第二節(jié) 需水量預(yù)測

需水預(yù)測是在充分考慮資源約束和節(jié)約用水等因素的條件下，研究各規(guī)劃水平年按生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水三類口徑，區(qū)分城鎮(zhèn)和農(nóng)村、河道內(nèi)與河道外、高用水與一般用水行業(yè)，分別進(jìn)行毛需水與凈需水量的預(yù)測。需水預(yù)測時(shí)需要考慮市場經(jīng)濟(jì)條件下對水需求的抑制，充分研究節(jié)水發(fā)展及其對需水的抑制效果。需水預(yù)測是一個(gè)動態(tài)預(yù)測過程，與節(jié)約用水及水資源配置不斷循環(huán)反饋。需水量的變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)模等諸多因素有關(guān)?？茖W(xué)的需水預(yù)測是水資源規(guī)劃和供水工程建設(shè)的重要依據(jù)。

一、需水預(yù)測原則

需水預(yù)測應(yīng)以各地不同水平年的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)為依據(jù)，有條件時(shí)應(yīng)以投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ)建立宏觀經(jīng)濟(jì)模型。要加強(qiáng)對預(yù)測方法的研究，從人口與經(jīng)濟(jì)——驅(qū)動需水增長的兩大內(nèi)因——入手，結(jié)合具體的水資源條件和水工程條件，并結(jié)合過去20年來各部門需水增長的實(shí)際過程，分析其發(fā)展趨勢，采用多種方法進(jìn)行計(jì)算，并論證所采用的指標(biāo)和數(shù)據(jù)的合理性。

需水預(yù)測主要分析工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和其他部門的需水要求。在需水預(yù)測中，要考慮科技進(jìn)步對未來用水的影響，又要考慮水資源緊缺對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用，使預(yù)測合乎當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展情況。需水預(yù)測要著重分析評價(jià)各項(xiàng)用水定額的變化特點(diǎn)、用水結(jié)構(gòu)和用水量變化趨勢的合理性，并分析計(jì)算各耗水量指標(biāo)。

預(yù)測中應(yīng)遵循以下幾條主要原則：

（1）以各規(guī)劃水平年社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)為依據(jù)，貫徹可持續(xù)發(fā)展的原則，統(tǒng)籌兼顧社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等各部門發(fā)展對水的需求。

（2）考慮水資源緊缺對需水量增長的制約作用，全面貫徹節(jié)水的方針，分析研究節(jié)水措施的采用和推廣等對需水的影響。

（3）考慮市場經(jīng)濟(jì)對需水增長的作用和科技進(jìn)步對未來需水的影響，分析研究工業(yè)結(jié)構(gòu)變化、生產(chǎn)工藝改革和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化等因素對需水的影響。

（4）重視現(xiàn)狀基礎(chǔ)資料調(diào)查，結(jié)合歷史情況進(jìn)行規(guī)律分析和合理的趨勢外延，使需水預(yù)測符合各區(qū)域特點(diǎn)和用水習(xí)慣。

二、需水量預(yù)測分類

按用戶或行業(yè)特點(diǎn)，需水可分為生活、生產(chǎn)、生態(tài)三部分。按用水特征，需水可分為河道內(nèi)和河道外兩類需水。見表2-1。

生活和生產(chǎn)需水又通稱為社會經(jīng)濟(jì)需水。生活需水是指城鎮(zhèn)生活與農(nóng)村生活所需的水量。生產(chǎn)需水是指有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的各類生產(chǎn)活動所需的水量，包括第一產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)指種植業(yè)和林牧漁業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)工業(yè)，工業(yè)分為高用水工業(yè)、一般工業(yè)、火（核）電工業(yè)和建筑業(yè)，以及第三產(chǎn)業(yè)的商飲業(yè)、其他服務(wù)業(yè)等，見表2-2。

生態(tài)環(huán)境需水是指為了維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)一定功能所需要保留的自然水體或需要人工補(bǔ)充的水量。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水指維持河流生態(tài)系統(tǒng)一定形態(tài)和一定功能所需要保留的水（流）量，按維持河道一定功能的需水量和河口生態(tài)環(huán)境需水量分別計(jì)算。河道外生態(tài)環(huán)境需水指保護(hù)、修復(fù)或建設(shè)給定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需要人為補(bǔ)充的水量，按城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水、湖泊沼澤濕地生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水、林草植被建設(shè)需水和地下水回灌補(bǔ)水分別計(jì)算。

三、生活需水預(yù)測

生活需水主要是指城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民生活需水。由于它的增長速度快，用水高度集中，與人們生活息息相關(guān)，關(guān)系到千家萬戶，因此必須給以高度重視，尤其在我國北方水資源供需矛盾突出，更需及時(shí)通過調(diào)查，摸清生活需水的現(xiàn)狀和發(fā)展動向，統(tǒng)籌規(guī)劃，早作安排，以滿足人民生活需水的要求。

1.生活需水的分類

按用水戶分布，分為城鎮(zhèn)生活需水和農(nóng)村生活需水。按供水系統(tǒng)，分為自來水供給的生活需水和自備水源供給的生活需水。按供水水源，分為地表水供給（不需調(diào)節(jié)的地表水與需要調(diào)節(jié)流量的地表水）；地下水供給（泉水、淺層地下水與深層地下水）；中水供給（經(jīng)過處理的污水用于生活需水的那部分水）。

2.生活需水預(yù)測

生活需水可采用人均日用水量方法進(jìn)行預(yù)測。

式中：W為某水平年生活需水量，m3；ni為某水平年城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民人口數(shù)，人；p0i為現(xiàn)狀年城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民人口數(shù)，人；εi為城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民人口增長率；mi為某水平年份的城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民人均用水定額，L/（人·d）；i為1、2，分別指城鎮(zhèn)和農(nóng)村兩種情況；k為現(xiàn)狀年與某水平年的時(shí)間間隔，年。

對總需水量的估算，考慮的因素是用水人口和用水定額。人口數(shù)可以用式（2-2）預(yù)測，也可以計(jì)劃部門預(yù)測數(shù)為準(zhǔn)。用水定額以現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)字為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、人均收入水平、水價(jià)水平、節(jié)水器具推廣與普及情況，結(jié)合生活用水習(xí)慣，參照建設(shè)部門已制定的城市（鎮(zhèn)）用水標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)外同類地區(qū)或城市生活用水定額，分別擬定各水平年城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民生活用水定額，利用式（2-1）預(yù)測某水平年的生活需水量。根據(jù)供水預(yù)測成果以及供水系統(tǒng)的水利用系數(shù)，結(jié)合生活凈需水量可進(jìn)行生活毛需水量的預(yù)測。城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)見表2-3，村鎮(zhèn)最高日居民生活用水定額見表2-4。

城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活需水量年內(nèi)相對比較均勻，可按年內(nèi)月平均需水量確定其年內(nèi)需水過程。對于年內(nèi)用水量變幅較大的地區(qū)，可通過典型調(diào)查和用水量分析，確定生活需水月分配系數(shù)，進(jìn)而確定生活需水的年內(nèi)需水過程。

四、生產(chǎn)需水預(yù)測

（一）農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%以上。長期以來，由于技術(shù)和管理水平落后、灌溉設(shè)施老化失修等原因，目前我國灌溉水的利用率與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大。

農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)田灌溉和林牧漁畜需水。其中農(nóng)田灌溉需水所占的比重較大，是農(nóng)業(yè)需水的主體。與工業(yè)、生活需水相比，具有面廣量大、一次性消耗的特點(diǎn)，而且受氣候影響較大。當(dāng)水資源短缺，水量得不到保證時(shí)，一般可以改變作物組成，使需水量減少，壓縮農(nóng)業(yè)需水來滿足工業(yè)和生活需水。因此，農(nóng)業(yè)灌溉需水的保證率低于生活和工業(yè)需水的保證率。但菜田需水要求較高的供水保證率，可與工業(yè)和生活需水一樣得到保證。

農(nóng)田灌溉和林牧漁需水量的大小與降水有關(guān)。由于降水是隨機(jī)事件，每年降水量的多少不確定，從而導(dǎo)致農(nóng)田灌溉和林牧漁需水量每年有所不同。為了分析未來水平年農(nóng)田灌溉和林牧漁需水量的變化規(guī)律，通?？紤]P=50%、P=75%和P=90%等三個(gè)不同年型。

1.農(nóng)田灌溉需水

農(nóng)田灌溉需水是為滿足作物生育期用水需求，除天然降水供給外，通過各種水利設(shè)施補(bǔ)送到農(nóng)田的水量。農(nóng)業(yè)需水中，主要是農(nóng)田灌溉需水，占70%以上。

（1）作物需水量。作物需水量指作物正常生長條件下，植株蒸騰和株間蒸發(fā)所需水量。其大小與氣象條件（溫度、日照、濕度、風(fēng)速等）、土壤性狀及含水狀況、作物種類及其生長發(fā)育階段、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施和灌溉排水方法等有關(guān)，即受著大氣—作物—土壤綜合系統(tǒng)中眾多因素的影響，且這些因素對需水量的影響又是互相關(guān)聯(lián)的、錯(cuò)綜復(fù)雜的。所以，目前尚難從理論上對作物田間需水量作出精確的計(jì)算。在生產(chǎn)實(shí)踐中常采用兩方面的途徑來解決，一方面是通過田間試驗(yàn)的方法直接測定；另一方面是采取某些經(jīng)驗(yàn)性公式或半理論性公式進(jìn)行計(jì)算。下面簡介幾種常用的估算方法。

1）蒸發(fā)器法（α值法）。大量灌溉試驗(yàn)資料表明，水面蒸發(fā)量與作物田間需水量之間存在一定程度的相關(guān)關(guān)系，因此可以用水面蒸發(fā)量這一參數(shù)來衡量作物田間需水量的大小，計(jì)算公式為：

式中：ET為某時(shí)段（月、旬、生育階段、全生育期）內(nèi)的作物田間需水量，mm；E0為與ET同時(shí)段的水面蒸發(fā)量（一般指80cm口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)值），mm；a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由實(shí)測資料分析確定。

α值法只需要水面蒸發(fā)量資料，而水面蒸發(fā)量資料又易于獲得，所以此法在國內(nèi)外都有廣泛應(yīng)用，適用于水稻及土壤水分充足的旱作物的田間需水量計(jì)算。

2）產(chǎn)量法（k值法）。農(nóng)作物的產(chǎn)量是太陽能的累積與水、土、肥、熱、氣諸因素及農(nóng)業(yè)措施綜合作用的結(jié)果。在一定的氣象條件下和一定的產(chǎn)量范圍內(nèi)，作物田間需水量隨產(chǎn)量的提高而增加。但兩者并不成直線比例關(guān)系，隨著產(chǎn)量的提高，單位產(chǎn)量的需水量逐漸減少，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到一定水平后，單位產(chǎn)量的需水量將趨于穩(wěn)定。以產(chǎn)量為指標(biāo)計(jì)算作物田間需水量的公式為：

式中：ET為作物全生育期的田間總需水量，m3/hm2；Y為作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；k為需水系數(shù)，即單位產(chǎn)量所消耗的水量，m3/kg，根據(jù)試驗(yàn)資料確定，一般水稻k=0.50～1.15，小麥k=0.60～1.70，玉米k=0.50～1.50，棉花k=1.20～3.40；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)確定，一般n=0.3～0.5；c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)確定，小麥一般c=11.3～16.0。

k值法簡便易行，只要確定了作物計(jì)劃產(chǎn)量即可計(jì)算出它的田間需水量，因此曾在我國得到廣泛應(yīng)用，這一方法主要適用于確定供水不充分的旱作物的田間需水量。

3）綜合法（彭曼—蒙特斯法）。作物在騰發(fā)過程中需要克服一定的阻力，從而要消耗一定的能量。該法就是根據(jù)農(nóng)田能量平衡原理、水汽擴(kuò)散原理和空氣導(dǎo)熱定律，推導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)性公式，即彭曼公式。彭曼法由于一方面理論性強(qiáng)，計(jì)算誤差較??；另一方面也對參考經(jīng)驗(yàn)資料作了簡化，只要具有一般的氣象資料便可計(jì)算，因此國際上廣泛應(yīng)用，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的主要方法之一。具體計(jì)算時(shí)分兩步來進(jìn)行，先根據(jù)氣象資料計(jì)算出參考作物騰發(fā)量（也稱潛在騰發(fā)量），再根據(jù)作物需水特性乘以作物系數(shù)，得出作物需水量。計(jì)算公式有如下形式：

式中：ET0為參照作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為平均氣溫時(shí)飽和水汽壓隨溫度的變化率，kPa/℃；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/m2/d；G為土壤熱通量，MJ/m2/d；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃；u2為2m高處的風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa；kw為土壤水分修正系數(shù)；kc為作物系數(shù)，反映作物的需水特性。

因篇幅所限，本教材對彭曼法不能詳述，需進(jìn)一步了解時(shí)可參考有關(guān)書籍。

（2）作物的灌溉制度。

農(nóng)作物的灌溉制度是指作物播種前（或水稻插秧前）和整個(gè)生育期內(nèi)合理地進(jìn)行灌溉的一整套制度，包括灌水次數(shù)、每次灌水時(shí)間、灌水定額和灌溉定額。灌水定額是指一次灌水單位面積上的灌水量，灌溉定額是指播前和全生育期各次灌水定額之和，它們的單位常以m3/hm2或mm水層深表示。

灌溉制度隨作物種類、品種、自然條件及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的不同而變化，必須從當(dāng)?shù)?、?dāng)年的具體條件出發(fā)進(jìn)行分析研究，通常采用以下三種方法制定作物灌溉制度：總結(jié)群眾豐產(chǎn)灌水經(jīng)驗(yàn)、根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定灌溉制度和按水量平衡原理分析制定灌溉制度。其中水量平衡原理根據(jù)設(shè)計(jì)典型年的氣象資料和作物需水要求，通過水量平衡計(jì)算，擬定出灌溉制度。

1）旱作田水量平衡方程。在旱作物生育期中任何一個(gè)時(shí)段內(nèi)，土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)儲水量的消長變化可用以下水量平衡方程式表示：

式中：W0為時(shí)段初土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)的儲水量；Wt為時(shí)段末土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)的儲水量；ΔW為由于計(jì)劃濕潤層加深而增加的水量；P0為時(shí)段內(nèi)保存在計(jì)劃濕潤層內(nèi)的有效雨量；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量；M為時(shí)段內(nèi)的灌水量；E為時(shí)段內(nèi)作物田間需水量。

2）水稻田水量平衡方程。在水稻生育期中任何一個(gè)時(shí)段內(nèi)，稻田田面水層的消長變化可用以下水量平衡方程表示：

式中：h1為時(shí)段初田面水層深度；h2為時(shí)段末田面水層深度；P為時(shí)段內(nèi)的降雨量；m為時(shí)段內(nèi)的灌水量；E為時(shí)段內(nèi)的田間耗水量；C為時(shí)段內(nèi)的排水量。

根據(jù)上述水量平衡方程，在具備有各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的情況下，以各生育期田面適宜水層的上下限為限制條件（水稻田）或以土壤計(jì)劃濕潤層允許最大和最小儲水量為限制條件（旱田），逐時(shí)段地進(jìn)行水量平衡計(jì)算（列表法或圖解法），便可求出作物的灌溉制度。從而可知作物的灌水定額和灌溉定額。

（3）灌溉用水量。

1）灌溉水的利用效率。為了對農(nóng)田進(jìn)行灌溉就需要修建一個(gè)灌溉系統(tǒng)，以便把灌溉水輸送、分配到各田塊。一般的灌溉系統(tǒng)主要由各級渠道連成的渠道網(wǎng)及渠道上的各類建筑物所組成。渠道的級數(shù)視灌區(qū)面積和地形等條件而定，常分為五級，即干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠和毛渠。農(nóng)渠為末級固定渠道，農(nóng)渠以下的毛渠、輸水溝和灌水溝、畦等為臨時(shí)性工程，統(tǒng)稱為田間工程。

一個(gè)灌溉系統(tǒng)由渠首將水引入后，在各級渠道的輸水過程中有蒸發(fā)、滲漏等水量損失，水到田間后，也還有深層滲漏和田間流失等損失。為了反映灌溉水的利用效率，衡量灌區(qū)工程質(zhì)量、管理水平和灌水技術(shù)水平，通常用灌溉水有效利用系數(shù)（η水）來表示。灌溉水有效利用系數(shù)是指灌區(qū)灌溉面積上田間所需要的凈水量與渠首引進(jìn)的總水量的比值。可用下式計(jì)算：

式中：η水為灌溉水有效利用系數(shù)；Ai為i種作物的灌溉面積，hm2；Mi為i種作物的灌水定額，m3/hm2；W為從水源的引水量，m3；i為灌溉作物的種類。

當(dāng)缺少相關(guān)資料時(shí)，灌溉水有效利用系數(shù)也可通過式（2-11）計(jì)算：

式中：η系為整個(gè)渠道系統(tǒng)中各條末級固定渠道（農(nóng)渠）放出的凈流量與從渠首引進(jìn)的毛流量的比值。渠系水利用系數(shù)反映了從渠首到農(nóng)渠的各級渠道的輸水損失情況，其數(shù)值等于各級渠道水利用系數(shù)的乘積，即：

η田田間水利用系數(shù)是指田間所需要的凈水量與末級固定渠道（農(nóng)渠）放進(jìn)田間工程的水量之比，表示農(nóng)渠以下（包括臨時(shí)毛渠直至田間）的水的利用率。

2）灌溉用水量計(jì)算。灌溉用水量是灌區(qū)需要水源供給的灌溉水量，其數(shù)值與灌區(qū)各種作物的灌溉制度、灌溉面積以及渠系輸水和田間灌水的水量損失等因素有關(guān)。一般將灌溉面積上實(shí)際需要供水到田間的水量稱為凈灌溉用水量，而將凈灌溉用水量與損失水量之和，也就是從水源引入渠首的總水量，稱為毛灌溉用水量。

灌溉用水量的計(jì)算公式為：

式中：W為灌溉用水量，m3；Mi為第i種作物的灌溉定額，m3/hm2；Ai為第i種作物的灌溉面積，hm2。

未來不同水平年的灌溉需水量估算，主要考慮以下幾個(gè)因素：灌溉面積的發(fā)展速度，不同保證率情況下的不同灌溉方式，不同作物及組成的灌溉定額，灌溉水利用系數(shù)提高程度等。不同水平年不同保證率農(nóng)業(yè)灌溉需水量預(yù)估，可按預(yù)測框圖程序進(jìn)行，如圖2-2所示。

2.林牧漁業(yè)用水量

林牧漁業(yè)用水量包括林果地灌溉、草場灌溉、魚塘補(bǔ)水和牲畜用水等4類。林牧漁業(yè)用水的研究不像農(nóng)作物那樣系統(tǒng)全面，通常是通過調(diào)查或試驗(yàn)得出不同年型的林牧漁業(yè)的用水定額，再根據(jù)林牧漁業(yè)的規(guī)模確定不同年型的用水量。

（1）林果灌溉用水量。

根據(jù)調(diào)查或灌溉試驗(yàn)，分別確定不同年型的凈灌溉定額；根據(jù)灌溉水源及灌溉方式，確定灌溉水利用系數(shù)；根據(jù)林果灌溉面積計(jì)算林果灌溉用水量。

（2）牧草灌溉用水量。

根據(jù)調(diào)查或灌溉試驗(yàn)，分別確定不同年型的牧草凈灌溉定額；根據(jù)灌溉水源及灌溉方式，確定灌溉水利用系數(shù)；根據(jù)牧草的灌溉面積計(jì)算牧場灌溉用水量。

人工牧草的灌溉定額，也可以通過計(jì)算牧草的需水量，利用水量平衡原理來確定。

（3）魚塘補(bǔ)水量。

魚塘補(bǔ)水是為了維持魚塘一定水面面積和相應(yīng)水深所需要補(bǔ)充的水量，通常采用補(bǔ)水定額的方法計(jì)算。補(bǔ)水定額可根據(jù)魚塘滲漏量及水面蒸發(fā)量與降水量，利用水量平衡原理來確定。

式中：m為魚塘補(bǔ)水定額，mm；E為水面蒸發(fā)量，由水文氣象部門蒸發(fā)器測得，mm；α為蒸發(fā)皿折算系數(shù)；P為年降雨量，mm；S為年滲漏量，mm。

根據(jù)灌溉水源及灌溉方式，確定灌溉水利用系數(shù)；根據(jù)魚塘補(bǔ)水面積和補(bǔ)水定額計(jì)算魚塘補(bǔ)水量。

（4）牲畜用水量。

將牲畜分為大牲畜（牛、馬、驢等）、小牲畜（豬、羊、兔等）和禽類，分別調(diào)查其用水定額（該定額與年型關(guān)系不大，一般不分年型來統(tǒng)計(jì)）；然后按牲畜的數(shù)量計(jì)算牲畜的用水量（表2-5）。

（二）工業(yè)需水量預(yù)測

工業(yè)需水一般是指工、礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中，用于制造、加工、冷卻、空調(diào)、凈化、洗滌等方面的需水量。目前，我國工業(yè)用水量約占全國總用水量的20%，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)用水量所占的比例還會逐漸上升。工業(yè)用水中冷卻用水占60%～70%，其余是工藝和沖洗用水、鍋爐用水、工廠職工生活用水。

目前，沒有哪個(gè)工業(yè)部門在沒有水的情況下會得到發(fā)展，因此，人們稱“水是工業(yè)的血液”。一個(gè)城市工業(yè)需水的多少，不僅與工業(yè)發(fā)展的速度有關(guān)，而且還與工業(yè)的結(jié)構(gòu)、工業(yè)生產(chǎn)的水平、節(jié)約用水的程度、用水管理水平、供水條件和水資源的多寡等因素有關(guān)。需水不僅隨部門不同而不同，而且與生產(chǎn)工藝有關(guān)，同時(shí)還取決于氣候條件等。

1.工業(yè)需水的特點(diǎn)

工業(yè)生產(chǎn)用水的特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）數(shù)量較大。

工業(yè)用水在總用水量中占有相當(dāng)大的比重。我國2002年，工業(yè)總用水量為1140億m3，占全國總用水量的20.8%。工業(yè)發(fā)達(dá)國家，工業(yè)用水所占比重還要大得多，例如早在60年代中期，西德工業(yè)用水量占總用水量的70%，捷克為81%；60年代末英國為76%，法國為41%，蘇聯(lián)為36%；而70年代中期美國為44%。無疑，隨著我國工業(yè)化水平的提高，工業(yè)用水量必然增加，它所占的比重將逐漸提高。

（2）增長速度快。

工業(yè)的高速發(fā)展，使工業(yè)用水量增長速度很快，大大超過農(nóng)業(yè)和城市生活用水量的增長速度。有關(guān)資料表明，20世紀(jì)以來，全世界農(nóng)業(yè)用水量增長了7倍，城市生活用水量增長了11.5倍，而工業(yè)用水量卻增長了36倍。新中國成立以來我國工業(yè)高速發(fā)展帶來工業(yè)用水量猛增，到1979年比新中國成立初期增加了18倍。由于近年來節(jié)約用水的大力開展，工業(yè)用水量的增長速率有所降低。

（3）用水集中。

由于大工業(yè)多集中于城市附近及某些工業(yè)基地，使取水集中，更加劇了局部地區(qū)水資源供求矛盾的嚴(yán)重程度，常常形成工業(yè)用水與城市生活和郊區(qū)農(nóng)業(yè)爭水的局面。

（4）用量差異大。

工業(yè)生產(chǎn)用水的數(shù)量，不僅因生產(chǎn)性質(zhì)和產(chǎn)品的不同而相差懸殊，即使同一種產(chǎn)品，由于生產(chǎn)工藝、設(shè)備類型、管理水平以及地區(qū)條件等不同，其用水量差異也很大。電力、化工、造紙、冶金等工業(yè)是用水大戶，如造紙、人造纖維每噸產(chǎn)品用水量均高達(dá)1000m3以上。這些行業(yè)的單位產(chǎn)品用水量大大超過其他工業(yè)部門。但同是鋼鐵工業(yè)，噸鋼取水量首鋼為25.7m3，寶鋼為12m3，而美、英、德等國僅為4～5m3。

（5）節(jié)水潛力大。

正因?yàn)橥瑯拥漠a(chǎn)品生產(chǎn)用水量差異大，因此通過采用新技術(shù)、新工藝、提高管理水平，節(jié)水的潛力很大。例如一座裝機(jī)容量100萬kW的火電廠，采用直流式冷卻，每年需水12億～16億m3，若采用循環(huán)式冷卻則僅需水1.2億m3，可節(jié)水90%以上。目前我國工業(yè)產(chǎn)品耗水量仍相當(dāng)高，工業(yè)用水的重復(fù)利用率也低，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，水的浪費(fèi)仍很嚴(yán)重，因此節(jié)水仍大有可為。

2.工業(yè)需水分類

盡管現(xiàn)代工業(yè)分類復(fù)雜、產(chǎn)品繁多、需水系統(tǒng)龐大，需水環(huán)節(jié)多，而且對供水水流、水壓、水質(zhì)等有不同的要求，但仍可按下述4種分類方法進(jìn)行分類研究。

（1）按工業(yè)需水在生產(chǎn)中所起的作用分類。

按工業(yè)需水在生產(chǎn)中所起的作用可分為：①冷卻需水，是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中，用水帶走生產(chǎn)設(shè)備的多余熱量，以保證進(jìn)行正常生產(chǎn)的那一部分需水量；②空調(diào)需水，是指通過空調(diào)設(shè)備用水來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度、空氣潔度和氣流速度的那一部分需水量；③產(chǎn)品需水（或工藝需水），是指在生產(chǎn)過程中與原料或產(chǎn)品摻混在一起，有的成為產(chǎn)品的組成部分，有的則為介質(zhì)存在于生產(chǎn)過程中的那一部分需水量；④其他需水，如清洗場地需水等。

（2）按工業(yè)需水過程分類。

按工業(yè)需水過程可分為：①總需水，即工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中所需要的全部水量（Vt）。總需水量包括空調(diào)、冷卻、工藝、洗滌和其他需水。在一定設(shè)備條件和生產(chǎn)工藝水平下，其總需水量基本是一個(gè)定值，可以測試計(jì)算確定。②取用水（或稱補(bǔ)充水），即工礦企業(yè)取用不同水源（河水、地下水、自來水或海水）的總?cè)∷浚?i>Vf）。③排放水，即經(jīng)過工礦企業(yè)使用后，向外排放的水（Vd）。④耗用水，即工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中耗用掉的水量（Vc），包括蒸發(fā)、滲漏、工藝消耗和生活消耗的水量。⑤重復(fù)用水，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，二次以上的用水，稱為重復(fù)用水。重復(fù)用水量（Vr）包括循環(huán)用水量和二次以上的用水量。

（3）按水源分類。

按水源可分為：①地表水，工礦企業(yè)直接從河流、湖泊、水庫等水體中取水，一般水質(zhì)達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可作工業(yè)生產(chǎn)需水；②地下水，工礦企業(yè)在廠區(qū)或鄰近地區(qū)自備設(shè)施提取地下水，供生產(chǎn)或生活用的水，在我國北方城市，工業(yè)需水中取用地下水占相當(dāng)大的比重；③海水，沿海城市將海水作為工業(yè)需水的水源，有的將海水直接用于冷卻設(shè)備，有的海水淡化處理后再用于生產(chǎn)；④再生水，城市排出廢污水經(jīng)處理后再利用的水。

（4）按工業(yè)組成的行業(yè)分類。

在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，各行業(yè)之間需水差異很大，由于我國歷年的工業(yè)統(tǒng)計(jì)資料均按行業(yè)劃分統(tǒng)計(jì)。因此，按行業(yè)分類有利于需水調(diào)查、分析和計(jì)算。一般可分為高用水工業(yè)、一般工業(yè)和火（核）電工業(yè)三類用戶分別進(jìn)行預(yù)測。

工業(yè)需水分類，其中按行業(yè)劃分是基礎(chǔ)，如再結(jié)合需水過程、需水性質(zhì)和需水水源進(jìn)行組合劃分，將有助于工業(yè)需水調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測工作的開展。一般說，按行業(yè)劃分越細(xì)，研究問題就越深入，精度就越高，但工作量增加；而分得太粗，往往掩蓋了矛盾，需水特點(diǎn)不能體現(xiàn)，影響需水問題的研究和成果精度。

3.工業(yè)需水調(diào)查計(jì)算

研究城市工業(yè)需水必須掌握可靠的第一手資料。但由于過去長期對用水問題不夠重視，用水缺少觀測，缺乏資料。因此，工業(yè)用水調(diào)查是獲得用水資料的重要手段，是研究城市需水極其重要的一項(xiàng)工作。

工業(yè)需水調(diào)查內(nèi)容主要包括：①基本情況，包括人口、土地、職工人數(shù)、工業(yè)結(jié)構(gòu)和布局，歷年工業(yè)產(chǎn)值及主要工業(yè)產(chǎn)品、產(chǎn)量等。②供排水情況，包括供水水源、供水方式、排水出路和水質(zhì)情況等。水源情況調(diào)查，除自來水用量可直接從自來水公司記載中取得外，各單位自取河水、地下水都要進(jìn)行調(diào)查。③用水情況，包括地區(qū)的工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，城市建設(shè)發(fā)展規(guī)模，將來的工業(yè)結(jié)構(gòu)及布局，工業(yè)產(chǎn)值、產(chǎn)量的計(jì)劃，供排水工程設(shè)施規(guī)劃等。

工業(yè)用水調(diào)查不僅提供了工業(yè)用水的一般情況，更重要的是：通過調(diào)查了解一個(gè)地區(qū)工業(yè)用水的水平，可以找出合理用水的途徑和措施，挖掘工業(yè)用水的潛力，同時(shí)為工業(yè)需水量的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。工業(yè)需水分析計(jì)算方法可采用水平衡法。

一個(gè)地區(qū)，一個(gè)工廠，乃至一個(gè)車間的每臺用水設(shè)備，在用水過程中水量收支保持平衡。即一個(gè)用水單元的總需水量，與消耗水量、排出水量和重復(fù)利用水量相平衡。

式中：Vt為總需水量，在設(shè)備和工藝流程不變時(shí)，為一定值；Vc為消耗水量，包括生產(chǎn)過程中蒸發(fā)、滲漏等損失水量和產(chǎn)品帶走的水量；Vd為經(jīng)工礦企業(yè)使用后向外排放的水量；Vr為重復(fù)用水量，包括二次以上用水量和循環(huán)水量。

4.工業(yè)用水考核指標(biāo)及計(jì)算方法

參照《評價(jià)企業(yè)合理用水技術(shù)通則GB/T 7119—96》（General principles for evaluating the rational utilization of water in enterprises），工業(yè)用水中，共有3類9個(gè)指標(biāo)，具體見圖2-3。

（1）重復(fù)利用率。

重復(fù)利用率是工業(yè)用水中能夠重復(fù)利用的水量的重復(fù)利用程度。它是考核工業(yè)用水水平的一個(gè)重要指標(biāo)。是指在一定的計(jì)量時(shí)間（年）內(nèi)，生產(chǎn)過程中使用的重復(fù)利用水量與總用水量之比，計(jì)算公式：

式中：R為重復(fù)利用率，%；Vr為重復(fù)利用水量，m3；Vt為生產(chǎn)過程中總用水量，m3。

由于火電業(yè)、礦業(yè)、鹽業(yè)的用水特殊，為了便于城市間的比較，計(jì)算城市工業(yè)重復(fù)利用率時(shí)不包括這三個(gè)工業(yè)部門。當(dāng)然，也可以同時(shí)計(jì)算出包括這三個(gè)工業(yè)部門的城市工業(yè)重復(fù)利用率。

（2）新水利用系數(shù)。

在一定的計(jì)量時(shí)間（年）內(nèi)，生產(chǎn)過程中使用的新水量與外排水量之差同新水量之比。計(jì)算公式為：

式中：Kf為新水利用系數(shù)；Vf為生產(chǎn)過程中取用的新水量，m3；Vd為生產(chǎn)過程中，外排水量（包括外排廢水、冷卻水、漏、溢水量等），m3。

（3）用水定額指標(biāo)。

用水定額指標(biāo)只介紹萬元增加值用水量。萬元增加值用水量指每1萬元工業(yè)增加值需要的用水量，計(jì)算公式：

式中：Vwt為萬元工業(yè)增加值用水量，m3/萬元；Vyf為年生產(chǎn)用新水量總和，m3；Vr為年重復(fù)利用水量，m3；Z為年工業(yè)增加值，萬元。

5.工業(yè)需水預(yù)測

工業(yè)用水預(yù)測是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，涉及的因素較多。一個(gè)城市或地區(qū)的工業(yè)用水的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃和長遠(yuǎn)規(guī)劃密切相關(guān)。通常采用的方法是：研究工業(yè)用水的發(fā)展史，分析工業(yè)用水的現(xiàn)狀，考察未來工業(yè)發(fā)展的趨向和用水水平的變化，從中得出預(yù)測的規(guī)律。工業(yè)用水預(yù)測方法一般有以下幾種。

（1）趨勢法。

用歷年工業(yè)用水增長率來推算將來工業(yè)需水量。用水量的遞增率基本穩(wěn)定時(shí)，預(yù)測不同水平年的需水量計(jì)算式為：

式中：Vi為預(yù)測的某一水平年工業(yè)需水量；V0為預(yù)測起始年份工業(yè)用水量；P為工業(yè)用水年平均增長率；n為從起始年份至預(yù)測某一水平年份所間隔時(shí)間。

用水量的遞增率呈現(xiàn)遞增或遞減規(guī)律時(shí)，預(yù)測不同水平年的需水量計(jì)算式為：

式中：p1是第一年的用水量遞增率；q是用水量遞增率p的遞變率，q為正值時(shí)，p逐年上漲，否則，下降。

一個(gè)城市工業(yè)用水的增長率與工業(yè)結(jié)構(gòu)、用水水平、水源條件等有關(guān)。用趨勢法預(yù)測關(guān)鍵是對未來用水量增長率的準(zhǔn)確確定，需要找出與增長率緊密相連的因素，充分分析過去實(shí)際結(jié)構(gòu)，合理確定未來不同水平年的平均用水增長率。一般來說，工業(yè)用水年平均增長率隨用水水平提高、單耗降低、重復(fù)利用程度提高呈下降的趨勢。

趨勢法推算較簡單易行，但是從歷年調(diào)查資料中分析用水增長率時(shí)，必須是選取工業(yè)發(fā)展穩(wěn)定階段，該階段是相當(dāng)長的一個(gè)時(shí)段并具有準(zhǔn)確度較高的用水量數(shù)值，便于觀察歷年用水增長趨向。對異常點(diǎn)要做合理性檢查，才能把異常點(diǎn)省去，消除偶然因素的影響。如某一大型耗水性工廠經(jīng)多年建設(shè)，在某一年正式投產(chǎn)使用，使某城市工業(yè)用水量驟增至某一個(gè)水平。又如，某年遇到連續(xù)干旱缺水年份，水源缺乏，供水量衰減，迫使工業(yè)用水減少等。當(dāng)有一個(gè)較長系列的用水資料時(shí)，就可以作詳細(xì)分析，避免偶然因素，刪除異常點(diǎn)，對于特殊情況，應(yīng)另作分析。

（2）重復(fù)利用率提高法。

萬元增加值用水量和重復(fù)利用率，是衡量工業(yè)用水水平的兩個(gè)綜合指標(biāo)。一般來說，一個(gè)地區(qū)或一個(gè)工礦企業(yè)單位，工業(yè)結(jié)構(gòu)不發(fā)生根本變化時(shí)，萬元增加值用水基本取決于重復(fù)利用率。隨著重復(fù)利用率的不斷提高，萬元增加值用水將不斷下降。

重復(fù)利用率提高法可采用下式計(jì)算：

式中：V2f為預(yù)測年的工業(yè)用水量，m3；η1、η2分別為現(xiàn)狀年與預(yù)測年的重復(fù)利用率；q1為現(xiàn)狀年的萬元增加值用水量，m3/萬元；Z2為預(yù)測年的工業(yè)增加值，萬元。

重復(fù)利用率與萬元增加值用水的關(guān)系可用水平衡式推導(dǎo)。因?yàn)橹貜?fù)利用率：

所以可進(jìn)行下列推導(dǎo)：

由式（2-25）和式（2-26）可得：

對于同一行業(yè)，當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程和生產(chǎn)規(guī)模不變時(shí)，由萬元增加值用水q=得：

V1f=Zq1V2f=Zq2

故得：

一個(gè)行業(yè)，如果已知現(xiàn)有用水重復(fù)利用率和萬元增加值用水，根據(jù)該地水源條件、工業(yè)用水的水平，如能提出將來可達(dá)到的重復(fù)利用率，便可利用式（2-28）求出將來的萬元增加值用水量。從而比較準(zhǔn)確的推求將來的工業(yè)用水量。

【例2-1】已知某市1990年冶金工業(yè)用水重復(fù)利用率為76.3%，相應(yīng)的萬元增加值用水量為636m3。根據(jù)該市水資源條件和目前用水水平，參照國內(nèi)外先進(jìn)水平，提出2010年冶工業(yè)重復(fù)水利用率將達(dá)到90%，相應(yīng)的萬元增加值用水量可求出為：

q2=268m3/萬元

各個(gè)行業(yè)用上述方法，都可推求出不同水平年的萬元增加值用水量。

（3）需水量彈性系數(shù)法。

需水量彈性系數(shù)是指工業(yè)需水量增長率與工業(yè)年產(chǎn)值增長率的比值。該法是依據(jù)企業(yè)以往年的年需水量增長率和工業(yè)產(chǎn)值增長率，計(jì)算需水量彈性系數(shù)；而后根據(jù)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定今后的年產(chǎn)值增長率，進(jìn)而求出需水量增長率，再根據(jù)趨勢法計(jì)算工業(yè)用水量。

【例2-2】某企業(yè)2000～2010年工業(yè)總產(chǎn)值和年需水量見表2-6，“十二五”規(guī)劃確定年工業(yè)產(chǎn)值增長率為15%，試用彈性系數(shù)法預(yù)測企業(yè)的2015年的需水量。

解：1）根據(jù)歷年資料，計(jì)算工業(yè)產(chǎn)值與用水增長率（表2-7）。

經(jīng)計(jì)算多年平均用水增長率為13.50%，工業(yè)產(chǎn)值增長率為20.61%。

2）計(jì)算需水彈性系數(shù)：

3）計(jì)算2010～2015年用水增長率：

4）按趨勢法計(jì)算2015年用水量：

Vt=V0（1+d）n=4400×（1+9.9%）5=7054（萬m3）

（4）相關(guān)法。

工業(yè)用水的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（單耗、增長率等）與工業(yè)增加值有一定的相關(guān)關(guān)系，如把增加值作為橫軸，描繪上實(shí)際值，進(jìn)行回歸分析，則適合這種相關(guān)分析的回歸方程有以下形式：

式中：y為單位用水量或增長率；x為工業(yè)增加值；a、b為常數(shù)。

根據(jù)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定今后的年產(chǎn)值增長率，進(jìn)而求出預(yù)測年的工業(yè)增加值。采用回歸分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算預(yù)測年的工業(yè)用水量。

（三）第三產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測

建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測方法可參照工業(yè)需水量預(yù)測方法。建筑業(yè)需水預(yù)測可采用建筑業(yè)萬元增加值用水量法，也可采用單位建筑面積用水量法。第三產(chǎn)業(yè)需水可采用萬增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測，也可參考城市建設(shè)部門分類口徑及其預(yù)測方法進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃成果，結(jié)合用水現(xiàn)狀分析，預(yù)測各規(guī)劃水平年的凈需水定額和水利用水系數(shù)，進(jìn)行凈需水量和毛需水量的預(yù)測。

第三產(chǎn)業(yè)需水量年內(nèi)分配相對比較均勻。對年內(nèi)用水量變幅較大的地區(qū)，通過典型調(diào)查進(jìn)行用水量分析，計(jì)算需水月分配系數(shù)，確定用水量的年內(nèi)過程。

五、生態(tài)需水預(yù)測

（一）基本概念與內(nèi)涵

生態(tài)與環(huán)境需水是指為了維持給定目標(biāo)下生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)一定功能所需要保留的自然水體和需要人工補(bǔ)充的水量。要結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用狀況、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、水資源演變情勢等，確定切實(shí)可行的生態(tài)與環(huán)境保護(hù)、修復(fù)和建設(shè)目標(biāo)，分別進(jìn)行河道外和河道內(nèi)的生態(tài)與環(huán)境需水量的預(yù)測。

河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水指維持河流生態(tài)系統(tǒng)一定形態(tài)和一定功能所需要保留的水（流）量，按維持河道一定功能的需水量和河口生態(tài)與環(huán)境需水量分別計(jì)算。河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水量要以河流水系主要控制斷面為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對上、下游不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值經(jīng)綜合分析后確定成果。河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水量與河道內(nèi)非消耗性生產(chǎn)需水量之間有重復(fù)的，計(jì)算時(shí)應(yīng)予以注明。

河道外生態(tài)與環(huán)境需水指保護(hù)、修復(fù)或建設(shè)給定區(qū)域的生態(tài)與環(huán)境需要人為補(bǔ)充的水量，按城鎮(zhèn)生態(tài)與環(huán)境需水、湖泊沼澤濕地生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水、林草植被建設(shè)需水和地下水回灌補(bǔ)水分別計(jì)算。

（二）河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水

河流在自然本質(zhì)上是一個(gè)完整的連續(xù)體，自古以來河流兩岸就是人類繁衍生息之地。人類活動對河流的開發(fā)利用與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度密切相關(guān)，河流水體生態(tài)退化主要受自然和人類雙重活動的控制。河流資源利用方式的演變大致可以分為4個(gè)階段：初級開發(fā)階段、平衡利用階段、掠奪開發(fā)階段、協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

初級開發(fā)階段：人類自發(fā)對河流資源進(jìn)行利用，河流資源基本上受自然規(guī)律支配，主要是洪澇災(zāi)害的影響，河流的連通性和寬度構(gòu)成了河流生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)特征，具有河流所有的天然生態(tài)功能，包括維持水循環(huán)的連續(xù)性、生物完整性、自凈過濾作用、通道作用和水沙輸送等。

平衡利用階段：社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得人們對河流資源的本質(zhì)有了一定了解，利用能力不斷提高。早期為了生存對漁業(yè)資源進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)航運(yùn)功能并進(jìn)行貿(mào)易往來，上游引水、中游筑壩以及泛洪平原的墾殖，在滿足規(guī)模農(nóng)業(yè)發(fā)展和初級工業(yè)化和人口、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，河流基本能夠維持自然水文規(guī)律，河流的生物完整性和多樣性沒有遭到破壞，河流水資源的承載能力還沒有得到充分體現(xiàn)和發(fā)揮。

掠奪開發(fā)階段：工業(yè)化程度高，對河流的開發(fā)利用主要著眼于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對河流的控制能力極大地加強(qiáng)，以水庫、水力發(fā)電等為代表的利用方式強(qiáng)化了對河流資源的利用，局部水循環(huán)的基本格局大都被打破，農(nóng)業(yè)面源污染和大規(guī)模工業(yè)化造成的污染層出不窮，甚至出現(xiàn)“有河皆干，有水皆污”的局面。河流生物種大部分滅絕，河道斷流頻發(fā)。出現(xiàn)了世界性的河流環(huán)境污染和生態(tài)破壞，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，對生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識不足。河流水資源利用方式的不當(dāng)對人類的生存和發(fā)展逐漸構(gòu)成了現(xiàn)實(shí)威脅。

協(xié)調(diào)發(fā)展階段：城市化和工業(yè)化進(jìn)程中對水資源的競爭，形成城市和工業(yè)用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)用水，農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水的不合理循環(huán)格局。河流有限水資源在量和質(zhì)上的不足造成的生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)狀，使人類認(rèn)識到人與自然實(shí)現(xiàn)和諧共處的必要性，人類對生態(tài)用水問題開始高度重視。河流生態(tài)系統(tǒng)作為流域生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它的最基本的特征就是參與自然界的水分循環(huán)，通過水體介質(zhì)不斷地跟周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，與周邊環(huán)境相互影響和制約。

國外對河道生態(tài)用水問題關(guān)心較早。20世紀(jì)40年代，隨著水庫的建設(shè)和水資源開發(fā)利用程度的提高，美國的資源管理部門開始注意和關(guān)心漁場的減少問題。60年代初期，工業(yè)化國家開始出現(xiàn)水資源對國民經(jīng)濟(jì)的制約作用，這種影響在枯水期尤為顯著。由于徑流迅速減小，對水力發(fā)電、航運(yùn)、供水的限制越來越大，常常造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，更造成生態(tài)惡化。于是各工業(yè)化國家對枯水期徑流開展了大規(guī)模研究。20世紀(jì)70年代以來，法國、澳大利亞、南非等國都開展了許多關(guān)于魚類生長繁殖與河流流量關(guān)系等方面的研究，從而提出了河流生態(tài)流量的概念，并產(chǎn)生了許多計(jì)算和評價(jià)方法。20世紀(jì)90年代以前河流流量的研究主要集中在所關(guān)心的魚類、無脊椎動物等對流量的需求。20世紀(jì)90年代后的研究，不僅研究維持河道的流量，而且還考慮了河流流量在縱向上、橫向上的連接。從總體上講，考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性，考慮了生態(tài)系統(tǒng)可以接受的流量變化。

由于我國的自然條件復(fù)雜、人口眾多，造成的生態(tài)用水問題極為復(fù)雜。研究生態(tài)系統(tǒng)某種臨界狀態(tài)下的水分條件，以此作為生態(tài)用水衡量標(biāo)準(zhǔn)，既是該領(lǐng)域理論和技術(shù)上的探索，也是生產(chǎn)實(shí)踐中急需解決的問題。

1.維持河道一定功能的需水量

維持河道一定功能的需水量包括生態(tài)基流、輸沙需水量和水生生物需水量等。根據(jù)各地河流水系實(shí)際情況，選擇不同方法計(jì)算，經(jīng)比較選取合理結(jié)果。

（1）濕周法。

濕周法是根據(jù)河道的水力特性參數(shù)，如濕周、水力半徑、平均水深等，由實(shí)測的河道斷面濕周與斷面流量之間的對應(yīng)關(guān)系，繪制流量—濕周關(guān)系圖，由圖中找出突變點(diǎn)或影響點(diǎn)（point of effection），與該點(diǎn)對應(yīng)的流量值即為河道生態(tài)流量推薦值。它是基于滿足臨界區(qū)域水生生物棲息地的思想提出來的。

濕周法主要適用于：①小型河流或者是流量很小且相對穩(wěn)定的河流；②泥沙含量少，水環(huán)境污染不明顯的河流；③推薦的流量是主要為了滿足某些大型無脊椎動物以及特殊物種保護(hù)的要求。

從關(guān)系圖中直接判斷突變點(diǎn)有時(shí)比較困難，甚至無法判斷，尤其對于山區(qū)河流，變化點(diǎn)多數(shù)不明顯，需要借助數(shù)學(xué)方法來加以判別。通常，該法較適用于平原地區(qū)河道。

（2）Tennant法。

Tennant在對美國11條河流的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，依據(jù)流量對應(yīng)的流速、水深等增幅大小，認(rèn)為年均流量的10%是河流生態(tài)與環(huán)境得以維持的最小流量，并以預(yù)先確定的年平均流量百分比將河流生態(tài)與環(huán)境劃分為不同的等級。

Tennant法將全年分為兩個(gè)計(jì)算時(shí)段，根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境狀況的對應(yīng)關(guān)系，直接計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)與環(huán)境需水量。Tennant法中，河道內(nèi)不同流量百分比和與之相對應(yīng)的生態(tài)與環(huán)境狀況見表2-8。

根據(jù)Tennant法，維持河道一定功能需水量計(jì)算式如下：

式中：WR為多年平均條件下維持河道一定功能的需水量，m3；Mi為第i月天數(shù)，d；Qi為第i月多年平均流量，m3/s；Pi為第i月生態(tài)與環(huán)境需水百分比。

Tennant法將一年分為2個(gè)計(jì)算時(shí)段，4～9月為多水期，10月至次年3月為少水期，不同時(shí)期流量百分比有所不同。各流域計(jì)算時(shí)年內(nèi)時(shí)段可按如下方法劃分：將天然情況下多年平均月徑流量從小到大排序，前6個(gè)月為少水期，后6個(gè)月為多水期。

用Tennant法計(jì)算維持河道一定功能的生態(tài)與環(huán)境需水量關(guān)鍵在于選取合理的流量百分比。不同的河流水系其河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境功能不同，同一河流的不同河段也有差異，因此要根據(jù)實(shí)際情況選取合理的河流生態(tài)與環(huán)境目標(biāo)來確定流量百分比。一些研究中，少水期通常選取多年平均流量的10%～20%作為河道生態(tài)與環(huán)境需水量，多水期選取多年平均流量的30%～40%，但要根據(jù)各河流水系的實(shí)際情況而定。

特殊河流（河段），如泥沙含量較高或有國家級保護(hù)物種的河流（河段），維持河道一定功能的需水應(yīng)分單項(xiàng)計(jì)算，并對成果進(jìn)行合理性分析檢查。

（3）分項(xiàng)計(jì)算方法。

1）生態(tài)基流。生態(tài)基流指為維持河床基本形態(tài)、防止河道斷流、保持能力和避免河流水體生物群落遭到無法恢復(fù)的破壞而保留在河道中的最小水面，給出3種計(jì)算方法。

方法一：最小月流量平均法。

計(jì)算式為：

式中：WEb為河道生態(tài)基流，m3；Qmi為最近10年中第i年最小月平均流量，m3/s。

方法二：典型年最小月流量法。

選擇滿足河道一定功能、未出現(xiàn)較大生態(tài)環(huán)境問題的某一年作為典型年，將典型年最小月平均流量作為滿足年生態(tài)環(huán)境需水的平均流量。典型年最小月流量法計(jì)算公式為：

式中：Qsm為典型年最小月平均流量，m3/s。

方法三：Q95法。

指將95%頻率下的最小月平均流量作為河道內(nèi)生態(tài)基流。該法主要是用來計(jì)算河流納污容量的。

不同河流水系，用以上3種方法計(jì)算得到不同的結(jié)果，綜合分析后作為河道內(nèi)生態(tài)基流。

2）輸沙需水量。河道輸沙需水量指保持河道水流泥沙沖淤平衡所需水量，主要與河道上游來水來沙條件、泥沙顆粒組成、河流類型及河道形態(tài)等有關(guān)。

對北方多沙河流而言，河道泥沙輸送主要集中在汛期，汛期水流含沙量高，通常處于飽和輸沙狀態(tài)，因此可根據(jù)汛期輸送單位泥沙所需的水量來計(jì)算輸沙需水量。汛期輸送單位泥沙所需的水量可近似用汛期多年平均含沙量的倒數(shù)來代替。輸沙需水量可用下式計(jì)算：

式中：Ws為年輸沙需水量，m3；Sl為多年平均輸沙量，kg；Scw為多年平均汛期含沙量，kg/m3。

基巖河床的河流或河床比降較大的山區(qū)河流，一般情況下水流處于非飽和輸沙狀態(tài)，可用多年最大月平均含沙量代表水流對泥沙的輸送能力，輸沙需水量計(jì)算式為：

式中：Sl為多年平均輸沙量，kg；Scmax為多年最大月平均含沙量，kg/m3。

有資料的河段，可根據(jù)模型計(jì)算水流挾沙力，由水流挾沙力和輸沙量計(jì)算河道輸沙需水量，計(jì)算模型可參見河流泥沙有關(guān)論著。

3）水生生物需水量。水生生物需水量是指維持河道內(nèi)水生生物群落的穩(wěn)定性和保護(hù)生物多樣性所需要的水量。為保證河流系統(tǒng)水生生物及其棲息地處于良好狀態(tài)，河道內(nèi)需要保持一定的水量；對有國家級保護(hù)生物的河段，應(yīng)充分保證其生長棲息地良好的水生態(tài)環(huán)境。

水生生物需水量可按下式計(jì)算：

式中：Wc為水生生物年需水量，m3；Wcij為第i月第j種生物需水量，根據(jù)具體生物物種生活習(xí)性確定，m3。

依據(jù)生物資料與河流流量資料，建立河道流量與生物量或種群變化關(guān)系，以生物為主要因子，考慮生態(tài)與環(huán)境對河流流量的季節(jié)性變化要求。對濕地，可建立水量與高等大型植物的關(guān)系等。在生態(tài)需水計(jì)算過程中，要考慮對特定生物的保護(hù)要求。

資料缺乏地區(qū)，可按多年平均流量的百分比估算河道內(nèi)水生生物的需水量，一般河流少水期可取多年平均徑流量的10%～20%，多水期可取多年平均徑流量的20%～30%，有國家級保護(hù)生物的河流（河段）可適當(dāng)提高百分比。

4）河道內(nèi)生態(tài)基流、輸沙需水量和水生生物保護(hù)需水量分月取最大值（外包），得到維持河道一定功能的年需水量。

此外，在某些情形下，為保持河流一定的水環(huán)境容量，根據(jù)水質(zhì)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和特定的環(huán)境要求，進(jìn)行所需水量或流量的推求，作為河道環(huán)境需水量。

2.河口生態(tài)與環(huán)境需水量

河口生態(tài)與環(huán)境需水量指防止咸潮上溯、維持河口生態(tài)系統(tǒng)平衡所需的水量，主要包括河口沖沙需水量、防潮壓咸需水量、河口生物需水量。各需水量之間有一定重復(fù)，各計(jì)算單項(xiàng)需水量的最大值為河口生態(tài)與環(huán)境需水量。

（1）河口沖沙需水量。

河口沖沙需水量指為了保持河口泥沙沖淤平衡所需要水量。沖沙需水量計(jì)算需分析歷年入海水量的變化特點(diǎn)及河口生態(tài)環(huán)境、泥沙沖淤平衡狀況，豐水年和平水年可利用汛期的排水及灌溉回歸水沖淤，枯水年份需要保持一定的入海水量，滿足河口沖沙的需要。河口泥沙受到河道水流與潮流的相互作用，水動力條件復(fù)雜，可用河口多年入海水量、含沙量、泥沙淤積量等進(jìn)行估算。

（2）防潮壓咸需水量。

防潮壓咸需水量是為了避免咸潮上溯對河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境和生活生產(chǎn)用水帶來不利影響所需要的水量。咸潮河流為防止潮水上溯，保持河口地區(qū)不受咸潮影響，必須保持河道一定的防潮壓咸需水量。有資料地區(qū)可根據(jù)河口流量與咸水位關(guān)系計(jì)算相應(yīng)的入海壓咸需水量。無資料地區(qū)可以河口處多年平均月最大潮水位和設(shè)計(jì)潮水位來計(jì)算防潮壓咸所需水量。

（3）河口生物需水量。

河口生物需水指為了保持河口水生生物及其棲息地所需要的水量。河口生物棲息地受河道水流和海洋潮流的共同影響，情況比較復(fù)雜。河口生物棲息地保護(hù)主要是維持河口入海水量與咸潮及泥沙的動態(tài)平衡，一般通過典型年入海水量的分析，確定其需水量。

3.河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水量

河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水量應(yīng)在河流水系主要控制節(jié)點(diǎn)（包括河口）計(jì)算成果的基礎(chǔ)上，綜合分析河流水系不同河段河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)、修復(fù)或建設(shè)目標(biāo)，提出合理成果。

（三）河道外生態(tài)與環(huán)境需水

1.城鎮(zhèn)生態(tài)與環(huán)境需水量

城鎮(zhèn)生態(tài)與環(huán)境需水量指為保持城鎮(zhèn)良好的生態(tài)與環(huán)境所需要的水量，主要包括城鎮(zhèn)河湖需水量、城鎮(zhèn)綠地建設(shè)需水量和城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生需水量。

（1）城鎮(zhèn)綠地生態(tài)需水量。

采用定額法，即按下式計(jì)算：

式中：WG為綠地生態(tài)需水量，m3；SG為綠地面積，hm2；qG為綠地灌溉定額，m3/hm2。計(jì)算時(shí)要注意公式中單位轉(zhuǎn)換系數(shù)（下同）。

（2）城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水量。

按照水量平衡法或定額法計(jì)算城鎮(zhèn)河湖生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量。

1）水量平衡法。根據(jù)水量平衡原理，城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水量計(jì)算公式如下：

式中：Wcl為河湖年補(bǔ)水量，m3；F為水體滲漏量，m3；V為城鎮(zhèn)河湖水體體積，m3；f為換水周期，次/a；S為水面面積，m2；P、E分別為降水和水面蒸發(fā)量，mm。

2）定額法。按照現(xiàn)狀水面面積和現(xiàn)狀城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水量估算單位水面的河湖補(bǔ)水量，根據(jù)對不同規(guī)劃水平年河湖面積的預(yù)測計(jì)算所需水量。也可以采用人均水面面積的現(xiàn)狀定額為基礎(chǔ)，結(jié)合未來城鎮(zhèn)人口預(yù)測，采用適當(dāng)?shù)娜司婷娣e（根據(jù)城鎮(zhèn)總體規(guī)劃等）進(jìn)行預(yù)測。

（3）城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生需水量。

按照定額法計(jì)算：

式中：Wch為環(huán)境衛(wèi)生需水量，m3；Sc為城市市區(qū)面積，m2；qc為單位面積的環(huán)境衛(wèi)生需水定額（采用歷史資料和現(xiàn)狀調(diào)查法確定），m3/m2。

2.林草植被建設(shè)需水量

林草植被建設(shè)需水指為建設(shè)、修復(fù)和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，對林草植被進(jìn)行灌溉所需要的水量，林草植被主要包括防風(fēng)固沙林草等。

林草植被生態(tài)需水量采用面積定額法計(jì)算：

式中：Wp為植被生態(tài)需水量，m3；Spi為第i種植被面積，hm2；qpi為第i種植被灌水定額，可參照農(nóng)作物灌水定額的計(jì)算方法，無資料地區(qū)可參考條件相似地區(qū)確定，m3/hm3。

3.湖泊沼澤濕地生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量

湖泊沼澤濕地生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量指為維持湖泊一定的水面面積或沼澤濕地面積需要人工補(bǔ)充的水量。

（1）湖泊生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量。

湖泊生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量可根據(jù)湖泊水面蒸發(fā)量、滲漏量、入湖徑流量等按水量平衡法估算，計(jì)算公式如下：

式中：WL為湖泊生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量，m3；S為需要保持的湖泊水面面積，hm2；P為降水量，mm；E為水面蒸發(fā)量，mm；F為滲漏量，m3；參考達(dá)西公式計(jì)算，一般情況下可忽略不計(jì)；RL為入湖徑流量，m3。

此外，我國部分湖泊污染嚴(yán)重，還要考慮換水以改善水質(zhì)，這部分水量要求可另行計(jì)算。

（2）沼澤濕地生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量。

沼澤濕地生態(tài)與環(huán)境補(bǔ)水量可用水量平衡法進(jìn)行估算，其公式為：

式中：Ww為沼澤濕地生態(tài)環(huán)境需水量，m3；S為需要恢復(fù)或保持的沼澤濕地面積，hm2；P為降水量，mm；Ew為沼澤濕地蒸發(fā)量，mm；F為滲漏量，m3，對于底層為冰凍或者泥炭層的沼澤濕地，可近似認(rèn)為滲漏量為0；Rw為進(jìn)入沼澤濕地的徑流量，m3。

4.地下水回灌補(bǔ)水量

地下水回灌補(bǔ)水指為了防治地下水超采，需要通過工程措施對地下水超采區(qū)進(jìn)行回灌所需要的水量。通常情況下，如果開采量小于補(bǔ)給量，地下水超采區(qū)可逐步恢復(fù)。如確需通過工程措施對地下水超采區(qū)進(jìn)行回灌，可根據(jù)地下水保護(hù)規(guī)劃，結(jié)合地下水超采量、地下水采補(bǔ)平衡目標(biāo)、地下水回灌系數(shù)和地下水回灌年數(shù)，確定合理的地下水回灌量。

六、綜合需水分析與計(jì)算

對一個(gè)區(qū)域來說，有生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境三類用水部門。生活需水量主要取決于人口數(shù)量和用水定額兩個(gè)因素，生活需水量預(yù)測一般采用定額法，關(guān)鍵在于確定不同水平年的人口數(shù)量和相應(yīng)的生活用水定額，其中人口數(shù)量以計(jì)劃部門預(yù)測為主；生活用水定額受國民經(jīng)濟(jì)、生活水平和基礎(chǔ)設(shè)施完善程度等因素的影響，在現(xiàn)狀用水定額的基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高來確定。生產(chǎn)需水量又分為工業(yè)需水量和農(nóng)業(yè)需水量。工業(yè)需水量與工業(yè)發(fā)展的速度、工業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)生產(chǎn)的水平、節(jié)約用水的程度、用水管理水平、供水條件和水資源的多寡等因素有關(guān)?？刹捎泌厔莘ā⑾嚓P(guān)法和重復(fù)利用率提高等方法進(jìn)行預(yù)測。農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)田灌溉和林牧漁畜需水。無論是農(nóng)作物的灌溉用水，還是林、牧、漁業(yè)用水量的大小，主要都取決于灌溉定額與灌溉面積兩個(gè)因素。農(nóng)業(yè)用水量的預(yù)測采用灌溉定額法，關(guān)鍵在于擬定不同水平年可能發(fā)展擴(kuò)大的灌溉面積，并要合理確定相應(yīng)的灌溉定額和渠系水的利用系數(shù)。灌溉定額與降水頻率有關(guān)，一般選取降水頻率為50%、75%和90%的三個(gè)不同年型（代表年）確定相應(yīng)的灌溉定額。因此預(yù)測的農(nóng)業(yè)需水量具有頻率的概念。生態(tài)環(huán)境需水量，要結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用狀況、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、水資源演變情勢等，確定切實(shí)可行的生態(tài)與環(huán)境保護(hù)、修復(fù)和建設(shè)目標(biāo)，分別進(jìn)行河道外和河道內(nèi)的生態(tài)與環(huán)境需水量的預(yù)測。

在生活、生產(chǎn)和生態(tài)（環(huán)境）三類需水預(yù)測基礎(chǔ)上，進(jìn)行河道內(nèi)和河道外、城鎮(zhèn)和農(nóng)村需水預(yù)測成果的綜合分析與計(jì)算。綜合時(shí)應(yīng)注意，某些需水項(xiàng)之間有一定重復(fù)，應(yīng)綜合考慮。

1.河道外需水量

河道外需水量要參與區(qū)域或流域水資源的供需平衡分析。應(yīng)分別提出不同代表年，如降水頻率為P=50%、P=75%和P=90%，按城鎮(zhèn)和農(nóng)村分類匯總的需水量預(yù)測成果。

【例2-3】某市地處湘北，面積為2177.02km2，其中平原面積1857.22 km2，丘區(qū)崗地面積為319.8 km2。全市多年平均氣溫17.0℃，多年平均無霜期276天，多年平均日照時(shí)數(shù)1720h，多年平均蒸發(fā)量1332.6mm，多年平均降水量1326mm，汛期4～9月降水量占全年降水量的65.7%。以2000年為現(xiàn)狀年，社會經(jīng)濟(jì)基本情況見表2-9。

2010年為近期規(guī)劃年，2020年為遠(yuǎn)期規(guī)劃年。按上述方法分別預(yù)測近期、遠(yuǎn)期不同水平的生活、生產(chǎn)（工業(yè)、農(nóng)業(yè)）需水量，而后進(jìn)行匯總，結(jié)果見表2-10。

2.河道內(nèi)需水量

河道內(nèi)需水包括河道內(nèi)生產(chǎn)需水和河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水。河道內(nèi)生產(chǎn)用水一般不消耗水量，可以“一水多用”。但要通過在河道中預(yù)留一定的水量給予保證。河道內(nèi)生產(chǎn)需水量主要包括航運(yùn)、水力發(fā)電、旅游等生產(chǎn)部門的用水。

（1）航運(yùn)需水量。

航運(yùn)需要通航河段保持一定的水位和流量，以維持航道必要的深度和寬度。在設(shè)計(jì)航運(yùn)基流時(shí)，根據(jù)治理以后的航道等級標(biāo)準(zhǔn)及航道條件，計(jì)算確定相應(yīng)設(shè)計(jì)最低通航水深保證率的流量，以此作為通航河段河道內(nèi)航運(yùn)用水的控制流量。

（2）水力發(fā)電需水量。

水力發(fā)電用水一般指為保持梯級電站、年調(diào)節(jié)及調(diào)峰等電站的正常運(yùn)行，需要向下游下泄并在河道中保持一定的水量。水力發(fā)電一般不消耗水量，但要滿足在特定時(shí)間和河段內(nèi)保持一定水量的要求。在統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電用水與其他各項(xiàng)用水的基礎(chǔ)上，計(jì)算確定水力發(fā)電需水量。

（3）其他生產(chǎn)用水量。

其他生產(chǎn)用水可根據(jù)各地實(shí)際情況，如漂木用水、旅游用水等。

分項(xiàng)生態(tài)環(huán)境用水量之間有重復(fù)，計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)與環(huán)境需水量時(shí)取外包線。河道內(nèi)需水量超過河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的部分，要與河道外需水量統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，參與區(qū)域或流域水資源的供需平衡分析。

為了保障預(yù)測成果具有合理性，要對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展指標(biāo)、用水定額以及需水量進(jìn)行合理性分析。主要分析內(nèi)容包括：各類預(yù)測指標(biāo)發(fā)展變化趨勢的合理性分析，區(qū)域間和各類用水間的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性分析及國內(nèi)外其他地區(qū)的指標(biāo)比較等。