馬宗文，盧亞靈，許學(xué)工*

(1.科學(xué)技術(shù)部中國科學(xué)技術(shù)交流中心 北京100045；2.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室 北京100871；3.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院中國環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室 北京100012)

天津市水資源供需現(xiàn)狀與預(yù)測研究

馬宗文1,2，盧亞靈3，許學(xué)工2*

(1.科學(xué)技術(shù)部中國科學(xué)技術(shù)交流中心 北京100045；2.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室 北京100871；3.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院中國環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室 北京100012)

以天津市為例研究我國北方高強度開發(fā)的水資源供需問題。分析天津市近幾十年的水資源供用現(xiàn)狀，結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃預(yù)測其2020年水資源需求量和供應(yīng)量，并對其水資源供需平衡進行分析。結(jié)果表明，天津市近年年均水資源量為16.90億m3，水資源供需一直存在較大矛盾；2020年水資源需求量為52.53～54.90億m3，供應(yīng)量為48.04～50.54億m3。在平水年(50%,保證率)，水資源供需平衡為－1.99億m3，少量缺水；在偏枯水年(75%,保證率)，水資源供需平衡為－6.86億m3，會出現(xiàn)水資源短缺情況，若遇特枯水年缺水則非常嚴峻。針對水資源短缺的情況，天津市需要采取各項措施開源節(jié)流，保證水資源供應(yīng)。研究具有一定的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

水資源 供需平衡 水資源需求 水資源供用 預(yù)測 天津市 2020年

水資源是自然界最基本最活躍的要素，是不可替代的可更新自然資源[1-2]。水資源是支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的重要要素，[3-4]其缺乏也往往會制約人類社會的發(fā)展。[5]近30年，水資源缺乏問題越來越嚴重，淡水資源短缺導(dǎo)致世界上接近80%,的人口面臨水安全問題，[6]因此研究水資源問題對于區(qū)域發(fā)展非常重要。國際上，變化環(huán)境(即氣候變化與人類活動影響)中的水文循環(huán)與水資源研究成為熱點，主要包括人類活動影響下的水資源演變規(guī)律、水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的相互作用影響、水資源可持續(xù)利用與水安全等。[7]近年來由于氣候變化廣受關(guān)注，對上述熱點問題的研究還經(jīng)常要考慮到氣候變化背景。[8]海岸帶農(nóng)業(yè)用水及地下水的使用是困擾沿海地區(qū)水資源持續(xù)利用的重要問題，[9]海岸帶水資源可持續(xù)利用也成為研究內(nèi)容之一。[10]

天津市位于我國渤海西岸，是海河干流主要流經(jīng)地。1980—2000年，海河流域水資源開發(fā)利用程度達98%,，遠超安全開發(fā)利用程度的上限。[11]從20世紀70年代開始大量開采地下水后，海河流域已形成了世界上最大的地下水漏斗區(qū)，造成嚴重的生態(tài)和環(huán)境問題。目前，天津市人均水資源占有量約370,m3，僅為世界的1/27，遠遠低于國際上人均水資源占有量600,m3的嚴重缺水警戒線，屬重度缺水地區(qū)。[12-13]海河流域水資源研究主要集中在以下方面：降水、徑流、蒸發(fā)量(ET)、氣候變化對水資源的影響、水量平衡和水資源安全評價、水資源承載力、地下水模擬和評價、水資源優(yōu)化配置、水資源管理和對策等方面，[14-23]對流域的水資源供需預(yù)測研究較少。因此以天津市為例研究我國北方高強度開發(fā)的水資源供需平衡問題，既是地理學(xué)與水資源學(xué)的前沿研究領(lǐng)域，又符合區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，具有一定的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域概況

天津市位于華北平原的海河流域下游，環(huán)渤海中心地帶?？偯娣e為11,760,km2，境域周長約1,290,km，其中海岸線長153,km。地勢以平原和洼地為主，海拔由北向南逐漸降低。天津市受季風(fēng)環(huán)流的支配，東亞季風(fēng)盛行。主要氣候特征是：四季分明，春季風(fēng)多干燥，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪。受地形和海陸影響，雨量由北向南遞減，而且東部多于西部。天津市全境占海河流域面積的3.55%,，有19條一級河流流經(jīng)，河道總長1,095,km，分別屬于北三河水系、永定河水系、大清河水系、海河干流水系、黑龍港運東水系和漳衛(wèi)南運河水系等6大水系。另外，1983年起建成引灤入津工程，形成了引灤河道系統(tǒng)，使灤河成為天津市的主要供水水源。水系分布如圖1所示。自2005年天津濱海新區(qū)納入國家總體發(fā)展戰(zhàn)略，天津的經(jīng)濟重新展現(xiàn)出活力，并被譽為“中國經(jīng)濟第三增長極”，經(jīng)濟進入高速發(fā)展階段。

圖1 天津市主要水系圖Fig.1 The main drainage map in Tianjin

2 研究內(nèi)容和方法

2.1 研究內(nèi)容

本文主要研究天津市水資源供用現(xiàn)狀與供需平衡預(yù)測。水資源供應(yīng)包括地表水和地下水，前者主要有海河入境水、大氣降水和外調(diào)水。海河入境水和天津市大氣降水在全球氣候變化背景下，過去幾十年呈減少趨勢，未來變化情況充滿不確定性；現(xiàn)天津市外調(diào)水主要是引灤河水和引黃河水，未來主要是南水北調(diào)的引長江水。需水部分主要有農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)需水，現(xiàn)狀情況下前三者易于統(tǒng)計，而后者具有不確定性；對未來情景下需水部分的預(yù)測是研究的重點之一。論文將研究過去和現(xiàn)狀水資源供用，以及在未來情境和跨流域調(diào)水實施后的水資源供需情況。

2.2 研究方法

水資源供需平衡預(yù)測采用統(tǒng)計分析方法與灰色模型、非線性回歸模型等方法。其中生活需水量預(yù)測主要采用二階自回歸模型、Logistic模型、就業(yè)彈性法、灰色系統(tǒng)模型等，生產(chǎn)用水預(yù)測方法主要有灌溉定額法、重復(fù)利用率提高法、彈性系數(shù)法、工業(yè)用地用水定額法等，生態(tài)和環(huán)境用水采用Tennant法、槽蓄法、污染物稀釋法等。

論文研究框架與技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 論文研究框架與技術(shù)方法Fig.2 The framework and technical methods

2.3 數(shù)據(jù)準備

天津市入境水量數(shù)據(jù)來源于《海河流域水文年鑒》的實測值。地表水、地下水資源數(shù)據(jù)來自《天津市中長期供水規(guī)劃》，用水數(shù)據(jù)來自《天津市水資源公報》。天津市人口、耕地保有量和基本農(nóng)田保護面積、牲畜家禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和預(yù)測值主要來自《天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020年)》。水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來自《2020年農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(天津市農(nóng)委)。工業(yè)用水重復(fù)利用率數(shù)據(jù)參考《天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020年)》《天津市中長期供水規(guī)劃》調(diào)整。

3 結(jié)果分析

3.1 天津市水資源供用現(xiàn)狀

3.1.1 水資源量

①地表水資源：采用1956—2002年當?shù)氐乇韽搅髁肯盗袛?shù)據(jù)，計算天津市地表水資源量，結(jié)果如表1所示。天津市地表水資源多年平均值為10.31億m3。

表1 1956—2002天津市年均水資源總量 億m3Tab.1 The annual water resources quantity in Tianjin in 1956—2002 Per 100 million m3

②地下水資源：采用1956—2002年系列數(shù)據(jù)，計算得到天津市地下水資源量，結(jié)果如表1所示。天津市多年平均地下水資源量為7.30億m3，其中主要是淺層地下水，約占總量的58%,；從空間分布來看，地下水開采主要集中在北四河平原，占總量的65%,。

③ 水資源總量：天津市水資源總量為當?shù)氐乇韽搅髁亢偷叵滤Y源量之和扣除重復(fù)計算量而得(見表1)。1956—2002年全市水資源總量為16.90億m3(扣除重復(fù)計算量0.71 億m3)。

3.1.2 水資源供用結(jié)構(gòu)

天津市1990—2010年水資源用途按農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)(從2003年開始統(tǒng)計)4個部門統(tǒng)計。1990—2010年各部門年平均用水量分別為：農(nóng)業(yè)12.16億m3，工業(yè)5.77億m3，生活4.86億m3，生態(tài)0.25億m3。

從變化趨勢來看(見圖3)，1990—2010年農(nóng)業(yè)用水波動較大，20世紀90年代初期迅速增加，中后期保持年平均用水量12億m3左右，到2001年出現(xiàn)低谷，然后逐年增加，2007年以后又開始下降。1990—2010年天津市工業(yè)用水總體呈下降趨勢，90年代平均工業(yè)用水量為7.0億m3，20世紀平均為4.5億m3左右，但2008年以后工業(yè)用水量也出現(xiàn)增長趨勢。1990—1998年平均生活用水量從4億m3增加到6億m3，然后開始下降，到2004年下降到3億m3，2004年以后也逐年增加。生態(tài)用水量從2003年開始統(tǒng)計，也呈逐年增加趨勢。

圖3 天津市1990—2010年各部門用水量Fig.3Water consumption of different departments in Tianjin from 1990 to 2010

3.2 天津市水資源供用預(yù)測

水資源需求主要包括3個部分：①生活系統(tǒng)需水，其中又分為農(nóng)村和城市生活需水兩部分；②生產(chǎn)系統(tǒng)需水，分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)需水兩部分；③生態(tài)系統(tǒng)需水，考慮生態(tài)和環(huán)境需水。水資源供給主要從4個方面考慮：地表水、地下水、外調(diào)水及其他非常規(guī)水資源，天津市非常規(guī)水資源來源主要有污水資源化、海水淡化和海水直接利用。預(yù)測年份為2020年。

3.2.1 水資源需求

① 生活需水：包括農(nóng)村生活需水和城鎮(zhèn)生活需水兩部分。其中，農(nóng)村生活用水只包括居民生活用水，不包括牲畜家禽用水。城鎮(zhèn)生活用水由居民用水、公共設(shè)施(含城市綠化)和服務(wù)用水組成。生活用水預(yù)測從人口預(yù)測入手，然后采用灰色系統(tǒng)預(yù)測法分析研究區(qū)人均生活用水量。用人均生活用水指標乘以預(yù)測年人口數(shù)即得到生活需水量(見表2)。

表2 天津市2020年生活需水量預(yù)測結(jié)果Tab.2 Forecast of water demand in the living in Tianjin in 2020

② 生產(chǎn)需水：生產(chǎn)需水預(yù)測分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水和工業(yè)生產(chǎn)需水兩部分。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量預(yù)測采用定額法。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水包括種植業(yè)用水和林牧漁畜用水。種植業(yè)根據(jù)用水量不同又細分為水田、水澆地(主要包括：小麥、玉米、棉花等)和菜田；林牧漁畜需水分為林果灌溉、畜禽需水和魚塘補水3部分。農(nóng)業(yè)需水預(yù)測結(jié)果見表3，2020年在50%,和75%,保證率水平下，農(nóng)業(yè)需水分別為19.52億m3和21.89億m3。

表3 天津市2020年農(nóng)業(yè)需水預(yù)測結(jié)果 億m3Tab.3 Forecast of water demand in agriculture in Tianjin in 2020 Per 100 million m3

工業(yè)需水量采用重復(fù)利用率提高法、彈性系數(shù)法和單位工業(yè)用地用水定額法3種方法進行預(yù)測，取3種方法的平均值作為最終預(yù)測結(jié)果(見表4)。2020年和2030年，天津市工業(yè)需水量分別為10.45億m3和14.01億m3。

表4 天津市2020年工業(yè)需水預(yù)測結(jié)果 億m3Tab.4 Forecast of water demand in industry in Tianjin in 2020 Per 100 million m3

③ 生態(tài)和環(huán)境需水：這是指為維持地表水體特定的生態(tài)環(huán)境功能，天然水體必須蓄存和消耗的最小水量。[24]研究主要考慮3個方面：①河流基本生態(tài)需水量(采用Tennant法和槽蓄法，主要參考水利部海河水利委員會編制的《海河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃》，2006)；②湖泊洼淀生態(tài)需水量(采用生態(tài)水位法)；③維持河口地區(qū)生態(tài)平衡的環(huán)境需水量(采用最小基流量法[25])。

天津市2020年河道、湖泊洼淀總生態(tài)需水量為12.99億m3，河口污染物稀釋需水為1.60億m3。

④ 需水量匯總：綜上，在50%,和75%,保證率水平下，2 0 2 0年天津市水資源需求量分別為52.53億m3、54.90億m3。

3.2.2 供水量預(yù)測

供水量主要由以下各部分組成：當?shù)氐乇硭叭刖乘?、地下水、外流域調(diào)水、再生水、海水綜合利用。

① 當?shù)氐乇硭壕C合《海河流域水資源綜合規(guī)劃》和《天津市二十一世紀初期水資源支持天津市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》的研究結(jié)果，取二者平均值得到天津市2020年在50%,和75%,保證率的水平下可供水資源量分別為12.98億m3和10.88億m3。

② 地下水：《天津市中長期供水規(guī)劃》中天津市地下水資源量總量為7.30億m3。2011年天津市政府出臺《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，天津市將在地下水管理方面實行最嚴格的水資源管理制度，到2015年，全市地下水開采總量控制在5.40億m3以內(nèi)。預(yù)測2020年天津市地下水資源可利用量為5.40億m3。

③ 外流域調(diào)水：根據(jù)《天津市中長期供水規(guī)劃》《南水北調(diào)東線工程規(guī)劃(2001年修訂)》《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃(2001年修訂)》，2020年，在50%,和75%,保證率水平下，天津市外調(diào)水(引灤入津工程、南水北調(diào)中線工程、南水北調(diào)東線工程)資源可利用量分別為19.23億m3和18.83億m3。

④ 再生水：預(yù)計天津市2020年污水處理處理能力為399.82萬m3/d，按照污水處理的平均中水回用率0.7計算，2020年其污水處理再利用量為10.22 億m3。根據(jù)《天津市海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，天津市海水綜合利用替代淡水資源量2020年達2.71億m3。

⑤ 水資源可利用量匯總：在50%,和75%,保證率水平下，2020年天津市水資源可利用量分別為50.54億m3和48.04億m3。

3.2.3 水資源供需平衡分析

從預(yù)測結(jié)果來看，天津市2020年在平水(50%,保證率)年份有少量缺水，缺水量1.99億m3；在偏枯水(75%,保證率)年份，缺水量較大，2020年缺水量為6.86億m3。

表5 天津市2020年水資源供需平衡預(yù)測結(jié)果Tab.5 Balance predetermination of water supply and demand in Tianjin in 2020

4 討論與結(jié)論

4.1 天津市緩解水資源瓶頸對策

未來要解決天津市水資源缺乏問題，需要從以下幾個方面入手：①開源——繼續(xù)實施跨流域調(diào)水和海水淡化，爭取較多的調(diào)水配額，鼓勵和扶持海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加外來水資源量；②挖潛——充分進行污水資源化和雨洪資源利用，逐步增加工業(yè)和景觀用再生水水量，挖掘雨水、洪水利用潛力，提高雨污利用效率；③節(jié)流——采取農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活節(jié)水措施，推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，提高工業(yè)用水循環(huán)利用水平，鼓勵生活節(jié)約用水，減少水資源消耗；④管理——加快水權(quán)制度和體制改革，建立和完善投資體制和水權(quán)機制，運用市場手段優(yōu)化配置水資源，實現(xiàn)合理配置和高效使用有限的水資源。

4.2 結(jié)論

近年，天津市當?shù)厮Y源總量為16.90億m3，其中地表水資源多年平均值為10.31億m3，分布格局為北多南少；多年平均地下水資源量為7.30億m3，主要是淺層地下水。天津市1990—2010年水資源供用總量在19～26億m3之間。天津市水資源供需現(xiàn)狀矛盾較為突出。

據(jù)預(yù)測，2020年天津市水資源需求量為52.53～54.90億m3，供應(yīng)量為48.04～50.54億m3。在50%,的保證率水平下，水資源供需平衡為－1.99億m3；在75%的保證率水平下，水資源供需平衡為-6.86億m3。在平水年(50%,保證率)，天津市水資源供需基本可以達到平衡，但在偏枯水年(75%,保證率)，則出現(xiàn)水資源短缺情況；若遇特枯水年，缺水則非常嚴峻。要解決天津市水資源短缺的瓶頸，需要采取各種開源節(jié)流和加強水資源管理的措施，提高水資源利用效率。■

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Status and Prediction of Water Resources Supply and Demand of Tianjin City

MA Zongwen1,2，LU Yaling3，XU Xuegong2*
(1．China Science and Technology Exchange Center，Beijing 100045，China；2．Key Laboratory of Analysis and Simulation of Earth Surface Processes，Ministry of Education，College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China；3．State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation，Chinese Academy for Environmental Planning，Beijing 100012，China)

There is a certain academic value and practical significance to study the supply and demand of water resources in Tianjin which represents high strength development area in north China．Firstly，it analyzes the water resources supply situation of Tianjin city in recent decades；then forecasts the water demand and supply and the balance between them in 2020 based on regional development planning．The results showed：the annual water resources quantity is 1.69 billion m3in recent years and there has been a great contradiction between supply and demand of water resources in Tianjin；in 2020，the demand for water resources will be 5.25～5.49 billion m3，the supply be 4.80～5.05 billion m3；in normal years(50%, guarantee rate)，supply and demand balance of water resources would be－0.199 billion m3；in dry years(75%, guarantee rate)，it would be－0.686 billion m3and there would be a short of water resources；in special dry years，there would be a very serious water shortage．Aiming at the shortage of water resources，it needs to take various measures to broaden the income and reduce expenditure of water to ensure the supply.

water resources；balance of supply and demand；water demand；water supply；water prediction；Tianjin；the year 2020

F293

：A

：1006-8945(2016)12-0061-05

*通訊作者

本研究依托于國家自然科學(xué)基金重點項目“渤海西部海岸帶高強度開發(fā)的環(huán)境變化影響與多功能持續(xù)發(fā)展(40830746)”和國家自然科學(xué)基金面上項目“海岸帶陸海一體統(tǒng)籌開發(fā)及適應(yīng)性調(diào)控——以環(huán)渤海為例(41271102)”。

2016-11-04