城市未來需水量預(yù)測方法研究論文名稱：城市未來需水量預(yù)測方法研究作者：高更超崔玉川摘要：本文對已有的城市需水量預(yù)測方法進行了歸納總結(jié)，簡介了各自的特點和問題。對系統(tǒng)動力學(xué)的內(nèi)涵進行了扼要介紹，在此基礎(chǔ)上提出城市需水量預(yù)測的基本思路，建立了預(yù)測模型，研制出了城市未來需水量預(yù)測的計算機通用軟件，并簡介了使用要點。關(guān)鍵字：需水量預(yù)測方法系統(tǒng)動力學(xué)預(yù)測模型一、現(xiàn)有需水量預(yù)測方法及問題需水量預(yù)測是城市給水和節(jié)水發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)，其預(yù)測方法又是科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測需水量的重要手段。國內(nèi)外已有的預(yù)測方法較多，但其應(yīng)用局限性和精確度尚存在一定問題。這些方法歸納起來大致可分為兩大類，即時間序列法和結(jié)構(gòu)分析法。1、時間序列法時間序列法是通過分析實際用水量與對應(yīng)時間的歷史數(shù)據(jù)，建立二者的對應(yīng)關(guān)系，然后利用這種對應(yīng)關(guān)系進行未來需水量的預(yù)測。主要有以下幾種方法。①、移動平均法移動平均法以過去若干年用水?dāng)?shù)據(jù)的加權(quán)平均值來預(yù)測未來的需水量，如Vn為預(yù)測年需水量，過去m年用水量分別為Vn-1、Vn-2、……Vn-m，則其預(yù)測模型為：Vn＝（α1·Vn-1+α2·Vn-2+……+αm·Vn-m）/m其中α1、α2、……αm為各年數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)。這種方法簡便易行，適用于擺動情況，近期結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。但如用于遠期預(yù)測，就會變成完全建立在預(yù)測數(shù)據(jù)上的預(yù)測，導(dǎo)致較大的偏差。②、指數(shù)平滑法該方法是對歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)按時間序列適當(dāng)加權(quán)，并大致加以平滑，根據(jù)變化規(guī)律來預(yù)測需水量。平滑可根據(jù)不同的要求分一次、二次以至多次進行。一般次數(shù)越多，精度越高，但計算量也越大。可用于非線性變化趨勢。長期預(yù)測效果較差。主要模型有：Vn+t＝a+bt或Vn+t＝a+bt+ct2其中Vn+t為第t年預(yù)測需水量，a、b、c為平滑參數(shù)，t為預(yù)測期。③、趨勢預(yù)測法先確定歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢，如指數(shù)、對數(shù)或S型曲線，然后對其中未知參數(shù)進行估計，得出曲線方程，利用方程進行預(yù)測。該方法計算較簡單，具有一定的精度。但結(jié)果不穩(wěn)定。模型方程有：Vt＝atb+cVt＝aet+cVt＝ae-be-ct其中a、b、c為未知參數(shù)，t為年份，Vt為對應(yīng)年需水量。④、馬爾柯夫法馬爾柯夫法是利用上述任意一種方法得出趨勢線，而后按數(shù)據(jù)波動的概率分布，得出未來波動的方向，對趨勢值進行修正的一種預(yù)測方法。這種方法由于采用了馬爾柯夫法進行“濾波”，可排除一定隨機因素。但結(jié)果較不穩(wěn)定。⑤、灰色預(yù)測法灰色預(yù)測法是利用灰色理論，建立城市需水灰色模型，利用該模型進行預(yù)測，灰色理論不要求對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較多了解即可進行預(yù)測，認為實際系統(tǒng)為不透明的“灰色箱體”。因此可根據(jù)其過去行為直接類推其未來行為，預(yù)測結(jié)果具有一定的精度。因?qū)嶋H理論及運算較為復(fù)雜，在此不再贅述。2、結(jié)構(gòu)分析法與單純考慮用水?dāng)?shù)據(jù)跟時間之間的聯(lián)系不同，結(jié)構(gòu)分析法具體分析城市需水量與各種相關(guān)因素之間的聯(lián)系，試圖揭示城市需水量的真正內(nèi)含。其方法主要有：①、回歸分析法該方法選取若干影響因素，對城市用水與這些因素之間的關(guān)系進行大致判斷后，列出含未知參數(shù)的模型方程，代入實際數(shù)據(jù)，求出各參數(shù)?，F(xiàn)有的回歸分析法又可分為許多種，如經(jīng)驗回歸法、線性回歸法、指數(shù)回歸法等。所選參數(shù)主要有人口、產(chǎn)值等。采用此種方法可進行中長期需水量預(yù)測，并具有一定的精度。但由于數(shù)學(xué)方法的局限，因素宜少不宜多。對應(yīng)不同回歸方法，存在不同的回歸方程。如線性回歸方程：Vt＝a0+a1x1+a2x2+……+anxn其中Vt為預(yù)測年需水量，a0～an為未知參數(shù)，x1～xn為相關(guān)因子。②、彈性系數(shù)法只用于工業(yè)用水需水量預(yù)測。工業(yè)用水彈性系數(shù)，在數(shù)值上等于工業(yè)用水增長率與工業(yè)產(chǎn)值增長率之比，即：ε＝α/βε--工業(yè)用水彈性系數(shù)α--工業(yè)用水增長率β--工業(yè)產(chǎn)值增長率彈性系數(shù)法就是利用工業(yè)用水彈性系數(shù)基本不變這一規(guī)律來進行未來需水量的預(yù)測。在工業(yè)結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，使用該方法可得到比較符合實際的數(shù)值，用于中長期需水預(yù)測。③、用水增長系數(shù)法主要用于工業(yè)用水分行業(yè)預(yù)測。就某一行業(yè)而言，其用水增長系數(shù)可用下面方法求得：r1=(V2-V1)/(Z2-Z1)r2=(V3-V2)/(Z3-Z2)………rn=(Vn+1-Vn)/(Zn+1-Zn)r=(r1+r2+……+rn)/n其中，V、Z、r分別為產(chǎn)值、用水量及用水增長系數(shù)。求出用水增長系數(shù)后，即可代入未來的規(guī)劃產(chǎn)值，反推出未來的需水量。采用此法原理簡單，計算量少。但由于工業(yè)結(jié)構(gòu)的變動、節(jié)水措施的采用，會使得出的數(shù)值產(chǎn)生誤差，有時會達到很高的程度。結(jié)構(gòu)分析法還有許多，在此就不再贅述。這些預(yù)測方法的應(yīng)用局限性，主要表現(xiàn)在兩個方面：1、預(yù)測對象不明，對需水量理解模糊。與未來水量有關(guān)的參數(shù)很多，現(xiàn)有方法多利用對歷史取水?dāng)?shù)據(jù)進行分析、預(yù)測，而將預(yù)測結(jié)果稱為需水量、用水量或取水量的都有，在概念上不夠嚴(yán)密；2、由于方法所限，僅能從數(shù)字趨勢上尋求規(guī)律，無法深入系統(tǒng)內(nèi)部，進行多因素、非線性關(guān)系的探討。但是，由于城市用水系統(tǒng)發(fā)展的復(fù)雜性，此項工作的進行是十分必要的。因此已有的預(yù)測方法多采用簡化的辦法，如簡化關(guān)系為線性、減少變量數(shù)目、采用灰箱模型等，使結(jié)果粗糙且應(yīng)用范圍較窄。而且，許多預(yù)測方法不能體現(xiàn)節(jié)水因素在系統(tǒng)發(fā)展中所起的重要作用，或者只能以籠統(tǒng)的定性預(yù)測來反映。二、用系統(tǒng)動力學(xué)原理預(yù)測城市需水量1、系統(tǒng)動力學(xué)概述系統(tǒng)動力學(xué)(SystemDynamics)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認識和解決系統(tǒng)問題的綜合性學(xué)科。它是系統(tǒng)科學(xué)和管理科學(xué)的一個分支，也是一門溝通自然科學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域的橫向邊緣學(xué)科，在我國只有十多年歷史。系統(tǒng)動力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)是信息反饋原理、決策理論及系統(tǒng)仿真技術(shù)。研究解決問題的方法是一種定性與定量相結(jié)合，系統(tǒng)分析、綜合推理的方法。系統(tǒng)動力學(xué)把所研究的對象看作是具有復(fù)雜反饋結(jié)構(gòu)的、隨時間變化的動態(tài)系統(tǒng)。它先將描述社會系統(tǒng)狀態(tài)的各參量加以流體化，繪制出表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征的系統(tǒng)流圖，然后把各變量之間的關(guān)系定量化，建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方程式，以便運用專門的計算機語言進行仿真試驗，從而預(yù)測系統(tǒng)的未來行為。系統(tǒng)動力學(xué)解決問題的過程大致可分為五步：①、系統(tǒng)分析。主要任務(wù)在于分析問題，剖析要因；②、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述。主要是處理系統(tǒng)信息，分析系統(tǒng)的反饋機制；③、建立系統(tǒng)的規(guī)范模型；④、模型模擬與政策分析；⑤、模型的檢驗與評估。利用系統(tǒng)動力學(xué)方法，可以在缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、定量表達式難以建立的情況下，利用較少的變量來對系統(tǒng)發(fā)展的整體水平進行預(yù)測，并保證一定的精確度。因此，可以有效地克服目前城市需水量預(yù)測中的不確定性所帶來的困難。在此即利用對城市用水系統(tǒng)動態(tài)分析所得結(jié)果，對未來城市在一定社會經(jīng)濟發(fā)展水平下的需水狀況進行預(yù)測。2、城市需水量預(yù)測的基本思路城市用水系統(tǒng)的發(fā)展，表現(xiàn)在其各個子系統(tǒng)的具體指標(biāo)變化上，這種變化的內(nèi)因主要有以下四方面：①、社會經(jīng)濟因素，如人口、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、規(guī)模的變動；②、用水效率因素，如工業(yè)用水復(fù)用率、萬元產(chǎn)值取水量、中水回用、污水資源化等。③、供水事業(yè)發(fā)展，如供水能力及漏失量控制等。④、自然資源因素。如水資源總量、可開采量、降水量、徑流量等的變化。有關(guān)這些因素，不同城市有不同的特點。而且無論哪一方面，都與一定的政策、資金、管理、技術(shù)等水平息息相關(guān)。如只利用第①方面因素研究未來城市用水系統(tǒng)的變化時，因為再不考慮城市其它因素，所得結(jié)果只具有一定理論意義，而對城市的實際發(fā)展作用不大。如在此基礎(chǔ)上再對城市的用水效率因素予以考慮，此時所得的需水量，對城市遠景規(guī)劃和未來給、排水事業(yè)的發(fā)展，便具有實際指導(dǎo)意義,這便是本文的主要預(yù)測對象。社會經(jīng)濟的發(fā)展，是城市取水需求的動力。對需水量進行研究，必須對未來預(yù)測水平年的社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r有所了解，這些可從城市發(fā)展規(guī)劃中得到明確的數(shù)據(jù)。除此之外，還必須了解城市用水系統(tǒng)過去的發(fā)展?fàn)顩r。這就要求進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集工作,目的在于確定系統(tǒng)的內(nèi)部反饋機制，建立各因素之間的聯(lián)系，為確定城市未來系統(tǒng)的發(fā)展方向提供依據(jù)。這方面研究越透徹，預(yù)測就越接近實際。從城市用水具體情況可知，實際取水需求量分生活需水及工業(yè)需水兩部分。實際生活需水以人口及一定用水定額為基礎(chǔ)，又受到中水回用、收費方式及水價狀況等因素有關(guān)。而實際工業(yè)需水又與用水總需求量、工業(yè)用水復(fù)用率、城市污水回供工業(yè)用水量之間存在較為明確的數(shù)值關(guān)系。具體如下：D實際=D生活+D工業(yè)D生活=f(P用水,VUE大,V中水,W,......)D工業(yè)+V回用=V工業(yè)總·(100-R工業(yè))/100其中D實際──城市實際需水量(萬m3／年)，為考慮城市社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r及用水效率因素后，某預(yù)測水平年的取水需求；D生活──城市生活取水需求量(萬m3／年)，包括居民生活及城市公用事業(yè)用水、景觀水等，即大生活需水量；D工業(yè)──城市工業(yè)取水需求量(萬m3／年)，指城市工業(yè)發(fā)展所需新鮮水需求量。P用水──城市預(yù)測年用水人口(萬人)；VUE大──規(guī)劃人均大生活定額(L／人·日)；V中水──中水使用量(萬m3／年)；W──水價(元)；V回用──城市污水回供工業(yè)用水量(萬m3／年)；V工業(yè)總──工業(yè)用水需求總量(萬m3／年)，包括工業(yè)生產(chǎn)中新鮮取水和各種形式的循環(huán)水、回用水、損耗水等。R工業(yè)──工業(yè)用水重復(fù)利用率(％)，指工業(yè)用水單元內(nèi)部重復(fù)利用量所占比重。因城市污水回供量應(yīng)作為外部供應(yīng)水量，因此不能包括進來。除了上述因素外，還有行政、資金、技術(shù)、管理等方面的作用，由于它們不是直接對需水量發(fā)生影響，而是通過對城市用水系統(tǒng)別的環(huán)節(jié)進行調(diào)整來間接作用于需水量，在此暫不列出，具體預(yù)測時，通過各種表函數(shù)的形式予以表達。對城市未來需水量進行預(yù)測，便是以上式為基本關(guān)系式，考慮其它各種作用的影響，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的反饋關(guān)系進行預(yù)測。為此，作生活需水及工業(yè)需水混合圖1。圖1反映了上式的基本內(nèi)容。其中有三個表函數(shù)t1、t2、t3,做如下說明：①、圖中表函數(shù)t1反映了水價及生活需水之間的關(guān)系。其關(guān)系曲線形式如圖2。對于不同城市，該曲線具體值會有所不同。這是由于不同城市人們的生活習(xí)慣、節(jié)水意識以及水價承受能力等因素所決定的。在確定該表函數(shù)時，應(yīng)充分考慮上述因素。②、圖中表函數(shù)t2反映了中水設(shè)施能力及中水實際用量之間的關(guān)系，其曲線形式如圖3。在確定該表函數(shù)時，應(yīng)考慮中水利用方式、管理水平以及人們節(jié)水意識等因素。③、圖中中水設(shè)施能力應(yīng)隨時間動態(tài)變化。該值的確定，應(yīng)充分考慮到政策、資金、技術(shù)等方面的作用。隨城市水資源的日趨緊張，中水設(shè)施能力應(yīng)經(jīng)過如圖4中的階段性變化。第I階段為水資源充足時，無中水設(shè)施投建；當(dāng)水資源緊張初期，在政策調(diào)整作用下，中水設(shè)施建設(shè)力度逐漸加大，為第II階段；此后，由于資金、技術(shù)等因素的限制，中水設(shè)施建設(shè)可能呈現(xiàn)線性變化、階段跳躍變化或漸近變化等形式，為第III階段。④、表函數(shù)t3反映了經(jīng)處理城市污水的工業(yè)回用比率與回用成本之間的關(guān)系。一般而言，隨回用成本的增加，回用比率有逐漸降低的趨勢。此關(guān)系的確定，主要需考慮處理水質(zhì)、利用方式、回用水收費標(biāo)準(zhǔn)、用戶態(tài)度、政策調(diào)整等作用。其曲線形式如圖5。⑤、城市污水處理能力利用率，主要按照城市現(xiàn)階段管理水平及其發(fā)展趨勢確定。⑥、城市污水處理能力由于城市的決策、資金、技術(shù)等各反面的作用不同而具有不同變化形式。依據(jù)圖1，就可以建立城市未來需水預(yù)測模型。通過上述分析可知，建立模型的主要支撐工具便是圖中各變量及其關(guān)系，通過表函數(shù)，可以考慮到許多以前無法考慮的因素。3、城市需水量預(yù)測模型及相關(guān)因子依據(jù)上述思路及系統(tǒng)反饋機制，城市需水預(yù)測的分步驟模型如下：①、D實際＝D生活+D工業(yè)②、D生活＝D生活總-V中水D工業(yè)＝V工業(yè)總·(100-R工業(yè))/100-V回用③、D生活總＝P用水·Min[t1(W)，VUE大]·0.365V中水＝t2(C中水)t1＝f1(節(jié)水意識，生活習(xí)慣，物價承受能力......)t2＝f2(利用方式，管理水平，節(jié)水意識，……)C中水＝f3(政策，投資，技術(shù)，……)④、V工業(yè)總==/1000V回用＝V處理·R回用/100V處理＝365·C處理·R處理／100R回用＝t3(F回用)R處理＝f4(管理水平，……)t3＝f5(回用收費，處理水質(zhì)，用戶態(tài)度，……)C處理＝f6(政策，技術(shù)，資金，……)其中D生活總--預(yù)測年城市生活需水總量(萬m3)；C中水--預(yù)測年城市中水設(shè)施能力(萬m3／日)；V行業(yè)i--預(yù)測年城市第i工業(yè)行業(yè)用水總量(萬m3)；VUPi--預(yù)測年第i工業(yè)行業(yè)萬元產(chǎn)值用水量(m3／萬元)；GPi--預(yù)測年第i工業(yè)行業(yè)總產(chǎn)值(萬元)；V處理--預(yù)測年城市污水處理量(萬m3)；C處理--預(yù)測年城市污水處理能力(萬m3／日)；R回用--預(yù)測年城市污水回用工業(yè)占城市污水處理總量份額(％)；F回用--預(yù)測年城市污水回用成本(元)；R處理--預(yù)測年城市污水處理量占排放總量份額(％)；t1～t3--表函數(shù)；f1～f6--表示相關(guān)關(guān)系；其余同前所述。在實際預(yù)測時，考慮目前普遍水資源短缺的影響，按不同缺水程度，城市實際需水量需用不同系數(shù)予以調(diào)整。本模型中，對于年供水量已達可開采量60％的城市予以調(diào)整。具體而言，年供水量達可開采量60％～80％者，實際生活需水量加上5％，實際工業(yè)需水量加上6％；年供水量達可開采量80％～100％者，實際生活需水量加上6％，實際工業(yè)需水量加上8％；年供水量已超過可開采量者，實際生活需水量加上8％，實際工業(yè)需水量加上10％。則最終城市需水預(yù)測模型如下：式中，k1、k2為視不同缺水狀況下的不同系數(shù)。k1可為1.05、1.06、1.08；k2可為1.06、1.08、1.10。從上述預(yù)測模型的建立可以看出，該模型考慮到了許多以前無法考慮或由于其他原因而沒有考慮到的因素。該模型主要考慮因素如下：⑴、節(jié)水管理水平的作用；⑵、水價的影響；⑶、定額的作用；⑷、人們的節(jié)水意識；⑸、政策調(diào)整作用；⑹、資金的投入；⑺、中水設(shè)施建設(shè)；⑻、用水人口的變化；⑼、行業(yè)用水效率；⑽、不同工業(yè)結(jié)構(gòu)的影響；⑾、行業(yè)產(chǎn)值的變動；⑿、工藝節(jié)水因素；⒀、污水回用成本；⒁、城市缺水狀況；⒂、污水回用方式、收費、及用戶的態(tài)度等；⒃、城市污水處理能力；⒄、工業(yè)用水重復(fù)利用率；等等。4、需水量預(yù)測軟件及使用城市用水系統(tǒng)是一復(fù)雜社會系統(tǒng)，其中的信息流，種類繁多，生命期短，僅靠人工進行收集、整理、加工、應(yīng)用，費時費力卻事倍功半，經(jīng)常導(dǎo)致信息流偏差或障礙。為解決此問題，需利用電腦強大的數(shù)據(jù)處理功能，代替人工進行枯燥的數(shù)字處理工作。由于需水量預(yù)測計算量較大，我們編制了計算機通用軟件，以代替人工進行工作。本軟件的目的是將所得預(yù)測模型，以可運行計算機軟件的形式表達出來，使這項工作得以更為快速、準(zhǔn)確的進行。軟件利用面向?qū)ο蠓椒ㄟM行開發(fā)研制，采用事件驅(qū)動機制，不是順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，而是采用交互響應(yīng)方式，按用戶指令進行工作。本軟件所需數(shù)據(jù)主要有：標(biāo)準(zhǔn)類、城市固有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類、城市歷年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類、城市預(yù)測水平年社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)類、分析處理所得數(shù)據(jù)類。這些數(shù)據(jù)，除部分中間結(jié)果外，均按一定方式在計算機中予以存儲，以備修改或查詢。本軟件可以完成城市需水量的預(yù)測工作。F2為城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入；F7為城市需水量預(yù)測；F8為決策分析。通過系統(tǒng)專門的“數(shù)據(jù)錄入”功能，可進行需水預(yù)測所需數(shù)據(jù)錄入。如果在預(yù)測時數(shù)據(jù)不全，系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)可能會與實際情況大相徑庭。所以請務(wù)必將所需數(shù)據(jù)全部輸入。進入“需水預(yù)測”菜單，可選擇“需求預(yù)測”及“決策分析”兩種功能。需水預(yù)測時，系統(tǒng)將提示輸入預(yù)測城市、現(xiàn)狀年、預(yù)測年以及是否在預(yù)測前對現(xiàn)狀年數(shù)據(jù)進行瀏覽（在此無法對實際數(shù)據(jù)進行修改），預(yù)測期不能大于50年。而后要求對預(yù)測所需預(yù)測期數(shù)據(jù)進行輸入。為簡化數(shù)據(jù)錄入工作，系統(tǒng)提供了三種規(guī)律以供選擇：①、線性變化；②、指數(shù)變化；③、漸進變化。如果數(shù)據(jù)變化不完全符合某一規(guī)律，可以通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)微調(diào)功能來錄入。系統(tǒng)還可進行“決策分析”來研究不同決策對未來需水量所起的作用。此時，如不選擇“取消”(Esc鍵)，系統(tǒng)將提示用戶目前的需水預(yù)測結(jié)果，并要求改變決策數(shù)據(jù)，用戶確認后，再次將新的預(yù)測結(jié)果告知用戶，不斷循環(huán)，直到用戶取消為止。參考文獻：1.