2.3　水资源需求演化规律分析

从水资源需求的内生动力来看，人类在生活生产过程中对水的内在需求会促使需水呈现J形增长；但由于受到外部环境的驱动与制约双重影响，最终需水不可能无限增长，不同阶段呈现不同的特征。

2.3.1　历史需水发展规律

水资源需求与经济社会发展阶段和发展水平关系非常密切。从世界范围来看，在不同时期，需水主体不同，水资源需求影响因素亦不同，表现出以下几个显著变化阶段：

（1）农业生产出现以前，人类依河傍水而居，形成了“生活”聚集体，主要以生活需水为主，且难以满足其基本需求。

（2）农业生产阶段，人类开始利用农业灌溉、河道航运等方式进行水资源开发利用。此阶段，人类对水资源自然系统的影响远小于其自我调节能力。水资源需求除生活需水外，主要为农业灌溉需水，而灌溉需水受降水的影响较大，在生产力相对较低的社会里，只能引水灌溉，基本上没有调蓄工程，主要靠天吃饭，农业种植规模变化较大，其灌溉需求变化也大，基本上只能满足其基本灌溉需求。

（3）早期城市出现，从我国西周开始，体现政治功能的“城”与体现经济功能的“市”开始了融合的过程，并在春秋战国时代形成了真正意义的城市，用水主体也随着发生变化。由于商业、手工业在城市中也迅速发展壮大，渐渐形成了“生活”“生产”需水主体的聚集体。同时，随着城市中一些基础设施的完善，生活、生产用水也随之增加；此时，生活需水已超过基本需求，向低水平的发展阶段迈进；而生产需水基本上属于基本需求阶段。

（4）进入18世纪，工业革命给人类社会带来了翻天覆地的变化，经过第二次与第三次工业革命，科学技术的进步极大地促进了生产力的发展。火电等行业的快速发展，导致生产关系产生了巨大的变化，水资源需求亦与日俱增，并逐渐造成产业部门的用水矛盾，导致供需失衡，逐渐出现了河流断流、海水入侵、地下水超采、水体污染等水问题，迫使水资源管理部门寻找新的水源，加强供水管理，以便解决供需矛盾。此时生活、生产需水均处于高速发展阶段。

（5）20世纪60年代以来，人类开始关注环境问题，生态需水开始增加；70—80年代，提出“可持续发展”理念；如今，可持续发展理念逐渐深入人心，寻求水资源与经济社会生态协调发展成为新的发展方向。需水主体演化历程如图2.2所示。

对于我国而言，中华人民共和国成立以来，水资源需求也发生了翻天覆地的变化。当然，我们统计的是用水情况，并非水资源的需求。用水量与需水量之间的关系主要表现在两个方面：一方面，由于水资源短缺、水工程不足、水污染严重等影响，导致实际供水量可能小于真实需求量，故使得最终用水量小于需水量。据统计，全国657个城市中，有300多个城市属于联合国人居环境署评价标准的“严重缺水”和“缺水”城市；另一方面，受科技水平、用水器具、用水习惯等影响，我国部分地区用水效率较低、用水浪费严重，导致毛用水量大于净需水量；如我国大部分地区的农业灌溉用水，仍然采取大水漫灌的形式，导致部分水蒸发、渗漏、排入河道，并未被农作物有效利用。

综上分析，假设用水量与需水量基本一致，我国用水总量由1949年的1031亿m3增加到2015年的6103亿m3，增长幅度近6倍，年均增长率为1.52%（图2.3）；用水总量并非持续高速增长，呈现出一定的阶段性（表2.2），具体表现为：

第一阶段：1949—1980年，为高速增长阶段。此阶段因人口的急剧增长导致大规模地土地开发，进而对水资源进行了大规模的开发利用，致使农业用水大幅度增长，用水总量净增3406亿m3，增长达4.3倍，30年平均增速达5.0%。

第二阶段：1981—1999年，为缓慢增长阶段。随着我国改革开放进程的加快，我国逐渐进入工业大发展阶段，导致社会经济发展对水资源的需求量增长相当迅速，人均需水量也稳步上升，呈现出增长态势。这一阶段，工业和生活用水比例增加，农业用水比例减少，我国用水总量净增1154亿m3，增长1.26倍，年平均增长率为1.2%，远低于第一阶段。

第三阶段：2000—2009年，为小幅增长阶段。随着工业化进程的推进，经济发展逐渐转向资源节约、环境友好的理念，水资源需求将进入稳定增长阶段。本阶段，农业用水比例持续减少，工业用水比例有所增长，而生活用水比例增长较快；2000—2009年，我国用水总量仅增467亿m3，增长1.08倍，年平均增长率为0.85%，较上一阶段有所放缓。

第四阶段：2010年至今，用水总量突破6000亿m3大关，但增速明显放缓，2010—2013年四年仅增长了160亿m3，而2014年较2013年有所下降；2010—2015年，用水总量仅增加了81亿m3，年均增长率仅为0.22%。用水总量有望进入调整期。

进入“十二五”时期以来，我国在贯彻落实“科学发展观”的基础上，又提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，大力推进生态文明建设，不断加强生态环境保护力度，增大生态环境保护治理投资，使我国近年来生态环境保护的水资源需求呈现较大增长；但农业用水和工业用水增速逐渐放缓，用水总量增加不大。“十三五”期间，随着生态文明建设制度的逐步实施，最严格水资源管理制度的全面落实，未来我国水资源需求逐渐趋于稳定，各行各业将逐步实现相对稳定的水资源需求。

2.3.2　水资源需求演化方程构建

水资源需求受驱动因子和制约因子的双重影响，在内生动力的支配下，三者互相协调；在此情形下，水资源需求不可能无限增长，无论外界环境还是自身条件，都会使水资源需求在某一阶段稳定在某一水平上。结合我国用水总量变化情况，本书认为不同阶段人类对水资源的需求基本符合S形曲线的发展规律（图2.3）。

假设S形曲线的Logistic方程表达式为（杜朝阳等，2013）

式中：t为时间；c1、c2为参数，c1＞0，c2＞0；x为水资源需求；c1x为驱动需求因素作用项；-c2x2为制约需求因素作用项，两者互相协调，对水资源需求产生作用。此方程为非线性数学模型，可表征水资源需求特点；令c1=r，c2=r/M，式（2.1）可改写为

式中：r为不受水资源限制条件下的水资源需求演化速度；M为水资源需求的最大容许度，即水资源需求的上限值。

给定初始条件：x（t0）=x0，式（2.2）的解为

可知式（2.2）是式（2.3）的一阶导数，为了分析水资源需求的演化过程及特征，求式（2.3）的二阶、三阶导数为

令式（2.2）=0，可得：x=0，M；令式（2.4）=0，得：x=0，M/2，M；令式（2.5）=0，得：x=0，M/2-，M/2+，M；令a=M/2-，b=M/2，c=M/2+，d=M；可得到a、b、c、d四个点，如图2.4（b）和图2.4（c）所示。

利用二次非线性微分方程的一、二、三阶导数，得到三个特征点A1、A2、A3，将水资源需求演化过程分为四个阶段：初始阶段、低水平发展阶段、高水平发展阶段和趋于稳定阶段[图2.4（a）]。在（0，t1）阶段为初始阶段，水资源需求开始出现，为基本需求，需求演化速度较慢，但加速度为正，速度和加速度都不断增大；到达A1点，加速度达到最大，速度为rM/6，需求值为M/2-；（t1，t2）阶段为低水平发展阶段，速度仍在增长，而加速度在减小；在A2点，加速为零，速度达到最大，需求值为m/2；（t2，t3）阶段为高水平发展阶段，加速度为负并不断减小，速度开始减小；在A3点，加速度最小，速度减为rM/6，需求值为M/2+；（t3，+∞）阶段为趋于稳定阶段，加速度向零回归，演化速度减缓直到为零，需求值趋近于M。

在水资源需求发展初期，受强劲的内生动力驱使，且限制因素作用较小，充足的发展空间和资源条件促使水资源需求快速发展；随着需求规模扩大、资源不断消耗、制约因素作用增加，水资源需求发展空间锐减，阻碍需求快速增长，当水资源需求规模临近容许度时，发展演化趋于稳定。

2.3.3　我国需水总量极值初探

2012年国务院印发的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》中明确提出了“三条红线”控制指标值，要求2030年全国用水总量控制在7000亿m3以内，用水效率达到或接近世界先进水平；2020年用水总量控制在6700亿m3以内，2015年控制在6350亿m3以内。研究认为，我国将于2030年左右达到水资源需求零增长阶段；因此，假设2030年全国水资源需求基本达到上限，即M=7000亿m3，则2020年水资源需求控制值为0.96M，2015年为0.91M。2015年，全国用水总量达到6103亿m3，约为0.87M，小于用水总量控制指标；但要看到，2015年，全国万元国内生产总值（当年价）用水量多达90m3，万元工业增加值用水量58.3m3，农田灌溉水有效利用系数仅为0.536，用水效率较世界先进水平还相对较低，用水浪费情况仍然存在，导致用水总量较真实用水需求偏大较多。

采用构建的水资源需求演化方程，进行我国需水总量极值初探。基于全国水资源综合规划预测结果与历史用水信息，采用MATLAB软件编程进行方程求解，得到需水极值约在2030—2040年出现（图2.5），需求上限值M平均为6312亿m3，最大为6611亿m3，均小于2030年的全国用水总量控制指标值，与2011年何希吾先生的研究结果较为接近（表2.3）。

2.3.4　未来水资源需求演化过程分析

当水资源需求完成一个演化过程后，系统在分化点M处进入下一演化过程要面临多种模式：持续发展、停滞、稳定循环、消亡（图2.6）。持续发展为进入下一个S形曲线演化阶段，水资源需求仍将快速增长；停滞为水资源需求基本稳定在某一水平，进入标准的零增长阶段；稳定循环为水资源需求进入有增有减的阶段，但增加、减少的幅度都不会太大；消亡为水资源需求急速减少，正常情况下一般不会出现，除非出现经济大衰退、人口锐减等情况。

根据美国世界资源研究所的不完全统计资料分析（统计资料截至2003年），经济合作与发展组织（此时成员国共30个）中的19个国家用水总量自20世纪70—80年代达到高峰后，90年代开始呈下降的趋势；其中，瑞典、芬兰、荷兰、英国、美国和日本先后于20世纪80年代出现了用水总量峰值。其中，工业用水总量有25个国家在1966—1991年达到峰值，而后开始下降反复。由美国和北京市（图2.7）的用水总量演化情形来看，水资源需求的下一演化过程将进入稳定循环阶段。