（农业水土工程专业论文）基于可持续利用水量的需水预测方法研究——以延安市为例.pdf

河海人学硕士学位沧文 摘要 水资源是基础性自然资源，同时亦是战略性经济资源。就水资源紧缺地区而 言，水资源的可持续利用至关重要，水资源的合理配置是实现水资源可持续利用 的前提，而需水预测是水资源配置过程中十分重要的基础工作。 在传统的规划方法中，需水量被作为外生变量进行处理，仅考虑影响其需水 量的直接因素，丽忽略了社会一经济一生态大系统内部间的相互制约关系。影响 水资源需求量多寡的因素很多，涉及到宏观经济、生态、环境等方面，合理、准 确的预测出需水量要考虑的因素很多。本文从研究区水资源的可持续利用量出 发，通过调整结构、合理布局、提高用水效率等措施，从而达到以水定发展、以 水定规模、以水定速度，以确保水资源的可持续利用。 本论文是以陕西省延安市为研究区，分析延安市水资源特点，计算其水资源 量、水资源可利用量、水足迹、水资源稀缺度等水资源可持续性指标，建立需水 预测模型的约束模块；根据研究区的社会经济、自然地理等情况，预测出延安市 各用水户不同水平年不同降水频率下的生活、生产、生态需水量。 关键词：需水预测，可持续利用水量，水足迹，人均水足迹，水资源稀缺度，延 安市 a b s t r a c t w a t e rr e s o u y c ei sab a s i cn a t u r a lr e s o u r c e a sw e l la sas t r a t e g i ce c o n o m i c r e s o u r c e i nw a t e rs h o r t a g ea r e a s ，t h es u s t a i n a b l ew a t e rt l s e i so fg r e a ti m p o r t a n c e r e a s o n a b l ew a t e ra l l o c a t i o ni st h ep r e r e q u i s i t ef o rr e a l i z i n gs u s t a i n a b l eu s eo fw a t e r , w h i l e w a t e rd e m a n df o r e c a s ti sa l li m p o r t a n tp r e p a r a t o r yt a s ko fw a t e ra u o c a t i o n i nt r a d i t i o n a lp l a n n i n gm e t h o d s ，w a t e rd e m a n di sp r o c e s s e da sa ne x o g e n o u s v a r i a b l e ，w h i c hm e a n so n l yt h o s ed i r e c tf a c t o r sa f f e c t i n gw a t e rd e m a n da r ec o n s i d e r e d b u tt h ei n t e r - r e s t r i c t i o na m o n gs o c i a l ，e c o n o m ma n de c o l o g i c a ls y s t e m si so v e r l o o k e d m a n y f a c t o r ss h o u l db ec o n s i d e r e di no r d e rt or a t i o n a l l ya n da c c u r a t e l yf o r e c a s tw a t e r d e m a n d ，w h i c hi ss u b j e c tt om a c r o e c o n o m i c ，e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b a s e do nt h es t u d yo ft h er e g i o n a lv o l u m eo fw a t e rt h a tc a nb eu t i l i z e di na s u s t a i n a b l ew a y , t h i sa r t i c l ed e a l sw i t hh o wt op l a nt h ed e v e l o p m e n tl e v e l ，s c a l ea n d s p e e do fap a r t i c u l a ra r e ai na c c o r d a n c ew i t ha v a i l a b l ew a t e rv o l u m e i na d d i t i o n ， m e a s u r e ss u c ha ss t r u c t u r a la 埘u s t m e n t ，l a y o u ti m p r o v e m e n ta n dm o r ee f f i c i e n tw a t e r u s ea r ea d v i s e dt oe n s u r es u s t a i n a b l eu s eo fw a t e r r e s t r a i n tm o d u l e so fw a t e rd e m a n df o r e c a s tm o d e la l ee s t a b l i s h e dt h r o u g h a n a l y z i n gw a t e rc h a r a c t e r i s t i c si ny a n a nc i t ya n dc a l c u l a t i n gt h es u s t a i n a b l ei n d i c e s l i k ew a t e rr e s o u r c e sv o l u m e ，a v a i l a b l ew a t e rv o l u m e ，w a t e rf o o t p r i n t ，w a t e rs c a r c i t y , e c t d o m e s t i c ，i n d u s t r i a la n de c o l o g i c a lw a t e rd e m a n do fe a c hw a t e rc o n s u m e r si n y a n a nc i t yw i l lb ee s t i m a t e db a s e do nt h ec o r r e s p o n d i n gs o c i o e c o n o m i ca n d n a t u r a l g e o g r a p h i cc o n d i t i o n s k e yw o r d ：w a t e rd e m a n df o r e c a s t ，s u s t a i n a b l ew a t e ru s ev o l u m e ，w a t e rf o o t p r i n t ， p e rc a p i t a lf o o t p r i n t ，w a t e rs c a r c i t y , y a n a nc i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 水资源是基础性自然资源，系生态环境建设的控制性要素；同时又是战略性经济资 源，为综合国力的有机组成部分i ”，水具有生态、经济、社会等多元价值，水兼具经济、 社会、自然等多重属性冈。在市场经济条件下，水资源的外在性增加，水资源量相对于 需求量变得越来越稀少，水资源的市场性及经济属性显得尤为突出，人们在不自觉的状 态下，总是追求水资源经济价值的最大化，在这个过程中水的生态价值易于被忽略，从 而造成生态环境的恶化，进而加重水危机。就缺水地区而言，水资源的可持续利用是社 会经济发展的前提。 当前我国经济呈现高速发展的态势，一系列的资源及环境问题接踵而至，也就是说 我们的社会环境还不具备去承受这种经济高速发展的能力。有些地区为了当前的经济利 益而无视自然资源和生态环境的客观条件制约，其发展的速度突破了资源和环境所能承 受的极限，从而导致资源紧缺、环境恶化等问题，进而形成连锁反应，破坏了可持续发 展的模式。 本论文所研究的区域一延安市地处西北的陕北黄土高原上，其水资源极其匮乏。延 安市位于黄河流域中游，众所周知，黄河呈现出水、沙异源的现象，黄河大量的泥沙来 自中游，黄河流域中游地区的水土流失非常严重；水的流动伴随着泥沙的运移，所以水 土的流失致使本来水资源并不丰富的延安市的情势更加紧张。鉴于延安市年降雨少，年 内分布不均以及泥沙等因素，将延安市的水资源状况概况为以下四点：“水少”一总量 较少，延安市多年平均降水量4 7 8 m m ；“水多”一年内分布不均，年降雨的7 0 集中在 6 、7 、8 、9 四个月份；“水脏”污染严重，近年来石油、煤炭工业的大力发展， “蓝 水”( 地表水及地下水) 受到不同程度的污染：“水浑”一泥沙含量大，汛期短时间暴雨 造成雨水汇流过程伴随着泥沙的搬运、沉积过程，河水含沙量大，极其浑浊。 在水资源短缺而经济社会、生态环境对水的需求又比较强烈的延安市，迫切需要进 行水资源合理配置，水资源配置是一个高度复杂的多阶段、多层次、多目标、多主体的 决策问题”i ，同时电是一个事前决策和风险决策的过程；它涉及到社会、经济、生态、 工程、水文等方面。供需平衡分析是水资源合理配置的基础，供需分析过程涉及到水资 源的需求和供给两个方面。需水预测是水资源合理配置的基础性工作之一，在经济高速 发展、水资源需求日益增长的情况下，准确、合理预测水量需求h j ，对于社会、经济和 * 口海大学硕士论文 环境的协调发展，经济社会的可持续发展具有重大意义。 在传统的规划方法中，对于需水量是作为外生变量处理的，即对以往的国民经济发 展速度和结构进行外延，得到未来的经济规模预测”，以此为基础进行水资源需水预测， 再根据不同水平年的需水量安排供水工程的规划。在上述“以需定供”的水资源配置模 式中，未来不同水平年的需水量及过程均作为定值处理，影响需水的诸因素间动态的相 互制约关系被忽视，仅考虑供水方面的各种变化因素，因而“以需定供”模式是片面的。 在“以供定需”模式中，只是从工程角度千方百计的扩大供水能力，以满足各行业 的用水需求；其后果是在水资源可利用量缺乏的地区，经济用水挤占生态环境用水，超 过了当地水资源所能承载的极限，社会一经济一生态三者失衡，出现了严重的水安全危 机，水资源的可持续性被破坏。 以往人们在进行水资源需求量预测时，在选取指标上，往往根据经验或者按国家标 准1 3 1 ，并没有考虑由于居民家庭收入、供水水价、供水边际成本、水资源丰桔、供水工 程条件、技术条件、社会意识形态等多方面因素的影响，这样得出的需水量预测结果一 般都偏大。 传统需水预测仅考虑其经济社会“用水”的过程，忽略了在“用水”的过程中也在 “养水”1 6 1 ；而水资源本身蕴涵了生态、技术、社会经济及时空等方面的内涵【”，影响 水资源需求量增长的因素较多，且这些因素间的关系复杂，因此需水量预测是多目标、 多层次的决策问题i 。 鉴于传统需水预测方法存在的诸多问题，提出基于可持续利用水量的需水预测方 法，从当地水资源的可持续利用量出发，通过调整结构、合理布局、提高用水效率等措 施，以水定发展、以水定规模、以水定速度：以确保水资源的可持续利用。 由于需水预测涉及社会、经济、人口、城市化、技术进步、环境等多方面的复杂问 题，不确定性因素很多，预测误差定存在，各种预测方法的预测误差有差异，随着预测 周期的加长，误差亦随即增长，所以在进行预测时应结合研究区的实际情况，采用不同 的方法进行预测，并进行合理性分析。本文在需水预测模型中加入了可持续利用水量约 束模块，水资源的可持续利用是经济社会发展的前提，在需水预测过程中充分考虑生态 与经济间的相互制约作用，对未来水平年的需水量做出合理、准确的预测。 第一章绪论 1 2 国内外研究动态 1 2 1 需水预测研究 需水预测研究始于1 0 0 多年前的美国，起初人们主要针对工业及生活需水进行预 测，为供水工程服务。随着用水量的日益增长，水资源虽然是可再生资源，但是环境的 破坏，水质的劣变，使得水资源相对短缺。因此人们开始重视需水量的预测，对中长 期用水进行规划，需水量预测作为供需分析的基础，人们对其进行了深入研究。 许多发达国家从2 0 世纪6 0 年代起就对国民经济各部门未来需水量进行预测。我 国1 9 8 0 年开始了第一次全国水资源综合规划，历时5 年对全国各行业、各省区、各流 域进行了用水量调查，开展水资源评价，并对中长期需水量进行了预测。2 0 0 0 年，我 国又开展了第二次全国水资源综合规划，三级区套地级市，分流域、行政区进行需水量 预测，并进行汇总分析。 在需水预测方法方面，李智营、周之豪( 1 9 9 5 ) 利用线性规划方法进行农业需水 量预测，调整种植结构 许新宜、王浩、甘泓( 1 9 9 7 ) 利用宏观经济模型分析了华北平 原、黑河中游、华北平原及海河流域的国民经济需水量；需水预测理论方法研究多从 应用角度出发，汪党献( 2 0 0 0 ) 总结并分析了我国目前的常用需水预测方法，并将其运 用到第二次全国水资源综合规划中。王大正、赵建世、蒋慕川、翁文斌( 2 0 0 2 ) 等提出 了多目标多层次需水预测方法。此外国内还有部分学者采用了不同方法进行研究。 1 9 8 7 年出版我们共同的未来以及我国1 9 9 2 年环发大会后出台的第一部完整的国 家级的可持续发展战略一中国2 l 世纪议程，使得水资源研究围绕着可持续这一理念， 人们将可持续利用也运用到需水量预测中。 现阶段需水量预测紧紧围绕着水资源的可持续利用，协调经济和生态间的用水， 人们对生态需水量日益重视。随着可持续思想的不断深入，生态足迹、虚拟水、水足迹 等概念也应运而生。本文采用水足迹这一新的理念开展了缺水地区需水预测方法研究， 下面将分别介绍其可持续发展相关内容的研究动态。 1 2 2 可持续发展思潮的兴起 存全球自然资源紧缺、人地关系紧张、生态环境恶劣等问题面前，人们不得不重新 审视人与自然之间的关系，重新度量社会一经济一环境这三者问的关系，努力寻求三者 的和谐发展，在这样的大趋势下，科学的可持续发展观念应运而生。 “发展”一词最先仅指“经济增长”，随着人类认识的逐渐深化，发展观亦经历了 j i l f 海大学碳士论j 几次重大改革，从“经济增长理论”到“经济发展理论”，再到“社会经济协调发展理 论”以及后来的“可持续发展理论”，可持续发展是一种新的发展观和发展战略。联 合围世界环境和发展委员会于1 9 8 7 年在 o u rc o m m o n f u t u r e ) ) 一书中止式提出了 “可持续发展观”，我国于1 9 9 2 年在环发大会后出台的第一部完整的国家级的可持续发 展战略中国2 l 世纪议程。 可持续性是可持续发展的一个核心概念，可持续性是指在对人类有意义的时间和空 间尺度上，支配这一生存空间的生物、物理、化学因素所限定的范围内，环境资源对人 类福利需求的可承受能力和可承载能力f l 舶。可持续发展是一种崭新的理解经济和环境协 调发展的思想【”1 ，许多学者从不同的时空角度给出了可持续发展的定义。 c a l d w e l l 认为，可持续发展是一个受社会、政治、生态等多种因素影响的发展过程， 其中政治因素起很大作用。他指出，家庭结构、对工作态度、社会伦理道德、行政组织机 构、科学教育的内容和质量等是影响可持续发展的主要因素。 g o d l a n d 和l e d e c 认为，可持续发展是一种社会和经济结构转变的模式，这种模式 可以优化当代的经济和福利，同时又不危害未来实现其福利的能力。 p e a r c e 等认为，可持续发展意味着人均效用和福利随时间的推移不断增加。这种定 义遇到的个首要问题是如何定义社会的福利问题。 埃里克- 诺伊迈耶( 英国) 认为可持续发展指不削弱无限期地提供不下降的人均效用 的能力的发展i 蚍。世界环境与发展委员会( w c e d ) 将可持续发展定义为“既满足当代 人的需求，又不对后代满足其需求能力构成危害的发展”【”l 。两者都从时间尺度上对 可持续发展做了限定。 可持续发展包括两个重要的概念：“需要”的概念，尤其是世界上贫困人民的基本 需要，应将此放在特别优先的地位来考虑；“限制”的概念，技术状况和社会组织对环 境满足眼前和将来需要的能力施加的限制i “。无论是发展中国家还是发达国家都要在“需 要”中“约束”，以体现公平的可持续性。 可持续发展观是一个系统的概念，现有的可持续发展的各种指标及其计算方法都是 通过评估自然环境、经济和人文系统的表现来反映一定的政策对环境、经济、社会的影 响1 2 6 。国际、国内采用系统方法论来对其进行i 平述的很多，如d s r ( 驱动力一状态一相应) 指标体系，1 9 9 6 年初步提出了1 3 4 个指标，2 0 0 1 确定了5 8 个核心指标；还有 p r e s s c o t t 。a l l e n 于1 9 9 5 年提出的b a r o m e t e r o f s u s t a i n a b l e 模型( 可持续性的晴雨表) 悼q ： 中国科学院可持续发展研究组1 9 9 9 年提出了“中国可持续发展体系”。但是可持续发展 第一章绪论 系统结构极其复杂，所有的测定指标及方法都处于探索中。 1 2 2 1 可持续发展能力 牛文元( 1 9 9 4 ) 认为，可持续发展能力是“一个特定系统在规定目标和预设阶段内 可以成功地将其发展度、协调度、持续度稳定地约束在可持续发展阈值内的概率”，即 “一个特定的系统成功地延伸至可持续发展目标的能力” 1 0 l ；2 3 位世界著名的可持续 发展研究者( 2 0 0 3 ) 在s c i n e n c e ) ) 上联名发表了题为( s u s t a i n a b i l i t ys c i e n c e ) ) 的论文， 其中对于可持续能力定义为：可持续能力的本质是如何维系地球生存支持系统去满足人 类基本需求的能力 9 1 ；中国科学院可持续发展研究组在2 0 0 2 中国可持续发展战略报 告中指出可持续发展能力方程具有三大本质识别体系，其一是必须表达和衡量一个国 家或区域的“发展度”，主要表达了可持续发展能力建设的“数量维”，其二是必须表达 和衡量一个国家或区域的“协调度”，主要表达了可持续发展能力建设的“质量维”，其 三是必须表达和衡量一个国家或区域的“持续度”，主要表达了可持续发展能力建设的 “时间维”1 1 1 1 。 1 2 2 2 可持续利用水量 水资源在整个大循环系统中是可再生资源，但是在一定的时空范围内，水资源是有 限的，水资源有其自身的承载能力。有时候，水资源是可持续的，但人类用水增加的幅 度大于水资源增长的幅度，表现出水资源是不可持续利用的；也有些情况水资源减少 了，是不可持续的，但人类通过其他措施减少了用水量，使水资源达到可持续利用的目 的【“。 可持续利用水量一般指天然水资源量开发利用的极限，是包涵自然生态及社会经济 两方面因素的一个最大规模，而这进一步依赖于对“规模”的构成内容以及“最大”的判断 准则的把握”。前世界银行经济学家d a l y 认为，“规模可以认为是人口数与人均资源消 费量的乘积”，这种规模是人类行为对自然生态系统的总外部作用( i m p a c t ) ，它与总产 值并没有太大的关系 6 】。 可持续利用水量概念将水量与水质两个概念结合起来，评定出不同水质下水量的多 寡，不同的水质应用到不同的行业，这在一定程度上提高了水资源的利用率，为合理的 开发利川提供了依据。 可持续利用水量的是在水资源可利用水量基础上衍生出来的，其内涵更丰富，外延 更广。水资源可利i j 量是指在可预见的时期内，在统筹考虑生活、生产和生态环境用水 河海大学硕士论文 的基础上，通过经济合理、技术可行的措施在当地水资源中可一次性利用的最大水量。 水资源可利用量很大程度上考虑了工程技术条件的制约，而可持续利用水量既考虑工程 技术层面的问题，同时亦不受工程条件的制约。因为有些需水量可以不通过工程条件来 满足，比如中东地区水资源极其匮乏，可利用资源量少，可供水量亦少，他们就通过进 口高耗水产品，以缓解本区域的水资源危机。 1 2 3 水足迹及其相关概念 1 2 3 1 生态足迹概念 水足迹概念是由生态足迹理论衍生而来。生态足迹是一个高度综合的复杂指标，最 早由加拿大不列颠哥伦比亚大学规划与资源生态学教授里斯在2 0 世纪9 0 年代提出1 7 5 1 。 生态足迹被定义为满足现有人口消费需求的环境资源量【2 0 1 ，消费品不但考虑本地区所生 产的，也考虑从其它地区进口的商品，生态足迹指标与当地的实际人口情况及土地稀少、 气候改变等全球问题都有紧密的联系。关于生态足迹的概念，w i l l i a m e r 将其形象地比 喻为“一只负载着人类与人类所创造的城市、工厂的巨脚踏在地球上留下的脚印” 1 2 1 1 ，这一形象化概念既反映了人类对地球环境的影响，也包含了可持续发展机制。这就 是，当地球所能提供的土地面积容不下这只巨脚时，其上的城市、工厂、人类文明就会 失衡：如果这只巨脚始终得不到一块允许其发展的立足之地，那么它所承载的人类文明 将最终坠落、崩毁。生态足迹概念基于以下两个基本事实：( 1 ) 人类能够确定自身所消费 的绝大多数资源及其所产生的废弃物：( 2 ) 这些资源和废弃物大部分能够被转换为提供这 些功能的具有生产力和生物量的生物生产性土地或水域7 w 7 】。生态足迹分析通过跟踪国 家或区域的能源和资源消费，将它们转化为提供这种 物质流所必需的生物生产土地面积，并同国家和区域 范围所能提供的这种生物生产土地面积进行比较，来 判断一个国家或区域的生产消费活动是否处于当地 生态系统承载力范围内，是否具有安全性。 生态足迹模型是基，二生物生产性土地 ( b i o l o g i c a l l yp r o d u c t i v ea r e a ) 这一概念而定义的， 在生态足迹的计算中，首先需要收集一个区域或国家 人口大量的衣、食、住、行以及他们所产生的废弃物 方面的数据，然后把他们折算成可以生产或吸收这些 第一章绪论 资源的陆地或水域生态系统面积，这为各类自然资本提供了统一的度量基础。 2 2 1 。生物 生产性土地是具有生物生产能力的土地和水体。自然资源消耗实际是对自然空间的竞 争，因此各类土地在空间上是互斥的，如用于农业生产的土地不能同时用于修建公路、 造林以及其他用途。因此根据生产力大小的差异将生物生产性土地分为6 类( 图1 2 - 1 所示) f 2 3 l ：化石能源用地、耕地、林地、牧草地、建筑用地、水域一渔业。 生态足迹方法作为一种有用的评价可持续性的指标已经得到了人们的广泛重视；生 态足迹概念在个人、国家、全球尺度上的许多研究已经得到了应用，很大程度上，数据 是静态的，只局限在单一年份，并不能预测未来的变化和变化的趋势。针对生态足迹分 析方法的这一缺点，近些年人们通过计算各指标的时间序列值来追踪各个时刻的可持续 发展程度，尽管还是不能预测未来，但能够描述过去的发展变化过程，在一定程度上弥 补了指标静态性的缺憾。 生态足迹是强调人们对于土地资源的占有，但是生态足迹模型缺乏对水资源足迹的 测定，不能反映出水资源的紧缺程度：当前水资源短缺已经成为制约经济社会发展重要 的瓶颈因子之一，在此种情形下水足迹概念应运而生。 1 2 3 2 水足迹概念 水足迹概念是一个与消费相关的水使用指标，它是指个人、商业或国家消费服务所 需要的新鲜水总量。它不仅包括在一个特定国家所有商品的消耗水，还包括境外水( 出 口商品的消耗水) ；水足迹由两部分构成：国内水资源的使用和境外水资源的使用。为 了给水使用一个完整的画卷，水足迹包括了蓝水( 地表水、地下水) 和绿水( 土壤水) 的取用。 水足迹概念由h o e k s t r a 和h u n g 在2 0 0 2 年率先提出来的，更广泛的评估是在2 0 0 3 年由c h a p a g a i n 和h o e k s t r a 7 8 1 完成的。水足迹为水使用提供了个耗用的基础指标，除 此之外，还能为贸易生产部分的水使用提供有用的信息指标。传统的水使用的数据基础 包括三部分：居民取用水、农业用水及相应的工业部门用水，当评价一个地区或国家水 资源需求时，往往是将这三步分累加起来。而水足迹概念扩大了原有水资源需求概念的 内涵，从消费的角度，汁算商品的需水量，将其生产制造中各个环节的耗用水量都累加 起来，商诮本身所包含的水量比其消耗的水量要少很多。 1 2 3 3 虚拟水概念 州海大学碳士论立 水足迹的计算过程实际上就是计算生产区域人e l 消费的动植物产品及工业品所需 要的虚拟水量。虚拟水( v i r t u a lw a t e r ) 是由伦敦大学亚非研究院t o n ya l l a n 教授在2 0 世纪9 0 年代初提出的新概念【1 4 l ，是指生产商品和服务所需要的水资源数量1 1 7 1 。虚拟水 并不是产品本身所包含的实体水剧”】，而是以“虚拟”的形式包含在产品中的“看不见” 的水，因此虚拟水也被称为“嵌入水”和“外生水”，“外生水”暗指进口虚拟水的国家 或地区使用了非本国或本地区的水这一事实。 “虚拟水”概念提出之初是为了解决中东以及非洲部分地区缺水状况，随着时间的 推移，这一概念的不断发展及完善，“虚拟水”受到全世界的高度重视，2 0 0 2 年在荷兰 d e l f t 举行了第一次虚拟水国际会议，2 0 0 3 年3 月在日本举行的第三届世界水论坛的专 题论坛上安排了虚拟水的研讨议题，就虚拟水的相关问题展开了热烈的讨论。 最新研究表明，在中东和北非地区各类产品的虚拟水量为：i t 豆制品需要1 0 0 0 m 3 水1 6 j ，i t 柑橘类水果需要1 0 0 0 m 3 水，i t 谷物需要1 5 0 0 m 3 水，i t 块茎类作物( 如马铃薯、 红薯等1 需要1 0 0 0 m 3 ，i t 棕榈油需要2 0 0 0 m 3 水；i t 新鲜的家禽动物肉需要6 0 0 0 m 3 的水 资源，i t 新鲜的羊肉需要1 0 0 0 0 m 3 水，i t 新鲜的牛肉需要2 0 0 0 0 m 3 水。由于灌溉条件以 及土壤、气候因素的差异使得不同地区单位产品的虚拟水量不一致的，在虚拟水贸易过 程中虚拟水量的计算是采用生产地的虚拟水量，即是属地原则。 1 3 本文研究内容及意义 1 3 1 学术构想及研究的主要内容 本文结合延安市水资源综合规划项目进行，对其中的需水量预测的方法和计算进行 深入理论研究和探讨；计算延安市水资源综合规划中各用水户的水资源需求量，通过总 结、归纳该方法，以期在缺水地区进行推广应用。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 根据研究区( 延安市) 的实际情况，制定其需水预测的e t 标、任务及方法。 从可持续发展思路出发，围绕可持续利用水量这一概念进行。 ( 2 ) 了解区域社会经济发展现状及研究区经济发展模式，分析历史资料数据、结 合各行业的规划，建立社会经济主要指标的发展预测模型。 ( 3 ) 分析研究区的可持续利用水量，流域与区域概念相结合。 ( 4 ) 水资源系统、生态环境系统、社会经济系统耦台，遵循“可持续利用”原则， 调整水资源需求量。 ( 5 ) 结合研究区可持续利用水量，根据供需平衡分析求出未来不同水平年各行业 第一章绪论 的水资源需求量。 1 3 2 研究的重点和创新点 本文着重分析缺水地区需水预测模式，提出基于可持续利用水量的需水预测方法， 并在延安市进行应用分析。首先对研究区水资源状况进行评定，计算其水资源量、水资 源可利用量，结合当前水足迹总量及人均水足迹评定研究区水资源稀缺度。工业虚拟 水量增加值：把可持续利用水量做为需水预测模型的约束模块，在水资源可持续利用的 前提下，预测出不同用水户不同水平年的需水量，并进行需水预测量的合理性分析：最 后输出不同降水频率下的需水量结果。 就所研究的延安地区而言，水资源情势极其严峻，如何止确、合理的预测出延安市 各行业未来不同水平年的需水量，为合理的布局水利工程以及指导其它行业的发展规 划，起着至关重要的作用。为了保持经济社会的可持续发展，必须让资源与经济发展协 调，转变资源经济模式所带来的弊端，发展循环经济。本文创新在于对水资源可持续利 用进行了定性与定量的分析，将可持续利用水量作为需水预测模型的约束模块，将宏观 经济与生态环境耦合，以期实现水资源的可持续利用，从而实现社会的可持续发展。 1 3 - 3 研究的方法与技术路线 本文以实际问题出发，理论分析为主线，并将其理论方法应用到实际问题，本文 的研究技术路线如图13 1 所示。通过本文的研究，在以下方面取得了初步进展： ( i )洋定研究区可持续利用状况，计算其水资源可剥用量及人均水足迹： ( 2 ) 将可持续利用水量作为水资源约束模块添加到需水预测模型中； ( 3 ) 基于可持续利用水量的需水预测理论方法分析； ( 4 ) 结合延安市的情况应用，预测出未来不同水平年的需水量。 洲海大学碗士论丘 研究区现状考察，历史资料数据分析 il i 社会经济ll 水资源l f 系统分析li 系统分析| i i j 塞砚经嚣秘1 j ：蠹鬻麟糕差霸纛：乳 i i 氆翁藤鬟引 7 l ；蓑j i l 囊翻7 l 囊i 耋燃囊糕i i | | | | | 1| ! | | 颡燃l 毒$。 - 一 一”。i 啦吲豢鳓囊彰鬻 k 喇畦 暾龇 矧 圉图国 绛济 靛琏 燕摧 b 上埴 指标 利m ，i ；制需求k 否孙r 孬性原孙j l ；l ! 震l 囱圉圈囱 是 ! i i 纂蔫糕聪瓣鞫 否 是 l 刽1 3 1 研究技术路线 0 y i娄戗发胜阶段指标分析 引 均指标分析4 酬m 东敢丰分折 引结构分析 如i发胜趋丹丹析 静l阿内外同类地m 分斩 盘癣 蠹瀵谬燃一 圃 四 ，隰 印司龆 蠡蠖 研姥蕊“一 第二二章需水碳测方法分析 第二章需水预测方法分析 2 1 需水预测方法分类 2 1 1 常用需水预测分析方法 目前我国普遍采用的需水预测方法为发展指标与用水定额法，其它方法包括趋势分 析法、机理预测方法、人均用水量预测法、弹性系数法等【”。 1 发展指标与定额法 工业需水以及生活需水预测大多采用此法。工业需水预测采用万元产值法，生活需 水预测采用人均日用水量法；农业用水有时也采用灌溉定额与灌溉面积的方法预测。该 方法的局限性在于超长期用水定额的预测缺乏必要的定量手段。 2 机理预测法 通过用水户自身消耗水特性及其规律角度预测其需水量，比如农业用水。植株的蒸 腾蒸发过程的耗水情况，通过彭曼公式或者彭曼蒙迪斯公式计算作物腾发量，从而预测 其不同气候状况下的需水。机理预测法需要大量的试验数据支撑，长期总结的经验应用 到具体情况下也要做修止。 3 人均需水量法 这种方法是对国内外的人均用水情况进行比较分析，综合判定后对其结果加以引 用。但是不同地区，水资源开发利用情况有很大的差异、水资源禀赋也不同，所以人均 需水量在时空尺度上变化很大，很难判定不同时空状态人均需水量的关联性。 4 趋势预测法 基于历史统计的大量数据进行统计分析，选定一定尺度内的数据进行三性审查，确 定一个数据样本，对样本进行回归分析并对其趋势进行外延。影响需水的因素有很多方 面，并不是所有用水户都有很强需水规律性；该方法的局限在于无法定量反映各因素与 水资源需求量间的关系。 2 1 2 基于统计学的需水预测方法分类 需水量预测是建立在大量历史数据基础七，运用统计方法及水资源需求量的有关知 识，从定量与定性的结合上进行研究。在获得了数据之后，通过分组、有关图表、统计 指标等对这些数据进行描述：以概率论和数理统计为依据，对总体的情况进行科学推断； 通过建立删归模型对现象的依存关系进行模拟、对未来情况进行预测。 * 海大学碘士论立 根据对数据处理方式的不同，将需水量预测方法分为三类1 2 6 j ：时间序列方法、结构 分析法和系统法。时间序列法是依据预测对象历史的统计数据，找到其随时间变化的规 律，建立时序模型，以推断未来数值的预测方法；结构分析法是从研究客观事物与影响 因素的关系入手，建立预测对象与影响因素之间的简单关系模型，从而反映出预测对象 的规律：系统分析法是用科学的观点，把预测对象的变化视为一个动态的系统行为，通 过研究的结构，构建系统模型，对未来值进行预测。具体分类情况如图2 1 1 所示。 图2 1 - 1需水量预测方法的分类 2 2 需水预测方法评析 2 2 1 时问序列分析 时问序列法是一种定量预测方法，亦称简单外延方法，即通过时间序列的历史数据 来揭示现象随时间变化的规律，将这种规律延伸到未来，从而对该现象的未来做出预测。 刚问序列是指被观测到的依时间次序排列的数据序列，时间序列分析则着重研究数 据序列相互依赖关系。对于两个时间序列x ( f ) 和y ( ，) ，如果能找出这两个序列间的动态 关系，就可以用过去值对y ( f ) 做出预测。对其预测值要做精度方面的计算，使其实际值 与预测值之问的偏差尽可能小。常见的时间序列法大致分为三种： 第二章需水预测方法分析 1 时间序列法的方法之一是把一个时间序列的数值变动，分解为几个组成部分，通 常分为：( 1 ) 倾向变动，亦称长期趋势变动t ；( 2 ) 循环变动，亦称周期变动c ：( 3 ) 季节变动，即每年有规则地反复进行变动s ；( 4 ) 不规则变动，亦称随机变动i 等。然 后再把这四个组成部分综合在一起，得出预测结果。 2 时间序列法的另一种方法是把预测对象、预测目标和对预测的影响因素都看成为 具有时序的，为时间的函数，而时间序列法就是研究预测对象自身变化过程及发展趋势。 如果未来趋势是线性的，其数学模型为式2 - 1 ： k l = a r + l( 2 - i ) 其中耳+ l 为未来预测值，口，为截距，b t 为斜率，l 为由t 到需要预测的单位时间数( 如 5 年、1 0 年等) 。 3 时间序列法的第三种方法是根据预测对象与影响因素之间的因果关系及其影响程 度来推算未来。与目标的相关因素很多，只能选择那些因果关系较强的为预测影响的因 素。设影响因素自变量为x ，因变量y 为预测目标，若为线性关系，则为y = n 十b x ： 若为非线性，则可能为y = d + 扛x + b 2 x2 或其它方程，式中a 、b 均为议程系数，可 依靠统计或其他方法取值。 在进行需水预测时，常用到时间序列方法。但是时间序列分析法预测的精度直接与 数据系列的长度有关，随着预测时间步长的增加，其预测的精度亦随之下降，所以时间 序列分析法更适用于短步长预测，对于长步长的预测该方法有其局限性。 2 2 1 1 移动平均法 移动平均法通过历史用水数据的加权平均值来预测未来的需水量，如y n 为预测年 需水量，过去m 年用水量分别为y n 一1 、y n 一2 y n m ，则其预测模型为2 - 2 式所 不： y n2 ( 鼍y h 一1 + 一2 + + 倒m - m ) m ( 2 * 2 ) 其r f ld 、口：、“。为各年数据的加权系数。这种方法简便易行，适用于数据波 动情形，近期结果具有定的准确性。但若用于远期预测，就会变成完全建立在预测数 据上的预测，导致较大的偏差。 * 海大学硕士论立 2 2 1 2 指数平滑法 指数平滑法是以某种指标的本期实际数和本期预测数为基础，引入个简化的加权 因子，即平滑系数，以求得平均数的一种指数平滑预测法。它是加权移动平均预测法的 一种变化。平滑系数n 可以取o l 区间的任意值。其计算公式见2 - 3 式： y f + 1 = 甜y t + ( 1 。口) y f ( 2 - 3 ) 上式中：y t + 1 为t + l 期预测值，y t 为t 期实际值，y f 为t 期的预测僮。 从2 - 3 式我们不难看出指数平滑法具有递推性，这种预测可以不断往复循环下去。 2 - 3 式可以展开成2 4 式： ) f + 1 = 口y + 口( 卜a ) y t _ l + a ( 1 - 球) 2 y 卜2 + + d 一1 ) t 一1 y 1 + ( 卜口) y ( 2 - 4 ) 从2 4 式可以看出，指数平滑法在预测时加重了近期的权重，远期的权重则随着项 数的增加而减少。下期预测数常介乎本期实际数与本期预测数之间。平滑系数的大小， 可根据过去的预测数与实际数比较而定。差额大，则平滑系数应取大一些；反之，则取 小一些。平滑系数愈大，则近期倾向性变动影响愈大；反之，则近期的倾向性变动影响 愈小，愈平滑。这种预测法简便易行，只要具备本期实际数、本期预测数和平滑系数三 项资料，就可预测下期数，但是该方法存在着滞后性及具有短期预测能力的缺陷。 2 2 1 3 趋势外推法 在长系列数据中，往往存在某种结构的趋势，用适当的方法可以模拟这种趋势，使 其原本离散的数据有规律可寻。如图2l - 2 所示。 ly 向前外推线 、 、 趋势线 ， 、 。 向后外推线， ，、： + ，二，、原始数据点 一一1 t oh 1 2 ， 蚓2 1 2 趋势模= f c l 1 4 第二章需水预测方法分析 常见的趋势外推法有：线性模型、多项式模型、指数曲线模型、对数曲线模型、乘 幂模型、生长蓝线模型，其趋势方程分别如式2 - 5 2 1 0 所示。对于给定的历史系列数 据，首先确定其变化趋势。然后依据相应点数据，对其未知的参数进行估计，最后得出 趋势方程，利用趋势方程进行预测。趋势外推法在进行预测时，具有一定的精度，但是 结果不稳定。 y t = a z + a 2 i + 口3 2 扣+ y t = a e b t _ 2 a l n ( t ) + b y t = n 卢 y t = 口p 6 “ 2 2 1 4 马尔可夫法 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 马尔柯夫法是利用卜_ 述任意一种方法得出趋势线，而后按数据波动的概牢分布，得 出未来波动的方向，对趋势值进行修正的一种预测方法。这种力法由于采用了马尔柯夫 法进行“滤波”，可排除一定随机因素。但结果较不稳定。 2 2 1 5b j 法 博克斯一詹金斯( b j ) 法包括自回归模型( a r ) 、移动平均模型( m a ) 、自回归一 移动平均模型( a r m a ) 。a r m a 模型是对自回归模型和移动甲均模型的耦合，它将预 测对象随时问变化形成的序列先加一成一个广i 噪声序列进行处理f 2 7 1 。a r m a 模型实际 卜是一个具有较高精度的短期预测模型，所以它可对任何一个用水过程进行模拟，对时 需水量预测、日需水量预测和年嵩水量预测均有效。b - j 预测法适合于对叫问序列的媳 型特征难以作i 出判断的州司序列的预测口8 1 ，但是该方法与其他叫问序列力法一样，具有 项测周期短、所用数据单一的缺点，只能给出下一周期需水量的预测值，且无法剖析形 成该值的原因及合理的误筹估计，所以它更适用于优化控制的短期预测。此外，该方法 还存存着明显的滞后性，即是近一期实际数据发牛异常变化r “ b 于模型的甲滑作用， 预测数捌无法i 即对之作出反应，使得存预测一些异常值时造成较大浸著，甚至失真。 河海大学碳士论史 2 2 2 结构分析 2 2 2 i 回归分析 在工农业生产需水过程中，影响需水量多寡的因素很多，有很多变量都处在需水量 的变化过程中，它们互相联系、互相制约。为了探求影响需水量变化的本质，往往需要 去寻找这些变量间的关系，回归分析就是寻找这类不完全确定的变量间的数学关系式并 进行统计推断的一种方法。 最简单的回归分析是线性回归，线性回归又分一元线性回归和多元线性回归。其回 归模型如式2 1 1 和2 - 1 2 所示： 吩2 p o + 4 + e i ，i = 1 ，2 ，n ( 2 - 1 1 ) 赡2 p o + 岛l + + p + g i ，扛1 ，2 ，n ( 2 - 1 2 ) 其中、届口是未知参数，i 是服从( o ，盯2 ) 分布的不可观测的随机误差。 在求解回归方程过程中，根据n 组独立的观测数据去估计未知参数、届岛、 口2 ，从而建立y 与、x 2 点口问的数量关系式( 回归方程) ，并对回归方程的可信度 进行统计检验，检验各变量、x 2 石口分别对指标是否有显著影响。 根据最小二乘法原理，我们总希望估计的o 、岛口所定出的回归方程 y i = o + p 】x i l + + p t 口能使只与y 。之间的偏差最小。求得的o 、1 卢p 称为、 属卢。的最小二乘估计。 非线性回归分析，较线性回归复杂，当y 与、乏x p 问的线性关系不强，那 他们问存在着除线性关系以外其它一，切未加控制的随机因素，对于复杂系统而言都存在 着非线性关系，我们在进行需水量拟合时大多采用线性回归。 在进行需水量预测时，选取人e l 、工业万元增加值等参数，对中长期需水量采用线 性回归模型进行汁算；不同的回归方程其拟和的结果有差异，可以根据误差最小原则选 取适合的回归模型。 2 2 2 2 弹性预测法 针对需水量而言，不同部门( 行业) 的需水呈现不同的规律，影响因素亦各不相同， 生活、农、【灌溉、生态需水的规律性受气候、季节、管理水平、工程措施等的影响。而 1 6 第二章需水预测方法分析 影响工业需水量的因素单纯，工艺技术条件、产品产量、行业产值是其主导因素，工艺 技术条件、产量与产值又有着密切的关系，所以工业需水量与产值( 产量) 关系很强。 在进行工业需水量预测时，采用工业用水弹性系数法，因为在时间序列中工业用水 弹性系数基本不变，基于此规律预测未来工业需水量。 工业弹性系数(