基于灰色理论的河南省水资源总量与需水量分析

1基于灰色理论的河南省水资源总量与需水量分析韩佳祥，陈太政，王伟（河南大学环境与规划学院，河南开封475001）摘要：水资源问题在全球范围内日益受到关注，开展区域水资源研究对我国水资源整体安全十分重要。众所周知，尤其是对于河南省这样一个农业大省，农业生产需要大量水资源，所以分析水资源总量和需水量就显得重要。本文采用灰色预测系统中的灰色时间序列预测的方法对河南省未来三年的水资源总量和需水量进行预测。依据2001～2013年《河南省统计年鉴》中关于河南省水资源量以及用水量的统计数据，建立河南省水资源总量和需水量的灰色GM(1,1)预测模型。结果表明，未来三年河南省的水资源总量持续减少到372亿m3，而需水量却增加到249亿m3。未来河南省缺水问题将更加突出。所以，节约用水和提高水资源利用效率以及对区域水资源进行整体规划就显得尤为重要。关键词：水资源总量；需水量；灰色预测GM(1,1)模型；河南省0引言改革开放以来，随河南省人口总量急剧增长、产业和国民经济的快速稳定发展，水资源供需矛盾日益突出[1]。2012年的河南省水资源总量约为265.5亿m3，需水量是238.6亿m3[2]。可以观察出需水量与水资源总量非常接近，河南省的水资源短缺现象更加激烈。河南省水资源总量是全省决策部门处理整个水调度决策系统的关键参数之一，准确预测全省水资源总量是合理进行全省水资源处理设施规划的先决条件。对需水量进行灰色预测有利于对水资源进行调配，在灾害发生时能更早的做好预防措施。但是因为影响水资源发展趋势的各种因素的复杂性及将来不可确定性，给水资源总量的精准预测带来了较大的困难。而进行需水量预测也存在一些不确定的影响因素，造成预测结果出现误差。对于河南省的水资源各组成部分有的是已知的，而有的又是未知和模糊不清的。而灰色体系理论以“一部分信息已知，一部分信息未知”的“小样本”的不确定系统为研究的对象。因此，可以将这些预测问题作为灰色系统问题来进行研究。1研究区和数据来源1.1研究区概况河南省处在中国中部的黄河中下游地域，境内有黄河、淮河、海河和长江四大水系。全省水资源总量265.50亿m3，水资源人均占有量244.7m3[3]。河南省水资源量总体呈纬向散布，从北到南渐渐增大。其中以北纬34度为分界点，以南水资源量较丰富，以北水资源量较贫乏。信阳市的水资源量为全省最多的地区，而河南北部和河南西部水资源总量最少[4]。随河南省人口数量的增长、经济水平的发展,人类社会对水的需求日益强烈。需水量也在逐年增加。水资源总量已然不能满足经济发展的增长。预测水资源的总量以及需水量就显得极为重要，为水资源规划提供基础保障。1.2数据来源研究资料来源2001年--2013年河南省统计年鉴[5]，历年的河南省水资源公报，河南省水利局以及各县市水利部门官方网站的统计数据。22研究方法2.1灰色预测模型本文采用灰色预测模型对改革开放以来河南省的水资源总量以及需水量的数据进行分析，计算出其对应的时间相应函数，以此为基础用灰色预测模型对未来的河南省水资源总量和需水量分别做出预测，进而提出相对应的对策。灰色系统理论是对既含有部分已知信息又含有部分未知或非确定信息的系统进行预测，也是对在一定方向之内变化的、和时间有联系的灰色过程的预测。虽然过程之中所表现的现象是随机的、混乱的，但毕竟是有序的、有界的，因而这一数据的集合具备潜在的规律性，灰色预测是在这种规律性基础上建立灰色模型并对灰色系统进行的预测[6]。GM(1,1)模型是我们经常使用的一种灰色模型类型，由一个单变量的一阶微分方程组成[7]。2.2GM(1,1)模型建立灰色系统理论是将无明显规律性的时间序列在被依次累加生成有规律的时间序列，得出的为一条相当光滑的曲线，显现出系统的发展趋向，然后建立GM（1,1）灰色模型并提供出中间的信息，同时相对弱化原有序列的随机性，再采用一阶单变量的动态模型GM（1,1）进行线性拟合，用模型推导出的生成数再返回代计算值，作累减并还原计算，最后要对还原值进行精度上的检验，就可用于预测[8]。其建模步骤如下：(1)建立原始的数列；(2)对原始的数列做一次累加生成以及均值生成；(3)确定参数a，b的值；(4)解白化方程；(5)还原，得出模型计算值；(6)对模型进行检验；(7)利用模型进行预测。2.3模型精度检验指标求出残差并进行检验，如果通过检测，则可用所建的模型进行预测[10]。为确保检验预测模型的精度，要进行验差C和小误差概率P的检验，精准的预测应要求C值小，即预测误差离散程度要小，且P值必须大，即预测误差小的概率要大，预测精度要高。表2-1检验指标精度等级预测精度等级好一般合格不合格P0.950.850.70≤0.70C0.350.450.50≥0.652.4模型求解2.4.1关于水资源总量的预测经过以上步骤就得出关于一个变量一阶微分的GM(1,1)灰色预测的离散时间响应函数：),,2,1,0(1101nkabeabxkxak（6）11kx即是所得出的累加预测值，将预测值还原即为原始序列预测值：),,2,1,0(11110nkkxkxkx（7）4044.4130066.01nTTYBBBbaa（8）可得GM(1,1)灰色预测模型：03.6263708.61937110066.001kakeabeabxkx（9）3由),,2,1,0(11110nkkxkxkx得到预测数列0x，见表2-2，从相对误差可得出模型拟合精度高，该模型可以被运用。表2-2河南省水资源总量及相关结果年份时间实际值(109m3)累加值(109m3)预测值(109m3)绝对误差(109m3)20000699.9699.9——20011218.5918.4407.0-188.520022313.51232.0405-91.520033697.71929.7402295.720044406.62243.34006.620055558.52801.9397161.520066321.73123.7394-72.320077465.13588.839174.120088371.53960.4389-17.520099328.74289.1387-58.3201010534.84824.0384150.8201111327.95152.0381-52.1201212265.55417.5379-113.52.4.2关于需水量的预测依照2.4.1同样的步骤得到关于需水量的预测值,运用GM(1,1)灰色预测模型：14264.414469.2110137.001kakeabeabxkx(10)由),,2,1,0(11110nkkxkxkx得到预测数列0x，见表2-3，从相对误差可得出模型拟合精度高，该模型可以被运用。表2-3需水量及相关结果年份时间实际值(109m3)预测值(109m3)绝对误差(109m3)20000204.8——20011231.2199.23220022209.1230-20.920033179.4182-2.620044188.817711.820055197.8221-23.220066226.92233.920077209.2248-38.820088227.520126.520099223.3243-19.7201010224.62222.6201111229.0230-1201212238.62380.643结果与分析3.1河南省水资源与需水量的概况水资源总量主要有降雨量、地表水资源量和地下水资源量等三个主要组成部分组成。全省水资源总量的大小也是根据这三个指标的情况浮动变化的[11]。对降水量在河南省的时空布局而言，由于河南省属于温带季风性气候，所以夏季降水多于冬季降水。近几年的平均年降水量在780mm左右，自南向北降水量呈依次递减态势，河南南部降水量每年可达到850mm左右，中部也有660mm，但是北部年降水量却不足600mm。区域分布差异大。近十年都维持在600mm到1000mm内，变化幅度不算很大。河南省的地表水资源量主要来源于大气降水和河流上游的径流。地表的水资源量的布局是南多北少和山区多平原少。地表水资源量大约占全省水资源总量的75%左右。地表水资源变化较大，有枯水年和丰水年之分。而地下水资源主要有大气降水和河流补给。通常通过地面入渗补给量来计算地下水资源量。地下水资源由地下水的储存量和补给量两项指标组成的，研究时还应该考虑到排泄量和开采量的影响[12]。从图1-1可以看出近十年的地下水资源量一直都很稳定，波动较小。对于需水量，要从农业用水、工业用水以及生活用水等三个指标去考虑。从统计年鉴上可以看出，在需水量中农业用水占了很大比重，工业用水次之，最后是生活用水。农业用水主要都是农田灌溉和林牧渔用水，其中农田灌溉需水量最大。而工业用水又分为电力工业用水和工业用水。生活用水分为公共用水和居住用水两种。河南省是农业大省，是全国的粮食基地，农田灌溉需水量很大，也是最重要的用水项目[13]。3.2水资源量以及需水量的变化趋势从2001年到2013年的水资源统计年鉴得出河南省年平均水资源量是453.7亿m3，全年平均水资源量在整体上呈减少趋势，在2000年时全省的水资源总量接近700亿m3,减少到2012年的265.5亿m3，只有两千年的37.9%，变化幅度很大。河南省水资源总量主要受地表水资源量的影响，年际之间波动幅度较大，呈现出衰减的趋势。地下水资源量变化趋势比较平稳，一直围绕多年平均值上下波动，波动的幅度较小，只有在有些特枯年份减少量相对较大。因此，河南省水资源总量主要随地表水资源的变化而变化，总体上有递减的趋势。而需水量农业用水维持在100亿m3至150亿m3之间徘徊，在2003年到2005年这三年农业用水比较少，总体上农业用水还是在减少，只是下降幅度小。工业用水以2006年为分界点，在此之前低于50亿m3，在此之后高于50亿m3。生活用水始终很稳定低于50亿m3。从需水总量上看还是逐步上升的。3.3根据GM(1,1)灰色预测模型进行的预测根据GM(1,1)灰色预测模型得到水资源总量的离散时间响应函数即公式（9）：03.6263708.61937110066.001kakeabeabxkx再根据公式带入预测未来河南省五年的水资源总量分别是377亿m3、373亿m3、372亿m3。但是，该模型在预测灾害年份的产量时要谨慎使用，以免误差过大，以至于影响预测结果。经检验，C=0.41，P=0.86。该预测模型精度为一般。根据GM(1,1)灰色预测模型得到需水量的离散时间响应函数即公式（10）：14264.414469.2110137.001kakeabeabxkx根据公式带入预测河南省未来三年的需水量分别是241亿m3、246亿m3、249亿m3。经检验，C=0.34，P=0.93。该模型精度好，可以被运用。53.4不确定性分析关于水资源总量预测的不确定性因素主要有两类，一类是自然方面的，主要是气候的影响。另一类则为人为方面，主要是不合理的开采地下水。自然方面中的气候影响主要是气温的变化。气温的不确定性造成蒸发量的不确定，进而影响地表水资源量，最终关联到水资源总量的起伏变化[14]。随着工农业的发展，用水规模不断扩大，不合理开采现象增多。另外地下水资源主要有大气降水和河流补给，而大气降水每年也不确定。以上种种的因素，造成每年的水资源总量的不确定性。对需水量的预测也存在一些不确定性因素。包括农业用水的不确定性、工业用水的不确定性以及城市居民生活用水的不确定性。由于居民节水意