2.2　水资源需求的内生动力与外界影响因素分析

世间万物对水资源的需求源于其内生动力，没有水则生物凋零、各业无法生产，也无生态可言。需求动力不同，各行各业对水资源的内在需求量也不同；此外，受外界环境的驱动或制约影响，导致最终需水量与内在需求有一定差别。

2.2.1　水资源需求的内生动力分析

2.2.1.1　生活需水的内生动力

水是生命之源，人的各种生理活动都需要水。人类在经济社会发展过程中，在追求物质生活和精神生活最大化的同时，也间接对水提出了更高的要求。家庭生活中，除必需的饮用、烹饪需水外，洗浴、洗衣、冲厕等需水也随着生活水平的提高而有所增长。

近几十年，我国生活用水量的持续增长，与我国居民生活水平的不断提高有着密切的关系；不断追求较高的生活水平，是生活需水不竭的内生动力。

生活需水与农业、工业等生产和生态需水不同，是人类自身生存和发展不可缺少的要素，与人们的日常生活需求息息相关。生活用水的需求来源于人类日常生活的基本需求，即满足特定标准的生存、愉悦、舒适、卫生、便利和美学等需要。生活用水需求可细分为三大层次，即：①维持人类生存的饮用水需求；②维持人类健康的卫生用水需求（如洗澡、洗衣、冲厕等）；③人类娱乐休闲用水需求（如花园浇灌等）。正是这种层次化的需求特征，驱动着生活水循环系统的结构和层次不断演进。这种需求特征也使得生活水循环具有了消费者社会学、消费者行为学和消费者经济学的驱动机制。生活需水中水的服务功能主要包括生命物质与输送介质，见表2.1。

2.2.1.2　生产需水的内生动力

水是生产之要，经济发展离不开水。水为各个产业的生长生产提供了必不可少的物质基础和动力源泉，在各产业保证产量、追求利润的过程中，起到关键性作用。水是光合作用的重要原料，离了水，光合作用就无法进行，作物就无法生长生存，因此，水是农业发展必不可少的物质之一。水是工业的血液，水参与了工矿企业生产的一系列重要环节，在制造、加工、冷却、净化、空调、洗涤等方面发挥着重要的作用。土木工程、房屋建筑建设等建筑业中，水在混凝土的拌和、养护等，保湿降尘等方面起着关键作用。同样，第三产业也离不开水。生产需水中，农业和工业的需水量最大，故下面将分别阐述农业需水和工业需水的内生动力。

1.农业需水的内生动力

农业需水包括农作物生长消耗需要的水（净需水）以及灌溉过程的渗漏、蒸发等损失。本节主要讨论农业净需水。

农业净需水主要表现为农作物的蒸发蒸腾消耗，是在大气和作物体间水势梯度差的驱动下，通过克服土壤-根系界面、农作物体内不同器官以及作物与大气界面间的阻力，由农作物根系吸收土壤水分，经茎、叶等器官进入到大气，转化为作物水（农产品的组成）的用（耗）水过程，其中土壤蒸发和植被蒸腾是其主要消耗形式。

作物蒸腾速率受水汽压、根系影响层土壤含水量影响下的叶片气孔开度所控制。当叶片内外水汽压差趋于平衡时，叶气孔开度减小，蒸腾速率下降；当土壤供给植被蒸腾的水量不足以满足其蒸腾消耗时，叶面气孔被迫减小，其蒸腾速率下降。由作物蒸腾的生理过程可见，虽然作物蒸腾是一个自然的水循环过程，但其蒸腾速率的变化与外界环境密切相关。

棵间土壤蒸发是农业水系统中水资源消耗的一个主要方面，是在土壤水势与大气水势梯度的作用下，土壤水分由土壤非饱和带液态直接转化为气态，并散失到大气中的自然水循环过程。尽管农田棵间土壤蒸发可通过调解农田微气候间接影响农作物生长发育，但是相对于农业系统的生产而言确实低效。因此，常常在人工的干预下，通过地膜覆盖，适当增加农作物种植密度以及通过适当方法减少土壤水分含量最终降低棵间蒸发。

2.工业需水的内生动力

水是工业产生不可或缺的资源。随着世界工业的迅速发展，水在工业生产过程中的作用越来越大，利用方式也越来越多。概括起来，水在工业生产中主要起到三种作用：①反应介质，如在各种分离单元（吸收、萃取和气提等）中作为反应介质；②传热介质，如作为锅炉及冷却水塔操作的传热介质；③辅助用水，如作为场地清洗用水，或者消防储备用水。例如，在钢铁行业，要靠水降温保证生产；钢锭轧制成钢材，需用水冷却；高炉转炉的部分烟尘要靠水来收集；锅炉里更是离不了水，制造1t钢需取用新水2～4t。水在造纸行业是纸浆原料的疏解剂、解释剂、洗涤运输介质和药物的溶剂，制造1t纸需取用新水20～30t。火电行业冷却需水量十分巨大，同时，也消耗部分水。食品和发酵行业中的和面、蒸馏、煮沸、腌制、发酵都离不了水，酱油、醋、饮料、啤酒等基本就是水的化身。据统计，我国每年冷却用水、锅炉用水、洗涤用水和产品用水的新水取用量分别占到全国工业取水总量的40%、40%、8%和5%左右。因此本书主要探讨水在冷却、锅炉、洗涤和产品等四类用水中的服务功能。

（1）冷却用水的冷却功能。水的热容量除了比氢和铝的热容量小之外，比其他物质的热容量都高。具有很高的熔化热和汽化热，使水称为热能的良好载体。在正常温度下，水处于稳定的液态，能很好地起到调节环境和有机体体温的作用，经常被作为冷却水。根据水是否与被冷却的工业对象接触而分为间接冷却和直接冷却两种。

间接冷却水顾名思义是指与被冷却物质通过换热设备进行间接换热的冷却水。相对于直接冷却水来讲，间接冷却水由于不直接与被冷却物质进行接触，因此主要是水温或赋存形态会有一定变化，其水质主要受换热设备和环境影响，一般不会发生较大改变。因此，间接冷却水在经过降温之后大多可循环使用。

直接冷却水是与被冷却物质直接接触换热的冷却水，与间接冷却相比冷却效率相对较高，但不同冷却对象对直接冷却水的水质要求存在很大差异。直接冷却水因同产品和原料直接接触，因此排水的水质受冷却对象影响较大，排出的废水的污染物种类繁多，往往要根据生产工艺要求进行适当处理，才能实现循环使用。

（2）锅炉用水的热力功能。水蒸气是由水蒸发或冰升华而成的气体，某温度下水的饱和蒸气压（简称蒸气压）是一定值，但蒸气压会随温度升高而增加。高温状态下，高压蒸汽推动汽轮机对外做功，这就是蒸汽能。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。为工艺或采暖、发电需要产汽的锅炉用水及锅炉水处理用水，统称为锅炉用水。锅炉用水又可分锅炉给水和锅炉水处理用水。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又称为蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉用水是锅炉运行工作的条件。为了保障锅炉设备正常运行，锅炉水水质要求较高，锅炉水使用前要经过特殊处理。GB/T 1576—2008《工业锅炉水质标准》特别对工业锅炉用水水质标准做出了明确规定。例如对于额定出口蒸汽压力不大于2.5MPa的蒸汽锅炉和汽水两用锅炉，锅炉给水悬浮物要求不大于5mg/L，总硬度不大于0.03mmol/L等。

锅炉水由于存在水、汽损失，通常耗水量较大。

（3）洗涤用水的洗涤功能。水有很强的溶解能力，是性能优良的溶剂，几乎所有的物质都可或多或少地溶解在水中。水的溶解能力，特别是对固体电解质的溶解，是和它的强极性与很高的介电常数有关的。置于水中的固体电解质，其正、负离子都会受到极性水分子的吸引，同时高的介电常数又使这些离子在水中的相互结合力仅为固体中的1/18；因此难以在固体中保持而转入水中，形成电解质溶液。在加热、磁场等作用下，水分子间的氢键将被程度不同地破坏，从而降低了缔合度而活化。物质一般在热水中溶解度大；热水洗涤效果好等。

水是弱的电解质也是中性物质。在常温下水的解离很微弱。其中的c（H+）=c（OH-），因此是一切化学反应十分理想的介质。

液态水具有很好的流动性，对于不溶解于水的灰渣等，可在水中形成悬浊物或漂浮物，随着高速流动的水运动迁移。工业中利用水的这一特性进行除尘、除灰、排渣等。

洗涤用水利用了水的流动性和溶剂的特性。工业生产过程中洗涤用水分为产品洗涤、装备清洗和环境洗涤用水。产品洗涤包括对原材料、物料、半成品进行洗涤处理。洗涤用水在生产过程中水量消耗低，但污染严重。洗涤用水不仅在传统工业中广泛存在，高端电子工业也需要大量的高纯水对电子零件进行清洗。

（4）产品用水的参与生产功能。产品用水指水作为工业生产原材料之一，直接参与产品的生产或作为产品的组成部分，食品加工业、药品制造工业中产品用水相对较多。产品用水的归宿大体分为两种：一是作为废水放掉，二是成为产品的组分。产品用水主要是利用了水的各种化学与物理特性，如面包生产过程中水的主要作用有：使面粉中的蛋白质充分吸水，形成面筋网络，使面粉中的淀粉受热吸水而糊化，促进淀粉酶对淀粉进行分解帮助酵母生长繁殖等。大部分工业产品用水都有特殊的水质要求，如造纸工业而言，水的浑浊度、色度、硬度、酸碱度、臭味以及水中离子和藻类的含量，却会对纸的质量产生影响。在化学工业生产中，多数化学药剂和化学反应生物都会和铁发生反应生成有色沉淀，因此许多化工产品需含盐类和铁、锰量极少的高纯水。

除上述四种主要类型外，工业用水还有一些其他类型的用水。如利用水的导电特性为生产过程提供所需的适宜湿度环境；纺织工业，为了避免出现静电导致火灾，纺织工业加工车间要求最佳湿度为40%～60%；电子产品生产企业为避免静电导致电子元件被损坏，装配车间的湿度也要求在50%以上。

综合以上分析，工业生产中对水的要求主要包括水量要求、水质要求、持续性要求等。

2.2.1.3　生态需水的内生动力

水是生态之基，水在生态环境保护与建设过程中起重要作用的生态因子。生态环境是人类生存发展的基础自然资源，不仅为人类提供食物、医药及其他生产生活资料，而且还提供了人类赖以生存的自然环境条件。

水作为基础性自然资源，是生态系统的控制性因素之一：一方面，水作为生态系统中最活跃的要素，是决定生物能否生存的重要条件之一；另一方面，在生态系统中，所有的物质循环都是在水分的参与和推动下实现的。水文循环深刻地影响着生态系统中一系列的物理过程、化学过程和生物过程。只有保证了生态系统对水的需求，生态系统才能维持动态平衡或健康发展，进一步为人类提供最大限度的生态效益、社会效益和经济效益。水在生态系统中具有不可替代的重要地位和作用。概括起来，水在生态系统中的服务功能主要有动植物生长栖息功能、景观美化功能、环境加湿功能、温度调节功能等。

1.动植物生长栖息功能

河流和湿地是鸟类、鱼类、两栖动物的觅食、繁殖、栖息、迁徙、越冬的主要场所，是水生植物生存生长的温床；受气候变化和人类活动的双重影响，许多动植物赖以生存的空间因水的短缺而挤占，造成大量动植物适应力减弱、脆弱性增加，生物多样性遭到严重破坏。近些年来，由人工景观生态用水所滋养的人工绿地和人工湿地为野生动植物提供了新的生存空间，可以吸引已经迁走动物重新回来，有望形成鸟语花香、鱼游水清的和谐景象。

2.景观美化功能

水是万物灵秀的源泉，一切生态之美来源于水。人类世代逐水而居，一方面是因为水是维系生命的基本物质，另一方面是因为水体的流动和由水而生的动植物为人类提供了一个和谐优美的环境。美源于心，却难以表达，惟有心向往之。这即是“水岸”“观湖”等以水为招牌的地产项目热销的原因。水的景观美化功能所带来的巨大商业价值，使生态用水的服务功能超越了纯生态的范畴，延拓到了社会领域，由此也带来了人工景观生态系统在高档住宅小区的建设热潮。

3.环境加湿功能

环境湿度对于人的健康生活十分重要，适宜的环境湿度能有效抑制流感病毒的存活。医学研究显示：环境湿度低于35%时，流感病毒的存活时间超过24h；环境湿度高于50%时，流感病菌的存活时间不超过10h。将环境湿度控制在50%以上，就能有效抑制流感病毒的存活。在北方干旱地区，生态用水的增加可以提高空气湿度，营造宜人的区域小气候。一方面，生态系统中的绿地、水量，增加了植被蒸腾量、水汽蒸发量，从而可以增加空气中水分的含量。例如，北京市建成区的绿地，每年通过蒸腾作用可释放4.39亿t水分，可增加环境空气的湿度18%～25%。另一方面，人工湿地和喷泉等建筑水景观增加了水与空气的接触面积，有利于水分子的蒸发，从而增加空气湿度。此外，蒸腾蒸发过程还会在大气中产生大量雾化的负离子，如Cl-、等，这些负离子具有氧化性，可以杀灭空气中带正电荷的污染离子，从而保护人体健康。

4.温度调节功能

水对稳定环境温度有重要意义。水的热容量很大，为4.2kJ/（kg·℃），约为空气的4倍[空气的比热容约为1.0kJ/（kg·℃）]、混凝土的5倍[混凝土的比热容约为0.84kJ/（kg·℃）]、干燥土壤的6倍[干燥土壤的比热容约为0.7kJ/（kg·℃）]，水的吸热和放热过程缓慢，因此水体温度不像大气温度那样变化剧烈。景观水的存在，将大大提高地表的热容量，使得在吸收相同热量的情况下，升高的温度小，在放出相同热量的情况下，降低的温度小，减小昼夜温差。研究表明：在炎热的夏季，绿化状况好的绿地中的气温比没有绿化地区的气温要低3～5℃。绿地能降低环境的温度，是因为绿地中园林植物的树冠和根部潮湿的土壤吸收了环境中的大量热能，降低环境的温度。在北京地区，每1hm2的绿地，在夏季（典型的天气条件下），可以从环境中吸收约80MJ的热量，相当于189台空调机全天工作的制冷效果，城市人工绿地在很大程度上缓解了城市的热岛效应，改善了人居环境。

5.污染消解功能

水体具有一定的自净化功能，主要包括三种进化过程：①物理自净——由于水的湍流、涡流、扩散、挥发、沉淀、过滤而使水净化的过程；②物理化学净化——通过溶解氧的作用，水体内发生氧化、还原、化合、分解、中和、络合、螯合、吸附、凝聚等使水体自净化的过程；③生物净化——通过水体中的微生物对污染物的消解作用，使水体得到净化的过程。人工湿地的水生植物能直接吸收利用污水中的营养物质，供其生长发育。废水中的有机氮被微生物分解与转化，而无机氮（氨氮）作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物直接摄取，合成蛋白质与有机氮，再通过植物的收割而从废水和湿地系统中除去。无机磷也是植物必需的营养元素，废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的ATP、DNA、RNA等有机成分，然后通过植物的收割而移去。生根植物直接从砂土中去除氮磷等营养物质，而浮水植物则在水中去除营养物质。许多根系不发达的沉水植物，例如金鱼藻属也能直接从水中吸收营养物质。大型挺水植物的茎和叶以及浮水植物的根还可以用来减缓水流速度和消除湍流，以达到过滤和沉淀砂粒、有机微粒的作用。

2.2.2　水资源需求的外界影响因素分析

总体而言，水资源需求是社会、经济、生态环境等诸多外界因素综合作用的结果。水资源需求的影响因子既有驱动需求增长因子，也有制约需求增长因子；对于不同需水系统，其驱动或制约因子亦有明显不同。

2.2.2.1　驱动需求增长影响因子分析

水作为基础性的自然资源，其需求受到人口增长、城镇化进程等因子影响；作为战略性经济资源，其需求受经济发展水平和产业结构等因子影响；作为生态环境控制性要素，其需求受生态环境保护与修复因子影响（袁宝招，2006；王小军，2011）。

1.人口增长及城镇化进程

人类的生存需要消耗一定量的水，同时人口增长对物质、文化、环境需求的增加间接驱动了生产和生态需水的增加，因此，人口增长是水资源需求增长的原始驱动力（袁宝招等，2007）。人口的城镇化进程改变了原有的城乡人口分布，增加了城镇人口，导致城镇生活、生产和生态需水增长，同时废污水排放量的增长，进一步加剧了城市水资源需求压力。1950—2010年，世界人口由25.25亿增加到69.16亿，但全球总用水量却增加了2倍多；同期，中国人口增加了2.5倍，但总用水量却增加了4倍多，远大于人口增加的速度。1980—2010年，随着城镇化的大力推进，中国城镇与农村用水定额倍比由1.9倍增加到2.3倍（中华人民共和国水利部，2011）。可见，人口增长及城镇化进程对水资源需求增长具有明显作用，影响总需水量变化过程。

2.经济社会发展及产业结构

在人类经济活动日益增大的今天，经济社会发展所消耗的水资源日益增大。人类经济活动所消耗的水资源，主要包括农业灌溉、工业用水及其他生产用水等几个方面。为了满足持续增长的人口对粮食的需求，大量开发土地和发展灌溉农业，使灌溉需水持续增长。为了满足持续增长的人口对物质文化的需求，工业化进程不断加快，土地利用格局发生变化，产业结构不断调整，工业、建筑业和服务业等产业需水不断增大。1950—2000年，随着经济社会的发展，全球农业取水量由10800亿m3增加到26521亿m3，工业用水量由2040亿m3增加到7830亿m3，生活用水量由867亿m3增加到3762亿m3（袁宝招，2006）。以发展的眼光看，未来一段时期，全球和中国经济社会发展总用水量仍会呈增长的态势。经济社会发展是世界和我国需水继续增长的主要驱动因素之一。

3.生态环境保护与修复

由于中国水资源区域上分布不均和年内分配不均，致使许多地区在发展经济和维持人口对水需求的过程中，忽视了生态环境对水资源的需求，造成了严重的生态环境问题。北方地区许多河流的断流、地下水位持续下降、沿海地区的海水入侵，众多河流湖泊水体污染，部分河流泥沙含量增大、在干旱区沙漠化有加剧趋势等。面对日益严重的生态环境问题，我国开始实施生态文明建设，加强生态环境保护力度，增大生态环境保护治理投资。近年来，城市环境用水、城市景观用水逐年增加，一些干旱地区用于生态环境恢复和保护的生态环境用水也逐渐被人们重视；一些水库在运行调度中开始重视下游生态需水，河道内生态基流逐渐增大，断流现象逐渐得到遏制，地下水超采区面积逐年缩小，生态环境需水占总需水的比重越来越大。

2.2.2.2　制约需求增长影响因子分析

水资源需求具有有限性和客观性，驱动需水增长各类因子具有阶段性，需水不是无限制增长的，受到水资源条件、水工程条件、水价以及节水和管理水平等因素的制约（汪党献，2002）。

1.水资源条件

从全球范围而言，水资源是可以循环利用的；而对于一个区域而言，其水资源量是有限的。在没有外来水资源入境的情况下，其生活、生产和生态环境所能利用的最大水量应不超过其水资源可利用总量。从可持续利用看，能为社会、经济和生态环境所利用的应是当地水资源总量中的一部分，即最大的可利用量。也就是说，一个区域在一个时期内的水资源可开发量是有限的，而需水又不可能脱离其可开发量而无限度地增长，由此产生了需水增长的资源制约。当用水量超过可开发利用量时，将会破坏水循环规律，引起生态环境和资源负效应，危机生态环境安全。因此在进行需水研究时一定要考虑水资源条件的制约。

2.水工程条件

水工程可调节水资源时空分布不均、增加水资源可利用量、提高用水保证率。由于受工程技术水平和资金状况的影响，在社会发展某一个阶段，水资源的开发利用量是有限度的，需水增长是受水工程条件制约的。水工程建设既要考虑其技术可行性，又要考虑经济可行性。在大型的跨流域跨区域调水工程没有实施以前，规划地区的需水量显然受其当地水工程条件的制约。即使是实施跨流域跨区域的调水工程，受水区的需水量预测也受到投资和技术的制约。

3.水价

在市场经济条件下，水的需求增长无疑将受到价格的抑制，较高的水价一般有利于减少无谓的损失浪费并促进节水工作的开展，由此体现了市场机制对供需关系的调整。但是，水价调整对通货膨胀、对居民家庭支出结构和对工业制成品成本结构都有影响。特别是，农业灌溉水价的调整影响更为广泛。所以，水价调整还有承受力问题。而且根据我国宪法，水资源与其他自然资源一样，属于国家所有，供水具有较强的区域垄断性，不能完全由市场来决定其价值。虽然中国一些地区已出现水市场的雏形，但尚不是完全意义上的“市场机制”，为“准市场”（王丽珍，2012）。因而水市场对需水的抑制作用尚待实践和探索，但水价和水市场对需水的影响是无须质疑的；相关研究表明：水价提高在一定范围内对水需求有明显的抑制作用（王彬，2004；黄涛珍，2005）。

4.节水与管理水平

节水是有效抑制需水增长的重要措施。通过全面调整产业和产品结构，发展节水型经济和节水型社会特性；加大节水投入，实施工程措施节水；加强用水管理，提高水价和实行定额管理制度；发展节水技术和培育节水产业，形成节水产业化和市场化；加强节水教育，培养公众节水意识等措施，可以取得明显的节水效果。水管理政策对水需求的影响也非常大。面向可持续发展的水管理政策，如取水许可制度、水资源管理年报制度、水资源费收费制度、累进制水价体系和节水激励机制，这些政策的导向与实施，能够有效地影响水需求，即通过需水管理来促进水资源的合理配置（曲红梅，2007）。今后水行政主管部门将进一步加强需水管理，减少需水各个环节的浪费；同时在水环境管理方面要加大力度，减少环境污染，建立较为完善的面向可持续发展的水管理政策，逐步把我国全面建设成节水型社会。

此外，研究表明，气候变化对水资源需求也会产生一定的影响，既有驱动影响，也有制约影响。对于灌溉需水，气温升高一方面加速蒸腾过程，同时还影响作物生育期，进而改变作物需水过程；对于工业冷却用水，因温度升高，导致温差增大，工业用水增加；生活用水则呈现出明显的季节性，温度较高的夏季生活需水明显高于冬季；降水的增多可减少农作物的灌溉需水等（王小军，2011）。此外，降水等外部因素变化直接关系到来水条件，地表径流的减少，将影响工程的调度模式，并最终影响需求的供水量，地下水则因降雨入渗补给、潜水蒸发等变化，导致补排关系发生变化，进而使地下水可供水量发生变化（Kenneth D.Frederick，1997；JosuéMedellín-Azuara等，2008），进而影响水资源需求。

水资源需求的内生动力与外界影响因素对需水的影响关系如图2.1所示。