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城镇用水量预测方法研究及制定合理水价的探索 摘要 用水量预测和水价是水资源管理的两个重要内容。文章的第一部分分析了 用水量预测方法的研究现状，总结了生活用水、工业用水、农业灌溉用水等不 同用水部门中的用水量预测模型。在概述目前常用的用水量预测方法的基础上， 对各方法的优缺点和适用性进行探讨。考虑到用水序列的非线性特性，本文提 出基于人工神经网络的用水量预测模型，实例分析表明，该方法达到较高的预 测精度。 合理的水价包括三个组成部分：资源水价、工程水价和环境水价。文章的 第二部分综述了国内外水价的研究概况，对水价的确定原则和制定方法进行说 明。并结合我国实际情况，给出水价三个组成部分的计算公式，并提出一种供 水工程水价的动态计算方法，该方法充分考虑逐年供水费用的变化，体现了资 金的时间价值和市场经济的特点。 关键词：用水量预测人工神经网络资源水价工程水价环境水价 r e s e a r c ho nf o r e c a s t i n gm e t h o d s o fu r b a nw a t e rd e m a n d a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fr e a s o n a b l ew a t e r p r i c e a b s t r a c t w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n ga n dw a t e rp r i c ea r et w oi m p o r t a n tp a r t so fw a t e r r e s o u r c e sm a n a g e m e n t i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , t h es t a t u si nq u oo ff o r e c a s t i n g m n h o d si s a n a l y z e d ，a n d t h e f o r e c a s t i n gm o d e l s f o r r e s i d e n t i a l ，i n d u s t r i a l a n d a 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 a r es u m m a r i z e d t h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n d a p p l i c a b i l i t yo fn o r m a l l yu s e df o r e c a s t i n gm e t h o d sa r ea l s od i s c u s s e d c o n s i d e r i n g t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rd e m a n ds e r i e s ，af o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e d t h em o d e lr e a c h e dt h eg o a lo f h i 酿p r e c i s i o n t h ep r i c e sf o rw a t e rr e s o u r c e s ，w a t e rs u p p l yp r o j e c ta n dw a t e re n v i r o n m e n t e s t a b l i s har e a s o n a b l ew a t e rp r i c e i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e sa n d m e t h o d sf o rw a t e rp r i c ee s t a b l i s h m e n ta r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ef a c t u a ls i t u a t i o no f o u rc o u n t r y , c o m p u t a t i o nf o r m u l a ef o rt h et h r e ep a r t sa r ed e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l y p a r t i c u l a r l yad y n a m i cc o m p u t a t i o n m e t h o di sp r e s e n t e dt oc a l c u l a t et h ew a t e r p r i c e f o rw a t e rs u p p l yp r o j e c t y e a r l yc h a n g e si nw a t e rs u p p l yc o s ta r ec o n s i d e r e d ，a n d t i m ev a l u ef o rc a p i t a la n de c o n o m i c a lm a r k e tt r a i t sa r ei n c l u d e di nt h i sm e t h o d k e y w o r d s ：w a t e rd e m a n d f o r e c a s t i n g w a t e rr e s o u r c e sp r i c e s e n v i r o n m e n t a lw a t e r p r i c e s a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k p r o j e c tw a t e rp r i c e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包禽其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签哿妇譬字嗍渤睁，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒a b 工些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门缄机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目b 工些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者魏曩哥、更 签字日期：加簪f 月? 日 学位论文作者毕业后去向j 导师签名：终修f 吃 签字日期：m 年f 月日 j 电话： 邮编： 致谢 本论文是在徐得潜教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 展开到最后的定稿，都付出了他大量的心血，作者表示由衷的感谢。 在将近三年的学习中，导师扎实深厚的理论知识，严谨求实的治学 态度，诲人不倦的良好风范，值得作者终生学习。在授业解惑的同 时，徐老师对学生生活和学习的各个方面予以无微不至的关怀和照 顾，作者再次表示深深的谢意。 本文的顺利完成离不开土木建筑工程学院许多老师和同学的帮 助，在此特别感谢陈慧老师的指导，感谢她给我如朋友般亲切的鼓 励与支持。 感谢父母的养育之恩，他们艰苦耐劳的精神、淳朴善良的品德 是作者一生的榜样。 作者：张乐英 2 0 0 4 年4 月 第一章绪论 1 1引言 水是人类赖以生存的基础，没有水，就没有生命。 随着经济建设的发展、产业和人1 2 1 的增加，我国城市、工业、农业各方面 用水量都在迅速增长，缺水城市和地区的范弱日益扩大。2 0 世纪9 0 年代末，全 国每年缺水量近4 0 0 亿m 3 ，其中农业每年缺水3 0 0 多亿m 3 ，平均每年因旱受灾 的耕地达4 亿多亩，年均减产粮食2 0 0 多亿公斤；城市、工业年缺水6 0 亿m 3 ， 造成工业损失年产值超过2 3 0 0 亿元；农村还有2 4 0 0 多万人饮水困难。全国 6 4 0 个城市中有3 3 3 个城市缺水，其中严重缺水的有1 0 8 个 2 1 。 水污染是我国面临的又一严峻的问题。全国年排放污水量近6 0 0 亿吨，其 中约8 0 未经处理直接排入水域。在全国调查评价的7 0 0 多条主要河流中有近 5 0 的河流，9 0 以上的城市沿河水域遭到污染，5 0 以上的重点水源地不符合 饮用水标准口1 。 缺水、水污染已经对我国的经济建设构成了严重的威胁i4 1 。两大问题的成 因除自然因素外，人为因素的影响尤为突出，如用水浪费、用水不讲效益、违 背资源管理的基本市场法则和运作规律等等。而确定合理的用水量以及制定出 适宜的水价已成为解决这些问题的关键。 1 2 用水量预测方法概述 1 2 1 研究用水量预测方法的目的和意义 随着城市用水量的高速增长和水资源的日益短缺，水资源规划和供水系统 的优化调度变得越来越重要，作为供水管理前提和基础的用水量预测方法的研 究也得到了快速的发展。城镇用水量预测是根据过去的资料，考虑今后用水趋 势、经济条件、人口变化、水资源情况、政策导向等因素，预计城镇将来某一 阶段的可能用水量口】。通过用水量的预测工作，我们可以预测1 0 、2 0 、甚至是 3 0 年后的用水量，然后制定近期、中期、远期的用水计划，为水资源的政策研 究提供资料。可以说，预测工作是水资源管理中掌握未来发展趋势的关键。而 合理预测城镇规划期限内的用水量，使其与城镇发展实际相接近，对城镇今后 的建设和发展具有极其重要的意义。 通过预测未来的用水量，一方面我们可以大致估计城市和农村的缺水量， 着手寻找解决方案，减少经济损失。另一方面，用水量预测是水资源管理规划 的重要内容。我国水资源开发利用分好几个部门，如不做好预测工作，就难以 制定中长期水资源开发利用的总体规划和供水规划，就会影响国民经济计划的 实现。所以预测用水量，无论在经济效益上还是宏观调控上都有重要意义。 表1 - - 1 用水量预测方法的分类【6 】 移动平均法 一次指数平滑法 布朗单一参数指数平滑法 指数二次指数平滑法 霍特双参数指数平滑法 平滑法 布朗单一参数指数平滑法 三次指数平滑法 温特线性季节性指数平滑 确定型多项式模型 趋势指数曲线模型 时间 外推法对数曲线模型 序列法生长曲线模型 季节性水平模型 季节变动法季节性交乘趋向模型 季节性迭加趋向模型 一重链状相关预测 马尔可夫法 模型预测 随机型自回归模型a r 博克斯 移动平均模型m a 詹金斯法 白回归移动平均模型a r m a 回归 一元线性回归分析 多元线性回归分析 结构分析法 分析法 非线性回归分析 工业用水弹性系数预测法 指标分析法 灰色预测方法 系统方法人工神经网络方法a n n ( 以b p 模型为代表) 系统动力学方法 1 2 2 用水量预测方法的研究现状 用水量预测在城市建设规划、供水系统的调度管理中都具有重要作用。常 用的预测方法可分为两类：一类是解释性预测方法，即找出被预测量的各影响 因素，建立回归分析模型；另一类为时间序列分析方法，它只依赖于被预测量 的历史观测数据及数据模式，通过序列分析，找出其顺序变化规律【7 】o 由于用 水系统的复杂性，目前我们还无法建立一个确定模型对它进行描述，绝大多数 用水量预测方法都是建立在对历史数据的统计分析基础上，不同的只是数据处 理方式及应用特点。根据对数据处理方式的不同，用水量预测方法主要可以分 为：时间序列法、结构分析法和系统方法 6 1 ，具体分类情况如表1 1 所示，该 表全面地总结了目前用水量预测中涉及到的方法类型，对各种方法进行了横向 比较。 根据预测模型对未来的描述能力，即预测周期的长短，用水量预测方法可 以分为单周期预测方法和多周期预测方法。此处提及的周期可理解为时、日、 月、年等时问单位。如以过去的历史数据预测未来一个单位时间的用水量，可 视为单周期预测；预测未来：个以上单位时间的用水量，可视为多周期预测。 一般来说，各种预测方法的预测误差都会随着预测周期的增加而增加，然而， 误差增长速度和抗随机因索的能力有很大差别。 1 3 研究水价目的和意义 水资源是不可替代的自然资源，是有限的。但是由于人口的增加、经济的 发展，工农业和城市对水资源的需求逐年大幅度增长。估计到2 l 世纪中叶，我 国水资源需求总量将增加到8 0 0 0 亿立方米左右。因而，若不采取有效措施，我 国的水资源供需矛盾将日益尖锐；我国约有1 3 以上的工业废水和9 1 0 以上的 生活污水未经处理就排入河湖，其负荷远远超出了河湖自身的自净能力，水资 源污染严重：另外，水管单位连年亏损、水利工程目趋老化、用水浪费十分严 重等都是急需解决的问题。多年的研究与实践表明，适宜的水价可准确反映水 的经济性、稀缺性和社会承受能力，是水资源有效配置和鼓励节约用水的有效 方法。在社会主义市场经济条件下，水资源合理定价已成为解决我国水资源问 题的关键措施，它对水资源利用和支持可持续发展起着重要作用。 围绕合理的水价制定思想，我们在观念上要改变现有计划经济方式的用水， 改变城市低价用水、农村无偿用水的旧体制。另外，还要利用市场手段调节水 价，使用者要缴纳的水费既要体现水资源费、也要包括供水、排水和污水治理 的费用，达到利用经济杠杆促进水资源的节约与保护的目的。即水价的水资源 管理作用。它可以简单定义为：应用市场经济的价格杠杆作用，通过价格手段 调节水资源的供需关系，达到资源管理的目的。 确定合理的水价，具有以下几方面的重要意义：合理的水价是实施可持 续发展战略的客观需要；是提高企业管理水平、技术水平、经营水平及促进 合理消费、节约用水的重要手段：是调节国民收入的一种杠杆。合理的价格， 有利于正确处理国家与地方、企业与个人的利益关系，增加国家收入，促进环 境保护和有计划地开发利用资源；确认水资源有价值、有价格，是将其纳入 国民经济核算体系的前捌8 。 1 3 1 国外水价概况 目前，国际上较流行的水价体系有：与用水量无关，边际成本为零的统一 水价；单位水价不变的同定水价；用水量越多、单位水价越高的累进水价和用 水量越多、单位水价越低的累退水价；还有由基本水费和计量水费构成的两部 制水价以及随水资源丰枯变化的季节性水价等。 表1 2 选择了具有一定代表性，涉及不同自然、气候和经济条件的若干典 型国家，反映了各国水价的变化情况。它是针对农业、生活和工业用水按1 9 9 6 年美元汇率计算出来的。 表1 2 典型国家的水价情况 农业用水生活削水工业用水 国家 基本水价计量水价基本水价计量水价基本水价计量水价 每公顷每年 m 3每户每年m 每厂每年i n 澳火利亚o 7 5 2 2 7o 0 1 9 59 1 6 2o 2 3 o 5 47 8 2 法国0 1 l 0 3 90 3 6 2 5 80 - 3 6 2 1 6 0 0 0 1 7 加拿大 6 6 2 3 6 6 50 - 3 4 1 3 60 1 7 1 5 2 0 0 0 1 9 意大利2 0 9 8 7 8 1 60 1 4 08 2 o 们2 4 美国 0 ，0 4 3 8 0 0 0 9 5 英国 1 5 2 1 7 1 0 0 2 4 8 资料来源：1 9 9 7 年国际货币基金组织的国际财务统计资料。 在水价构成中，一些发达国家征收水资源费：大多数国家征收污水处理费： 关于成本的回收，绝大多数国家主要考虑运行管理费，投资费用的回收，各国 存在较大差异。 美国联邦农业水价未完全按商品原则定价，采取了维持供水简单再生产的 基本原则，充分考虑了农民对水价的承受能力。其城市和工业用水水价包括所 分摊的基建投资、基建投资的利息及全部运行维护费。中央河谷工程大多数城 市及工业用水承包者的水价为0 0 0 7 0 0 3 2 美元m 3 ，后来增加的部分承包者水 价为0 0 3 6 0 0 4 1 美元m e 。 日本生活用水的水费包括取水费、折旧费、利息、药品费用、维修费、动 力费、工作人员工资及其他；工业用水水费包括药品费、修缮费、动力费、工 作人员工资、折旧费及其利息；农业水费是由土地改良区费、水利组合费、水 泵组合费等项构成。 英国供水费用由水资源费和供水系统的服务费两部分组成。英国公共供水 道的收费采用两种方法，即计量收费和非计量收费。计量收费是根据所用水量 缴纳费用，包括供水水费、排污收费、地面排水费和环境服务费等；非计量收 费主要指居民用户、商业和第三产业用户，收费内容包括供水、排水和环境服 务费。 法国的水费主要包括各流域制定的水资源费、污染费、税费及有关成本等。 澳大利亚在确定水价构成时，主要考虑：水管理活动及其成本，包括水 资源管理和调节的成本以及提供服务的成本；成本回收；成本分摊。成本 应按用户的受益程度或影响程度分摊。水管理成本的分摊由各州自行决定。 南非水费一般包括：水资源管理费、水资源保护费、供水工程建设维护费 用、实现公平和有效分配水源的费用等。其中的水资源费和水污染防治费，根 据不同地区、不同性质用途、不同用水户而有所区别。 1 3 2 我国的水价情况 表1 - - 3 列出了全国部分城市的自来水价情况。自2 0 世纪9 0 年代以来， 全国各城市加大了水价调整工作，目前的平均水价多接近于1 5 0 2 0 元，m 3 。 从水价的构成看，主要是向供水工程水价靠近，离全成本水价还有相当的距离。 表1 3 全国部分城市的自来水价格 泌 北京上海广州兰州啥尔滨天津济南成都 水价( 元m 3 )1 6 0 1 5 10 ，9 00 6 510 02 4 81 7 5 1 5 1 年| 月9 9 0 0 0 89 6 0 79 9 0 19 7 0 10 1 0 9o o 1 0o o 续表1 - - 3 l 郑州张家口厦门长春大连深圳青岛泰安甯尿烟台 i 8 0 2 0 82 0 02 0 01 8 01 7 71 6 01 8 12 2 512 7 l 0 0 1 1o o 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 0o o 1 0o o 1 00 0 0 10 0 0 39 7 1 0 我国水资源价格研究始于8 0 年代初，主要从维护水利工程正常运转角度 出发研究如何计收水费，同时部分地涉及到如何从水效益的角度计收水费，这 方面的工作以水电部和水科院水资源所的研究为代表。8 0 年代末9 0 年代初，水 资源价格的探讨逐步深入到水资源本身价值的研究，这以姜文来、谷树忠、李 金昌、王华东、刘文等先生的研究成果为代表【1 0 1 。 我国的水价实施过程的四个阶段为：无偿供水阶段、低标准水费阶段、成 本收费阶段u ，成本加利润收费阶段。 从1 9 4 9 年到1 9 6 4 年为无偿供水阶段，在此期间，全国兴建了大量的水利 工程，水利管理单位的经费和工程维修费由国家拨款解决。1 9 6 5 年颁布的水 库工程水费征收、使用和管理试行办法逐渐结束了无偿供水阶段，开始推行 低标准供水水费制度。1 9 8 5 年7 月2 2 日颁布的水利工程水费核定、计收和管 理办法使我国的水利工程供水由低标准收费阶段，进入了有偿供水、核算成 本、按量计费的新阶段。然而，一直到1 9 9 7 年水利产业政策出台后，规定农业 水费按成本核定，工业水费及城镇生活用水水费按成本加利润核定，其中自来 水厂水价含一部分污水处理费，水价格才进入商品价格系列。2 0 0 0 年8 月，国 家计委、财政部、农业部在联合发文( 财规 2 0 0 0 】1 0 号) 中迸一步明确水费为盈 利性收费，水价真正具有了市场经济下的价格概念。 我国在水价制订中过多地考虑了成本因素，而忽视了资源因素。2 0 0 0 年 1 0 月，汪恕诚部长提出水价应包括资源水价、工程水价和环境水价【l m 。资源水 价既考虑对水资源的开发和使用，还考虑了对水资源的保护。 以上国内外水费实施的概况说明，水费征收制度在逐步地完善，从免费供 水向低收费及合理的方向过渡。另外，对环境的关注也在加大，环境成本逐步 纳入收费范围。所有这些变化都蜕明：水费实旌朝着水资源优化配置和可持续 利用的方向发展。 1 ，4 本课题研究的主要内容 本课题研究的内容主要由两部分组成： ( 1 ) 对用水量预测方法的讨论，在众多的预测方法中，介绍了自回归移动 平均模型a r m a 法、回归分析法、指标分析法、灰色预测法、人工神经网络方 法以及系统动力学方法，对其优缺点及适用性做了详细的说明。考虑到用水量 变化的特性及其变化的非线性特征，本文提出基于人工神经网络的用水量预j 9 1 【| 模型，选取沈阳市自来水厂1 9 9 5 年9 月1 日9 月3 0 日的用水量数据为训练样 本和测试样本，确定了预测精度较高的b p 网络预测模型，进行日用水量的预测。 并对b p 网络的改进与优化设计做了探讨； ( 2 ) 对水价的理论研究，包括水价的构成与计算( 资源水价、工程水价和 环境水价) ，水价制定的原则、方法，并对水价的调整提出几点建议。结合我国 国情，综合考虑资源水价和环境水价，提出面向可持续发展的水价。这一部分 着重介绍了考虑资金的时间价值和市场经济特点的供水水价的一种动态计算方 法。本文通过安徽省某镇的自来水厂的水价构成与计算来具体论述这一过程。 6 第二章用水量预测方法探讨与择优 2 1 用水量预测的特性和要求 用水量负荷既有一定的规律性，又有很强的随机性，未来某一时刻的用水 量负荷，通常与过去的负荷水平、当前的运行状况、预测期的气象因素以及日 期类型等密切相关。因此，提出预测模型必须考虑下述问题1 1 3 j ： 1 ) 模型应能反映负荷随着年、季节、星期及一天2 4 h 周期性波动的特点； 2 ) 模型应能反映负荷自然增长的内在规律； 3 ) 模型应能反映气温、日照等气象因素的影响： 4 ) 近期负荷变化趋势比早期负荷变化趋势对未来负荷变化的影响更加明 显，数学模型应该能反映出这种“近大远小”的规律； 5 ) 对节假日期间的负荷应建立专用预测模型，并且能够根据现场需要，提 前对节假日期间的负荷进行预测： 6 ) 模型应能适应在线应用的需要。 2 2 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部门性质可分为生活用水预测、工业用水预测及 农业用水预测三个方面，可以具体描述如下： 2 2 1 生活用水预测 生活用水包括城镇生活用水和农村生活用水。 生活用水量的预测方法有综合分析定额法、趋势法和分类分析权重估算法， 在预测时，可根据实际情况选用一种为主，其他方法进行检验、校核。 城镇生活用水在一定范围之内，其增长速度是比较有规律的，因而可以用 综合分析定额方法推求未来用水量。此方法考虑的因素是用水人口和用水定额。 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，考虑不同水平年城镇居民生活水平的改善和提高程度，拟定其 相应的用水定额。计算公式如下： 阡名= r ( 1 + 占) “k ( 2 - 1 ) 式中：形广一某一水平年城镇生活用水总量； 只现状人i s 数； 5 城镇人口年增长率： 月预测年数： k 某一水平年拟定的城镇生活用水综合定额。 农村生活用水中农村人口用水预测与城镇居民生活预测相似，也可采用综 合分析定额法计算。农村牲畜用水，在预测过程中，按大小牲畜的数量与用水 定额进行计算。 目前我国城市和农村人口日常生活用水标准是较低的。据各地调查分析瞵1 ： 一般大城市人均用水量为1 0 0 1 5 0 l d ，最高为2 0 0 2 5 0 l d ，最低为7 0 1 0 0 l d 。中小城市用水量较低，一般为5 0 8 0 l d 。北方居民用水明显低于南方。 国外一般大城市人均用水2 0 0 3 0 0 l d ，最高为6 0 0 l d 以上，最低为1 0 0 l d 以 下。 随着我国城市化、农村乡镇化的发展和人口的增长，城镇生活用水将急剧 增加，估计未来全国平均每年增长速度为1 3 【l ”。若实施节水措施和加强 科学管理，增长速度可能减缓些。 2 2 2 工业用水预测 工业用水预测是项很复杂的工作，涉及因素很多。工业用水的变化不仅 与国民经济发展计划有关，而且与水资源状况，用水管理、节水水平有很大的 关系。由于资料和信息条件限制，目前尚不能按行业分类和产品细目给出用水 指标。虽然正确预测未来工业用水量还有诸多困难，但在研究工业用水的发展 过程、分析工业用水的现状和未来工业发展的趋势以及用水水平的变化后，可 从中得出某些变化的规律。目前，趋势预测法、分块预测法、相关法、分行业 重复利用率提高法等是较为常见的工业需水量预测方法【】，这些方法各具特色， 但各有一定的使用条件，如趋势法与相关法适用于具有一定工业基础的城市或 具有一定基础的行业，而分块预测法则适用于需水量有突变或工业用水组成极 不均衡的情况。下面将对重复利用率提高法简要介绍如下。 工业用水量逐渐增加，由于水源紧缺、供水工程不足而导致供水不足，提 高水的重复利用率是行之有效的措施。重复利用率提高法的计算公式为m 1 ： w j z = x q 2 ( 2 2 ) q 2 = q l 【1 一口) “( 1 一r 2 ) ( 1 一叩1 ) ( 2 - 3 ) 式中：缈。工业总用水量( m 3 ) ； x 工业产值( 万元) ； 卵。、仉预测始末年份的重复利用率； q 。、q ：预测始末年份的万元产值用水量，( m 3 万元) ： 预测年数： 盘工业技术进步系数( 各行业不同，目前一般取值范围为 0 0 2 o 0 5 ) 。 该计算公式是由水平衡计算式推导出来的。在推导中有一个假设条件，即 工业产值不变时，相应的总用水量也不变。也即我们是在假定：生产设备不 变，生产工艺不变：用水方式不变的前提下推导出来的。然而在较长的时期 内，任何一个行业的生产设备和生产工艺都会不断革新和进步的。随着工业节 水的深入，提高重复利用率并非唯一的节水措施，从而使原用水方式发生改变。 所以，实际情况中单位总用水量是逐年下降的，显然与假设矛盾，产生误差。 为修正这部分误差，在式( 2 3 ) 中引入误差修正系数卉= ( 卜a ) ”。 我国各地的工业用水定额和用水重复利用率随工业产品、生产规模、工业 结构、供水条件、管理水平的不同而有很大差别。在我国北方及其沿海缺水地 区，工业较发达、管理水平较高的城市万元产值综合用水指标一般在3 0 0 m 3 左 右；重工业比较大或管理水平较差、耗永型工业较多的城市万元产值综合用水 指标在5 0 0m 3 以上；由于水源不足，我国某些城市工业用水循环利用率较高， 如大连和青岛市，循环利用率达6 0 7 0 ，部分工业冷却水用海水取代，淡 水平均用水综合定额在1 0 0m 3 1 万元左右。南方多水地区一般城市工业用水定额 较高，不少城市的工业用水调查表明，万元产值的综合用水定额超过了8 0 0 1 0 0 0 m 3 以上。而上海市工业用水重复率达6 0 或以上，综合用水定额只有3 0 0 m 3 左右，这说明不少行业均具有节水潜力，提高水价，加强管理，可以将这种潜 力挖掘出来。 随着科技的进步、水的重复利用率提高，工业万元产值用水量将逐渐减少， 工业节水将大有潜力可挖。当然工业类型不同，如重工业与轻工业，耗水型工 业与高科技工业的万元产值耗水量也有其自身规律，但节水的潜力是普遍存在 的。 2 2 3 农业灌溉用水预测 农业灌溉用水包括农田灌溉用水和林、牧业灌溉用水，是通过蓄、引、提 等工程设施向农田、林地、牧地供水，以满足作物需水要求。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，难以精确预测。 灌溉用水量预测，涉及三个关键指标：各种类型作物的净灌溉定额、灌溉 水利用系数和灌溉面积。定额法的计算公式为： fk 2 二，d q i ( 2 4 ) j = l j = l 式中：噍全区总灌溉用水量： c o ，某一分区某种作物的灌溉面积； m 某一分区某种作物的净灌溉定额： 轨分区灌溉水利用系数。 2 2 4 渔业用水预测 渔业用水包括养殖水面蒸发、渗漏所消耗水量的补充量和换水量，计算公 式为： 5 e ，q j + ，j ，2 tj i 式中：渔业用水量； q 次补充水量； 次换水量； k 、f 补水和换水次数。 ( 2 5 ) 23 几种常用的用水量预测方法 1 几种典型的预测方法包括：自回归移动平均模型a r m a 法；回归分析 法；指标分析法；灰色预测法；人工神经网络方法；系统动力学方法。 下面将分别针对其特性和优缺点展开说明。 2 3 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【1 8 】。一般地，称 y = l y 川+ o2 y f _ 2 + + 中p y f p + e j 一只p h 一0 2 e ，_ 2 一岛p ，一v ( 2 - 6 ) 是阶为( 阢q ) 的a r m a 模型。 a r m a 模型将预测对象时间序列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。然 而，a r m a 模型具有预测周期短、所用数据单一的缺点，只能给出下一周期用 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 ，吐q ) 模型和a r m a ( p ，吐q ) 妒，d ，q ) 8 模型。 23 2 季节性指数平滑法 季节性指数平滑法是一种先把直接量测到的时间序列分解成水平因素、趋 势因素和周期因素三部分，然后再把三者结合起来进行预测的方法。因此，这 种预测方法能有效地反映季节变动对时间序列的影响。 一般用水量时间序列随一天的各小时、一周的各天、一年的各季而变化， 对于标准的天气条件，连续各周同一天的变化特征趋于自身重复的特性。因此， 可建立用水量预测的季节性指数平滑模型。例如，待求的时用水量可表示成非 季节项与季节因子的乘积 2 0 1 ： 2 s t c f s + 7 f2 p f 一1 + l 1 ) c t j + 如 ( 2 7 ) 其中f f 小时用水量； s t 非季节因子； c 季节因子； r 趋势因子； s 季节宽度( 周期内观测值数量) y r 时刻残差项。 式中各因子可通过如下公式递推求得： 耻口丧+ ( 1 川帆川0 a l i = r ( s ，一s ，一1 ) + ( 1 一y ) 一一l 0 ， 1 f c 2 号+ ( 1 一) c o 卢 - j 率v 取o 3 ，动量项系数口取0 9 ，判断训练停 止的条件为：训练次数n i i _ 5 0 0 0 0 或者网络输出误差的平方和e 兰1 0 1 0 。初 始权重在 0 1 ，01 区间随机产生。 ( 3 ) 训练样本的组织：样本共3 0 对，以前2 7 对作为训练样本，后3 对作 为检验样本。样本数据的预处理采用比例压缩法【”】，公式为： 下7 丁= z 。+ 型：字l ( x x 。) ( 3 1 3 ) 一 m i n 式中x 原始数据； x 。x 原始数据的最大值和最小值； t 变换后的数据，也称之为目标数据； t ，。t 椭目标数据的最大值和最小值，这里取t 。a x = o 9 ，t 。i ，= 0 1 ； 网络运行后，数据的还原公式为： yy x = x 。+ 二兰堂；卫生( 丁一z 。) ( 3 1 4 ) i n a x 一w i n ( 4 ) 网络的训练和测试结果：这里判断训练停止的条件为训练次数n i i l ，当e 0( 3 - 1 6 ) 五= 矽， 0( 3 - 1 7 ) a e = e o ) 一e ( t 1 )( 3 - 1 8 ) 这里矿、p 常数； r 训练次数。 ( 3 ) 加动量项。为了加速收敛和防止振荡，在许多文献中都建议引入一个 动量因子a 。 a f a w ( f + 1 ) = 即三= 十a a w 0 ) ( 3 - 1 9 ) o w 式中口动量项系数，通常0 口 o 9 。 引入动量项后，使得权重的调整向着底部的平均方向变化，即动量项起到 缓冲与平滑的作用，有利于改善网络的稳定性，调节网络的收敛速度。 3 5 3 b p 网络的优化设计 目前，人工神经网络还没有形成一套完善的理论与方法，实际中侧重探索 多种模型方案，在试算中不断改进，获得满意的结果。人工神经网络的优化设 计主要包括以下内容： ( 1 ) 网络拓扑结构的设计：包括神经元节点转移函数的选择、隐层及隐层 神经元节点数的确定。建议采用以下方法来确定隐层神经元数：开始使用很 少的隐层神经元数；进行网络训练和测试：不断增加隐层神经元数；比 较不同方案的训练和测试结果，选取合适的隐层神经元数。 ( 2 ) 网络主要参数的确定：包括动量项系数a 、学习率r l 、学习次数n i i 的确定。 ( 3 ) 训练样本的组织：包括样本的选择与处理。样本选择遵循以下原则： 样本足够多；样本具有代表性：样本分布均匀。样本数据的预处理在本 章3 3 中详细介绍了训练样本的组织，对样本数据的预处理以及网络运行后，数 据的还原给出了计算公式。 第四章水价 在通过各种方法得知用水量的具体情况之后，本章将对水管理的另一个重 要内容水价展开讨论。水资源的供需关系是一种经济关系，在社会主义市 场经济的大前提下，它就是一种市场经济关系，而水价就是调整这种关系的杠 杆，对供求关系和开源节流起着至关重要的作用。 4 1 水价的构成 2 0 0 0 年l o 月2 2 日，水利部汪恕诚部长在水利学会年会上提出：水价由资 源水价、工程水价和环境水价三个部分组成。这种提法是合理的，实际上水资 源配置较好的发达国家也都是这样做的。 资源水价的内涵主要体现在三个方面：产权、有用性和稀缺性【4 ”。资源水 价实际上就是指水资源费，是体现水资源价值的价格，它包括对水资源耗费的 补偿：对水生态改变的补偿，如取水或调水引起的水生态变化：还包括促进节 水、保护水资源和海水淡化技术进步的投入。 工程水价就是通过具体的或抽象的物化劳动把资源水变成产品水，进入市 场成为商品水所花费的代价，包括工程费( 勘测、设计和施工等) 、服务费( 包 括运行、经营、管理、维护和修理等) 和资本费( 利息和折旧等) 的代价。具 体体现为供水价格。 环境水价就是经使用的水体排出用户范围后污染了他人或公共的水环境， 为污染治理和水环境保护所需要的代价。其具体体现为污水处理费。在国外这 部分费用一般均采用谁污染谁付费的原则予以征收。在考虑这部分费用时应将 直接污染和间接污染等各类污染形式均考虑在内，还应考虑排污费、污水处理 和水质分析处理费。 4 1 1 确定工程水价和环境水价需要遵循的原则 工程水价和环境水价是在政府通过特许经营管制的不完全市场中的水价： 第一是经营者要政府特许，因此没有足够多的竞争者，形成自然垄断；第二是 特许经营者要受到政府在价格等方面的管制。它的确定大致遵循如下原则 1 2 ： 1 ) 实行容量和计量两部制水价。所谓容量水价就是对净水、给排水和治污 工程设施成本的补偿，这种补偿应根据用户的定额或预定量确定和收取，与用 户实际上用不用水和用多少水无关。 2 ) 实行阶梯式水价。所谓阶梯式水价就是用量越大，价格就越高，对超定 额用水阶梯加价，主要目的是促进节水和减少污染量，以保护短缺的水资源。 若给排水量实现了自动监测，则可实行累进水价。 3 ) 对地下水的保护价。根据优先利用可再生资源的原则，应优先使用地表 水，对地下水实行保护性高价。 4 ) 跨流域调水水价。跨流域调水要逐步改变国家无偿投入的情况，实行工 程建设和经营管理的股份制。调水显然是高价，用户应该主要是生活用水的需 求者( 付不起由政府补贴) 和有承受能力者，如城市和大企业。 5 ) 污水处理价。目前，污水处理费的征收尚不普遍，已征收的仅为o 2 o 3 元m 3 ，不能补偿工程建设的投入，甚至不能保证污水处理设旋的正常运行。 污水处理价一般应确定在o 5 o 6 元m 3 。以后在监测计量许可的情况下，对于 大企业用户也应根据污染率实行阶梯式的污水处理价。 6 ) 海水淡化价。海水淡化的代价很高，目前国内的先进技术达到6 元m 3 的水平，国际上已达到0 6 美元m 3 的水平。对于有条件的地区政府应实行补贴， 并出台其它鼓励性措施，以促进海水淡化技术的开发。 7 ) 实行民主1 力、商制度，增加水价制定的透明度。国外按这一原则组成的水 务委员会被证明是成功的。 8 ) 充分考虑农业用水户的承受能力。制定和提高水价是符合农民的根本利 益的，农民最终也要在缺水和加价二者间作选择，政府的职责就是引导人民作 正确的选择。 另外，对农业水价的调整更应该严格遵循适时、适地和适度的原则，对于 确实负担不起的，也要微提水价，促进节水意识的提高。同时，可以采取政府 按原用量予以相对稳定的补贴，节水后补贴在一段时间内不变。 9 ) 要建立水价提高的预警制度。各地应根据水资源的供求状况，充分在水 务委员会中民主协商，做出水价规划，发出预警，增强各类用户的心理承受能 力。同时，做好设备、技术、资金等准备。此外，水价调整也不宜过于频繁。 1 0 ) 水资源统一管理是合理水价机制形成的保证。主要体现在“加强流域 水资源的统管理、保护”和在城市实现城乡水务一体化管理的水务体制上。 在考虑以上原则的基础上，由流域管理机构或城市水务局，通过水资源供 求平衡的计算制定最优水价的浮动范围，市场调节部分的水价由净水、给排水 和污水处理企业在浮动范围内以“优水优价”的原则定价。 4 2 水价制定原刚 建立科学可行的水价定价原则是建立合理的水价形成机制与水价体系的重 要基础。根据国外经验，应在合理合法的基础上注意以下原则： 1 ) 公平原则或用户可承受原则。在经济社会中，不论是高收入者，还是低 收入者都应当有能力承担支付生活必需用水的费用。同时，在不同的用户之间， 都应当保证每一个用户的支付与其所享用的服务相等。公平原则要求在水价的 制定中考虑用户的支付能力和支付意愿，在某些情况下，要求考虑实施两部制 水价或基本生活水价结构。 2 1 效益原则。效益原则首先要体现经济效益，它可细化为工程投资回收原 则、运营成本补偿原则以及合理利润原则。效益原则还强调了水资源的社会效 益，例如水的生态价值，环境价值，文化价值等，都是水价制定要考虑的因素。 3 、水资源的高效配置原则。它要求采用边际成本定价法则，使边际成本等 于价格。 4 1 促进节水原则。这既可缓解水资源短缺的矛盾，又可促进节水技术的推 广，改进落后的传统灌溉方式，提高用水效率，减少污水排放，促进中水利用， 海水淡化等新技术的开发利用。 5 1 政府管理、市场调节原则。我国的水资源分配应逐步形成宏观国家统一 管理、微观分级负责把关、供需市场调节的方式。 6 ) 减少中间环节，降低农民负担的原则【lj 。在分析我国农业生产基本状况 的基础上，在灌溉用水的供水时，尽量减少中间( 加价) 环节，并制定相应的 农业水价补贴政策。 7 ) 可持续发展原则。水资源是国民经济和社会发展的重要物质基础，也是 可更新、可持续、但无法替代的有限资源。将社会的可持续发展建立在资源的 可持续利用和良好的生态环境基础上，是当今各国经济社会发展中共同关心的 主题。水价制定也必须适应这一基本准则，它既要求水资源公平使用的权利和 永续利用，又要求以水资源为基础的生态环境良性循环，因此可持续发展的水 价中应包含水资源开发利用的外部成本。 水资源作为一种特殊的商品，其定价十分复杂。我们既要考虑公平原则， 又要考虑水资源的高效配置和可持续发展，还要顾及成本回收。 43 水价的制定方法 一般来讲，水价的制定方法有三种，即边际成本定价方法、计划定价方法 以及成本核算方法 4 2 】。 4 3 1 边际成本定价 边际成本是指增加单位水量所引起的总供水成本的增加量。一般分为短期 边际成本和长期边际成本两类。按短期边际成本定价，额外生产每单位水增加 的边际成本是劳动力、化学药品和能源的边际单位成本。而长期边际成本定价， 要考虑资金将来的边际成本和其他扩容及维持扩容运行的投入。因此，后者将 促进资源的高效分配和可持续发展，从而促进水资源保护。 图4 1 显示的是水资源开发利用中的各种边际成本的变化曲线。随着水资 源开发利用程度的提高，水资源开发利用的边际环境成本将持续上升。在开发 利用初期，相对来说区域水资源量较为丰富，因而将存在一个规模生产，边际 开发成本下降，但随着区域水资源供需矛盾的日益紧张，开发难度会越来越高， 边际开发成本将上升，因此，乃曲线呈抛物线型，存在一极小值。水资源利用 成本反映了利用条件的好坏和供水设施的水平，当供水量增多时，其供水成本 下降，因而r 曲线是一个持续下降的过程。综合功、只、r ，可得到边际总成 本的变化曲线p ，它可能是抛物线型，也可能为一不规则的曲线，但存在一个 最优点或几个局部最优点。 根据图4 1 所示的边际成本变化曲线，可以推求不同供水量下的成本，为 水价制定提供成本依据。 图4 一l 水资源开发利用的边际成本变化示意图 为水资