郭曉茜，閆 強，王高尚

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037)

水資源是人類社會活動中不可替代的自然資源，在經(jīng)濟社會發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織2017年的報告顯示，預(yù)計未來幾十年全球?qū)λY源的需求將顯著提高。其中，農(nóng)業(yè)消耗了超過70%的水資源。此外工業(yè)和能源生產(chǎn)對水資源的需求也將大幅攀升，而快速的城鎮(zhèn)化以及城市供水和衛(wèi)生系統(tǒng)的擴張也需要大量的水[1-2]。氣候變化情景分析預(yù)測水循環(huán)變化將使水資源在時間和空間上的分配更加不均，從而造成水資源供需之間的矛盾進一步加大[3]。如何通過進行水資源的需求預(yù)測來緩解水資源供需矛盾成為各個國家和地區(qū)進行水資源規(guī)劃的一項重要任務(wù)。

我國水資源的需求情況和用水情況是緊密相連的。建國以來，我國水資源需求總量不斷增長。根據(jù)水利部門的統(tǒng)計，1949我國總體用水量估計為1 031億m3，1959年的用水量達到2 048億m3，翻了一番。到1980年，總體用水量已經(jīng)達到了4 437億m3，相較于1959年翻了一番[4-7]。從2004年開始，國家統(tǒng)計局公布了我國用水總量和各部門用水量，其中2004～2017年的用水情況如圖1所示[8]。2004年的用水總量為5 547.8億m3，主要用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)四個方面。其中，農(nóng)業(yè)用水量為3 585.7億m3，占全國總用水量的64%左右，其次是工業(yè)用水，用水總量為1 228.9億m3。2017年的用水總量為6 043.4億m3，仍然以農(nóng)業(yè)用水為主。2004～2017年我國用水總量趨于平穩(wěn)狀態(tài)，從2011年起，每年的用水總量都維持在6 100億m3左右。

圖1 2004～2017年我國水資源使用情況Fig.1 Water resources usage in China from 2004 to 2017

1 水資源預(yù)測發(fā)展歷程

美國是最早正式將水資源納入全國調(diào)查范圍的國家，1965年美國開始了第一次全國范圍的水資源預(yù)測評價工作，并且提出了1968～2020年的水資源需求展望。1978年，美國進行了第二次分部門的水資源需求預(yù)測展望[9-10]。同時，日本、英國、法國、荷蘭、加拿大等國也逐步開展需水預(yù)測工作，并以此作為水資源規(guī)劃的主要依據(jù)[11]。聯(lián)合國教科文組織每年都會牽頭組織聯(lián)合國水機制成員撰寫《聯(lián)合國世界水發(fā)展報告》，圍繞全球水資源供需和熱點問題進行討論[1-2]。

我國水資源需求預(yù)測開始于20世紀60年代。隨著我國農(nóng)田灌溉面積的不斷擴大，我國農(nóng)業(yè)用水量大幅上升，同時生活和工業(yè)用水量隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展也在大幅增加，水資源需求預(yù)測研究啟動。但是除了農(nóng)業(yè)用水使用了灌溉技術(shù)定額方法之外，其他部門用水量采取了趨勢外延法，而且由于統(tǒng)計手段有限，歷史水資源數(shù)據(jù)缺失嚴重，我國水資源的需求預(yù)測技術(shù)發(fā)展緩慢。從1980年開始，隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國水資源需求量逐漸加大，水資源供需矛盾逐漸突出。因此，水資源需求預(yù)測的重要性得到了重視，開始進行大范圍的水資源預(yù)測工作。在國內(nèi)專家的水資源需求預(yù)測中，姚建文等[12]預(yù)測2030年需水量為7 800億～8 200億m3，2050年需水量為8 500億～9 000億m3;賈紹鳳等[13]分析預(yù)測在2030年左右我國基本進入需水的“零增長”階段;錢正英等[4]在水資源戰(zhàn)略研究綜合報告中指出基本情形下，我國2030年水資源需求量為7 119億m3，2050年水資源需求量為7 319億m3。這些研究中以錢正英等進行的水資源戰(zhàn)略研究涉及的預(yù)測范圍較廣，預(yù)測部門劃分詳細。至此，國內(nèi)水資源需求預(yù)測研究正式起步。

2 國內(nèi)外水資源需求預(yù)測方法

水資源的預(yù)測方法多種多樣，預(yù)測涉及范圍也比較廣泛。從時空尺度上可以分為短期、長期以及全球、國家等方面，從預(yù)測范圍上可以分為整體預(yù)測和部門預(yù)測，從方法模型上可以分為灰色關(guān)聯(lián)、回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，影響因素方面可以從經(jīng)濟、價格、政策和居民習(xí)慣等方面入手。根據(jù)目前對水資源文獻的梳理，水資源的需求預(yù)測方法可以概括見表1。

表1 水資源需求預(yù)測分類Table 1 Classification of water resources demand prediction

本文主要從預(yù)測范圍方面討論水資源預(yù)測方法。從預(yù)測范圍看，水資源需求預(yù)測方法總體可分為兩類。一類是根據(jù)水資源歷史消費數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型或根據(jù)經(jīng)驗遞推關(guān)系來直接預(yù)測水資源需求量，在本文中劃分為“整體預(yù)測方法”。整體預(yù)測方法主要包括了灰色預(yù)測、回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)模型。另一類是分別對水資源需求部門(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài))進行需求預(yù)測，再進行水資源總體需求量的預(yù)測，在本文中劃分為“部門預(yù)測方法”。

2.1 整體預(yù)測方法

整體預(yù)測方法使用了大量的數(shù)學(xué)模型，主要分為傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和智能數(shù)學(xué)模型。其中傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括了灰色預(yù)測、回歸分析等方法?；疑A(yù)測方法是直接通過對原始數(shù)據(jù)的累加生成尋找系統(tǒng)的整體規(guī)律，構(gòu)建增長模型，這種方法對長期、短期預(yù)測均適用，且所需數(shù)據(jù)量不大，在數(shù)據(jù)缺乏時十分有效。王煜[14]首次在需水預(yù)測中引用灰色系統(tǒng)方法，提出了帶有時間因子的非線性GM(1，1)；宋帆等[15]結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度以及集對分析聚類預(yù)測法建立了用水量預(yù)測的灰關(guān)聯(lián)-集對聚類預(yù)測模型，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析識別出吉林省用水量的主要影響指標，并且預(yù)測了2020年吉林省用水量將達到139億m3?；貧w分析是一種確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的統(tǒng)計分析方法。根據(jù)自變量和因變量的數(shù)量以及相互關(guān)系可以存在多種變形，這些變形廣泛應(yīng)用于各種預(yù)測研究中。線性傳遞函數(shù)是回歸分析中的一種變形。THOMAS等[16]基于天氣情況、水價格以及經(jīng)濟情況，利用線性傳遞函數(shù)預(yù)測了美國單個家庭的水需求量，具有良好的檢驗效果。

智能數(shù)學(xué)模型主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等方法,其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于短期預(yù)測和動態(tài)預(yù)報短期負荷值，對于長期預(yù)測并不適用。劉洪波等[17]利用人工網(wǎng)絡(luò)建立了短期用水量預(yù)報模型，并證明該模型可滿足供水系統(tǒng)調(diào)度的實際需要；王堅[18]引入模糊反饋法來改進熵值法，以確定組合模型的加權(quán)系數(shù)，建立組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，提高了人工網(wǎng)絡(luò)模型在水資源需求預(yù)測方面的計算精度；LIU等[19]基于遺傳編程等方法預(yù)測了河流沉積物。

從上述總結(jié)來看，整體預(yù)測方法偏重于數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，對水資源整體的需求預(yù)測具有良好的效果。但是水資源涉及的使用范圍較廣，整體的水資源需求量對實際的水資源規(guī)劃和管理來說是遠遠不夠的，需要進一步引入分部門的水資源需求預(yù)測。

2.2 分部門預(yù)測方法

目前來說，全球范圍內(nèi)對水資源的需求可以統(tǒng)一分為四個部門：農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)。各部門的預(yù)測方法和原理各不相同。

2.2.1 農(nóng)業(yè)需水

我國是農(nóng)業(yè)大國，因此農(nóng)業(yè)用水目前在我國水資源部門消費中占比最大。農(nóng)業(yè)水資源的定義包含了“廣義”和“狹義”兩方面?！皬V義”的農(nóng)業(yè)水資源由兩個分量組成，即耕地有效降水“綠水”和耕地灌溉“藍水”；而“狹義”的農(nóng)業(yè)水資源主要指耕地灌溉“藍水”。在目前的農(nóng)業(yè)水資源需求預(yù)測當中，李保國等[20]主要研究“廣義”農(nóng)業(yè)水資源需求量，并且指出灌溉“藍水”即為《中國水資源公報》中報告的農(nóng)業(yè)用水量和農(nóng)田灌溉量，而有效降水“綠水”的水平衡方程見式(1)。

Qgw=Pcr-Rcr-Dcr

(1)

式中：Qgw為耕地有效降水“綠水”量；Pcr為耕地降水量；Rcr為耕地徑流量；Dcr為耕地深層滲漏量[20-21]。

錢正英等[4]主要研究“狹義”農(nóng)業(yè)水資源的預(yù)測，認為農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)田灌溉需水以及林木漁業(yè)的需水，是通過蓄水和引水等方式向農(nóng)田、林地和牧地供水，以滿足作物的需水要求。因此，農(nóng)業(yè)需水受到氣候地理等條件的影響，在時空分布上變化很大；同時，考慮作物的品種和組成、灌溉方式等因素，在眾多的農(nóng)業(yè)用水預(yù)測中，以張國良等的研究方法最為實用。張國良等指出，農(nóng)業(yè)灌溉用水需要按區(qū)進行，總體的農(nóng)業(yè)灌溉用水等于各個區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水之和。灌溉需水量的預(yù)測則使用各種作物的灌溉定額和灌溉面積兩個主要指數(shù)，再除以灌溉水的利用系數(shù)。

2.2.2 工業(yè)需水

工業(yè)生產(chǎn)過程所用水量，包括原料用水、動力用水、沖洗用水和冷卻用水等。由于工業(yè)用水量與工業(yè)產(chǎn)值密切相關(guān)，目前工業(yè)總產(chǎn)值的增長速度很快，預(yù)測未來工業(yè)總產(chǎn)值增長速度也很快，而從造成工業(yè)用水量迅速增加，因此工業(yè)用水是近些年來國內(nèi)用水研究的熱點之一。

工業(yè)需水的預(yù)測方法包括定額法、趨勢法以及系統(tǒng)動力學(xué)方法等。其中定額法是現(xiàn)在統(tǒng)計部門常用的方法，根據(jù)設(shè)定的單位工業(yè)產(chǎn)值用水量和工業(yè)產(chǎn)值兩個因素即可預(yù)測未來工業(yè)需水的變化趨勢，以錢正英等[4]的研究為代表。趨勢法主要以庫茲涅茨曲線研究為主。環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)呈現(xiàn)倒“U”型，代表了經(jīng)濟增長過程中，貧富差距會經(jīng)歷一個先增大、后減小的過程。張月等[22]通過對全國的八大經(jīng)濟區(qū)域建立約化模型，驗證了中國工業(yè)用水發(fā)展水平符合EKC特征，人均工業(yè)用水與人均GDP存在著“倒U”型關(guān)系。賈紹鳳等[13]用庫茲涅茨曲線研究了工業(yè)用水與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，研究指出發(fā)達國家工業(yè)用水隨經(jīng)濟發(fā)展的變化存在一個由上升轉(zhuǎn)而下降的轉(zhuǎn)折點，工業(yè)用水量下降的人均GDP閡值在3 700～1700 美元(PPP，以1985年為基數(shù))。以上研究為發(fā)展中國家的工業(yè)需水預(yù)測起到良好的指示作用。

2.2.3 生活需水

生活需水預(yù)測方面，RATHNAYAKAA等[23-24]進行了詳盡的研究，認為傳統(tǒng)的經(jīng)濟學(xué)和時間序列方法只能對整月或者是整年的生活需水進行預(yù)測，預(yù)測方法比較粗糙。生活用水的主題是居民和家庭，每個家庭和居民生活習(xí)慣的多樣性決定了生活用水規(guī)律的復(fù)雜性；因此，從時間和空間兩個維度進行了生活用水的解析。圖2為生活用水空間表現(xiàn)形式，圖3為生活用水時間表現(xiàn)形式?？臻g上從終端用戶入手，通過設(shè)定不同用戶群的影響因子來確定最終的生活用水量；時間上從每天需水模型入手，進而計算每周、每季度和全年生活用水量。在時空上相互印證，從而精確地計算出生活需水量。

此外，關(guān)于國內(nèi)的生活用水，孫艷芝等[25]調(diào)查了北京生活用水與城市發(fā)展水平之間的關(guān)系；胡振等[26]以西部城市為例，調(diào)查了家庭人口結(jié)構(gòu)和生活用水的相互關(guān)系。這些研究都為生活需水的預(yù)測提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

圖2 生活用水空間展現(xiàn)形式Fig.2 Model spatial scale representation(資料來源：文獻[23]和文獻[24]，有修改)

圖3 生活用水時間展現(xiàn)形式Fig.3 Model time scale representation(資料來源：文獻[23]和文獻[24]，有修改)

2.2.4 生態(tài)需水

生態(tài)需水是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。關(guān)于生態(tài)用水的定義目前并沒有統(tǒng)一的標準，《中國水利百科全書》指出：生態(tài)用水是指在特定的時空范圍內(nèi)，維持各類生態(tài)系統(tǒng)正常發(fā)育與相對穩(wěn)定所必需消耗的、不作為社會和經(jīng)濟用水的、現(xiàn)存的水資源，包括地表水、地下水和土壤水等。從廣義上講，生態(tài)用水是指維持生態(tài)系統(tǒng)完整性所消耗的水分，它包括一部分水資源量和一部分常常不被水資源量計算包括的部分水分，如無效蒸發(fā)量、植物截留量。從狹義上講，生態(tài)用水是指維持生態(tài)系統(tǒng)完整性所需要的水資源總量。國內(nèi)外在生態(tài)用水研究中，所采用的概念除生態(tài)用水、生態(tài)需水外，還有環(huán)境用水與環(huán)境需水、生態(tài)環(huán)境用水與生態(tài)環(huán)境需水，這些概念和標準所包含的生態(tài)用水的定義各不相同。楊愛民等[27]在研究中定義了生態(tài)用水、生態(tài)需水和生態(tài)缺水的定義。同時根據(jù)空間位置的不同，對生態(tài)用水進行了分類，分為河道內(nèi)生態(tài)用水和河道外生態(tài)用水，并且詳細介紹了河道外生態(tài)用水的計算方法。同時以延安市為例，重點展示了水土保持生態(tài)用水和城市綠化生態(tài)用水的計算過程。王玉娟等[28]則對植被生態(tài)用水進行了定量模擬，對三門峽地區(qū)不同植被類型綠水資源消耗效用進行了分析，提出該區(qū)域植被結(jié)構(gòu)調(diào)整方案。這些研究為我國生態(tài)用水的研究提供了積極的借鑒意義。

3 存在的問題

目前，水資源需求量的預(yù)測方法多種多樣，且各有優(yōu)缺點。但是從水資源需求的長期預(yù)測來看，目前的需水預(yù)測方法存在著諸多問題。

1) 歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失。作為水資源需求預(yù)測的基礎(chǔ)，由于水資源流動性較大，來源較廣，造成水資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)不健全，有時候會出現(xiàn)誤差，從而造成水資源需求預(yù)測的誤差。比如生活需水的預(yù)測方面，目前國際上除了澳大利亞等國的生活用水統(tǒng)計分類比較詳細之外(細分到以家庭為單位)，其他很多國家和地區(qū)的生活用水并沒有詳細的統(tǒng)計分類，只給出了年度生活用水的總量。這對于使用部門分類法來預(yù)測生活需水的是非常不利的。

2) 影響水資源需求量的因素是動態(tài)變化的。水資源需求量受到氣候、地域、水價、水市場、節(jié)水和水管理水平等因素的制約，這些因素在不同年份和不同地域是動態(tài)變化的，尤其是氣候和水管理制度的變化，這些因素本身就難以預(yù)測，從而給水資源中長期預(yù)測帶來了很大的不確定性，導(dǎo)致水資源需求量中長期的預(yù)測發(fā)生偏差。

3) 水資源需求預(yù)測方法中對水資源的實際供給能力考慮不足。水資源的供給量和需求量是相互制約的，當水資源的供給量一定時，通過調(diào)節(jié)水價、跨流域水利工程等手段會對水資源的需求量產(chǎn)生一定的影響。但是目前受限于水資源供給量的動態(tài)變化(包括不同年份大氣降水、地表蒸發(fā)量的不同，以及跨流域水資源的統(tǒng)計復(fù)雜性)，造成水資源供給量的確定性較低，從而影響了在供給量約束條件下的水資源需求量預(yù)測。如果進行無約束的需水預(yù)測，必然造成預(yù)測結(jié)果偏大。

4) 生態(tài)用水預(yù)測方面，生態(tài)用水預(yù)測和生態(tài)需水預(yù)測的概念還比較模糊，雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者進行了大量探索，但是生態(tài)需水計算基本上是以現(xiàn)狀為主，對生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的合理性分析與診斷經(jīng)驗相對缺乏，造成了預(yù)測結(jié)果偏差。

5) 除了宏觀層面對水資源的研究，還有很大一部分學(xué)者側(cè)重于虛擬水的研究。孫志才等[29]基于投入產(chǎn)出模型測算了中國31個省(市、區(qū))的水足跡及水足跡貿(mào)易量；鐘銳等[30]測算了能源貿(mào)易和水資源的關(guān)系；朱啟榮等[31]則測算了進出口貿(mào)易中農(nóng)產(chǎn)品隱含的虛擬水。這些虛擬水研究揭示了生產(chǎn)產(chǎn)品的用水量，為重新審視水資源提供了嶄新的視角，也是水資源需求預(yù)測中不可或缺的一部分。目前，虛擬水和宏觀水資源需求預(yù)測研究并沒有有效交集。

4 發(fā)展方向

1) 水資源需求預(yù)測理論體系仍需要進一步完善。目前水資源的需求預(yù)測方法仍然集中在對預(yù)測方法本身的研究，對于影響水資源需求量的因素考慮較少。水資源需求涉及到經(jīng)濟學(xué)、生態(tài)學(xué)、工程和數(shù)學(xué)等多個學(xué)科，受到科技、生活方式、水管理政策以及水市場等諸多因素的影響。因此，實際用水量的彈性很大，水資源需求量的中長期預(yù)測面臨很多不確定性。如何從影響水資源的社會、經(jīng)濟和政策等方面入手來探尋這些因素和水資源需求量之間的定量關(guān)系，建立水資源需求量的中長期預(yù)測體系，是未來水資源需求預(yù)測的重要工作之一。此外，怎樣將虛擬水的研究同宏觀用水結(jié)合起來是水資源需求預(yù)測需要考慮的一個方向。

2) 生態(tài)需水預(yù)測方法亟需構(gòu)建。近些年來生態(tài)環(huán)境不斷惡化，生態(tài)需水受到越來越多的關(guān)注。但是截至目前，關(guān)于生態(tài)需水的研究仍處在初級階段，對于生態(tài)需水的定義國內(nèi)外也并不統(tǒng)一。此外，生態(tài)需水方面，可提供借鑒的計算案列和方法也比較少。因此，生態(tài)需水的預(yù)測方法亟需構(gòu)建，完善的生態(tài)需水預(yù)測方法可為我國未來生態(tài)環(huán)境的保護提供堅實的理論基礎(chǔ)。