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东北大学硕士学位论丈 摘要 基于人工神经网络需水量预测方法的综合评价与分析 摘要 随着人口的增加和经济的快速增长，水资源的短缺己成为国民经济和社会可持 续发展战略的重要制约因素。深入研究需水问题，科学预测未来我国各行业用水的 需水量，是一项非常重要的研究课题。 本文主要介绍基于人工神经网络需水量的预测方法，并对其进行综合评价与分 析。全文由五大部分组成。第一章介绍了需水量预测方法和需水预测中存在的问题 和原因，对我国历年来用水量数据进行了分析，找出了与用水量相关的主要因素。 第二章重点介绍了b p 网络的学习过程、误差校正方法和b p 算法。然后，根据b p 算法用c 语言编制了一个预测程序，并用“异或”问题进行了验证。针对b p 网络存 在的缺点，介绍了一些提高b p 网络性能的改进措施。第三章利用设计的b p 网络预 测系统采取综合法和分项法两种方法分别对我国用水量进行了训练，然后对我国2 1 世纪上半叶需水量进行了预测。第四章将近年来国内有关部门和专家学者采取不同 预测方法的预测成果进行了对比分析，并与本文中采用b p 网络预测的结果进行了 比较。第五章对如何设计一个b p 网络进行了总结。 实验表明，运用b p 网络预测的数据与专家采用“人均用水量法”预测的成果非 常接近，符合实际。基于人工神经网络需水量预测的方法具有直观、简便、精度较 高的特点，是一种较为有效的预测方法。 关键词：用水量；人工神经网络；b p 算法；我国需水量；预测 。i i 东北大学硕士学位论文hbstract a s u m m a r ye v a l u a t i n ga n da n a l y s i so ft h e m e t h o do fw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o nb a s e d0 u t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o na n df a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h es h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c e sh a sb e c o m ear e s t r i c t e df a c t o rt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a l e c o n o m ya n ds o c i e t y i ti sav e r yi m p o r t a n tt a s kt or e s e a r c ht h o r o u g h l yw a t e rd e m a n d a n dp r e d i c tw a t e rd e m a n do fo u rt r a d e s i nt h i sp a p e r , w em a i n l yi n t r o d u c et h em e t h o do fw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o nb a s e do n t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n df u r t h e rw ee v a l u a t ea n da n a l y s ei t t h e r ea r ef i v e c h a p t e r si nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tc h a p t e r , m e t h o d so fw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o na n d q u e s t i o n sa n dc a u s a t i o n so fw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o na r ei n t r o d u c e d i m p o r t a n tf a c t o r s r e l a t e dt ow a t e rd e m a n da r ef o u n db ya n a l y z i n go u rc o u n t r y sw a t e rc o n s u m p t i o nd a t a s i nt h es e c o n dc h a p t e r , l e a r n i n gp r o c e s so fb pn e t w o r k ，e r r o rr e v i s e dm e t h o da n db p a l g o r i t h m a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ob pa l g o r i t h m ，a p r e d i c t i v ep r o g r a mi s p r o g r a m m e dw i mcl a n g u a g ea n dv a l i d a t e db yx o rq u e s t i o n a i m i n ga td e f e c t so fb p n e t w o r k ，s o m eb e t t e rm e a s u r e s t oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fb pn e t w o r ka r ca l s o i n t r o d u c e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，w et r a i no u rc o u n t r y sw a t e rc o n s u m p t i o nu s i n g s y n t h e s i sm e t h o da n ds u b e n t r ym e t h o db a s e do np r e d i c t i o ns y s t e mo fb pn e t w o r k d e s i g n e d ，a n dp r e d i c tw a t e rd e m a n di nt h er e c e n tf i f t yy e a r s i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w e a n a l y z ea n dc o m p a r ep r e d i c t i v ea c h i e v e m e n t so fs o m ed o m e s t i cd e p a r t m e n t sa n de x p e l s i nd i f f e r e n tp r e d i c t a b l ew a y s f u r t h e r m o r e ，0 1 1 1 r e s u l t si nt h i sp a p e ra r ec o m p a r e dt ot h e p r e v i o u sw o r k st o o t h ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e sh o w t od e v i s eb pn e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a td a t a sp r e d i c t e db yu s i n gb pn e t w o r ki nt h i s p a p e ra r ev e r ya p p r o x i m a t et ot h o s eo ft h ee x p e r tb yt h ew a t e rr e q u i r e m e n tp e rc a p i t a 一i i 卜一 东北大学硕士学位论文 t h em e t h o do fw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o nb a s e do nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s i n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n t ，a n dh i g h l yp r e c i s e i ti sp r o v e dt ob ea ne f f e c t i v em e t h o d k e y w o r d s ：w a t e rc o n s u m p t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；b pa l g o r i t h m ；o u rc o u n t r y s w a t e rd e m a n d ；p r e d i c t i o n 一一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：徐秀京 日期：彳、j 、l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 查苎垄堂堕主兰堡垒墨 一一 堑二主壁垒 1 1 引言 第一章绪论 水是生命之源，是人类赖以生存和发展的基础。我国水资源的总量2 8 1 0 0 亿 m 3 不算太少，但根据1 9 9 7 年人口、耕地计算，人均水资源2 2 0 0 m 3 ，仅相当于世界 人均占有量的1 4 ；亩均水资源1 9 0 0 m 3 ，相当世界亩均占有量的4 5 ，明显偏少1 1 1 。 到2 1 世纪中叶我国人口达到1 6 亿高峰时，人均水资源量将下降到1 7 5 6 m 3 。根据联 合国教科文组织有关水资源研究采用的人均水资源评价标准【2 】：国家或地区的人均 水资源量大于3 0 0 0 m 3 人是相对丰水；3 0 0 0 m 3 - - 2 0 0 0 m 3 人为轻度缺水： 2 0 0 0 m 3 - - 1 0 0 0 m 3 人为中度缺水；原曾定少于1 7 0 0 m 3 为用水紧张国家，少于1 0 0 0 m 3 为缺水国家，少于5 0 0 m 3 为严重缺水国家。因此，我国是一个中度缺水的国家。 1 1 1 水资源空间分布不均加剧了水资源的短缺 北方水资源贫乏，南方水资源相对丰富，南北相差悬殊。长江及其以南地区流 域面积占全国总面积的3 6 5 ，却拥有占全国8 0 9 的水资源总量，长江以北地区 流域面积占全国总面积的6 3 5 ，拥有的水资源量仅占全国的1 9 1 。既使在北方 地区，水资源的空间分布和土地资源也极不相配。黄河、海河、淮河三流域的土地 面积占全国的1 3 4 ，耕地占3 9 ，人口占3 5 ，g d p 占3 2 ，而水资源量仅占 7 7 ，人均水资源量约5 0 0 m 3 ，耕地亩均水资源少于4 0 0 m 3 ，是我国水资源最为紧 张的地区。西北内陆河流域的土地面积占全国的3 5 ，耕地占5 6 ，人口占2 1 ， g d p 占1 8 ，水资源量占4 。8 ，该地区属于旱区，但因人口稀少，人均水资源量 约5 2 0 0 m 3 ，耕地亩均水资源量约1 6 0 0 m 3 。据统计，1 9 9 7 年我国水资源开发利用率 平均为1 9 9 ，而黄河流域超过5 0 ，海河流域接近8 0 ，已经超过4 0 的水危机 标准1 3 1 。因此，我国部分地区已经进入严重的水危机状态。 1 1 2 水资源短缺已成为制约国民经济发展的重要因素 目前，全国正常年份缺水量近4 0 0 亿n 1 3 ，其中灌区缺水约3 0 0 亿m 3 ，平均每 年因旱受灾的耕地达3 亿多亩，年均减产粮食2 0 0 多亿公斤；还有历史遗留的2 4 0 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 万农村人口饮水困难；城市、工业年缺水6 0 亿m 3 ，影响工业产值2 3 0 0 多亿元。全 国6 6 8 座城市有4 0 0 多座城市缺水，其中1 0 8 座严重缺水，尤其是京津等特大城市， 在连续遭遇枯水年时将会发生严重的水危机。2 0 0 0 年我国北方地区发生大面积干 旱，粮食损失约6 0 0 亿公斤，减产量相当于近几年平均年总产量的1 1 。许多城市 和工业不同程度的缺水，使城市功能和工业生产受到很大影响。据不完全统计，全 国有1 3 6 座城市已经发生水危机或出现供水紧张状s t 4 1 。水资源的日益紧缺已经对 我国经济社会发展构成了严重威胁，极大地制约了我国国民经济的可持续发展。 1 1 3 水资源短缺引发地面沉降和黄河断流 由于严重缺水，不得不超采地下水，由此引起区域性地下水位下降、大面积地 面沉降甚至开裂、沿海地区出现海水入侵【5 。( ( 2 0 0 3 年中国水资源公报中指出， 2 0 个省级行政区对地下水位降落漏斗进行了不完全调查，共统计漏斗7 5 个，漏斗 总面积6 9 万平方公里。2 0 0 3 年末与年初相比，3 5 个浅层漏斗中，面积扩大的有7 个，中心水位下降的有8 个；4 0 个深层漏斗中，面积扩大的有2 2 个，中心水头下 降的有2 0 个。( 2 0 0 4 年中国水资源公报中指出，2 1 个省级行政区对地下水位降落 漏斗进行了不完全调查，共统计漏斗7 6 个，漏斗总面积7 2 万平方公里。2 0 0 4 年 末与年初相比，浅层漏斗面积扩大的有2 3 个，中心水位下降的有2 1 个；深层漏斗 面积扩大的有1 6 个，中心水头下降的有2 7 个。全国地下水多年平均超采量高达9 2 亿m 3 ，已形成1 6 4 个区域性地下水超采区，总面积达6 万多平方公里，部分地区已 经发生地面沉降、海水入侵现象。近年来，黄河连年断流，从1 9 7 2 年到1 9 9 7 年的 2 6 年中，黄河下游共有2 0 年发生断流；利津水文站累计断流7 0 次，共9 0 8 天。1 9 9 7 年黄河出现有记录以来最严重的断流现象，利津水文站全年断流1 3 次，共计2 2 6 天，断流河段最长达到7 0 0 公里，时问之长、河段之长，都是历史上从未有过的【2 】。 随着经济建设的高速发展、人口的持续增加，我国农业、工业和城市各个部门 各方面用水量都在迅速增长，将来1 6 亿人的食物安全需要水资源做坚实的基础，经 济社会的可持续发展需要水资源提供保障，城市生活迅猛增长的用水需求需要水资 源来满足，因而水资源的地位和作用将越来越重要。这种需求与水资源的短缺、供 水能力不足形成了尖锐矛盾，加之日益严重的水污染问题，使水资源供需矛盾更为 严重，水资源短缺将是2 l 世纪我国面临的突出问题。因此，深入研究用水需求问题， 科学预测未来我国各行业用水的需水量，是一项非常重要的研究课题。 查! ! 查兰堡主兰竺垒查 苎二主竺堡 1 2 需水量预测方法 1 2 1 按部门性质分类的用水量预测方法 用水量的预测方法按用水 f q 可分为生活用水预测、工业用水预测和农业用水 预测。姜文来、唐曲、雷波等人在水资源管理学导论一文中【6 】详细进行了论述， 现介绍如下。 1 2 1 1 生活用水的预测方法 生活用水的预测方法有定额分析法、趋势分析法和分类分析权重法。但现在一 般选用定额分析法。 所谓的定额分析法就是根据人口的数量和人均用水量( 定额) 来确定用水量的 方法。其基本公式为： w = p + k( 1 - 1 ) 式中：w t 一某一水平年生活需水量； p 一某一水平年的人口数量； k 一某一水平年拟订的城镇生活需水综合定额。 某一水平年的人口数量是预测值，一般根据人口年增长率来加以确定，基本的 公式为： p = p o + ( 1 + v ) “( 1 - 2 ) 式中：p 一某一基准年的人口数据； v 一人口年增长率； n 一预测年数。 k 的拟订以现状为基础，综合考虑多年的变化情况，并参考国内外先进国家的 实际情况进行综合推定。 由于城镇生活用水和农村生活有水存在差异，因此，在预测时进行预测。 1 2 1 2 工业用水的预测方法 预测工业用水的方法很多，包括定额法、趋势法、重复利用率提高法、分行业 预测法和系统动力学法等。 定额法的基本公式同生活用水基本相似，可以用下公式来表示： w 。= v k( 1 3 ) 查堕型兰! 堡坚一 苎二主塑 式中：wz 一某一水平年工业用水需水量： v 一某一水平年工业产值( 万元) ； k _ 一某一水平年万元产值需水量。 重复利用率法预测工业用水基本公式如下： w 1 2 x + q 2 ( 1 4 ) q 2 = q l ( 1 - c t ) “( 1 - t 1 2 ) ( 1 - q i )( 1 5 ) 式中：w 。一某一水平年工业用水需水量： x 一某一水平年工业产值( 万元) ； t 1 l 、t 1 r 一分别为预测始末年份的水的重复利率； q 1 、q 2 一分别为预测始末年万元产值需水量； n 一预测年数： 工业进步系数，一般为o 0 2 0 0 5 。 工业产值也为预测值，预测方法可以采用趋势等多种方法。 1 2 1 3 农业需水的预测方法 ( 1 ) 农业灌溉需水量预测 农业灌溉需水量预测可以采用定额法，其基本公式为： w t = m p ( 1 6 ) 式中：wt 一某一水平年总灌溉需水量； “一某一分区某一水平年某种作物的灌溉面积； m i 一某一分区某一水平年某种作物的灌溉定额； k 一分区灌溉水利用系数。 灌溉面积的预测很复杂，合理地确定灌溉规模是灌溉用水量的基础。灌溉定额 的确定也非常重要，目前通常根据现实的基础上，考虑国内外情况的基础上加以确 定。 ( 2 ) 林牧渔业需水量预测 林业用水主要是经济林和果园用水，牧业用水主要为牲畜的灌溉草场用水，渔 业用水为渔塘的补水，他们均采用定额的方法进行预测。 1 2 2 几种常用的用水量预测方法 目前，国内外需水量预测常用的方法有自回归移动平均模型a r m a 法、回归分 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 析法、指标分析法、灰色模型法、系统动力学法和人工神经网络法等f 7 1 。张乐英在 城镇用水量预测方法研究及制定合理水价的探索一文中1 8 】进行了详细阐述，现 介绍如下。 1 2 2 1 自回归移动平均模型a r m a 法 a r m a 模型是自回归模型和移动平均模型的综合，它通过对相应数学模型的分 析研究，能更本质地认识动态数据的内在结构和复杂特性。一般地，称 y l 暑中l y f _ 1 + m 2 y l 一2 + + 中p y 卜p + e ，一0 l e t - 1 0 2 e t 一2 一- 一o q e t g ( 1 - 7 ) 是阶为( p ，q ) 的a r m a 模型。 a r m a 模型将预测对象随时问变化形成的序列先加工成一个白噪声序列进行 处理，所以它可对任何一个用水过程进行模拟，且预测速度快，能得到较高的预测 精度。但是该方法具有预测周期短、所用数据单一的缺点，只能给出下一周期需水 量的预测值，且无法剖析形成这一预测值的原因及合理的误差估计。此外，该方法 还存在着明显的滞后性，使得在预测一些异常值时造成较大误差，甚至失真。对此， 应分析出现异常值的可能原因，并据此修正a r m a 模型。目前a r m a 模型改进形 式有a r m a ( p ，d ，q ) 模型和a r m a ( p , d ，q ) 8 模型。 1 2 2 2 回归分析法 建立回归方程的目的之一是用于预测。一旦建立了y 与x 之间的回归，当x 为 某一定值时，可以估计y 的取值情况。设x 1 ，x 2 ，x 。是确定性交量，y 是随机变量， 它们之间有关系： y 姆p o + 反x 1 + + p , x p + ( 1 - 8 ) 其中：p o ，岛，卢，一回归系数； 各种随机因素对影响的总和，即随机误差项。 这就是p 元线性回归模型。该方法是通过回归分析，寻找预测对象与影响因素 之间的因果关系，建立回归模型进行预测，而且在系统发生较大交化时，也可以根 据相应变化因素修正预测值，同时对预测值的误差也有一个大体的把握，因此适用 于长期预测。而对于短期预测，由于用水量数据波动性很大、影响因素复杂，且影 响因素未来值的准确预测困难，故不宜采用。该方法是通过自变量( 影响因素) 来 预测响应变量( 预测对象) 的，所以自变量的选取及白变量预测值的准确性是至关 重要的。 东北大学项士学位论文 第一章绪论 1 2 2 3 指标分析法 该方法是通过对用水系统历史数据的综合分析，制定出各种用水定额，然后根 据用水定额和长期服务人口( 或工业产值等) 计算出远期的需水量。如工业需水预 测采用采用万元产值( 或增加值) 法、生活需水预测采用人均日用水量法、灌溉需 水预测采用灌溉定额法等。该方法是目前我国最为广泛采用的方法。主要问题是， 用水定额的预测、特别是超长期的定额预测，缺乏有效定量手段。由于用水定额的 通用性，在对特殊城市或地区进行需水量预测时会造成很大的误差。 1 2 2 4 灰色预测方法 灰色系统理论的核心是建立灰色模型( g m ) ，它将观测或统计得到的时间序列 经数据生成后再直接转化为微分方程，使系统在结构上模型化、规范化，并作为预 测系统动态分析及控制的基础。常用g m ( 1 ，1 ) 作为预测模型。 g m ( 1 ，1 ) 是一阶微分方程，设有城市用水量的原始时间序列 x o = x o ( 1 ) ，x ( o ( 2 ) ，x o ( n ) ( 1 - 9 ) 对其进行累加生成递增数列 x 1 ) = x ( 1 ( 1 ) ，x 1 ( 2 ) ，x 0 ) ( n ) ( 1 - 1 0 ) 其中x “数列中的第一个数皆为x 呻数列中对应序数前各个数值和，如果x 数列变化过程为指数曲线，即可建立微分方程： 笙+ 西( 1 ) ：“( 1 - 1 1 ) 办 式中：u 一内生变量。 a 一待辨识参数，其待估参量为：a = 口，”r 则可得计算式： r ( 七十1 ) 1 ) = 【z ( 1 ) ( 0 一u a f 矗+ u a ( 1 - 1 2 ) 据此公式求得x ( 1 数列，然后将其累加生成下式： x ( 的o ) = 工( 豇) 1 一x ( k 1 ) 1 ( 1 - 1 3 ) x 数列为原始数列的计算值，当k 玎时，便是根据原始数列得到的预测值。 该预测方法是一种不严格的系统方法，它抛开了系统结构分析的环节，直接通 过对原始数据的累加生成寻找系统的整体规律，构建指数增长模型。该方法能根据 原始数据的不同特点，构造出不同的预测模型。灰色预测方法实质上是一个指数模 型，当需水量发生零增长或负增长时，系统误差严重，而且预测周期越多误差越严 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 重。 1 2 2 5 人工神经网络方法 人工神经网络是一种由大量简单的人工神经元广泛连接而成的，用以模拟人脑 信息处理方法的非线性系统。具有知识的分布式存储和并行处理的特点，并且具有 记忆和联想的功能。它是在给定大量输入输出信号的基础上，建立系统的非线性输 入、输出模型，对数据进行并行处理。人工神经网络通常采用误差逆传播学习算法 ( b p 算法) ，它不仅具有输入、输出层，而且有一层或多层中间层神经元，将输入 的信号传递到中间层的神经元上，经过各神经元s i g m o i d 型作用函数运算后，将中 间层神经元的输出信号传递到输出神经元，最后给出结果。该方法实际上是对系统 的一种黑箱模拟，理论研究表明它能以任意精度逼近任意的非线性函数。因此它比 较适合于一些复杂问题的建模。 1 2 2 6 系统动力学方法 系统动力学方法是按照系统动力学理论建立起来的数学模型，采用专用语言， 借助计算机进行系统模拟，以处理行为随时间变化系统的问题。系统动力学方法的 本质是反馈。通过对系统反馈机制作用进行分析后建立模型，可以在缺乏基础数据、 定量表达式难以建立的情况下，对系统发展的整体水平进行预测，并保证一定的精 确度。依据上述思路及系统反馈机制，建立城镇实际用水量的预测模型如下： d v 。墨d n + k 2 d a 。墨。蛾m i n t 1 ( 叻，e d 】0 3 6 5 一f 2 ( c 口) j + 即f 【嘲1 0 0 0 ( 1 0 0 吨) 1 0 0 _ 3 6 5 c a r d t 3 ) l o o o o l n 。1 4 lj 式中：k l 、k 2 - - 不同缺水状况下的系数。k l 可为1 0 5 ，1 0 6 ，1 0 8 ； k 2 可为1 0 6 ，1 0 8 ，1 1 0 ； d s h 、d g y 城市生活工业用水量，万m 3 ； p ，s 一用水人口，万人； r 旷一工业用水重复利用率； v u e d 一规划人均大生活用水定额，u 人d ： v u p i - - i 工业行业万元产值用水量，u 万元； p i _ 第i 工业行业总产值，万元； c 。l _ 一预测年城市污水处理能力，万m 3 d ； r c l _ 城市污水处理能力利用率； 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 t l ( w ) 一反映了水价及生活需水之间的关系。w 为水价，元； t 2 ( c z s ) 一反映中水设施能力及中水实际用量之间的关系，c z s 为预测 年中水设施能力，万m 3 d ； t 3 ( f h y ) 一经处理城市污水工业回用比率与回用成本间的关系，f h ，为预 测年污水回用成本，元； 该模型具有很好的直观性，可以较全面地考虑各种因素对用水量需求的影响， 把专家的经验与数学预测方法有机地结合在一起，克服了历史数据拟合预测方法物 理概念不清，并且当预测结果不理想时无法对模型进行调整的问题。该方法应用效 果的好坏与预测者的专业知识、实践经验、系统分析建模能力密切相关。通过系统 分析、系统模型的建立，可以对系统进行白化，再经过计算机动态模拟，可以找出 系统的一些隐藏规律。不过，系统分析过程复杂，工作量极大，且对分析人员能力 要求较高，所以不适用于短期需水量预测。而对长期需水量预测，其优势是十分明 显的。 1 3 国内外需水量预测研究的发展与现状 1 3 1 国外研究概况 从2 0 世纪6 0 年代起，世界各国就开始加强对水资源开发利用的研究，重视对国 民经济各部门未来用水量的预测。 美国于1 9 6 3 年通过了水资源规划法案，成立了水资源理事会，开展了全美水资 源评价工作。1 9 6 8 年提交的美国第一次国家水资源评价报告中，阐述了美国水资源 的现状和水资源的展望，分析了水资源的供需情况，讨论了缺水地区的问题，研究 了美国水资源的现状和水资源的展望，提出了未来的需水预测。1 9 7 8 年又进行了第 二次全美水资源评价工作，并重新对各类用水迸行了需求预测。 日本从上世纪六十年代开始，每十年进行一次国土规划，把需水预测作为规划 的一个依据。1 9 8 3 年完成t 2 1 世纪用水预测工作，1 9 8 4 年完成了日本水资源开发、 利用和保护的现状评价，包括对天然水资源量的估算、用水要求、水资源开发利用， 以及水的价格、缺水状况和对策研究等。 1 9 8 1 年d rg a l l a 曲e r 对澳大利亚的需水量模型进行了研究p j 。 英、法、荷兰、加拿大等国也逐步开展需水预测工作，作为宏观管理或制定政 一查些垄堂堡主兰竺坚苎= 主竺垒 策的手段。 联合国于1 9 7 7 年在阿根廷马德普拉塔( m a rd e lp l a t a ) 召开世界水会议，把水 资源问题提到全球的战略高度考虑，号召各国要进行一次专门的国家级水资源评价 活动。 1 9 8 7 年和1 9 9 2 年联合国世界环境与发展委员会先后出版了我们共同的未来 和2 1 世纪议程，它们使水资源研究开始围绕着面向未来的可持续发展这一中心问 题蓬勃展开，从而推动了需水量预测研究的深入进行。 1 3 2 国内研究概况 在国内，直至2 0 世纪8 0 年代初，才开始预测我国中长期需水量。1 9 8 0 年开展全 国水资源调查评价和水资源利用的调查分析工作，水利部门负责水资源开发利用现 状、供需关系现状分析，把水文评价与水的利用和供需展望结合进行，于1 9 8 5 年完 成水资源评价工作。 1 9 8 6 年分别提出了全国、各流域( 片) 和各省、自治区、直辖市三个层次的研 究报告，进行了需水量预测研究【1 0 1 。 从1 9 9 2 年下半年，中国科学院水问题联合中心开始组织完成了“中国水资源开发 利用在国土整治中的地位与作用”这一重大课题，并参加编制了中国2 1 世纪议程， 从如何解决我国的水资源持续利用出发，开始了新一轮需水量预测研究。 2 0 0 0 年，在国务院领导和有关部委的大力支持下，中国工程院组织了覆盖地理、 地质、气象、水文、农业、林业、水利、土地、水土保持、生态环境、城市建设、 环境工程、社会经济等有关学科的4 3 位两院院士和近3 0 0 位院外专家，以( 2 1 世纪中 国可持续发展水资源战略研究为总项目，根据2 0 3 0 年前后我国人口将达至l j l 6 亿的 总形势，分设7 个课题组进行研究。经过一年多的紧张工作，提出了9 个专题报告： ( 1 ) 中国防洪减灾对策研究；( 2 ) 中国水资源现状评价和供需发展趋势分析；( 3 ) 中国农业需水与节水高效农业建设；( 4 ) 中国城市水资源可持续利用与保护；( 5 ) 中国江河湖海防污减灾对策；( 6 ) 中国北方地区水资源的合理配置和南水北调问题； ( 7 ) 中国西北地区水资源开发利用：( 8 ) 中国西南地区水资源开发利用；( 9 ) 中国 生态环境建设与水资源保护利用。在以上专题报告的基础上，经项目综合组反复研 讨和重点考察，提出中国可持续发展水资源战略研究综合报告，对我国2 1 世纪 的需水量进行了全面预测研究。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 需水量预测存在的问题及原因 2 0 世纪7 0 年代以来，各国陆续开展了中长期供需水量的预测工作。美国国家水 资源委员会1 9 6 8 年的报告中，预测2 0 0 0 、2 0 2 0 年全国总取水量将在1 9 6 5 年3 7 2 5 亿m 3 的基础上分别增长2 0 0 和4 0 7 ，达到1 1 1 1 6 亿m 3 和1 8 9 0 0 亿m 3 。但到1 9 7 5 年，他们 意识到如此高的用水量将无法实现水资源的可持续利用，于是作出第二次评价，综 合考虑了水污染、水资源量等多种因素，决定大力推行节水措施，预$ | 1 2 0 0 0 年的总 取水量与1 9 7 5 年的实际用水量基本持平。这个预测和美国目前的实际取水量十分接 近1 1 1 。日本国土规划预$ 4 2 0 0 0 年全国总需水量为1 2 5 5 亿m 3 ，而实际用水量只有9 0 8 亿m 3 。 表1 i1 9 8 5 年主要国家需水量预测与实际用水量比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nw a t e rd e m a n dp r e d i c t i o na n dt h ea c t u a lw a t e rc o n s u m p t i o ni n m a i nn a t i o ni n1 9 8 5 事实证明，由于预测方法的局限性，许多长期预测的需水量都偏大1 1 1 】。表1 1 为1 9 8 5 年世界主要国家的预测结果与实际用水量比较。 从表1 1 可看出，除美国外，其他国家的预测结果都相差很大。 沈阳建筑工程学院的傅金祥、马兴冠老师在水资源需求预测及存在的主要问 题探讨一文中指出【1 i 】，我国的需水量预测长期以来一直过于“超前”，预测结果 都已经或即将被证明是明显偏大的。 对于全国的用水需求量：2 0 世纪8 0 年代初，水利部门对2 0 0 0 年的全国需水总 量预测为7 0 9 6 亿1 1 1 3 ，水利专家张岳教授等预测为6 3 7 5 亿m 3 ，1 9 9 4 年中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书中预测2 0 0 0 年为6 0 0 0 亿m 3 ，中国水资源利用 中预测2 0 0 0 年全国总需水量为7 0 0 0 亿m 3 ，而2 0 0 0 年全国实际用水量为5 4 9 8 亿 i n 3 ，表明上述预测明显偏高。 对地区需水量的预测结果也大多明显偏高。可以山西省为例：“七五”期间，当 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 时山西省的缺水现象确实很严重，水利部门据此多次预测1 9 9 0 年的需水量为 ( 7 2 7 6 ) 亿m 3 、2 0 0 0 年为( 9 0 - - - 1 0 0 ) 亿m 3 ，而实际上1 9 9 0 年的用水量仅为5 4 亿m 3 ，1 9 9 4 年仅为6 3 亿m 3 。实践证明，在缺水的情景下，往往对缺水量的估计和 预测偏高。对山西省需水量的过高预测，曾使万家寨引黄工程的近期规模偏大。 对于城市的用水需求，尤其是对工业用水的需求，以往许多预测明显偏大。如 建设部门的城市缺水问题研究中，以1 9 9 3 年为预测基准年，预测2 0 0 0 年全国 城市的工业需水量将达到4 0 6 亿m 3 ，年均增长率为4 9 ，而实际情况是从1 9 9 3 年 到1 9 9 7 年，我国6 6 8 个城市( 不包括小城镇) 的用水量非但没有增长，反而由2 9 1 5 亿m 3 降至2 6 0 亿m 3 。又如北京市，曾预测1 9 9 5 - - 2 0 0 0 年市区工业需水量将以年均 6 的速度递增，而实际上从1 9 8 9 - - 1 9 9 7 年北京市区的工业用水量却减少了1 2 5 。 出现这种差错的原因很多，既有主观的原因，也有客观的原因。为了提高需水 预测的准确性，必须把握经济发展不同时期用水需求的客观规律。目前，我们对这 种规律还没有完全掌握，这就需要我们从国内外历史经验中进行深刻总结，取长补 短，同时需要积极的探索，寻找新的解决方法。这种差距，说明了我们需水预测方 法是有局限性的。因此，我们对需水的预测结果要采取审慎的态度，只采用一种方 法进行预测的结果，存在的偏差可能性大，需要用多种方法进行预测，然后做出综 合判断。 傅金祥、马兴冠老师在对需水量预测结果与实际情况误差较大的问题作了深入 探讨后，认为长期以来预测结果偏大的主要原因有以下五个方面： 一是对经济发展和用水需求的客观规律没有认识清楚，误以为随着经济的发展 用水量必然不断增加，实际上随着科技水平的提高、经济结构的变化、防治污染以 及水价的变化，用水定额会不断降低。一些发达国家在经济增长的情况下就出现了 用水量零增长甚至负增长。 二是目前各地常用的预测方法( 如指数预测法、定额预测法、趋势法等) 具有 一定的局限性。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，而现在一些常用预测方法通常只能反映一 种平稳的几何增长过程，所以预测的结果与实际用水量相去甚远。 三是预测模式中参数选择不当使需水过程难以被准确描述。如工业用水结构复 杂多变，若简单地根据工业总产值预测用水量的长期增长趋势会造成误差较大。另 外，产值的弹性或不确定性很大，难以反映用水效率和水平。发达国家近2 0 多年来 东j 堡大学硕士学位论文 第一章绪论 。- _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - 工业用水量为零增长的主要原因是工业产业结构的调整，因而不把握工业结构的演 变而只是以工业总产值来预测用水量，必然会使工业用水量长期预测值偏高。 四是预测模式中系数的取信不当也使预测结果偏离实际。需水量预测要切实考 虑本地区饷现实情况，由于各地用水水平差异很大，不能简单地参照国外或其他地 区的指标。 五是对水资源实际供给能力的约束力考虑不足，脱离了本国、本地区的水资源 实际承载能力。无约束的水资源预测违背了预测的基本规律，必然会造成预测值偏 大，如某省在规划中预测的2 0 2 0 年需水量达到了该地区多年平均水资源量的9 2 ， 这显然是不客观的，也是不可能实现的。 1 4 国民经济用水量及其影响因素分析 用水量是指分配给用户的包括输水损失在内的毛用水量，按农业、工业、生活 三大类用户统计。 农业、工业、生活用水比重从一个侧面可以反映出一个国家或者地区经济与文 明的程度。一般来说，若工业用水比重大，说明一个国家或地区工业化程度比较发 达；若生活用水比重大，说明其文明程度较高；而农业用水比重大，不仅说明其是 以农业为主要产业，而且也从侧面反映农业科技较为落后。 表1 2 用水结构变化 t a b l e1 2t h ec h a n g eo f t h ew a t e rc o n s u m p t i o ns t m e t u r e 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 由表1 2 可明显看出，1 9 8 0 - - - 2 0 0 3 年全国农业用水基本持平，工业用水和生活 用水增长幅度较大，工业用水年均增长率达到4 0 ，生活用水年均增长率达到3 4 。 自1 9 9 7 年后，我国农业、工业、生活用水比重基本保持在7 ：2 ：1 的水平，考虑到 近期我国供水量不会有过大增长，这一比例还将维持一定时间。我国农业用水将基 本控制在3 7 0 0 亿m 3 左右，后续增加水量将主要用于工业和生活，农业用水的比重 其发展态势是逐渐降低，工业用水和生活用水的比重逐渐增加。 1 4 1 农业用水 农业用水是通过蓄、引、提等工程设施向农田、林地、牧地等供水，以满足作 物需水要求。包括农田灌溉用水和林牧渔用水两部分。农业灌溉用水受气候地理条 件的影响，在时空分布上变化较大；同时还与作物的品种和组成、灌溉方式和技术、 管理水平、土壤、水源以及工程设施等具体条件有关，影响灌溉用水量的因素较多， 但主要取决于与灌溉面积的大小和灌溉定额的高低。灌溉面积可根据区域内水资源 开发利用条件农业发展规划和生产结构调整的趋势，按某一水平年农、林、牧各业 的灌溉要求进行预测。灌溉定额参照实际用水水平，考虑灌溉技术的改进，按不同 作物整个生育期间的需水量分别确定。 表1 3 农业用水状况 t a b l e1 3s t a t eo ft h ea g r i c u l t u r a lw a t e rc o n s u m p t i o n 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 农田灌溉用水是农业的主要用水和耗水对象，农田灌溉用水占农业用水量的比 例始终保持在9 0 以上。建国5 0 多年来，虽然我国农业用水比重一直过高，但随 着我国经济建设的发展，尽管总用水量有所增加，而农业用水量一直呈递减趋势， 由1 9 4 9 年的9 7 1 ，逐步下降到1 9 8 0 年的8 3 4 ，1 9 9 3 年的7 3 4 ，一直到1 9 9 7 年的7 0 4 ，1 9 9 8 年的6 9 3 ，1 9 9 9 年的6 9 2 和2 0 0 0 年的6 8 8 ，基本上从1 9 9 7 年以后处于稳定状态，如表1 3 所示。 从表1 - 3 可看出，农业用水主要与灌溉面积、灌溉定额有关。 1 4 2 工业用水 工业用水为取用的新水量，不包括企业内部的重复利用量。包括电力工业、一 般工业和乡镇工业三部分工业用水。工业用水部门多，用水工艺复杂，预测某一水 平年的工业布局与发展规模不易准确，分析需水量有一定困难。工业用水的变化不 仅与国民经济发展计划有关，而且与工业的结构、生产水平、水资源状况、用水管 理、节水水平有很大的关系。工业需水量预测通常采用数理统计原理，根据历年工 表1 4 工业用水状况 t a b l e1 4s t a t eo ft h ei n d u s t r i a lw a t e rc o n s u m p t i o n 注：按1 美元等于8 3 元人民币折算 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 业用水量或单位产值用水量资料，按其变化趋势预测工业需水量。也可利用工业单 位产品、产量、产值的用水量和用水增长率等统计参数与工业产值相关关系，推求 工业需水量。 从表1 4 可看出，工业用水1 9 8 0 年为4 5 7 亿m 3 ，1 9 9 3 年翻了一番，2 0 0 3 年达 到了1 1 7 7 亿m 3 ，年均增长率达到4 o ，增长速度较快。随着工业化的发展，预计 这种趋势仍将继续。从上表可看出，工业用水增长与工业产值的增长、产业结构的 调整、节水水平的提高有一定关系。 1 4 3 生活用水 生活用水是人类日常生活及其相关活动用水的总称。包括城镇居民、公共用水 和农村居民用水。生活用水主要与人口、生活用水定额等有关，用水人口以计划部 门预测数为准，用水定额以现状用水调查数据为基础，分析历年变化情况，考虑不 同水平年的居民生活水平的改善和提高程度，拟定其相应的用水定额。 表1 5 生活用水状况 t a b l e1 5s t a t eo ft h ed o m e s t i cw a t e rc o n s u m p t i o n 从表1 5 可看出，生活用水近年来一直在增长，1 9 8 0 年全