天津市水资源供需现状与预测研究

马宗文，卢亚灵，许学工*

(1.科学技术部中国科学技术交流中心 北京100045；2.北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室 北京100871；3.环境保护部环境规划院中国环境保护环境规划与政策模拟重点实验室 北京100012)

天津市水资源供需现状与预测研究

马宗文1,2，卢亚灵3，许学工2*

(1.科学技术部中国科学技术交流中心 北京100045；2.北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室 北京100871；3.环境保护部环境规划院中国环境保护环境规划与政策模拟重点实验室 北京100012)

以天津市为例研究我国北方高强度开发的水资源供需问题。分析天津市近几十年的水资源供用现状，结合区域发展规划预测其2020年水资源需求量和供应量，并对其水资源供需平衡进行分析。结果表明，天津市近年年均水资源量为16.90亿m3，水资源供需一直存在较大矛盾；2020年水资源需求量为52.53～54.90亿m3，供应量为48.04～50.54亿m3。在平水年(50%,保证率)，水资源供需平衡为－1.99亿m3，少量缺水；在偏枯水年(75%,保证率)，水资源供需平衡为－6.86亿m3，会出现水资源短缺情况，若遇特枯水年缺水则非常严峻。针对水资源短缺的情况，天津市需要采取各项措施开源节流，保证水资源供应。研究具有一定的学术价值和现实意义。

水资源 供需平衡 水资源需求 水资源供用 预测 天津市 2020年

水资源是自然界最基本最活跃的要素，是不可替代的可更新自然资源[1-2]。水资源是支撑国民经济发展的重要要素，[3-4]其缺乏也往往会制约人类社会的发展。[5]近30年，水资源缺乏问题越来越严重，淡水资源短缺导致世界上接近80%,的人口面临水安全问题，[6]因此研究水资源问题对于区域发展非常重要。国际上，变化环境(即气候变化与人类活动影响)中的水文循环与水资源研究成为热点，主要包括人类活动影响下的水资源演变规律、水资源与社会经济发展之间的相互作用影响、水资源可持续利用与水安全等。[7]近年来由于气候变化广受关注，对上述热点问题的研究还经常要考虑到气候变化背景。[8]海岸带农业用水及地下水的使用是困扰沿海地区水资源持续利用的重要问题，[9]海岸带水资源可持续利用也成为研究内容之一。[10]

天津市位于我国渤海西岸，是海河干流主要流经地。1980—2000年，海河流域水资源开发利用程度达98%,，远超安全开发利用程度的上限。[11]从20世纪70年代开始大量开采地下水后，海河流域已形成了世界上最大的地下水漏斗区，造成严重的生态和环境问题。目前，天津市人均水资源占有量约370,m3，仅为世界的1/27，远远低于国际上人均水资源占有量600,m3的严重缺水警戒线，属重度缺水地区。[12-13]海河流域水资源研究主要集中在以下方面：降水、径流、蒸发量(ET)、气候变化对水资源的影响、水量平衡和水资源安全评价、水资源承载力、地下水模拟和评价、水资源优化配置、水资源管理和对策等方面，[14-23]对流域的水资源供需预测研究较少。因此以天津市为例研究我国北方高强度开发的水资源供需平衡问题，既是地理学与水资源学的前沿研究领域，又符合区域发展战略，具有一定的学术价值和现实意义。

1 研究区域概况

天津市位于华北平原的海河流域下游，环渤海中心地带。总面积为11,760,km2，境域周长约1,290,km，其中海岸线长153,km。地势以平原和洼地为主，海拔由北向南逐渐降低。天津市受季风环流的支配，东亚季风盛行。主要气候特征是：四季分明，春季风多干燥，夏季湿热多雨，秋季天高气爽，冬季干冷少雪。受地形和海陆影响，雨量由北向南递减，而且东部多于西部。天津市全境占海河流域面积的3.55%,，有19条一级河流流经，河道总长1,095,km，分别属于北三河水系、永定河水系、大清河水系、海河干流水系、黑龙港运东水系和漳卫南运河水系等6大水系。另外，1983年起建成引滦入津工程，形成了引滦河道系统，使滦河成为天津市的主要供水水源。水系分布如图1所示。自2005年天津滨海新区纳入国家总体发展战略，天津的经济重新展现出活力，并被誉为“中国经济第三增长极”，经济进入高速发展阶段。

图1 天津市主要水系图Fig.1 The main drainage map in Tianjin

2 研究内容和方法

2.1 研究内容

本文主要研究天津市水资源供用现状与供需平衡预测。水资源供应包括地表水和地下水，前者主要有海河入境水、大气降水和外调水。海河入境水和天津市大气降水在全球气候变化背景下，过去几十年呈减少趋势，未来变化情况充满不确定性；现天津市外调水主要是引滦河水和引黄河水，未来主要是南水北调的引长江水。需水部分主要有农业、工业、生活和生态需水，现状情况下前三者易于统计，而后者具有不确定性；对未来情景下需水部分的预测是研究的重点之一。论文将研究过去和现状水资源供用，以及在未来情境和跨流域调水实施后的水资源供需情况。

2.2 研究方法

水资源供需平衡预测采用统计分析方法与灰色模型、非线性回归模型等方法。其中生活需水量预测主要采用二阶自回归模型、Logistic模型、就业弹性法、灰色系统模型等，生产用水预测方法主要有灌溉定额法、重复利用率提高法、弹性系数法、工业用地用水定额法等，生态和环境用水采用Tennant法、槽蓄法、污染物稀释法等。

论文研究框架与技术路线如图2所示。

图2 论文研究框架与技术方法Fig.2 The framework and technical methods

2.3 数据准备

天津市入境水量数据来源于《海河流域水文年鉴》的实测值。地表水、地下水资源数据来自《天津市中长期供水规划》，用水数据来自《天津市水资源公报》。天津市人口、耕地保有量和基本农田保护面积、牲畜家禽养殖现状数据和预测值主要来自《天津市城市总体规划(2005—2020年)》。水产养殖数据来自《2020年农业发展规划》(天津市农委)。工业用水重复利用率数据参考《天津市城市总体规划(2005—2020年)》《天津市中长期供水规划》调整。

3 结果分析

3.1 天津市水资源供用现状

3.1.1 水资源量

①地表水资源：采用1956—2002年当地地表径流量系列数据，计算天津市地表水资源量，结果如表1所示。天津市地表水资源多年平均值为10.31亿m3。

表1 1956—2002天津市年均水资源总量 亿m3Tab.1 The annual water resources quantity in Tianjin in 1956—2002 Per 100 million m3

②地下水资源：采用1956—2002年系列数据，计算得到天津市地下水资源量，结果如表1所示。天津市多年平均地下水资源量为7.30亿m3，其中主要是浅层地下水，约占总量的58%,；从空间分布来看，地下水开采主要集中在北四河平原，占总量的65%,。

③ 水资源总量：天津市水资源总量为当地地表径流量和地下水资源量之和扣除重复计算量而得(见表1)。1956—2002年全市水资源总量为16.90亿m3(扣除重复计算量0.71 亿m3)。

3.1.2 水资源供用结构

天津市1990—2010年水资源用途按农业、工业、生活和生态(从2003年开始统计)4个部门统计。1990—2010年各部门年平均用水量分别为：农业12.16亿m3，工业5.77亿m3，生活4.86亿m3，生态0.25亿m3。

从变化趋势来看(见图3)，1990—2010年农业用水波动较大，20世纪90年代初期迅速增加，中后期保持年平均用水量12亿m3左右，到2001年出现低谷，然后逐年增加，2007年以后又开始下降。1990—2010年天津市工业用水总体呈下降趋势，90年代平均工业用水量为7.0亿m3，20世纪平均为4.5亿m3左右，但2008年以后工业用水量也出现增长趋势。1990—1998年平均生活用水量从4亿m3增加到6亿m3，然后开始下降，到2004年下降到3亿m3，2004年以后也逐年增加。生态用水量从2003年开始统计，也呈逐年增加趋势。

图3 天津市1990—2010年各部门用水量Fig.3Water consumption of different departments in Tianjin from 1990 to 2010

3.2 天津市水资源供用预测

水资源需求主要包括3个部分：①生活系统需水，其中又分为农村和城市生活需水两部分；②生产系统需水，分为农业生产和工业生产需水两部分；③生态系统需水，考虑生态和环境需水。水资源供给主要从4个方面考虑：地表水、地下水、外调水及其他非常规水资源，天津市非常规水资源来源主要有污水资源化、海水淡化和海水直接利用。预测年份为2020年。

3.2.1 水资源需求

① 生活需水：包括农村生活需水和城镇生活需水两部分。其中，农村生活用水只包括居民生活用水，不包括牲畜家禽用水。城镇生活用水由居民用水、公共设施(含城市绿化)和服务用水组成。生活用水预测从人口预测入手，然后采用灰色系统预测法分析研究区人均生活用水量。用人均生活用水指标乘以预测年人口数即得到生活需水量(见表2)。

表2 天津市2020年生活需水量预测结果Tab.2 Forecast of water demand in the living in Tianjin in 2020

② 生产需水：生产需水预测分为农业生产需水和工业生产需水两部分。农业生产需水量预测采用定额法。农业生产用水包括种植业用水和林牧渔畜用水。种植业根据用水量不同又细分为水田、水浇地(主要包括：小麦、玉米、棉花等)和菜田；林牧渔畜需水分为林果灌溉、畜禽需水和鱼塘补水3部分。农业需水预测结果见表3，2020年在50%,和75%,保证率水平下，农业需水分别为19.52亿m3和21.89亿m3。

表3 天津市2020年农业需水预测结果 亿m3Tab.3 Forecast of water demand in agriculture in Tianjin in 2020 Per 100 million m3

工业需水量采用重复利用率提高法、弹性系数法和单位工业用地用水定额法3种方法进行预测，取3种方法的平均值作为最终预测结果(见表4)。2020年和2030年，天津市工业需水量分别为10.45亿m3和14.01亿m3。

表4 天津市2020年工业需水预测结果 亿m3Tab.4 Forecast of water demand in industry in Tianjin in 2020 Per 100 million m3

③ 生态和环境需水：这是指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须蓄存和消耗的最小水量。[24]研究主要考虑3个方面：①河流基本生态需水量(采用Tennant法和槽蓄法，主要参考水利部海河水利委员会编制的《海河流域生态修复规划》，2006)；②湖泊洼淀生态需水量(采用生态水位法)；③维持河口地区生态平衡的环境需水量(采用最小基流量法[25])。

天津市2020年河道、湖泊洼淀总生态需水量为12.99亿m3，河口污染物稀释需水为1.60亿m3。

④ 需水量汇总：综上，在50%,和75%,保证率水平下，2 0 2 0年天津市水资源需求量分别为52.53亿m3、54.90亿m3。

3.2.2 供水量预测

供水量主要由以下各部分组成：当地地表水及入境水、地下水、外流域调水、再生水、海水综合利用。

① 当地地表水：综合《海河流域水资源综合规划》和《天津市二十一世纪初期水资源支持天津市可持续发展规划》的研究结果，取二者平均值得到天津市2020年在50%,和75%,保证率的水平下可供水资源量分别为12.98亿m3和10.88亿m3。

② 地下水：《天津市中长期供水规划》中天津市地下水资源量总量为7.30亿m3。2011年天津市政府出台《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，天津市将在地下水管理方面实行最严格的水资源管理制度，到2015年，全市地下水开采总量控制在5.40亿m3以内。预测2020年天津市地下水资源可利用量为5.40亿m3。

③ 外流域调水：根据《天津市中长期供水规划》《南水北调东线工程规划(2001年修订)》《南水北调中线工程规划(2001年修订)》，2020年，在50%,和75%,保证率水平下，天津市外调水(引滦入津工程、南水北调中线工程、南水北调东线工程)资源可利用量分别为19.23亿m3和18.83亿m3。

④ 再生水：预计天津市2020年污水处理处理能力为399.82万m3/d，按照污水处理的平均中水回用率0.7计算，2020年其污水处理再利用量为10.22 亿m3。根据《天津市海水淡化产业发展规划》，天津市海水综合利用替代淡水资源量2020年达2.71亿m3。

⑤ 水资源可利用量汇总：在50%,和75%,保证率水平下，2020年天津市水资源可利用量分别为50.54亿m3和48.04亿m3。

3.2.3 水资源供需平衡分析

从预测结果来看，天津市2020年在平水(50%,保证率)年份有少量缺水，缺水量1.99亿m3；在偏枯水(75%,保证率)年份，缺水量较大，2020年缺水量为6.86亿m3。

表5 天津市2020年水资源供需平衡预测结果Tab.5 Balance predetermination of water supply and demand in Tianjin in 2020

4 讨论与结论

4.1 天津市缓解水资源瓶颈对策

未来要解决天津市水资源缺乏问题，需要从以下几个方面入手：①开源——继续实施跨流域调水和海水淡化，争取较多的调水配额，鼓励和扶持海水淡化产业发展，增加外来水资源量；②挖潜——充分进行污水资源化和雨洪资源利用，逐步增加工业和景观用再生水水量，挖掘雨水、洪水利用潜力，提高雨污利用效率；③节流——采取农业、工业和生活节水措施，推广农业节水灌溉技术，提高工业用水循环利用水平，鼓励生活节约用水，减少水资源消耗；④管理——加快水权制度和体制改革，建立和完善投资体制和水权机制，运用市场手段优化配置水资源，实现合理配置和高效使用有限的水资源。

4.2 结论

近年，天津市当地水资源总量为16.90亿m3，其中地表水资源多年平均值为10.31亿m3，分布格局为北多南少；多年平均地下水资源量为7.30亿m3，主要是浅层地下水。天津市1990—2010年水资源供用总量在19～26亿m3之间。天津市水资源供需现状矛盾较为突出。

据预测，2020年天津市水资源需求量为52.53～54.90亿m3，供应量为48.04～50.54亿m3。在50%,的保证率水平下，水资源供需平衡为－1.99亿m3；在75%的保证率水平下，水资源供需平衡为-6.86亿m3。在平水年(50%,保证率)，天津市水资源供需基本可以达到平衡，但在偏枯水年(75%,保证率)，则出现水资源短缺情况；若遇特枯水年，缺水则非常严峻。要解决天津市水资源短缺的瓶颈，需要采取各种开源节流和加强水资源管理的措施，提高水资源利用效率。■

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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

*通讯作者

本研究依托于国家自然科学基金重点项目“渤海西部海岸带高强度开发的环境变化影响与多功能持续发展(40830746)”和国家自然科学基金面上项目“海岸带陆海一体统筹开发及适应性调控——以环渤海为例(41271102)”。

2016-11-04