韓佳祥 陳太政 王偉

摘 ? ?要： 水資源問(wèn)題在全球范圍內(nèi)日益受到關(guān)注，開(kāi)展區(qū)域水資源研究對(duì)我國(guó)水資源整體安全十分重要。本文采用灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的灰色時(shí)間序列預(yù)測(cè)的方法，對(duì)河南省未來(lái)三年的水資源總量和需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。依據(jù)2001～2013年《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》中關(guān)于河南省水資源量和用水量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立河南省水資源總量和需水量的灰色GM（1，1）預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，未來(lái)三年河南省的水資源總量持續(xù)減少到372億m，而需水量卻增加到249億m，未來(lái)河南省缺水問(wèn)題將更加突出。

關(guān)鍵詞： 水資源總量 ? ?需水量 ? ?灰色預(yù)測(cè)GM（1，1）模型 ? ?河南省

引言

改革開(kāi)放以來(lái)，隨河南省人口總量急劇增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出[1]。2012年的河南省水資源總量約為265.5億m，需水量是238.6億m[2]，表明需水量與水資源總量非常接近，河南省的水資源短缺現(xiàn)象較為激烈。

河南省水資源總量是全省決策部門(mén)處理整個(gè)水調(diào)度決策系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全省水資源總量是合理進(jìn)行全省水資源處理設(shè)施規(guī)劃的先決條件。對(duì)需水量進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)有利于對(duì)水資源進(jìn)行調(diào)配，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)能更早地做好預(yù)防措施。但是因?yàn)橛绊懰Y源發(fā)展趨勢(shì)的各種因素的復(fù)雜性及將來(lái)不可確定性，給水資源總量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)帶來(lái)了較大的困難，進(jìn)行需水量預(yù)測(cè)存在一些不確定的影響因素，造成預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。對(duì)于河南省的水資源各組成部分，有的是已知的，有的是未知和模糊不清的?；疑w系理論以“一部分信息已知，一部分信息未知”的“小樣本”的不確定系統(tǒng)為研究對(duì)象。因此，可以將這些預(yù)測(cè)問(wèn)題作為灰色系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1.研究區(qū)和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)概況

河南省水資源總量265.50億m，水資源人均占有量244.7m[3]，水資源量總體呈緯向散布，從北到南漸漸增大。其中以北緯34度為分界點(diǎn)，以南水資源量較豐富，以北水資源量較貧乏。信陽(yáng)市的水資源量為全省最多，河南北部和河南西部水資源總量最少[4]。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

研究資料來(lái)源2001年-2013年河南省統(tǒng)計(jì)年鑒[5]，歷年的河南省水資源公報(bào)，河南省水利局和各縣市水利部門(mén)官方網(wǎng)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.研究方法

2.1灰色預(yù)測(cè)模型

本文采用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)改革開(kāi)放以來(lái)河南省的水資源總量和需水量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的時(shí)間相應(yīng)函數(shù)，以此為基礎(chǔ)用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)的河南省水資源總量和需水量分別做出預(yù)測(cè)，進(jìn)而提出對(duì)策。雖然過(guò)程之中所表現(xiàn)的現(xiàn)象是隨機(jī)的、混亂的，但畢竟是有序的、有界的，因而這一數(shù)據(jù)的集合具備潛在的規(guī)律性?；疑A(yù)測(cè)是在這種規(guī)律性基礎(chǔ)上建立灰色模型并對(duì)灰色系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)測(cè)[6]。GM（1，1）模型是我們經(jīng)常使用的一種灰色模型類(lèi)型，由一個(gè)單變量的一階微分方程組成[7]。

2.2GM（1，1）模型建立

灰色系統(tǒng)理論是將無(wú)明顯規(guī)律性的時(shí)間序列在被依次累加生成有規(guī)律的時(shí)間序列，得出的為一條相當(dāng)光滑的曲線，顯現(xiàn)出系統(tǒng)的發(fā)展趨向，然后建立GM（1，1）灰色模型并提供出中間的信息，同時(shí)相對(duì)弱化原有序列的隨機(jī)性，再采用一階單變量的動(dòng)態(tài)模型GM（1，1）進(jìn)行線性擬合，用模型推導(dǎo)出的生成數(shù)再返回代計(jì)算值，作累減并還原計(jì)算，最后對(duì)還原值進(jìn)行精度上的檢驗(yàn)，就可用于預(yù)測(cè)[8]。其建模步驟如下[9]：（1）建立原始的數(shù)列;（2）對(duì)原始的數(shù)列做一次累加生成和均值生成;（3）確定參數(shù)a，b的值;（4）解白化方程;（5）還原，得出模型計(jì)算值;（6）對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn);（7）利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3模型精度檢驗(yàn)指標(biāo)

求出殘差并進(jìn)行檢驗(yàn)，如果通過(guò)檢測(cè)，則可用所建的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]。為確保檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的精度，要進(jìn)行驗(yàn)差C和小誤差概率P的檢驗(yàn)，精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)應(yīng)要求C值小，即預(yù)測(cè)誤差離散程度要小，且P值必須大，即預(yù)測(cè)誤差小的概率要高，預(yù)測(cè)精度要高。

表1 ? ?檢驗(yàn)指標(biāo)精度等級(jí)

2.4模型求解

2.4.1關(guān)于水資源總量的預(yù)測(cè)

經(jīng)過(guò)以上步驟就得出關(guān)于一個(gè)變量一階微分的GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)的離散時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

可得GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型：

表2 ? ?河南省水資源總量及相關(guān)結(jié)果

2.4.2關(guān)于需水量的預(yù)測(cè)

依照2.4.1同樣的步驟得到關(guān)于需水量的預(yù)測(cè)值，運(yùn)用GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型：

表3 ? ?需水量及相關(guān)結(jié)果

3.結(jié)果與分析

3.1河南省水資源與需水量的分析

水資源總量主要由降雨量、地表水資源量和地下水資源量三個(gè)主要組成部分組成，水資源總量的大小是根據(jù)這三個(gè)指標(biāo)浮動(dòng)變化的[11]。對(duì)降水量在河南省的時(shí)空布局而言，由于河南省屬于溫帶季風(fēng)性氣候，因此夏季降水多于冬季降水。河南省的地表水資源量主要來(lái)源于大氣降水和河流上游的徑流。地表的水資源量的布局是南多北少和山區(qū)多平原少。地表水資源量大約占全省水資源總量的75%左右。地表水資源變化較大，有枯水年和豐水年之分，地下水資源主要有大氣降水和河流補(bǔ)給。通常通過(guò)地面入滲補(bǔ)給量計(jì)算地下水資源量。地下水資源由地下水的儲(chǔ)存量和補(bǔ)給量?jī)身?xiàng)指標(biāo)組成，研究時(shí)還應(yīng)該考慮到排泄量和開(kāi)采量的影響[12]。近十年的地下水資源量一直都很穩(wěn)定，波動(dòng)較小。對(duì)于需水量，要從農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水三個(gè)指標(biāo)考慮，從統(tǒng)計(jì)年鑒上可以看出，在需水量中農(nóng)業(yè)用水占了很大比重，工業(yè)用水次之，最后是生活用水。河南省是農(nóng)業(yè)大省，是全國(guó)的糧食基地，農(nóng)田灌溉需水量很大，也是最重要的用水項(xiàng)目[13]。

3.2水資源量和需水量的變化趨勢(shì)

從2001年到2013年的水資源統(tǒng)計(jì)年鑒得出河南省年平均水資源量是453.7億m，全年平均水資源量在整體上呈減少趨勢(shì)。河南省水資源總量主要受地表水資源量的影響，年際之間波動(dòng)幅度較大，呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)。地下水資源量變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，一直圍繞多年平均值上下波動(dòng)，波動(dòng)的幅度較小，只有在有些特枯年份減少量相對(duì)較大。因此，河南省水資源總量主要隨地表水資源的變化而變化，總體上有遞減的趨勢(shì)，需水量農(nóng)業(yè)用水維持在100億m至150億m之間徘徊，在2003年到2005年這三年間農(nóng)業(yè)用水比較少，總體上農(nóng)業(yè)用水還是在減少，只是下降幅度小。工業(yè)用水以2006年為分界點(diǎn)，在此之前低于50億m，在此之后高于50億m，生活用水始終很穩(wěn)定低于50億m，但需水總量是上升的。

3.3根據(jù)GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)

根據(jù)GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型得到水資源總量的離散時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，即公式（9）：

再根據(jù)公式帶入預(yù)測(cè)未來(lái)河南省五年的水資源總量分別是377億m、373億m、372億m。但是，該模型在預(yù)測(cè)災(zāi)害年份的產(chǎn)量時(shí)要謹(jǐn)慎使用，以免誤差過(guò)大，以致影響預(yù)測(cè)結(jié)果。經(jīng)檢驗(yàn)，C=0.41，P=0.86，該預(yù)測(cè)模型精度為一般。

根據(jù)GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型得到需水量的離散時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，即公式（10）：

根據(jù)公式帶入預(yù)測(cè)河南省未來(lái)三年的需水量分別是241億m、246億m、249億m。經(jīng)檢驗(yàn)，C=0.34，P=0.93，該模型精度好，可以被運(yùn)用。

3.4不確定性分析

關(guān)于水資源總量預(yù)測(cè)的不確定性因素，主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是自然方面的，主要是氣候的影響。另一類(lèi)則為人為方面，主要是不合理地開(kāi)采地下水。自然方面的氣候影響主要是氣溫的變化。氣溫的不確定性造成蒸發(fā)量的不確定，影響地表水資源量，最終關(guān)聯(lián)到水資源總量的起伏變化[14]。工農(nóng)業(yè)用水量不斷增加，不合理開(kāi)采現(xiàn)象增多，地下水資源主要有大氣降水和河流補(bǔ)給，而大氣降水每年也不確定等因素，造成每年的水資源總量的不確定性。由于居民節(jié)水意識(shí)不同，使得預(yù)測(cè)存在不確定性，需水量預(yù)測(cè)是在一定范圍和條件下進(jìn)行的[15]。

結(jié)語(yǔ)

從預(yù)測(cè)出的河南省水資源總量與過(guò)去十三年的河南省水資源總量的平均值相比較，可以看出變化并不大，需水量的預(yù)測(cè)結(jié)果是有所上升的，可見(jiàn)我們用灰色系統(tǒng)建立的模型還是比較合理的。為了在可持續(xù)發(fā)展的要求下更高效地利用水資源，國(guó)家方面，應(yīng)該加強(qiáng)法律方面的建設(shè)，確保做到水資源保護(hù)時(shí)有法可依，嚴(yán)懲水污染問(wèn)題;社會(huì)上，應(yīng)該加強(qiáng)節(jié)約用水和保護(hù)水資源等社會(huì)公德方面的引導(dǎo)，大力推廣節(jié)水措施，加大宣傳力度，建立節(jié)水型社會(huì);居民個(gè)人要做到從個(gè)人做起，強(qiáng)化節(jié)水、護(hù)水意識(shí)。

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通訊作者：陳太政