楊翊辰 劉柏君 崔長勇
摘 要:明晰黃河用水演變特征、探究黃河未來水資源情勢,對流域有效管理水資源、合理制定規(guī)劃方案、優(yōu)化布局重大水利工程具有重要意義。利用多種方法開展了黃河流域用水演變特征分析、用水變化影響因素判別及未來水資源開發(fā)利用情勢識別研究,結(jié)果表明:黃河流域1980—2016年用水增長主要為城鎮(zhèn)生活用水,37 a增加了37.0億m3;2012—2016年工業(yè)用水量有所下降,2000—2016年農(nóng)業(yè)用水量整體呈現(xiàn)減少特征,農(nóng)業(yè)節(jié)水量能夠滿足新增灌溉面積用水需求;未來黃河流域生態(tài)環(huán)境用水量仍將呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢,這可能會加劇黃河流域水資源供需矛盾;黃河流域2001—2016年總耗水量整體呈增加趨勢,地表水是黃河流域主要水源,但現(xiàn)階段流域用水仍無法擺脫對地下水的依賴,流域水資源利用效率與發(fā)達(dá)國家和世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距??紤]到氣候變化和人類活動的影響,黃河河川徑流量變化存在較大的不確定性,在南水北調(diào)西線工程生效前,流域水資源與水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束將日益凸顯。黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉尚有一定的節(jié)水潛力,可通過加大灌區(qū)節(jié)水改造、完善田間工程配套等措施實(shí)現(xiàn)流域深度節(jié)水。
關(guān)鍵詞:用水演變;影響因素;未來情勢;黃河
中圖分類號:TV213.9;TV882.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.012
引用格式:楊翊辰,劉柏君,崔長勇,等.黃河流域用水演變特征及水資源情勢識別研究[J].人民黃河,2021,43(1):61-66.
Water Use Variability and Water Resources Situation Identification of the Yellow River Basin, China
YANG Yichen1, LIU Bojun2, CUI Changyong2
(1.School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)
Abstract: The study on water use variability and future water resources situation plays a key role in the effective management of water resources, the reasonable schemes planning and the layout of key water conservancy projects for the Yellow River basin. Various methods were employed to analyze the variability of water use, distinguish the impact factors with regard to water use change and identify the potential future situation of water resources development for the Yellow River basin. The results show that the main increase of 3.7 billion m3 for water use in the Yellow River basin is urban domestic use from 1980 to 2016; the industrial water use is slightly decreased from 2012 to 2016, and the agricultural water use, as a whole, shows the reducing characteristic from 2000 to 2016, however, the agricultural water-saving can meet the water demand of the newly increased irrigated area; the eco-environmental water use will continue to increase, which may aggravate the contradiction between water supply and demand in the Yellow River basin. Besides, from 2001 to 2016, the total water consumption of the Yellow River basin also shows an overall increasing trend, that is, surface water is the main water source and groundwater use is inevitable. The water utilization efficiency in the basin still has a certain gap between the advanced levels of developed countries and the world. Due to the impact of climate change and human activity, uncertainty exists in the runoff change of the Yellow River. Before the Western Route of the South-to-North Water Diversion Project comes into force, the constraints of water resources and water environment in the Yellow River basin on economic and social development will become increasingly prominent. Agricultural irrigation in the Yellow River basin has a certain water-saving potential, which can be realized by increasing water-saving transformation in irrigated areas and perfecting supporting facilities of field projects. Research can support the ecological conservation and high-quality development of the Yellow River basin.
Key words: water use variability; impact factor; future situation; Yellow River
1 研究背景
黃河流域大部分位于我國中西部地區(qū),是承接我國東西地區(qū)共同發(fā)展和向西、向北對外開放的重要紐帶。黃河流域土地、能源、礦產(chǎn)資源豐富,沿黃省(區(qū))為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū),在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和對外開放總體布局中具有重要地位。近年來,受全球氣候、下墊面等變化的影響,黃河流域水沙情勢發(fā)生了一定變化;同時(shí),隨著國家西部大開發(fā)、一帶一路、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)等戰(zhàn)略的實(shí)施,以及國家主體功能區(qū)規(guī)劃、新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃等全面深入,黃河流域能源與礦產(chǎn)資源開發(fā)、商貿(mào)文化交流發(fā)展面臨新機(jī)遇,黃河流域水資源供需面臨新的形勢及考驗(yàn)[1]。2019年9月18日,習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上指出“有多少湯泡多少饃”“堅(jiān)持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn),把水資源作為最大的剛性約束,合理規(guī)劃人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,堅(jiān)決抑制不合理用水需求”,給黃河流域用水方式提出了更高的要求[2-3]。明晰黃河流域用水演變特征,識別未來水資源開發(fā)利用情勢,不僅關(guān)系到流域規(guī)劃方案制定,也影響重大水利工程的布局[4]。
氣候變化能夠直接影響流域降水、蒸發(fā)、產(chǎn)匯流過程,會對黃河流域水資源利用格局及水安全形勢產(chǎn)生較大影響[5]。黃河流域在氣候變化的影響下,已經(jīng)出現(xiàn)了水資源量減少、水資源供需矛盾加劇等問題,流域用水情勢不容樂觀[6]。針對黃河水資源問題,翁建武等[7]利用熵權(quán)法評價(jià)了黃河上游地區(qū)水資源脆弱性,認(rèn)為自然氣候條件是區(qū)域水資源脆弱化的主導(dǎo)因素。李恩寬等[8]利用基于混合蛙跳算法的投影尋蹤模型評價(jià)了黃河流域用水效率,認(rèn)為人均綜合用水量、萬元GDP用水量等是影響黃河用水效率的主要因素。俞淞等[9]詳細(xì)分析了黃河干流寧夏段出入境水量、灌區(qū)引水量、灌渠取水量的變化特征。張麗潔等[10]、張寧寧等[11]、左其亭等[12]分別利用正態(tài)云模型、“量-質(zhì)-域-流”評價(jià)指標(biāo)體系和基于組合權(quán)重的TOPSIS模型評價(jià)了黃河流域水資源承載力,均認(rèn)為黃河流域水資源未達(dá)到可承載水平。黨麗娟[13]從流域、?。▍^(qū))、地市多尺度對黃河流域水資源開發(fā)利用情勢進(jìn)行了分析評價(jià),為流域人口規(guī)劃、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。尚文繡等[14]通過對黃河流域不同用水部門間的競爭與協(xié)作關(guān)系進(jìn)行量化,認(rèn)為蘭州以下河段2017年存在較強(qiáng)的用水競爭關(guān)系。劉華軍等[15]通過研究黃河流域用水效率空間格局與動態(tài)演進(jìn)趨勢,發(fā)現(xiàn)流域用水效率呈現(xiàn)東高西低空間分布特征且部分年份存在極化現(xiàn)象。吳澤寧等[16]利用空間自相關(guān)方法,發(fā)現(xiàn)陜西、河南、山東是經(jīng)濟(jì)用水高價(jià)值省份,寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西是生態(tài)環(huán)境用水高價(jià)值?。▍^(qū)),青海、四川、陜西是總用水高價(jià)值省份。
綜上可知,現(xiàn)階段對黃河流域用水演變特征、未來水資源情勢等研究較少。在新形勢下,利用多種方法開展黃河流域用水演變特征分析、用水變化影響因素判別及未來水資源開發(fā)利用情勢識別研究,對黃河流域水資源管理與開發(fā)利用具有重要意義。
2 黃河流域概況
黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地,流經(jīng)青、川、甘、寧、內(nèi)蒙古、陜、晉、豫、魯?shù)??。▍^(qū)),全長5 464 km,流域面積79.5萬km2(包括內(nèi)流區(qū)4.2萬km2)。河口鎮(zhèn)(內(nèi)蒙古自治區(qū)托克托縣)以上為黃河上游流域,面積42.8萬km2,干流河長3 472 km,是黃河徑流的主要來源區(qū);河口鎮(zhèn)至桃花峪(河南省鄭州市)區(qū)域?yàn)辄S河中游流域,面積34.4萬km2,干流河長1 206 km,是黃河洪水和泥沙的主要來源區(qū);桃花峪以下區(qū)域?yàn)辄S河下游流域,面積2.3萬km2,干流河長786 km[4]。黃河流域概況與主要控制斷面見圖1。
3 黃河流域用水演變特征及其影響因素分析
3.1 用水量變化分析
對黃河流域1980—2016年城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)以及2005—2016年生態(tài)用水量(河道內(nèi)外生態(tài)環(huán)境用水量)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。黃河流域用水量演變過程(見表1)表明:隨著城鎮(zhèn)居民生活水平提高,生活用水量增長較快,37 a間用水量增加了37.0億m3,占總用水量的比重從5.1%提高到13.3%,年均增長2.7%,其中2005—2016年生活用水量年均增長4.9%。
1980—2016年工業(yè)用水量年均增長率為1.5%,其中:1980—1994年年均增長率為4.8%,是工業(yè)用水的高速發(fā)展階段;1995—2000年、2000—2005年、2005—2012年工業(yè)用水量年均增長率分別為1.9%、-0.2%、1.1%;2012—2016年工業(yè)用水量有所減少,5 a減少了8.8億m3,占總用水量的比重從15.5%下降到13.3%。工業(yè)用水量明顯下降主要受流域工業(yè)發(fā)展速度減緩和工業(yè)節(jié)水強(qiáng)度提高的影響。
流域農(nóng)業(yè)用水量呈先增后減的態(tài)勢,占總用水量的比重下降了17.1%,分析可知,2000年以前農(nóng)業(yè)用水量增加與灌溉面積持續(xù)增大有關(guān),2000—2016年農(nóng)業(yè)用水量減小了36.8億m3,但流域灌溉面積仍呈增大趨勢,說明隨著節(jié)水措施的實(shí)施,流域節(jié)水取得了較好的效果,農(nóng)業(yè)節(jié)水量滿足了新增灌溉面積的用水需求。
隨著城市環(huán)境改善和生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn),黃河流域2005—2016年生態(tài)用水量呈現(xiàn)增加趨勢,占總用水量比重從0.8%提高到了3.5%。其中,河道外人工生態(tài)環(huán)境用水量增加較快,12 a增加了11.3億m3,年均增長率為14.4%。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實(shí)施,未來黃河流域生態(tài)環(huán)境用水量將持續(xù)增加,可能會加劇黃河流域水資源供需矛盾[17-18]。
從用水結(jié)構(gòu)演變來看,2005—2016年黃河流域農(nóng)業(yè)用水量占比呈明顯下降趨勢,工業(yè)用水量占比呈波浪式微增加趨勢,生活用水量占比則呈現(xiàn)穩(wěn)步增加趨勢。由此推斷,黃河流域水資源利用結(jié)構(gòu)在朝有利于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的方向演變。
3.2 耗水量變化分析
3.2.1 黃河流域內(nèi)外總耗水量變化分析
根據(jù)“八七”分水方案[19-20],南水北調(diào)西線工程生效前,黃河流域內(nèi)外可耗用黃河水量370億m3(遵循豐增枯減原則)。通過分析黃河流域2001—2016年耗水量數(shù)據(jù)可知,流域多年平均耗水量為392.49億m3,地表水耗水量為300.46億m3,地下水耗水量為92.03億m3。地表水耗水量中,流域內(nèi)耗水量為203.15億m3(占流域總耗水量的51.8%),流域外耗水量為97.31億m3(占流域總耗水量的24.8%)。黃河流域耗水量變化情況見表2和圖2。
由圖2可知,黃河流域2001—2016年總耗水量整體呈增加趨勢,其中:地表水耗水量呈明顯增加趨勢,說明地表水是黃河流域的主要水源;地下水耗水量整體較為穩(wěn)定,僅出現(xiàn)微弱的下降趨勢,說明壓采地下水措施具有一定的效果,但由于流域地表水量天然稟賦較差,因此現(xiàn)階段流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展仍無法擺脫對地下水的依賴。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示,黃河流域總耗水量與地表水耗水量的突變點(diǎn)均為2006年(顯著性水平為0.05),即黃河流域在2006年開始,耗水量呈持續(xù)增加態(tài)勢。
3.2.2 各省(區(qū))耗水量與控制指標(biāo)關(guān)系分析
黃河自1999年實(shí)施水量統(tǒng)一調(diào)度,根據(jù)“八七”分水方案,2001—2016年甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古和山東4個省(區(qū))地表水耗水量分別超出黃河分水指標(biāo)3.89億、3.82億、9.04億、14.68億m3,合計(jì)超出分水指標(biāo)31.43億m3(見表3)。由表3可知:四川省、陜西省和山西省耗水較為均衡,說明這3個省用水結(jié)構(gòu)的合理性在黃河流域處于較高水平;青海省和河南省用水結(jié)構(gòu)在黃河流域處于中等水平;寧夏、甘肅省、內(nèi)蒙古和山東省用水結(jié)構(gòu)的合理性在黃河流域處于較低水平。
3.3 用水水平研判
3.3.1 用水水平變化分析
黃河流域用水水平變化分析結(jié)果見表4。1980—2016年黃河流域人均用水量由420 m3減少到343 m3,其中:1980—2000年人均用水量由420 m3減少到382 m3,2000—2005年人均用水量由382 m3減少到357 m3,2016年變?yōu)?43 m3。與全國及其他流域相比,2016年黃河流域人均用水量較全國平均水平低95 m3,高于海河流域與淮河流域。全國、海河流域、淮河流域與長江流域2016年用水水平見表5。
1980—2016年黃河流域農(nóng)田和林草灌溉面積分別增加124.8萬hm2和64.1萬hm2,而農(nóng)林牧灌溉用水量減少了7.79億m3,農(nóng)田實(shí)際灌溉定額由8 130 m3/hm2減少到5 520 m3/hm2。由此可見,流域農(nóng)田灌溉節(jié)水效果顯現(xiàn),農(nóng)業(yè)用水定額下降明顯。同時(shí),在有限的水資源條件下,陜西、山西等?。▍^(qū))的大部分農(nóng)田采取非充分灌溉方式,減少灌水次數(shù)甚至不灌溉。與全國及其他流域相比,2016年黃河流域?qū)嶋H灌溉定額較全國平均水平低180 m3/hm2,但高于海河流域與淮河流域。
1980—2016年黃河流域萬元工業(yè)增加值用水量(按2000年可比價(jià))由877 m3減少到34 m3,原因是黃河流域(特別是上中游地區(qū))近年來嚴(yán)控高耗水工業(yè)項(xiàng)目審批,大力推廣空冷、閉式循環(huán)等節(jié)水技術(shù),大幅提高工業(yè)用水重復(fù)利用率,使工業(yè)用水定額明顯下降。
3.3.2 用水水平判別
雖然1980—2016年黃河流域的水資源利用效率有較大幅度提高,但與發(fā)達(dá)國家和世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距(見表6)。
4 未來水資源情勢識別
據(jù)1919—1975年系列(“八七”分水方案依據(jù)系列[19-20]),黃河多年平均徑流量為580億m3;1956—2000年系列(全國第二次水資源調(diào)查評價(jià)),黃河多年平均徑流量為534.8億m3,比580億m3減少45.2億m3,減幅7.8%;1956—2010年系列(黃河流域水文設(shè)計(jì)成果修訂),黃河多年平均徑流量為482.4億m3,比580億m3減少97.6億m3,減幅16.8%。可以看出,黃河水資源量明顯減少。受氣候變化和人類活動的影響,黃河河川徑流量變化存在較大的不確定性。
黃河流域用水量從1980年的343.0億m3增加到2016年的411.2億m3,尤其2000年以來,黃河上中游地區(qū)依托煤炭資源優(yōu)勢形成的能源和煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)與生活用水增加較快。即使采取強(qiáng)化節(jié)水等措施,未來黃河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善對水資源的需求也將呈剛性增長[21-22],加上向流域外引黃灌區(qū)及部分城市和地區(qū)的遠(yuǎn)距離供水,在跨流域調(diào)水工程生效之前,水資源供需矛盾日益突出,水資源與水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束將日益凸顯。
黃河流域1980—2016年農(nóng)田實(shí)際灌溉定額由8 130 m3/hm2減小到5 520 m3/hm2,低于全國平均水平,高于海河流域與淮河流域。長期以來,流域大中型灌區(qū)節(jié)水改造投資短缺,渠系工程老化失修嚴(yán)重,田間工程配套不完善,灌溉水利用系數(shù)為0.54,個別灌區(qū)只有0.40,低于《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的節(jié)水標(biāo)準(zhǔn),尚有一定的節(jié)水潛力。
5 結(jié) 語
(1)隨著居民生活水平提高,黃河流域1980—2016年主要是城鎮(zhèn)生活用水增長,用水量增加了37.0億m3。2012—2016年工業(yè)用水有所下降,其原因主要與流域工業(yè)發(fā)展速度減緩和工業(yè)節(jié)水強(qiáng)度提高有關(guān)。2000—2016年農(nóng)業(yè)用水量整體呈現(xiàn)減少特征,減小了36.8億m3,但流域灌溉面積仍呈現(xiàn)增加趨勢,說明流域節(jié)水措施效果明顯,農(nóng)業(yè)節(jié)水量能夠滿足新增灌溉面積用水需求。未來黃河流域生態(tài)環(huán)境用水量將持續(xù)增加,可能會加劇黃河流域水資源供需矛盾。
(2)黃河流域2001—2016年總耗水量整體呈增加趨勢,地表水是黃河流域的主要水源,但現(xiàn)階段流域用水仍無法擺脫對地下水的依賴。雖然1980—2016年黃河流域的水資源利用效率有較大幅度提高,但與發(fā)達(dá)國家和世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距。
(3)受氣候變化和人類活動的影響,黃河徑流量變化存在較大的不確定性。隨著黃河流域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,在南水北調(diào)西線工程生效前,流域水資源與水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束將日益凸顯。加快推進(jìn)南水北調(diào)西線工程建設(shè),配合龍羊峽、劉家峽、小浪底等水庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用[4,23-24],是解決黃河流域缺水最為有效的措施。
(4)黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉尚有一定的節(jié)水潛力,可通過加大灌區(qū)節(jié)水改造、完善田間工程配套等措施實(shí)現(xiàn)流域深度節(jié)水。
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