何 靖, 王春林, 董起廣, 雷 娜
(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 2.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710075; 3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710075)
需水量預(yù)測是對水資源進行供需平衡分析和優(yōu)化配配置的基礎(chǔ)[1]。陜西省位于我國西北干旱區(qū),其土地面積為全國土地面積的2.14%,但水資源總量卻僅為全國的1.26%[2],人均水資源只相當(dāng)于全國的52%,是我國水資源最緊缺的省份之一[3]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口規(guī)模的擴大,陜西省生產(chǎn)用水的增長速度遠(yuǎn)落后于GDP增長速度,生產(chǎn)用水量和經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的“脫鉤”效應(yīng)[4]。水資源供需矛盾成為制約陜西省經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重要因素。針對陜北地區(qū)用水結(jié)構(gòu)和需水量的研究表明,現(xiàn)階段陜北地區(qū)的水資源可利用量不能滿足陜北地區(qū)未來的需水要求[5]。為對陜西省水資源進行合理的規(guī)劃和分配,必須明確陜西省未來不同年份需水量。
當(dāng)前,對城市需水量預(yù)測的方法有時間序列法[6]、系統(tǒng)動力學(xué)法[7]、灰色預(yù)測分析[8]、回歸分析[9]、用水定額法[10]等,預(yù)測的基本思路是根據(jù)歷史用水過程建立預(yù)測模型或根據(jù)經(jīng)驗遞推關(guān)系直接預(yù)測用水量大小。相較于其他預(yù)測方法,灰色系統(tǒng)分析法在評價小樣本、非線性和貧信息的數(shù)據(jù)系列方面具有顯著優(yōu)勢,適用于時間序列較短、樣本信息不完全的預(yù)測分析[11]。需水量預(yù)測的影響因素眾多,包括社會經(jīng)濟發(fā)展因素和自然資源條件等都會影響需水量預(yù)測。各影響因素之間密切聯(lián)系,相互作用,既有確定性因素,又有不確定性因素,存在著系統(tǒng)信息少,結(jié)構(gòu)體系不明確的問題,由此構(gòu)成的灰色系統(tǒng)具有灰色屬性。而灰色模型預(yù)測方法可根據(jù)各要素的關(guān)聯(lián)性和測度尋找隱藏于系統(tǒng)內(nèi)部的變化規(guī)律,使用映射處理法減少灰度,從而實現(xiàn)可知系統(tǒng)的處理并揭示系統(tǒng)的變化規(guī)律[12]。目前,灰色預(yù)測模型在水資源預(yù)測方面具有廣泛應(yīng)用[13-15]。因此,基于陜西省2004—2018年的用水量數(shù)據(jù),在對用水量變化趨勢分析的基礎(chǔ)上,采用灰色系統(tǒng)預(yù)測模型對陜西省2021—2030年用水總量及各類用水量進行預(yù)測,以期為陜西省水資源的管理和優(yōu)化配置提供參考。
灰色 GM(1,1)模型是一個一階變量的微分方程模型,預(yù)測時基于隨機的原始時間序列,按時間累加生成灰色序列,這一序列弱化了原始時間序列的隨機性,經(jīng)一階線性微分方程的解逼近所揭示的原始時間序列呈指數(shù)變化規(guī)律,進一步通過建立指數(shù)微分方程求解得到預(yù)測模型。建模過程如下:
設(shè)原始時間序列為X0={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n),}
對X(0)(k)作一次累加,得到:
X(0)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n),}
式中,a為系統(tǒng)發(fā)展系數(shù),u為內(nèi)生控制變量。利用最小二乘法求解式中的模型參數(shù):
選擇后驗差檢驗法檢測模型可靠性,通過小誤差概率P和后驗差比值C確定模型的準(zhǔn)確性。后驗差比值C的表達式:
C=S2/S1
式中,S1和S2分別為原始時間序列均方差和殘差序列均方差,
后驗差比值C越大,模型的應(yīng)用效果越好。小誤差概率P值越大,模型的應(yīng)用效果也越好。通常根據(jù)C值和P值確定模型精度等級,判別式為模型精度等級=Max{C所在的等級,P所在的等級}。取值范圍如表1所示。
表1 灰色預(yù)測模型精度等級
由圖1可知,2004—2018年陜西省多年平均用水總量為86.44億m3,用水總量波動范圍為75.53億~93.7億m3,其中2018年用水總量最大,2004年用水總量最小。農(nóng)業(yè)用水的多年平均用水量為56.38億m3,波動范圍為49.72億~58.2億m3,其中2017年用水總量最大,2004年用水總量最小。工業(yè)用水的多年平均用水量為13.17億m3,波動范圍為11.4億~14.5億m3,其中2018年用水總量最大,2009年用水總量最小。生活用水的多年平均用水量為14.96億m3,波動范圍為12.6億~17.4億m3,其中2018年用水總量最大,2004年用水總量最小。生態(tài)用水的多年平均用水量為1.92億m3,波動范圍為0.74億~4.8億m3,其中2018年用水總量最大,2004年和2005年用水總量最小。
綜合來看,2004—2018年陜西省的用水總量和各類用水量均呈顯著上升趨勢,用水總量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量的線性傾向率分別為1.12億m3/a、0.38億m3/a、0.16億m3/a、0.32億m3/a、0.26億m3/a,各類用水中農(nóng)業(yè)用水的增幅最大,生活用水次之,工業(yè)用水的增加幅度最小。
圖1 2004—2018年陜西省用水總量及各類用水量變化
以陜西省2004—2018年的用水總量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)用水量為原始的時間序列建立灰色GM(1,1)模型,其中:
6 929.95e0.011 6t-6 854.42
1 266.8e0.004 3t-12 817.1
894.94e0.020 5t-882.47
637.06e0.020 5t-624.46
3.81e0.151 2t-3.07
由表2可知,陜西省2005—2018年用水總量預(yù)測值的相對誤差為0.14%~2.78%,平均相對誤差為1.1%,相對誤差≤2%的年份有10年。農(nóng)業(yè)用水量預(yù)測值的相對誤差為0.01%~5.88%,平均相對誤差為1.57%,相對誤差≤2%的年份有9年。工業(yè)用水量預(yù)測值的相對誤差為0.44%~11.98%,平均相對誤差為3.54%,相對誤差≤2%的年份僅有4年,表明預(yù)測模型的相對誤差較大。生活用水總量預(yù)測值的相對誤差為0.23%~7.88%,平均相對誤差為1.98%,相對誤差≤2%的年份有9年。生態(tài)用水總量預(yù)測值的相對誤差為2.71%~28.63%,平均相對誤差為10.46%,其中2005年以及2009—2011年出現(xiàn)異常擬合結(jié)果。分析其原因可知,生態(tài)用水相對其他各類用水量所占的比例較小,生態(tài)用水量相對較低,由此導(dǎo)致的預(yù)測值與真實值之間的相對誤差較高。
表2 陜西省2004—2018年歷年用水量灰色擬合結(jié)果
由表3可知,總用水量及生態(tài)用水量的檢驗結(jié)果為“好”。各類用水中生態(tài)用水量的后驗差比值C最小,模型檢驗的精度最高。生活用水量灰色 GM(1,1)模型的檢驗結(jié)果為“合格”。農(nóng)業(yè)用水灰色 GM(1,1)模型的檢驗結(jié)果為“勉強”,這與農(nóng)業(yè)用水量在2006年以后增長趨勢不明顯,呈現(xiàn)波動變化有關(guān)。根據(jù)灰色系統(tǒng)模型的建模原理可知,灰色GM(1,1)模型是一個指數(shù)模型,其預(yù)測效果在很大程度上取決于原始數(shù)據(jù)的特點,當(dāng)原始數(shù)據(jù)的變化單調(diào)且平緩時,灰色GM(1,1)模型的預(yù)測效果會更好。工業(yè)用水灰色 GM(1,1)模型的檢驗結(jié)果為“不合格”,模型檢驗的精度相對較差,分析其原因可能與工業(yè)用水量在2006—2011年的異常波動有關(guān)。綜合來看,灰色GM(1,1)模型對用水總量、生態(tài)用水量以及生活用水量預(yù)測的準(zhǔn)確性都相對較高,可以利用該模型對陜西省的用水總量、生態(tài)用水量及生活用水量進行預(yù)測。
表3 灰色GM(1,1)模型精度檢驗
由表4可知,陜西省2021—2030年的總需水量、生活需水量和生態(tài)需水量均呈增長趨勢,其中生態(tài)需水量的增長趨勢較快,2030年相較2021年增加20.26億m2;生活需水量的增長趨勢相對比較緩慢,2030年相較2021年增加3.71億m2。2030年陜西省的總需水量、生活需水量及生態(tài)需水量分別為107.97億m3、22.03億m3、27.25億m3。
表4 陜西省2021—2030年需水量預(yù)測 億m3
對陜西省2004—2018年用水總量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)用水量現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上,建立GM(1,1)模型預(yù)測了陜西省2021—2030年的需水量,得到以下主要結(jié)論:
1) 2004—2018年期間陜西省的用水總量和各類用水量均呈顯著上升趨勢,用水總量上升的線性傾向率為1.12億m3/a,各類用水中農(nóng)業(yè)用水的上升幅度最大,其線性傾向率為0.38億m3/a,工業(yè)用水的上升幅度最小,其線性傾向率為0.16億m3/a。
2) 模型精度檢驗結(jié)果表明,灰色GM(1,1)模型對用水總量、生態(tài)用水量以及生活用水量預(yù)測效果較好,對農(nóng)業(yè)用水量和工業(yè)用水量預(yù)測的準(zhǔn)確性相對較差,因此可以利用該模型對陜西省需水總量、生活需水量以及生態(tài)需水量進行預(yù)測。
3) 灰色預(yù)測結(jié)果表明,陜西省2021—2030年的總需水量、生活需水量和生態(tài)需水量均呈增長趨勢,其中生態(tài)需水量的增長趨勢較快??傂杷康脑黾訉﹃兾魇∷Y源的供應(yīng)能力提出更大要求和挑戰(zhàn)。