基于灰色模型的圍場縣需水量預(yù)測研究

基于灰色模型的圍場縣需水量預(yù)測研究

滿族蒙古自治縣（以下簡稱扎場縣）位于河北省北部，位于東經(jīng)1163211814，北緯41354240，總面積939.72公里。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,圍場縣對水資源的需求也在日益增長;同時圍場縣作為灤河與遼河的發(fā)源地之一,除承擔(dān)縣內(nèi)城鎮(zhèn)用水外,還要保證河北省灤河中下游的潘家口水庫的蓄水量,為下游的京津地區(qū)提供穩(wěn)定可靠的水源。因此,對圍場縣城鎮(zhèn)生活需水量進(jìn)行科學(xué)合理地預(yù)測顯得尤為必要。目前,城鎮(zhèn)生活需水量預(yù)測方法可分為定量預(yù)測和定性預(yù)測兩類,前者通過大量的社會調(diào)查及采用少量的數(shù)據(jù)和材料并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)便可進(jìn)行綜合分析和預(yù)測,但該方法易受主觀因素的影響,缺乏對事物發(fā)展在數(shù)量上的精確描述;后者應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自然回歸模擬確定出可信的預(yù)測結(jié)果,該方法注重于事物發(fā)展在數(shù)量方面的分析,重視對事物發(fā)展變化程度作數(shù)量上的描述,且更多地依據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)資料,較少受主觀因素的影響。鑒此,本文采用定量預(yù)測法中的灰色預(yù)測GM(1,1)模型預(yù)測了圍場縣不同期限(短期、中期、長期)的城鎮(zhèn)生活需水量,并提出了城鎮(zhèn)生活用水高效利用對策,為緩解圍場縣城鎮(zhèn)生活用水的供需矛盾提供了參考依據(jù)。1城市生活需水量預(yù)測模型由于水資源存在諸多影響因素,并涉及人口、經(jīng)濟(jì)、社會等一些不確定因素,同時本文的統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)少、信息貧,而灰色系統(tǒng)理論在處理時間序列短、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)少的小樣本問題時精度較高,且既可進(jìn)行短期預(yù)測,也可進(jìn)行長期預(yù)測。因此本文采用定量預(yù)測中的灰色預(yù)測GM(1,1)模型預(yù)測圍場縣城鎮(zhèn)生活需水量,即利用已發(fā)生年份的生活用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立生活用水量與時間的函數(shù)關(guān)系,從而預(yù)測生活需水量。其建模的基本思想是將無明顯規(guī)律的時間系列經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算變?yōu)橛幸?guī)律的時間系列。GM(1,1)模型對應(yīng)的微分方程為:式中,X(1)為n個序列值累加生成的新序列;t為第n個序列值;a為發(fā)展系數(shù);b為灰作用量。利用最小二乘法求解參數(shù)向量為:式中,B為數(shù)據(jù)矩陣;Y為數(shù)據(jù)向量。預(yù)測模型表達(dá)式為:計(jì)算后驗(yàn)差檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途葹?式中,C為后驗(yàn)差比值;S2為殘差方差;S1為X(0)的方差。預(yù)測精度等級對照表見表1。2包圍區(qū)城市生活水的預(yù)測2.1灰色預(yù)測gm1,1模型結(jié)果表2為圍場縣2006~2010年城鎮(zhèn)生活用水量的統(tǒng)計(jì)資料。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制城鎮(zhèn)生活用水量的趨勢線,見圖1。由圖1可看出,實(shí)際用水量采用指數(shù)趨勢線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.95,高于線性趨勢線擬合的相關(guān)系數(shù)(0.91),表明指數(shù)趨勢線擬合的可靠性較高。由于灰色預(yù)測模型適用于呈指數(shù)趨勢變化的序列,因此可在這些數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上建立灰色GM(1,1)模型用于預(yù)測?；疑A(yù)測GM(1,1)模型的模擬結(jié)果見表3、圖2。由表3、圖2可看出,模擬結(jié)果的相對誤差為0.64%~3.16%、平均誤差為1.53%,且未出現(xiàn)異常擬合結(jié)果,模擬結(jié)果較接近實(shí)際情況,表明模擬用水量與實(shí)際用水量的擬合程度較好。為進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性,需對其進(jìn)行誤差分析?；疑A(yù)測GM(1,1)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果見表4。由表可看出,后驗(yàn)差比值C=0.04,精度等級為好,表明灰色預(yù)測GM(1,1)模型可用于預(yù)測分析。2.25、2020年與2006年之間的時間間隔采用灰色預(yù)測GM(1,1)模型對不同時期(2015、2020、2030年)的生活需水量進(jìn)行預(yù)測,由式(2)計(jì)算出a、b后代入式(3)獲得預(yù)測公式為:^X(1)(k+1)=2487.97e0.0786t-2286.93(6)式中,k為2015、2020、2030年與2006年的時間間隔,分別為9、14、24年。計(jì)算得出圍場縣2015、2020、2030年的城鎮(zhèn)生活需水量分別為318.5×104、565.2×104、1240.4×104m3。由此可知,圍場縣城鎮(zhèn)生活需水量在2010~2020年增長率較一致,平均增長率為9.3%,到2030年需水量較大,而2020~2030年前后將是圍場縣城鎮(zhèn)化水平提高較快的時期,因此城鎮(zhèn)生活需水量的增長將成為未來圍場縣城鎮(zhèn)供需水的主要矛盾。3城市生活用水的有效利用3.1城鎮(zhèn)生活用水一次供需平衡分析的目的是在未新增供水工程的情況下,定量預(yù)測城鎮(zhèn)生活用水的供需情況,以暴露發(fā)展過程中的水資源短缺問題。明確一次平衡分析過程中未來的供需矛盾后,通過各種開源和節(jié)流措施彌補(bǔ)供需缺口,以最大程度地緩解水資源短缺問題。目前圍場縣可供水量來源主要為:(1)本地地表和地下水資源量。由于圍場縣地表水資源較缺乏,因此由地下水保障城鎮(zhèn)生活用水的需求;(2)外河引提水量。由沿河的引水涵閘的引水能力和工作時間確定;(3)外河直供水量。主要來自水源地水廠的提水。圍場縣城鎮(zhèn)生活用水量一次供需平衡分析見表5。由表可看出,在水資源得到高效利用與有效調(diào)配的情況下,2015年供水量基本上能滿足需水量,但隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,2020~2030年需水量將比2015~2020年有較大增加,現(xiàn)有工程的供水缺口將會進(jìn)一步加大。因此,要實(shí)現(xiàn)未來水平年水資源供需平衡,必須實(shí)行以供定需并采取節(jié)水等一系列措施來緩解缺水問題。3.2生活用水高效利用針對2020~2030年的缺水情況,采取相應(yīng)措施減少圍場縣城鎮(zhèn)生活需水量,方可在遠(yuǎn)期水平年達(dá)到供需平衡。因此必須科學(xué)合理地利用水資源、建立水資源高效利用體系、實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度及進(jìn)行節(jié)約用水建設(shè)、用水效率控制。(1)節(jié)約用水建設(shè)。通過節(jié)水來實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用是解決水資源短缺問題最有效的舉措。通過進(jìn)一步推廣節(jié)水器具實(shí)施城鎮(zhèn)生活用水節(jié)水工程:力爭到2020年,城鎮(zhèn)居民家庭使用節(jié)水器具達(dá)60%以上,到2030年城鎮(zhèn)居民家庭使用節(jié)水器具達(dá)90%以上;全縣每年建成2~3個節(jié)水型示范小區(qū)和節(jié)水示范單位,以點(diǎn)帶面地推進(jìn)節(jié)約用水建設(shè),以使有限的水資源發(fā)揮最大的效益。(2)用水效率控制。建立完善生活用水的高效利用考核制度、鼓勵居民中水利用、提高用水重復(fù)利用率、實(shí)現(xiàn)廢污水的零排放;加強(qiáng)自來水供水管網(wǎng)建設(shè)和改造、提高輸水效率、減少管網(wǎng)損漏;采用經(jīng)濟(jì)手段推動節(jié)水工作,實(shí)行水資源有償使用等用水收費(fèi)制度,這對緩解水資源短缺狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。4城鎮(zhèn)生活需水量預(yù)測模型a.基于圍場縣2006~2010年城鎮(zhèn)生活用水量的統(tǒng)計(jì)資料,采用灰色預(yù)測GM(1,1)模型對生活需水量進(jìn)行了模擬分析,獲得的模擬結(jié)果與實(shí)際用水量的平均誤差為1.53%,表明模型精度較好,進(jìn)而采用該模型預(yù)測圍場縣2015、2020、2030年城鎮(zhèn)生活需水量分別為381.5×104、565.2×104、