工業(yè)需水量預(yù)測方法研究

工業(yè)需水量預(yù)測方法研究

需要水的預(yù)測是水資源規(guī)劃和管理的重要內(nèi)容之一。趨勢預(yù)測法、局部預(yù)測法、相關(guān)法和行為分配原則是工業(yè)預(yù)測的常用方法。這些方法有各自的特點(diǎn)，但有一定的使用條件。例如，趨勢法和相關(guān)法適用于特定的工業(yè)基礎(chǔ)城市和具有特定工業(yè)基礎(chǔ)的行業(yè)，而具體分配原則適用于需要水的突然變化和工業(yè)水分形成的情況。實(shí)際上,在一個(gè)城市或區(qū)域,涉及多部門、多行業(yè)的工業(yè)需水量的不同變化特征相互交織在一起,單一預(yù)測方法的應(yīng)用受到一定局限,特別是在水資源規(guī)劃中,經(jīng)常遇到指標(biāo)變化、方案比較等情況,多方法預(yù)測的效率較低.本文通過分析當(dāng)前常用預(yù)測方法的內(nèi)在聯(lián)系,將不同預(yù)測方法綜合成統(tǒng)一的公式,建立了通用性更強(qiáng)的工業(yè)需水量的綜合預(yù)測模型.1綜合評價(jià)方法1.1加加的工業(yè)需水量模型及第n段tn設(shè)某分區(qū)有m個(gè)工業(yè)部門,現(xiàn)以第i個(gè)工業(yè)部門為例,說明其綜合預(yù)測模型的原理.將整個(gè)預(yù)測期分成n段,分段原則如下:a.工業(yè)需水增長率發(fā)生變化的年份,通過分段考慮不同時(shí)期由于用水水平增加或重復(fù)利用率變化導(dǎo)致的不同時(shí)期用水增長率的變化,反映用水增長率的階段性.b.工業(yè)需水增長率未變,但用水量發(fā)生突變的年份,通過分段,考慮由于高耗水企業(yè)投產(chǎn)或新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)產(chǎn)生增加的工業(yè)用水量.圖1表達(dá)了綜合預(yù)測模型的結(jié)構(gòu),Tn為第n分段末的年份;P0是計(jì)算初始年份(T0)的工業(yè)需水量;αi表示第i子段的用水量增長率,若以需水增長率變化為分段原則,則αi各不相同,若以新企業(yè)投產(chǎn)或新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的產(chǎn)生為分段原則,則會(huì)出現(xiàn)若干段的用水量增長率相同的情形;Wn表示第n分段末,由于新企業(yè)投產(chǎn)或新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)產(chǎn)生而導(dǎo)致的用水量的增加量,若第k分段界點(diǎn)僅有用水增長率發(fā)生變化的因素,則取Wk=0.通常情況下,由于新的企業(yè)投產(chǎn)或新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的產(chǎn)生,使用水水平發(fā)生較大變化,也可能導(dǎo)致此后用水增長率的降低,從這一意義上說,用水水平的較大變化與用水增長率的降低具有較好的一致性.值得注意的是,新增加的用水量Wi在后續(xù)時(shí)段中可能會(huì)出現(xiàn)兩種情形:一種是新增的用水量成為后續(xù)時(shí)期初始值的一部分,即新增的水量在后續(xù)時(shí)期,作為基礎(chǔ)工業(yè)用水按一定的用水增長率增長;另一種情況,新增用水量的增加,僅僅是一種偶然因素,這部分水量在后續(xù)時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定而不發(fā)生變化.為了表達(dá)這一特性,引入因子βi,βi=0表示第i段新增水量Wi為偶然因素所致,Wi在后續(xù)時(shí)期內(nèi)作常數(shù)處理.當(dāng)βi=1時(shí),表示新增長量將作為后續(xù)時(shí)期初始水量的一部分,與前期計(jì)算結(jié)果一起在后續(xù)時(shí)期中以一定的增長率增加.1.2前需水量法基準(zhǔn)年用水量P0,各分段末新增加水量為Wi以及各段內(nèi)用水量平均增長率αi為已知,求第t年(水平年)的用水量.由圖1所示,第t年的需水量為P0,W1,W2,…,Wm這m+1個(gè)用水量的計(jì)算值在t年的和,設(shè)Pi0i0表示P0在第i階段末的計(jì)算值,Wijij表示W(wǎng)j(j=1,2,…,m)在i階段末的計(jì)算值.則第m階段末Ρm0=Ρ0m∏j=1(1+αj)Τj-Τj-1Pm0=P0∏j=1m(1+αj)Tj?Tj?1第t時(shí)刻Ρt0=Ρ0m∏j=1(1+αj)Τj-Τj-1(1+αm+1)t-ΤmPt0=P0∏j=1m(1+αj)Tj?Tj?1(1+αm+1)t?Tm同理可導(dǎo)出Wti=Wim∏j=i+1(1+αj?βi)Τj-Τj-1(1+αm+1?βi)t-ΤmWti=Wi∏j=i+1m(1+αj?βi)Tj?Tj?1(1+αm+1?βi)t?Tm第t時(shí)刻的需水量之和Wt=Ρt0+m∑i=1WtiWt=Pt0+∑i=1mWti設(shè)W0=P0,并取β0=1,則圖1所示需水量流程的第t時(shí)刻的需水量計(jì)算公式為Wt=m∑i=0Wim∏j=i+1(1+αj?βi)Τj-Τj-1(1+αm+1?βi)t-Τm(1)Wt=∑i=0mWi∏j=i+1m(1+αj?βi)Tj?Tj?1(1+αm+1?βi)t?Tm(1)當(dāng)Wi=0(i≠0),且α1=α2=…=αm=α?xí)r,Wt=W0(1+α)t-Τ0Wt=W0(1+α)t?T0此即為通常趨勢法的表達(dá)式,可見趨勢法是綜合預(yù)測法的一個(gè)特例.當(dāng)Wi不全為零而βi=0(i=1,2,…,m)時(shí),式(1)變?yōu)閃t=W0m∏j=1(1+αj)Τj-Τj-1?(1+αm+1)t-Τm+m∑i=1WiWt=W0∏j=1m(1+αj)Tj?Tj?1?(1+αm+1)t?Tm+∑i=1mWi該式反映分塊預(yù)測情形.1.3wit個(gè)人比年各分區(qū)工業(yè)需水量綜合按下式計(jì)算:Wit=Μ2∑j=1WijtWit=∑j=1M2Wijt式中:Wit——第i分區(qū)第t年的需水量;Wijt——第i分區(qū)第j部門第t年(水平年)的需水量;M2——第i分區(qū)工業(yè)部門數(shù).全區(qū)域工業(yè)需水量綜合按下式進(jìn)行:Wt=Μ1∑i=1WitWt=∑i=1M1Wit式中:M1為分區(qū)數(shù).2綜合預(yù)測公式的推廣2.1計(jì)算相關(guān)系數(shù)的血清或gdp水量的表達(dá)變化的表面活性劑如相關(guān)法將工業(yè)需水量的預(yù)測分成三步進(jìn)行.第一步,建立不同工業(yè)部門萬元產(chǎn)值(或GDP)取水量與產(chǎn)值(或GDP)的關(guān)系;第二步,通過前述綜合預(yù)測模型對不同水平年各行業(yè)的產(chǎn)值(或GDP)進(jìn)行預(yù)測;第三步,計(jì)算不同水平年不同工業(yè)部門的需水量.相關(guān)法常采用的公式為logY=αlogX+blogY=αlogX+b式中:Y——萬元產(chǎn)值(或GDP)用水量;X——產(chǎn)值(或GDP);a,b——待定參數(shù).設(shè)參數(shù)識別后萬元產(chǎn)值(或GDP)取水量表達(dá)為Y(X),代入式(1)形成以下表達(dá)式:Wt=Y(Xt)?Xt=Y(Xt)?m∑i=0Xim∏j=i+1(1+αj?βi)Τj-Τj-1?(1+αm+1?βi)t-Τm(2)Wt=Y(Xt)?Xt=Y(Xt)?∑i=0mXi∏j=i+1m(1+αj?βi)Tj?Tj?1?(1+αm+1?βi)t?Tm(2)式中:Xi——第i階段初跳變的工業(yè)產(chǎn)值(或GDP);Y(Xt)——Xt產(chǎn)值相應(yīng)的萬元產(chǎn)值(或GDP)用水量;αj——第j分段的工業(yè)產(chǎn)值(或GDP)增長率;βi——指示變量,βi=0表示第i階段產(chǎn)值(或GDP)跳變值在后續(xù)階段中保持不變,βi=1表示第i階段產(chǎn)值(或GDP)跳變值在后續(xù)階段按相應(yīng)增長率增長;Tj——第j分段末的年序號;m——時(shí)間t所在的分段序號.比較式(2)與式(1),可見式(2)比式(1)更具一般性,式(1)為式(2)的簡化形式.2.2元產(chǎn)出取水量的確定利用分行業(yè)重復(fù)利用率提高法預(yù)測工業(yè)需水量,首先是確定現(xiàn)狀水平年與規(guī)劃水平年的重復(fù)利用率η1與η2以及現(xiàn)狀水平年的萬元產(chǎn)值取水量q1,進(jìn)而確定規(guī)劃水平年的萬元產(chǎn)值取水量q2.與式(2)的指標(biāo)法相比,兩者的差別在于確定萬元產(chǎn)值取水量的方法不同.若工業(yè)用水重復(fù)利用率在Ti與Ti+1區(qū)間的變化規(guī)律是線性可知的(重復(fù)利用率逐步提高),則第t年的萬元產(chǎn)值取水量由下式確定:qt=[(1-ηm)(1-η1)-(ηm+1-ηm)(t-Τm)(1-η1)(Τm+1-Τm)]q1(3)式中:q1——基準(zhǔn)年萬元產(chǎn)值取水量;η1——基準(zhǔn)年工業(yè)用水重復(fù)利用率.將式(2)中的Y(Xt)置換為qt即得綜合預(yù)測法與分行業(yè)重復(fù)利用率提高法的結(jié)合公式.3綜合預(yù)測方法的應(yīng)用3.1計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)工業(yè)需水量預(yù)測是城市水資源供需分析與優(yōu)化配置的重要內(nèi)容,預(yù)測結(jié)果是供需分析與優(yōu)化配置模型的主要輸入條件之一,多部門、多行業(yè)的需水量預(yù)測中包含很多的不確定性,經(jīng)常作方案比較或靈敏度分析,多方法分別預(yù)測,重復(fù)工作多,成果綜合困難,特別是與供需分析模型以及優(yōu)化配置模型的接口效率低下.筆者根據(jù)綜合預(yù)測模型按圖2所示的原理,編制了通用的計(jì)算機(jī)軟件.軟件提供了以下功能:(a)多分區(qū)、多部門、多行業(yè)的工業(yè)需水量預(yù)測的建模功能;(b)模型參數(shù)設(shè)定與維護(hù)功能;(c)分區(qū)、分部門、分行業(yè)多方式預(yù)測結(jié)果輸出功能;(d)為供需分析和優(yōu)化配置模型提供任意水平年的分區(qū)工業(yè)需水量過程.通過人機(jī)交互,可靈活高效地適應(yīng)各種變化條件.3.2原有企業(yè)與原有企業(yè)同步增長某工業(yè)部門2000年初需水量為2000萬m3/a,預(yù)測未來15年內(nèi),第一個(gè)5年需水量年增長率為10%,第一個(gè)5年末有新企業(yè)投產(chǎn),新增用水量300萬m3/a,該企業(yè)需水量作為該工業(yè)部門的基礎(chǔ)在后續(xù)年份中與原有企業(yè)同步增長;第二個(gè)5年需水量年增長率為6%,第二個(gè)5年末又有新企業(yè)投產(chǎn),新增用水量100萬m3/a,該企業(yè)一次達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模,其用水量在后續(xù)年份保持不變,第三個(gè)5年該工業(yè)部門的需水量增長率為3%.用綜合預(yù)測模型預(yù)測未來15年該部門需水量的變化過程.利用編制的軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖3所示.這里僅僅是一個(gè)單元的計(jì)算示例,實(shí)際上在城市或區(qū)域水資源規(guī)劃中,涉及到的工業(yè)部門與行業(yè)非常多,各部門各行業(yè)有各自的發(fā)展計(jì)劃、節(jié)水規(guī)劃,相互交織在一起形成非常復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)的需水量預(yù)測問題.在規(guī)模較大時(shí),利用軟件可提高效率,特別是與供需分析和優(yōu)化配置模型配合使用,更能顯示出優(yōu)越性.4綜合預(yù)測法