 km2 and occupies 77.84% of the total land area in the Yan’an region. In this paper, the models of water demands for general life, production and ecology are separately developed based on considering the stability of the artificial ecological landscapes and the local conditions in northwest China. The water demands in all the counties and districts of Yan’an City in different years are calculated, the increase situation of water demands is analyzed, and some suggestions and measures are put forward for the rational utilization of water resources in the Yan’an region.

Key words: water resources；statistical data；water demand for ecology；transpiration；Yan’an City

《塔里木河流域资源植物利用与生态经济开发技术》简介 2005年5月，由中国科学院新疆生态与地理研究所绿洲学者基金赞助、由马世忠特邀研究员等学者撰写的应用性学术专著《塔里木河流域资源植物利用与生态经济开发技术》，由新疆科学技术出版社正式出版发行。该专著的主要内容包括新疆生态与地理研究所近期进行的“塔里木河中下游荒漠化防治与绿洲生态系统管理”重大科研项目的部分研究成果。本书以系统生物学的观点和物种相生相辅、资源循环再生的生态学原理，从干旱区资源利用、经济开发与环境保护并重的基本点出发，研究了土壤、植物与动物间的相互关系和在人类管理下的生态经济学表现。重点研究了盐渍土的限水生物改良、野生植物的驯化栽培和绵羊、山羊的高效饲养技术等。通过资源的合理配置和物种的优化组合，创立了一种在干旱区建设资源节约性、人与自然和谐相处和生态经济可持续发展的农业模型。通过理论结合实践的方法，赏试了一条基础生地学与应用农业学相互密切联系研究的新路径。该书是一部在理论指导下的技术集成成果，具有广泛的应用价值。 （本刊编辑部）