城市未来需水量预测方法研究

1、城市将来需水量预测方法研究摘要：本文对已有的城市需水量预测方法进展了归纳总结，简介了各自的特点和问题。对系统动力学的内涵进展了扼要介绍，在此根底上提出城市需水量预测的根本思路，建立了预测模型，研制出了城市将来需水量预测的计算机通用软件，并简介了使用要点。关键词：需水量预测方法系统动力学预测模型一、现有需水量预测方法及问题需水量预测是城市给水和节水开展规划的根底，其预测方法又是科学准确预测需水量的重要手段。国内外已有的预测方法较多，但其应用局限性和准确度尚存在一定问题。这些方法归纳起来大致可分为两大类，即时间序列法和构造分析法。1、时间序列法时间序列法是通过分析实际用水量与对应时间的历史数据，建

2、立二者的对应关系，然后利用这种对应关系进展将来需水量的预测。主要有以下几种方法。、挪动平均法挪动平均法以过去假设干年用水数据的加权平均值来预测将来的需水量，如Vn为预测年需水量，过去年用水量分别为Vn-1、Vn-2、Vn-，那么其预测模型为：Vn1Vn-1+2Vn-2+Vn-/其中1、2、为各年数据的加权系数。这种方法简便易行，适用于摆动情况，近期结果具有一定的准确性。但如用于远期预测，就会变成完全建立在预测数据上的预测，导致较大的偏向。、指数平滑法该方法是对历史统计数据按时间序列适当加权，并大致加以平滑，根据变化规律来预测需水量。平滑可根据不同的要求分一次、二次以致屡次进展。一般次数越多，精

3、度越高，但计算量也越大。可用于非线性变化趋势。长期预测效果较差。主要模型有：Vn+ta+bt或Vn+ta+bt+t2其中Vn+t为第t年预测需水量，a、b、为平滑参数，t为预测期。、趋势预测法先确定历史数据的变化趋势，如指数、对数或S型曲线，然后对其中未知参数进展估计，得出曲线方程，利用方程进展预测。该方法计算较简单，具有一定的精度。但结果不稳定。模型方程有：Vtatb+Vtaet+Vtae-be-t其中a、b、为未知参数，t为年份，Vt为对应年需水量。、马尔柯夫法马尔柯夫法是利用上述任意一种方法得出趋势线，而后按数据波动的概率分布，得出将来波动的方向，对趋势值进展修正的一种预测方法。这种方法

4、由于采用了马尔柯夫法进展“滤波，可排除一定随机因素。但结果较不稳定。、灰色预测法灰色预测法是利用灰色理论，建立城市需水灰色模型，利用该模型进展预测，灰色理论不要求对系统构造有较多理解即可进展预测，认为实际系统为不透明的“灰色箱体。因此可根据其过去行为直接类推其将来行为，预测结果具有一定的精度。因实际理论及运算较为复杂，在此不再赘述。2、构造分析法与单纯考虑用水数据跟时间之间的联络不同，构造分析法详细分析城市需水量与各种相关因素之间的联络，试图提醒城市需水量的真正内含。其方法主要有：、回归分析法该方法选取假设干影响因素，对城市用水与这些因素之间的关系进展大致判断后，列出含未知参数的模型方程，代入

5、实际数据，求出各参数。现有的回归分析法又可分为许多种，如经历回归法、线性回归法、指数回归法等。所选参数主要有人口、产值等。采用此种方法可进展中长期需水量预测，并具有一定的精度。但由于数学方法的局限，因素宜少不宜多。对应不同回归方法，存在不同的回归方程。如线性回归方程：Vta0+a1x1+a2x2+anxn其中Vt为预测年需水量，a0an为未知参数，x1xn为相关因子。、弹性系数法只用于工业用水需水量预测。工业用水弹性系数，在数值上等于工业用水增长率与工业产值增长率之比，即：/-工业用水弹性系数-工业用水增长率-工业产值增长率弹性系数法就是利用工业用水弹性系数根本不变这一规律来进展将来需水量的预

6、测。在工业构造根本不变的情况下，使用该方法可得到比较符合实际的数值，用于中长期需水预测。、用水增长系数法主要用于工业用水分行业预测。就某一行业而言，其用水增长系数可用下面方法求得：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分别为产值、用水量及用水增长系数。求出用水增长系数后，即可代入将来的规划产值，反推出将来的需水量。采用此法原理简单，计算量少。但由于工业构造的变动、节水措施的采用，会使得出的数值产生误差，有时会到达很高的程度。构造分析法还有许多，在此就不再赘述。这些预测方法的

7、应用局限性，主要表如今两个方面：1、预测对象不明，对需水量理解模糊。与将来水量有关的参数很多，现有方法多利用对历史取水数据进展分析、预测，而将预测结果称为需水量、用水量或取水量的都有，在概念上不够严密；2、由于方法所限，仅能从数字趋势上寻求规律，无法深化系统内部，进展多因素、非线性关系的讨论。但是，由于城市用水系统开展的复杂性，此项工作的进展是非常必要的。因此已有的预测方法多采用简化的方法，如简化关系为线性、减少变量数目、采用灰箱模型等，使结果粗糙且应用范围较窄。而且，许多预测方法不能表达节水因素在系统开展中所起的重要作用，或者只能以笼统的定性预测来反映。二、用系统动力学原理预测城市需水量1、

8、系统动力学概述系统动力学(SysteDynais)是一门分析研究信息反响系统的学科，也是一门认识和解决系统问题的综合性学科。它是系统科学和管理科学的一个分支，也是一门沟通自然科学和社会科学等领域的横向边缘学科，在我国只有十多年历史。系统动力学的主要理论根底是信息反响原理、决策理论及系统仿真技术。研究解决问题的方法是一种定性与定量相结合，系统分析、综合推理的方法。系统动力学把所研究的对象看作是具有复杂反响构造的、随时间变化的动态系统。它先将描绘社会系统状态的各参量加以流体化，绘制出表示系统构造和动态特征的系统流图，然后把各变量之间的关系定量化，建立系统的构造方程式，以便运用专门的计算机语言进展仿

9、真试验，从而预测系统的将来行为。系统动力学解决问题的过程大致可分为五步：、系统分析。主要任务在于分析问题，剖析要因；、系统构造描绘。主要是处理系统信息，分析系统的反响机制；、建立系统的标准模型；、模型模拟与政策分析；、模型的检验与评估。利用系统动力学方法，可以在缺乏根底数据、定量表达式难以建立的情况下，利用较少的变量来对系统开展的整体程度进展预测，并保证一定的准确度。因此，可以有效地抑制目前城市需水量预测中的不确定性所带来的困难。在此即利用对城市用水系统动态分析所得结果，对将来城市在一定社会经济开展程度下的需水状况进展预测。2、城市需水量预测的根本思路城市用水系统的开展，表如今其各个子系统的详

10、细指标变化上，这种变化的内因主要有以下四方面：、社会经济因素，如人口、经济构造、规模的变动；、用水效率因素，如工业用水复用率、万元产值取水量、中水回用、污水资源化等。、供水事业开展，如供水才能及漏失量控制等。、自然资源因素。如水资源总量、可开采量、降水量、径流量等的变化。有关这些因素，不同城市有不同的特点。而且无论哪一方面，都与一定的政策、资金、管理、技术等程度息息相关。如只利用第方面因素研究将来城市用水系统的变化时，因为再不考虑城市其它因素，所得结果只具有一定理论意义，而对城市的实际开展作用不大。如在此根底上再对城市的用水效率因素予以考虑，此时所得的需水量，对城市远景规划和将来给、排水事业的

11、开展，便具有实际指导意义,这便是本文的主要预测对象。社会经济的开展，是城市取水需求的动力。对需水量进展研究，必须对将来预测程度年的社会经济开展状况有所理解，这些可从城市开展规划中得到明确的数据。除此之外，还必须理解城市用水系统过去的开展状况。这就要求进展根底数据的搜集工作,目的在于确定系统的内部反响机制，建立各因素之间的联络，为确定城市将来系统的开展方向提供根据。这方面研究越透彻，预测就越接近实际。从城市用水详细情况可知，实际取水需求量分生活需水及工业需水两部分。实际生活需水以人口及一定用水定额为根底，又受到中水回用、收费方式及水价状况等因素有关。而实际工业需水又与用水总需求量、工业用水复用率

12、、城市污水回供工业用水量之间存在较为明确的数值关系。详细如下：D实际=D生活+D工业D生活=f(P用水,VUE大,V中水,.)D工业+V回用=V工业总(100-R工业)/100其中D实际城市实际需水量(万3年)，为考虑城市社会经济开展状况及用水效率因素后，某预测程度年的取水需求；D生活城市生活取水需求量(万3年)，包括居民生活及城市公用事业用水、景观水等，即大生活需水量；D工业城市工业取水需求量(万3年)，指城市工业开展所需新颖水需求量。P用水城市预测年用水人口(万人)；VUE大规划人均大生活定额(L人日)；V中水中水使用量(万3年)；水价(元)；V回用城市污水回供工业用水量(万3年)；V工业

13、总工业用水需求总量(万3年)，包括工业消费中新颖取水和各种形式的循环水、回用水、损耗水等。R工业工业用水重复利用率()，指工业用水单元内部重复利用量所占比重。因城市污水回供量应作为外部供应水量，因此不能包括进来。除了上述因素外，还有行政、资金、技术、管理等方面的作用，由于它们不是直接对需水量发生影响，而是通过对城市用水系统别的环节进展调整来间接作用于需水量，在此暂不列出，详细预测时，通过各种表函数的形式予以表达。对城市将来需水量进展预测，便是以上式为根本关系式，考虑其它各种作用的影响，结合系统内部的反响关系进展预测。为此，作生活需水及工业需水混合图1。图1反映了上式的根本内容。其中有三个表函数

14、t1、t2、t3,做如下说明：、图中表函数t1反映了水价及生活需水之间的关系。其关系曲线形式如图2。对于不同城市，该曲线详细值会有所不同。这是由于不同城市人们的生活习惯、节水意识以及水价承受才能等因素所决定的。在确定该表函数时，应充分考虑上述因素。、图中表函数t2反映了中水设施才能及中水实际用量之间的关系，其曲线形式如图3。在确定该表函数时，应考虑中水利用方式、管理程度以及人们节水意识等因素。、图中中水设施才能应随时间动态变化。该值确实定，应充分考虑到政策、资金、技术等方面的作用。随城市水资源的日趋紧张，中水设施才能应经过如图4中的阶段性变化。第I阶段为水资源充足时，无中水设施投建；当水资源紧

15、张初期，在政策调整作用下，中水设施建立力度逐渐加大，为第II阶段；此后，由于资金、技术等因素的限制，中水设施建立可能呈现线性变化、阶段跳跃变化或渐近变化等形式，为第III阶段。、表函数t3反映了经处理城市污水的工业回用比率与回用本钱之间的关系。一般而言，随回用本钱的增加，回用比率有逐渐降低的趋势。此关系确实定，主要需考虑处理水质、利用方式、回用水收费标准、用户态度、政策调整等作用。其曲线形式如图5。、城市污水处理才能利用率，主要按照城市现阶段管理程度及其开展趋势确定。、城市污水处理才能由于城市的决策、资金、技术等各反面的作用不同而具有不同变化形式。根据图1，就可以建立城市将来需水预测模型。通过

16、上述分析可知，建立模型的主要支撑工具便是图中各变量及其关系，通过表函数，可以考虑到许多以前无法考虑的因素。3、城市需水量预测模型及相关因子根据上述思路及系统反响机制，城市需水预测的分步骤模型如下：、D实际D生活+D工业、D生活D生活总-V中水D工业V工业总(100-R工业)/100-V回用、D生活总P用水int1()，VUE大0.365V中水t2(中水)t1f1(节水意识，生活习惯，物价承受才能.)t2f2(利用方式，管理程度，节水意识，)中水f3(政策，投资，技术，)、V工业总=/1000V回用V处理R回用/100V处理365处理R处理100R回用t3(F回用)R处理f4(管理程度，)t3f

17、5(回用收费，处理水质，用户态度，)处理f6(政策，技术，资金，)其中D生活总-预测年城市生活需水总量(万3)；中水-预测年城市中水设施才能(万3日)；V行业i-预测年城市第i工业行业用水总量(万3)；VUPi-预测年第i工业行业万元产值用水量(3万元)；GPi-预测年第i工业行业总产值(万元)；V处理-预测年城市污水处理量(万3)；处理-预测年城市污水处理才能(万3日)；R回用-预测年城市污水回用工业占城市污水处理总量份额()；F回用-预测年城市污水回用本钱(元)；R处理-预测年城市污水处理量占排放总量份额()；t1t3-表函数；f1f6-表示相关关系；其余同前所述。在实际预测时，考虑目前普

18、遍水资源短缺的影响，按不同缺水程度，城市实际需水量需用不同系数予以调整。本模型中，对于年供水量已达可开采量60的城市予以调整。详细而言，年供水量达可开采量6080者，实际生活需水量加上5，实际工业需水量加上6；年供水量达可开采量80100者，实际生活需水量加上6，实际工业需水量加上8；年供水量已超过可开采量者，实际生活需水量加上8，实际工业需水量加上10。那么最终城市需水预测模型如下：式中，k1、k2为视不同缺水状况下的不同系数。k1可为1.05、1.06、1.08；k2可为1.06、1.08、1.10。从上述预测模型的建立可以看出，该模型考虑到了许多以前无法考虑或由于其他原因此没有考虑到的因

19、素。该模型主要考虑因素如下：、节水管理程度的作用；、水价的影响；、定额的作用；、人们的节水意识；、政策调整作用；、资金的投入；、中水设施建立；、用水人口的变化；、行业用水效率；、不同工业构造的影响；、行业产值的变动；、工艺节水因素；、污水回用本钱；、城市缺水状况；、污水回用方式、收费、及用户的态度等；、城市污水处理才能；、工业用水重复利用率；等等。4、需水量预测软件及使用城市用水系统是一复杂社会系统，其中的信息流，种类繁多，生命期短，仅靠人工进展搜集、整理、加工、应用，费时费力却事倍功半，经常导致信息流偏向或障碍。为解决此问题，需利用电脑强大的数据处理功能，代替人工进展枯燥的数字处理工作。由于

20、需水量预测计算量较大，我们编制了计算机通用软件，以代替人工进展工作。本软件的目的是将所得预测模型，以可运行计算机软件的形式表达出来，使这项工作得以更为快速、准确的进展。软件利用面向对象方法进展开发研制，采用事件驱动机制，不是顺序执行构造，而是采用交互响应方式，按用户指令进展工作。本软件所需数据主要有：标准类、城市固有根底数据类、城市历年根底数据类、城市预测程度年社会经济开展数据类、分析处理所得数据类。这些数据，除部分中间结果外，均按一定方式在计算机中予以存储，以备修改或查询。本软件可以完成城市需水量的预测工作。F2为城市根底数据录入；F7为城市需水量预测；F8为决策分析。通过系统专门的“数据录

21、入功能，可进展需水预测所需数据录入。假设在预测时数据不全，系统所得数据可能会与实际情况大相径庭。所以请务必将所需数据全部输入。进入“需水预测菜单，可选择“需求预测及“决策分析两种功能。需水预测时，系统将提示输入预测城市、现状年、预测年以及是否在预测前对现状年数据进展阅读在此无法对实际数据进展修改，预测期不能大于50年。而后要求对预测所需预测期数据进展输入。为简化数据录入工作，系统提供了三种规律以供选择：、线性变化；、指数变化；、渐进变化。假设数据变化不完全符合某一规律，可以通过系统提供的数据微调功能来录入。系统还可进展“决策分析来研究不同决策对将来需水量所起的作用。此时，如不选择“取消(Es键)，系统将提示用户目前的需水预测结果，并要求改变决策数据，用户确认后，再次将新的预测结果