（水文学及水资源专业论文）郑州市需水量驱动因子及水资源需求预测分析.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 需水量是水资源规划和合理配置的主要依据，也是确定水利工程规模及水量调 度和分配的主要依据，合理确定需水量对实现水资源的可持续利用和经济社会的可 持续发展具有重要意义。本文针对郑州市需水量预测问题展开系统研究，内容包括 以下五部分： ( 1 ) 综述了需水量预测的国内外研究现状，阐述了目前需水量预测的特点，以 及存在的问题，分析了常用需永预测方法的特点和适用范围，在此基础上明确了本 文的研究技术路线。 ( 2 ) 对郑州市水资源开发利用现状进行了系统分析，指出了水资源开发利用中 存在的问题。 ( 3 ) 分析了郑州市供水、用水系统的本质和特点，及需水量的构成，并结合当 地的实际情况，按照不同用途分类，分别分析了工业、农业、生活用水系统中影响 实际用水量的因素，初步确定影响需水量的主要因素；在此基础上，采用灰色关联 分析和相关分析相结合的“三步辨识法”，对郑州市工业、农业、生活需水量主要驱 动因子进行定量辨识，确定了影响郑州市工业、农业、生活需水量的主要驱动因子。 ( 4 ) 采用逐步回归的方法，分别建立了基于主要驱动因子的工业、农业、生活 需水量预测模型，同时得到了影响工业、农业、生活需水量的显著影响驱动因子； 并对各显著影响驱动因子采用多种曲线形式进行回归，通过相关性和显著性检验， 选择一种最优的预测模型对需水量进行预测，得到不同规划水平年的需水量预测值； 对不同水平年的用水结构及变化趋势进行了分析。 ( 5 ) 对郑州市2 0 1 0 年、2 0 2 0 年的水资源进行供需平衡分析，考虑毅建供水工 程和南水北调中线工程能否按时发挥效益，将供水情况分为四个不同方案，确定不 同方案对应的供水满足程度、余缺水量、缺水程度；根据水资源供需平衡分析的结 果，结合郑州市的水资源状况和开发利用情况，提出了郑州市水资源综合规划、管 理的对策建议。 ( 6 ) 给出了本文的研究结论，指出了需要迸一步研究的问题。 关键词：水资源；需水量预测；驱动因子；灰色关联分析；回归分析；城市 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rd e m a n di st h em a i np r o o ff o rw a t e rr e s o u i v 七sp l a n n i n ga n dr a t i o n a lw a t e r a l l o c a t i o nm e c h a n i c s i ta l s oi n f l u e n c e st h es c a l eo f w a t e re n g i n e e r i n gt os o m ee x t e n t s o ， i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n f i r mt h er e a s o n a b l eq u a n t i t yo f w a t e rd e m a n df o rr e a l i z i n g t h es u s t a i n a b l eu o fw a t e rr e s o u r c e sa n dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y t i l i s p a p e rf o c u s e so nas y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ei s s u eo ff o r e c a s t i n gw a t e rd e m a n di n z h e n g z h o u , h e n a np r o v i n c e i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) g i v eal i t e r a t u r eo fr e s e a r c ho nw a t e rd e m a n da l lo v e rt h ew o r l d ；d e s c r i b et h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e p r o b l e m s o fc u r r e n tf o r e c a s t i n g m e t h o d s ， i n t r o d u c et h e m e t h o d o l o g yo f t h i sp a p e r ( 2 ) a n a l y z et h ed e v e l o p i n ga n du s i n gs t a t u s i nz h e n g z h o u ，a n dp o i n to u tt h e p r o b l e m s ( 3 ) a n a l y z et h ea f f e c t i n gf a c t o r so f w a t e rd e m a n di nt e r m so f i n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n d d o m e s t i c ，a c c o r d i n gt ot h en a t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fw a t e rs u p p l y i n ga n du s i n gs y s t e m i n z h e n g z h o u o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rd i s t i n g u i s h e st h e m a i nd r i v i n gf a c t o r s q u a n t i t a t i v e l yi ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dd o m e s t i cb yu s i n gt h et h r e e s t e pd i s t i n g u i s h m e t h o do fc o m b i n i n gg r a ya n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，s e t su pt h em a i nd r i v i n gf a c t o r s i n i t i a l l yo f w a t e rd e m a n di nt e r m so fi n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dd o m e s t i c ( 4 ) b u i l daf o r e c a s t i n gm o d e lo fw a t e rd e m a n di nt e r m so fi n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n d l i v i n gb a s e do ns t e p w i s er e g r e s s i o na p p r o a c h , a n dt h e no b t a i nt h ec r u c i a ld r i v i n gf a c t o r s r e s p e c t i v e l y ；c h o o s eao p t i m a lf o r e c a s t i n gm o d e lt of o r e c a s tw a t e rd e m a n db yu s i n g m u l t i f o r mc u r v e s ，a n dg e tt h ef o r e c a s t i n gv a l u ei nd i f f e r e n ty e a r sp l a n n e d ；a na n a l y s i si s g i v e nt ot h ec h a n g et r e n do f w a t e ru s i n gs t r u c t u r e ( 5 ) t h eb a l a n c eo fs u p p l ya n dd e m a n do fw a t e rr e s o u r c e si n2 0 1 0a n d2 0 2 0i s a n a l y z e d ；a c c o r d i n gt ot h eb e n e f i t so fn e ww a t e rs u p p l yp r o j e c ta n ds o u t h t o - n o r t h w a t e rt r a n s f e rp r o j e c t , w a t e rc o n d i t i o ni sd i v i d e di n t of o u rd i f f e r e n to p t i o n s t oi d e n t i f y t h ec o r r e s p o n d i n gt h ed e g r e eo fw a t e ru s ea n da b s e n c e ；s u g g e s t i o n sa r ep o i n t e do u tf o r w a t e rr e s o u r c ep l a n n i n ga n dm a n a g e m e n ti nz h e n g z h o ua c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ( 6 ) f o r w a r dt h ep r o b l e m sa n dt h ew o r kt ob ec o n t i n u e do f t h i sr e s e a r c h k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s ；w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n g ：g r a ye o r r e l a t o i na n a l y s i s ： r e g r e s s i o na n a l y s i s i i 郑州大学硕士学位论文 1 1 问题提出及研究意义 第一章绪论 1 1 1 我国的水资源问题 水是生命之源，是构成生态和环境的控制要素，也是人类生存与发展不可替代 的重要资源。水作为一种基础性的自然资源和战略性的经济资源，是经济和社会快 速、稳定、可持续发展极为重要的保证。然而，随着人口与经济的增长，水资源的 需求量不断增加，水资源利用效率不高，供需矛盾日益突出，水环境不断恶化，等 许多问题相继出现，水的问题成为制约经济发展和社会可持续发展的重要瓶颈，人 类已经进入了一个水资源环境制约型时代。 我国面临的水资源问题主要有以下三个方面：一是洪涝灾害频繁，对社会经济 发展的威胁较大；二是干旱缺水，对人民生产生活的影响也比较大；三是生态环境 恶化问题。2 0 世纪8 0 年代我国多年平均降水总量6 1 8 8 9 x 1 0 8 m 3 ，其中4 5 转化为 地下水或地表水资源，5 5 消耗于蒸发；多年平均地表水总量为2 8 2 4 1 1 0 8 1 3 ，其 中地表水2 7 1 1 5 x 1 0 8 m 3 ，地下水8 2 8 8 x 1 0 8m 3 ( 重复计算量7 2 7 8 1 0 8 m 3 ) 【1 】。我国的 水资源总量虽然丰富，但人均占有量只占世界的1 4 ，是一个水资源短缺的国家。到 2 1 世纪中叶，我国人口达到1 6 亿时，人均水资源量将下降到1 7 6 5m 3 ，根据联合国 教科文组织采用的人均水资源评价标准：国家或地区人均水资源量大于3 0 0 0m 3 从， 为相对丰水；3 0 0 0m 3 2 0 0 0m 3 人，为轻度缺水；2 0 0 0m 3 1 0 0 0m 3 a ，为中度缺 水【l 】，而我国在人均水资源拥有量上属于中度缺水国家。 目前，全国正常年份缺水量近4 0 0 x 1 0 3m 3 ，其中灌区缺水约3 0 0 x 1 0 8m 3 ，平均 每年因干旱受灾的耕地达3 亿多亩，年均减产粮食2 0 0 多亿始；还有历史遗留的2 4 0 0 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 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 连续遭遇桔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 亿埏，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 座城市己经发生水危机或出现供水紧张状况 2 1 。而且，由于部分地区严重超采地下 水，引起了区域性的地下水位下降，造成大面积的地面沉降，甚至海水入侵，同时 由于污水大量排放，地表水和地下水源不断受到污染，可供人类利用的水源日益短 郑州大学硕士学位论文 缺，部分河道断流，湖泊干涸，地下含水层接近疏干，生态环境不断恶化 3 1 。 同时，我国的用水结构不合理，浪费现象非常严重。我国的用水总量与美国大 致相当，但国内生产总值仅为美国的1 8 ，万元工业产值用水量平均1 0 3m 3 ，是发达 国家的l o 倍2 0 倍，重复利用率平均为4 0 左右，而发达国家平均为7 5 8 5 ， 城市人均综合日用水量1 9 9 8 年为5 5 6 l ，远远高于欧洲1 5 国1 9 9 1 年人均综合日用 水量2 5 6 l 的标准，农业灌溉用水系数大多只有o 4 ，而很多发达国家已经达到了0 7 0 8 【4 j 。这些数字不仅反映出我国水资源所面临的严峻现实，而且也凸现出我国产业 结构不够合理，水资源利用效率不高，资源配置没有达到协调等诸多问题。 1 1 2 需水量预测问题 随着人口增加和经济社会发展，仅从供需角度，在充分考虑节约用水的前提下， 2 0 1 0 年全国总需水量将达( 6 4 0 0 6 7 0 0 ) x 1 0 8 m 3 ；预计到2 0 3 0 年，人口开始进入 高峰期，将达到1 6 亿，需水量将达8 0 0 0 x 1 0 8 m 3 左右，需要在现有供水能力的基础 上新增2 4 0 0 x l o s m 3 ，届时中国的人均水资源拥有量将处于联合国确定的水资源极限 水平i l j 。而且，由于我国特殊的水文特性，使得我国范围内可利用水资源量与年总 水资源量之比要低于世界其他地区。我国年水资源总量约为2 8 0 0 0 1 0 8 m 3 ，其中 9 6 4 为河川径流，其余是浅层地下水，约1 0 0 0 x 1 0 8 m 3 ，这部分浅层地下水不补给 河流，但与水文循环联系密切，可以被采用或消耗于蒸发。在河川径流的组成中， 洪水径流占很大比重，而在洪水发生时，通常采取人为措施使洪水尽快排入大海， 故这部分洪水也无法利用。因而在年径流中只有一小部分( 3 0 4 0 ) 水资源量 可以被视作可用的水【”。我国正面临着严峻的水资源危机，特别是随着城市化进程 的加快，水资源的短缺矛盾将更加突出，尤其是城市水资源的不足将会成为供需矛 盾的焦点。 面对如此严峻的现实，党的十六大提出建设节水型社会，强调可持续发展，把 保护环境和保护资源列为基本国策，对水资源进行合理开发、高效利用、优化配置、 科学管理、全面节约、有效保护，并引导社会自觉调整用水数量和产业结构，遵循 公平、高效和可持续利用的原则，以水资源的可持续利用和经济社会可持续发展为 目标，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济规律和资源配置准则，通过合理 抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用水资源 在区域问和各用水部门间进行合理调配，实现水资源的经济、社会和生态环境综合 效益最大，以及水质和水量的统一和协调【3 】。在这个过程中，只有准确预测出未来 规划水平年的需水量，才能更好地为水资源的规划和管理提供决策依据，才能更好 2 郑州大学硕士学位论文 地指导水利工程建设，为国家及地区的宏观和微观决策提供参考，有力地推动节水 型社会的建设步伐，最终实现社会经济的持续、快速、稳定发展。 1 1 3 研究的意义 随着社会经济的快速发展和人口的增加，用水量持续增长，加之日益严重的水 污染问题，更加剧了水资源的短缺。但是水作为基础性的资源，它是人们生活和生 产的基础保证，也是经济发展的基本需要，因此，水资源的规划和管理日益重要， 而需水量的预测作为整个规划的前提和基础就成为非常重要的工作。因此，深入研 究需水量问题，采用合适的方法科学、准确预测出某一预测年的需水量，是一项非 常重要的研究课题。通过需水预测，可以估计出缺水量，有助于提前采取一些方法 和措施，将缺水所造成的损失减少到最小，同时，也有助于国家或者地区制定中长 期水资源开发利用总体规划和供水规划，为国民经济的稳定、快速发展提供更可靠 的参考依据，实现稳定供水，有效提高水资源的经济和社会效益。 同时，在需水量研究的过程中，通过分析用水系统的结构和特点，可以发现影 响需水量的因素，并且通过一定的数学方法可以识别出主要驱动因子，找出影响用 水量的最主要因素，为具体的供水、用水规划和管理等实际工作提供指导，最大限 度地取利祛弊。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 需水量预测的国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代以来，随着经济的发展，许多国家用水量急剧上升，甚至出现 了比较严重的水危机，于是需水量预测得到各个国家的广泛和高度的重视。为此联 合国在1 9 7 7 年召开世界水会议，这次会议通过了“马德普拉塔行动计划( m a r d e l p l a t a a c t i o n p l a n ) ”，号召各国专门进行一次国家级的水资源评价活动，计划指出：“实现 对水资源的加速开发并井井有条管理这样的目标，已成为努力改善人类经济和社会 条件的关键因素，特别对于发展中国家更是如此。为了保障人类高质量的生活，增 进人类的庄严和幸福，我们必须采取专门的并协调一致的行动，以谋求答案，并且 把这种答案应用于国家和区域的水平上，不然就不能保证上述要求的实现【5 】。”1 9 8 8 年世界环境与发展委员会( w c e d ) 提出的一份报告中指出：“水资源正在取代石油 而成为在全世界引起危机的主要问题【6 】”。1 9 9 2 年，在里约热内卢举行的联合国环境 和发展大会上通过( 2 1 世纪议程，提n - “淡水是一种有限资源，不仅为维持地球 郑州大学硕士学位论文 上一切生命所必需，且对一切社会经济部门都具有生死攸关的重要意义【孙。他们使 水资源研究开始以面向未来的可持续发展为中心开展，从而推动了需水量预测研究 的深入进行。 1 9 6 8 年美国完成了第一次国家水资源评价，研究了美国水资源的现状和展望， 提出了需水预测成果，预测2 0 0 0 年、2 0 2 0 年总需水量将在1 9 6 5 年用水量的基础上 分别增长2 0 0 和4 0 7 ( 即分别达到1 1 1 1 6 亿m 3 和1 8 9 0 0 亿1 3 ，到1 9 7 5 年，由 于意识到如此高的用水量无法实现水资源的可持续利用，于是在第二次评价中综合 考虑了水污染、水资源量等因素以及节水措施，使预测结果与目前美国实际用水量 很接近；1 9 7 8 年进行了第二次全国水资源评价工作，重新对各类用水进行了需求预 侧。日本从上世纪六十年代开始，把需水预测作为国土规划的一个重要依据，每十 年进行一次，于1 9 8 3 年完成了2 1 世纪用水预测工作，1 9 8 4 年完成了全国水资源开 发、利用和保护的现状评价。苏格兰自7 0 年代开始，分别于1 9 7 3 、1 9 8 4 、1 9 9 4 年 进行了三次水资源规划，在1 9 9 4 年的规划中，对需水量的预测值和实际值做了对比， 预测结果比较接近实刚引。 1 9 8 1 年d ro a l l a g h e r 对澳大利亚的需水量模型进行了研究【9 】；1 9 8 6 年， r u m e l h a r t 等人在多层神经网络基础上提出b p 算法，解决了多层前向神经网络的学 习问题，b p 网络是目前最常用的神经网络，国外近年来也有学者利用b p 网络进行 需水量预测【1 0 】；1 9 9 0 年，m y a 等根据降水量、水价、人口、收入等影响因子与需水 量之间的相关关系，建立了需水量预测的对数和半对数回归模型，并应用于美国的 t e x a s 州进行预测，取得了较好的效果；1 9 9 2 年，r i c h a dn p a l m e r 提出了非线性回 归模型，将气温和降水量等气候因素考虑进去，充分考虑了用水量的变化特点【1 1 1 ； 2 0 0 3 年，j o s e p ha l c o m 0 等人，建立了w a t e r g a p 2 用水模型，分别预测生活、 农业、工业需水量，该模型考虑了国民收入、用水效率及降雨天数等影响因素，生 活用水过程用s i g m o i d 曲线表示，工业用水过程用双曲线表示【1 2 1 。 1 2 2 需水量预测的国内研究现状 2 0 世纪6 0 年代，随着国内农业灌溉的快速发展，即开展了需水量研究工作， 但主要是针对灌溉试验的研究；到7 0 年代末期，由于农业需水大幅增加，工业和生 活需水量也有所增加，需水量预测工作才得以全面开展，这段时期预测方法较为简 单，农业灌溉需水量主要是采用一定的灌溉制度进行预测，工业、生活需水量则主 要是采用年增长率法，线性回归法以及多元线性回归法来预测；进入8 0 年代，随着 4 郑州大学硕士学位论文 改革开放的进行，我国的社会经济各方面都取得了飞速的发展，工业、生活用水量 也急剧增加，这一时期我国开始进行地表水、地下水以及外流域调水联合调度研究。 并随着数理统计和预测理论等新知识、新技术的发展，以及城市需水量预测要求的 提高和各城市供水系统的发展，开始使用线性回归之外的理论进行需水量的预测； 9 0 年代以后，伴随着改革开放的深入，出现了水资源短缺，水污染严重，以及部分 城市的严重缺水等问题，这个时期需水量的预测研究得到了各部门的重视和深入研 究，大量的预测方法及应用研究在这个时期得到了长足的发展。 1 9 8 0 年，全国水资源调查评价和水资源利用的调查分析工作全面开展，在全国 范围内对水资源进行了数量评价、质量评价、开发利用量评价、供需分析，并第一 次把水文、水资源评价与水的利用和供需展望结合进行；1 9 8 6 年，我国提出了全国、 各流域( 片) 和各省、自治区、直辖市三个层次的研究报告，把水文评价与水的利用和 供需展望结合起来，其中进行了需水量预测研究【1 3 】；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 l 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。 1 9 9 4 年，丁宏达把回归理论与数字滤波理论相结合，提出回归马尔柯夫链法， 这种方法是在传统回归预测法的基础上，考虑数据系列的波动性，把数字滤波理论 和回归理论结合形成的方法；1 9 9 6 年，柳景清考虑在城市需水量预测中经济发展的 影响，提出了动态非线性灰色模型参数估计法；1 9 9 8 年，吕谋、赵洪宾等利用季节 指数平滑法进行需水量预测【1 q ；2 0 0 1 年，曹萍认为城市年用水量是一个奇次马尔柯 夫链，并应用马尔柯夫过程仿真技术进行城市年用水量预测【1 习；单金林、戴雄奇等 利用b p 网络建立预测城市用水量模型；徐洪福、袁一星等，运用灰色理论，认为 虽然用水系统的结构，系统因素及各因素之间的关系，系统的运行机制和状态都不 完全清楚，但是系统必然存在某种内在规律，在将已有t = n 时刻以前的数据处理， 使之呈现指数趋势变化后，利用灰色理论建立了常规g m ( 1 ，1 ) 模型，用于预测 城市需水量，并以大连市为例进行了应用，分析得到的精度可以满足要求1 16 】；2 0 0 0 年，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到1 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，在各专题报告的基础上，经项目综合组反 郑州大学硕士学位论文 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【1 7 1 。2 0 0 2 ，李晓峰等采用层次分析和自回归模型 对城市生活需水量进行预测，并应用于成都市的生活需水量预测，模型精度较高【1 8 1 ， 该模型先将原始数据序列加工成一个白噪声序列处理，因此，可以对任何一个用水 过程进行模拟，且预测速度快，精度较高，但是预测周期短，所采用的数据单一， 只能给出下一周期需水量的预测值，且无法进行合理的误差估计。目前，该模型改 进形式有a r m a ( p ，d ，q ) 模型和a r m a ( p ，d ，q ) 8 模型，用计算机动态建模，预测 速度快，适用于时预测、日预测和年预测，以及对用水过程进行模拟；杜国明利用 改进的快速二阶b p 神经网络方法预测用水量【1 9 】；刘洪波等采用三角函数法预测需 水量 2 0 l ；2 0 0 3 年，b 义惠，赵洪宾等，应用r b f 网络预测模型预测城市需水量， 利用径向基函数建立了日用水量的动态预测模型，该模型考虑了城市用水量的气温、 阴晴状况以及节假日等的影响【2 l 】；2 0 0 4 年，阮本清，魏传江在首都水资源安全保 障体系建设中，建立了水资源农业生产函数、工业生产函数、及城镇居民生活蓄 水函数【2 2 】；王弘宇，马放等针对常规g m ( 1 ，1 ) 模型在中长期城市生活需水量预测中 出现的预测年份越远，预测意义就越弱的不足，建立了灰色新陈代谢g m ( 1 ，1 ) 模型， 该模型一方面继承了常规g m ( i ，1 ) 模型的优点，另一方面它能够将进入系统的扰动 因素及时考虑进去【2 3 】；同时，根据灰色理论原理，还可以建立应用于增长速度有变 化的灰指数模型，应用于处理有季节变化数据或噪声数据的灰色拓扑模型，以及能 包含多个用水量影响因素的g m ( 1 ，n ) 模型等；刘勇键，沈军等，针对b p 网络收敛 速度慢，易陷入局部极小的问题，提出了改进的基于遗传一神经网络的城市需水量 预测模型 2 4 1 ；2 0 0 5 年，刘俊良等应用系统动力学模型预测城市生活需水量，系统动 力学模型是按照系统动力学原理建立起来的数学模型，借助计算机进行模拟，以处 理随时间变化的系统问题，它的本质是一种条件预测，一种反馈，可以在缺乏基础 数据、难以建立表达式的情况下进行预测，它通过对系统反馈机制作用进行分析建 立模型，分析过程复杂，工作量极大，对预测者的专业知识，实践经验、系统的分 析建模能力都要求较高，但是该模型系统性较强，预测精度高，有较高的应用价 值【2 5 l 。 1 2 3 常用需水预测方法的特点分析 在世界各国水利专家、学者的共同努力下，需水量预测的理论和方法研究都取 得了长足的进展，且在社会经济和科学技术高速发展过程中不断发展和完善，取得 了很多有价值的成果。这些成果不仅在提高经济效益和社会效益方面发挥了重要作 6 郑州大学硕士学位论文 用，而且在理论和应用上也有众多创新。 现有的需水量预测方法可以分为两大类，数学模型法和定额法。数学模型方法 根据对数据处理方式的不同分为三类：时间序列法、结构分析法和系统方法。时间 序列法是依据预测对象的统计数据，找出其随时间变化的规律，建立时序模型，以 推断未来数值，分为确定型及随机型两种，确定型有移动平均法，指数平滑法，趋 势外推法，季节变动法；随机型有马尔可夫法和博克斯一詹金斯法( b - j ) 。结构分 析法是从研究事物各影响因素及其关系出发，建立预测对象与影响因素之间的关系 模型，通过分析影响因素的变化规律间接反映预测对象的变化规律，有回归分析法， 工业用水弹性系数法，指标分析法。系统方法是用系统科学的观点，把预测对象的 变化视为一个动态的系统行为，通过研究系统的结构，构建系统模型，对未来值进 行预测，有灰色方法，人工神经网络方法及系统动力学方法。另外，还有水资源规 划中广泛采用的定额法，它是以综合用水定额来进行用水量预测的一种微观预测方 法。 根据预测步长的长短，需水量预测方法又可以分为长步长预测和短步长预测。 随着预测步长的增加，会有不同的扰动因素不断加入到系统中，各种预测方法的误 差会有所增加。时间序列法是用历年的用水量数据，离预测年最近的几个数据对预 测结果影响较大，所以这种方法步长不宜太长；而结构分析法和系统方法是通过研 究整个用水系统的特点和结构建立起来的，所以可以用于长步长的预测嘲。 上述的各种方法都有其自身的特点，简要归纳如下： ( 1 ) 回归分析方法、系统动力学方法，都是从用水系统的内部结构和特点出发， 考虑的影响用水量的因素相对更为全面、充分和客观，比较适合于需水量的中长期 预测。回归分析方法对自变量的选择要求比较高，对历史数据准确性要求也比较高。 由于规划的目的是除了认清当地水资源开发利用现状及存在的问题外，更重要的是 为决策提供参考依据，指导下一阶段的供水、用水规划和管理，要求的预测精度更 高，考虑因素要更全面，因此，总体而言，这两种方法就相对更为适合。 ( 2 ) 灰色模型所需数据量不大，在数据缺乏时十分有效。它的实质是反映一种 需水量的发展趋势，预测效果在很大程度上取决于历史数据的特点，因此，在用水 数据波动较强的时期，不宜采用该模型。但是由于该方法不受样本容量的限制，就 可以在历史数据序列中重新选择有效的数据建模，而且该方法可以根据用水数据的 特点，构造不同的预测模型，适用于城市时、日、年需水量预测，但是预测周期不 宜过长。 7 郑州大学硕士学位论文 ( 3 ) 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e r v en e t w o r k ) 理论是8 0 年代后期在世界 范围内迅速发展起来的一个前沿研究领域，具有很强的鲁棒性和容错性，善于联想、 概括、模拟和推理，具有很强的自学习能力，善于从大量统计资料中分析提取客观 统计规律【2 7 1 。它是采用物理可实现的系统来模仿人脑神经细胞的结构和功能的系统。 美国神经学家h e e h t n i e l s e n 给出如下定义，人工神经网络是由多个非常简单的处理 单元按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统是靠其状态对外部输入信息 的动态响应来处理信息的【2 s 】。它是在给定大量输入腧出信号的基础上，建立系统非 线性输入输出模型，对数据进行并行处理。它具有高维性，并行分布处理，白适应、 自组织、自学习等优良特性，为一些传统方法所难以解决的问题提供了一条途径f 2 9 】， 但是应及时充分地输入数据更新系统，防止“知识”老化造成误差。其中b p 算法( 误 差逆传播学习算法) 是神经网络重最重要的一种学习方法，是一种黑箱模拟，自由 结构，没有模型，适合一些复杂问题的建模，应用范围较为广泛【l7 1 。对于短期需水 量预测，由于干扰因素较多，要得到显式的预测模型难度较大，a n n 方法较为适 宜。 ( 4 ) 时间序列方法的基本思想是基于这样一个前提假设：除了一些不规则变动 外，过去的时序数据存在某种基本形态，而这种基本形态在短期内不会有太大改变， 可以作为下一期预测的基础1 3 0 l 。因此，应用该方法时，认为其近期数据包含了极其 重要的预测信息，更适用于短步长预测；当基本结构有不连续变化时，应对模型进 行适当的修正，特别是自回归移动平均模型( a r m a ) 法，它综合了移动平均和自 回归模型的优点，通过分析相应的数学模型，从本质上认识动态数据的内在结构和 特性，可以实现对需水量的非线性描述，具有较强的信息综合能力和容错性，可以 进行实时的学习修正。由于该模型可以把实际数据以及系统的扰动因素及时地输入 到计算机中，由计算机动态地完成建模一预测一再建模一再预测的过程，所以比较 适合于优化调度时所需要的时需水和日需水预测，对于长周期的需水量预测，由于 受用水政策，节水措施的影响，则不宜采用该方法。 ( 5 ) 定额法是目前水资源综合规划等预测工作中采用最广泛的方法，该方法通 过对历史数据的综合分析，确定各种用水定额，具有一定的通用性，对于长期的需 水量预测而言，由于影响因素较多，很难准确预测和确定用水定额，所以预测的精 度一般不是很高。 1 2 4 需水量预测研究的特点及存在的问题 2 0 世纪7 0 年代以来，需水量的预测工作，无论是以地区和城市，以水资源规 郑州大学硕士学位论文 划为目的的中长期预测，短期预测，还是为用水系统实施优化控制而进行的日预测 和时预测都取得了很大的进展，同时预测方法也有了一定的发展和完善。但是，总 体而言，一方面，对需水量理论的应用条件，应用范围研究还不太充分；另一方面， 由于预测理论，甚至数学方法的限制，造成短期预测过分依赖历史数据，基本采用 纯数学的方式，对现有的经验应用不足；长期预测主要采用指标法，几乎全经验化， 过分依赖专家们的主观经验和判断，缺乏定量的分析依据。 特别是基于驱动因子影响的需水量预测研究的相对较少，现有的研究成果也不 太完善，难以给实际的水资源规划和配置提供准确可靠的指导。而且，现阶段的实 际应用中，也存在一些明显的不足： ( 1 ) 在方法的选择上，目前需水量预测方法比较多，且都有其自身的特点、应 用条件、应用范围，但是，如何针对不同地区，不同要求，选择最优的方法进行需 水量预测，还有待进一步研究。 ( 2 ) 在预测模型选择和模型参数确定时，没有能够充分地将各地的人口、环境、 科技水平、经济结构、水价、政策、用水水平和用水习惯的差异、水资源约束等影 响定量考虑到模型中，而采用一种无约束的需水预测思路，对水资源实际供给能力 和本地区的水资源实际承载能力约束考虑不足，导致对需水的变化考虑不足，模型 与实际情况存在一定的偏差，造成需水量预测结果普遍偏大，预测都过于“超前”。 ( 3 ) 虽然已有的研究成果中，有多种方法可以对驱动因子进行研究，但大多是 在定性或者是粗略定量分析的基础上对工业、农业、生活需水量驱动因子的辨识， 缺乏对驱动因子影响程度较为准确的定量研究； ( 4 ) 对各显著影响驱动因子可以进行多种曲线拟合和预测，并根据一定的标准 选择相对较优的模型，但是，如何针对研究区域的具体发展情况，选择效果最适宜 的模型，也是一个急待解决的问题。 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 主要的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对郑州市水资源开发利用现状进行了系统分析，指出了水资源开发利用中 存在的问题。 ( 2 ) 在分析用水系统的内部结构和特点的基础上，寻找影响需水量的各种可能 因素，确定影响农业、工业、生活需水量的驱动因子，并研究定量辨识主要驱动因 9 郑州大学硕士学位论文 子及其影响程度的方法。 ( 3 ) 结合郑州市的实际情况，采用回归分析方法预测郑州市不同水平年的工业、 农业、生活需水量，为郑州市的水资源综合规划提供科学的参考依据。 ( 4 ) 对需水量预测结果进行供需平衡分析，估计各规划水平年的供水满足程度， 计算余缺水量，缺水程度，并分析当地水源和南水北调中线工程供水满足郑州市水 资源需求的程度，根据供需状况提出对策建议。 ， 1 3 2 研究的技术路线 根据本文拟定的研究内容，总体上采用理论分析和应用研究相结合的研究方法。 研究的技术路线如下： ( 1 ) 对郑州市进行实地调研，了解实际的社会经济发展状况，水资源利用情况， 分析水资源开发利用中存在的问题，研究其用水规律； ( 2 ) 分析郑州市供水、用水系统的本质和特点，需水量的构成，并结合当地的 实际情况，按照不同用途分类，分别分析工业、农业、生活用水系统中影响实际用 水量的因素，初步确定影响需水量的主要因素； ( 3 ) 采用灰色关联分析和相关分析相结合的方法定量分析工业、农业、生活需 水量各驱动因子的影响程度，根据驱动力的大小辨识出各系统的主要影响因素，即 主要驱动因子； ( 4 ) 结合郑州市水资源开发利用的实际情况，利用回归分析方法预测郑州市 2 0 1 0 年、2 0 1 5 年、2 0 2 0 三个水平年的工业、农业、生活需水量； ( 5 ) 分别对郑州市2 0 1 0 年、2 0 2 0 规划水平年的水资源进行供需平衡分析，考 虑新建供水工程和南水北调中线工程能否按时发挥效益，将供水情况分为四个不同 方案，分别考虑不同方案下各规划水平年的供水满足程度、余缺水量、缺水程度。 ( 6 ) 根据供需平衡分析的结果，对比分析了当地水源和外调水源满足郑州市水 资源需求的程度，针对存在的问题，为郑州市水资源综合规划、管理提出建议和对 策，供决策参考。 1 0 郑州大学硕士学位论文 第二章郑州市水资源及其开发利用现状分析 2 1 郑州市的自然地理状况 2 1 1 地理位置 郑卅i 市位于河南省中部偏北，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原， 是河南省政治、经济、文化、科技、商贸中心。陇海、京广两大东西、南北铁路干 线在此交会，1 0 7 、3 1 0 两条南北、东西国道，京珠、连霍高速公路穿境而过，拥有 亚洲最大的列车编组站和全国最大的零担货物转运站。郑卅i 全区东西最大横距 1 6 6 k m ，南北最大纵距7 5 k m ，辖6 市一县，五个区，总面积7 4 4 6 3 k i n 2 ，其中市区 1 0 1 0 3 k i n 2 ，建成区面积2 6 2 o k r a 2 。 2 1 2 地形地貌 郑州地区地形比较复杂，地势西南高，东北低。西南部登封市境玉寨峰海拔高 达1 5 1 2 m ，中部郑上路北侧为邙山与嵩萁山的山前平原，海拔高达l l o 1 1 5 m 左右， 东部平原地势平坦，海拔高程只有7 0 9 0 m ，境内高低相差1 4 4 2 m 。全市山区面积 2 3 7 5 4 k m 2 ，占总面积的3 1 9 ；丘陵区面积2 2 5 6 2 k i n 2 ，占3 0 3 ，平原面积 2 8 1 4 7 k m 2 ，占3 7 8 。 郑州根据地貌特征和成因，全市可划分为5 个地貌小区，东北平原洼区、东南 沙丘垄岗区、冲积倾斜平原区、低山丘陵区、西南部群山区。东北平原洼区从郑州 北郊邙山头起，沿京广路至市区，再东南与中牟卢医庙、黄店联线以东以北，该区 水利条件优越，是全市渔业生产基地：东南沙丘垄岗区为沿京广铁路以东至郑州、 黄店联线地区；冲积倾斜平原区为沿京广铁路以西，西南山地丘陵以东地区；低山 丘陵区包括登封，巩义、新密大部，荥阳南部，市区北部黄河南岸，以及市区西南 和新郑小乔、千户寨以西地区；西南部群山区主要指登、巩、荥、密、新五市边界 之间，由嵩山、箕山、五指岭诸山组成【3 。 2 1 3 水文地质及土壤 郑州市水文地质分为四个分区，篙箕山侵蚀构造中低山裂隙岩溶水水文地质区、 伊洛河断陷盆地冲洪积孔隙水文地质区、篙箕山前冲洪积倾斜平原孔隙水水文地质 区、黄河冲积平原孔隙水水文地质区。全市土壤分为四类：潮土、盐碱土、褐土和 棕壤土，其中褐土占全市面积的5 6 5 ，其次是潮土，占2 9 3 。 郑州大学硕士学位论文 表2 - 1 郑州市水文地质分布情况表 面积 占全市总匾 序号分区名称 分布位置 ( k i n 2 )积) 篙箕山侵蚀构造中低山裂 登封全部。巩义南部，荥阳西南部，新密 l 2 9 2 6 53 9 3 隙岩溶水水文地质区山区 伊洛河断陷盆地冲洪积孔 2 1 3 4 0 1 8 巩义西北部南河渡及康店乡 隙水文地质区 篙箕山前冲洪积倾斜平原 荥阳，新郑，中原区大部。巩义北部新密 32 7 9 9 83 7 ，6 东部，邙山区西部二七区西部及中牟县 孔隙水水文地质区 两南部 黄河冲积平原孔隙水水文 金水，管城区全部，邙山区东部及中牟大 4 1 5 8 6 02 1 3 地质区部 2 1 4 水文气象条件 郑州市属于温带大陆型半干旱季风区，四季分明，最高气温4 3 ，最低气温1 7 9 ，多年平均1 4 2 1 2 。全市平日照率为5 2 ，平均年日照时数为2 1 8 9 5 2 3 5 2 2 小 时。降水量时空分布不均，年际变化大，最大年降雨量1 0 5 4 2m i l l ，最小年降水量 3 8 4 8 m i l l ，多年平均年降水量6 3 5 6 m n ( 1 9 5 6 - 2 0 0 0 ) ，汛期7 9 月三个月占年降水 量的6 0 左右，而且降雨面上分布很不均匀，总体上是呈由南向北逐渐递减的趋势， 淮河流域大，黄河流域小。全区多年水面蒸发量总的趋势为自北向南逐渐递增，多 年平均的变化范围大致在8 5 0 1 0 5 0m i n 之间，市区蒸发量达1 1 1 2 0m m l 3 2 。 2 1 5 河流水系 郑州市地跨黄河、淮河两大流域，总面积7 4 4 6 3k m 2 。黄河流域包括巩义市、 上街区全部，荥阳市、邙山区一部分及中牟县、新密市、登封市一少部分，面积 2 0 1 1 8 k m 2 ，占全市总面积的2 7 ；淮河流域包括新郑市、中原区、二七区、管城区、 金水区全部，新密市、登封市、荥阳市、中牟县和邙山区的大部，面积5 4 3 4 5k m 2 ， 占全市总面积的7 3 。全市有大小河流1 2 4 条，流域面积较大的河流有2 9 条，其中 黄河流域6 条，淮河流域2 3 条。过境河道有黄河、伊洛河，多年平均过境总水量 4 4 4 1 亿m 3 ( 黄河花园口站) ，其中伊洛河过境水量3 1 4 亿m 3 ( 黑石关站) 3 h 。