我国水资源总量预测及对策分析

'我国水资源总量预测及对策分析摘要随着中国现代化社会脚步建设步伐的逐渐加快，我国水资源面临的形势十分严峻,本文主要针对目前全国水资源供需状况，运用PEST环境分析、霍尔三维结构模型、时间序列分析、灰色关联法、层次分析法对未来水资源需求量进行预测，然后从兴建水库、调整水价和污水处理三个方面提出缓解我国水资源压力的方案，并对方案进行了定性的评估。首先，我们从政治、经济、社会、技术四个方面对中国的水资源现状进行了PEST分析，针对当前的水资源短缺形势提出了初步目标，然后利用霍尔三维结构图对相关政策和工程的管理和实施过程进行了直观的表示。对于未来水资源的需求量，根据2004-2013年全国的工业用水、农业用水、生活用水及用水总量的数据，我们分析得到，农业用水、生活用水的需求量都带有一定的周期性，而工业用水的需求量在经历一段时间的急剧上升后趋于平稳。因此对于未来农业用水和生活用水的需求量，采用arima模型进行预测，对于工业用水，采用指数平滑法进行预测。在预测未来用水总量的过程中，为减少不确定因素的影响，利用灰色关联分析，将不确定因素的影响按权重分别加到生活用水、农业用水和工业用水中，以减小我们对未来水资源需求总量预测时的误差。考虑到当今我国当前形势，拟从兴建水库、调整水价和污水净化三个方面来补充水资源，利用层次分析法来分析未来补充的水资源如何在各地区分配的问题。经计算013-2025年间需要补充的水资源量约为737.1756亿立方米，通过兴建水库、调整水价、污水净化直接（或间接）补充的水资源量分别372.8634亿立方米、227.1975亿立方米、137.1147亿立方米。考虑到中国各地区实际情况和经济发展程度，将中国分为东部沿海、中部、西部和东北四大地区，未来在这四大地区兴建大型水库的数量分别为5、1、2、1个，单位水价分别在原来的基础上上调0.1014、0.0538、0.1799、0.2401元，分别兴建污水处理厂30、28、29、60个，并对兴建水库和污水处理厂所需经费进行了定量计算。26 最后，我们对拟定的方案分别从经济、社会生活和环境影响三个方面进行了定性分析，使方案能够在未来发展中切实惠及整个社会。关键词：PEST环境分析、霍尔三维结构模型、时间序列分析、灰色关联法、层次分析法、兴建水库、调整水价、污水净化一、问题研究的背景水是生命之源。水利部水资源司郭孟卓司长曾在中国科协报告中指出:“党中央、国务院已经将粮食、石油和水确定为三大战略资源，如果不采取有力措施，中国有可能在未来出现严重的水危机。水资源问题已成为中国实现可持续发展战略过程中必须认真解决的重大问题,认识我国水资源利用的现状，洞察我国水资源利用现状的主要原因，提出解决困扰中国社会经济发展的水资源问题及对策意义重大。”二、我国水资源现状的PEST分析Politics:随着中国现代化社会脚步建设步伐的逐渐加快，我国水资源面临的形势十分严峻,人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，在世界排第110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。图1世界与中国用水量比较26 中国对于水资源问题的矛盾逐渐突出，在一定条件下严重阻碍了当今社会的发展，水资源利用在整个国家发展布局中占有着举足轻重的位置，中央对于水资源问题也给予了高度重视。进入20世纪以来，为缓解华北和西北地区的水资源短缺问题，举世瞩目的南水北调工程目前已全面惠及各地区人民。2015年4月2日，中央政治局常务委员会会议审议通过《水十条》，针对我国水资源短缺、水环境质量差、水生态受损重等问题出台了一系列法律法规和相关政策，切实加大水污染防治力度，保障国家水安全。Economic:改革开放以来，中国经济发展迅速，新兴产业不断涌现，工农业也得到了长足的发展。一方面，高速增长的经济对水资源的需求量增大，缺水程度加剧。在中国15亿亩耕地中，尚有8.3亿亩没有灌溉设施的干旱地，另有14亿亩的缺水草场。全国每年有3亿亩农田受旱；另一方面，由经济发展带来的水污染、水环境恶化的矛盾也日益突出。根据环境部门对全国河流、湖泊、水库的水质状况的监测，由于近年来工业废水和生活污水的排放等原因，我国主要水系的水体都遭到了不同程度的污染。全国湖泊约有75%以上的水域，近岸海域约有53%以上受到显著污染。根据全国118座大城市浅层地下水的调查，97.5％的城市受到不同程度的污染，其中40%的城市受到重度污染。Society:水资源短缺对群众生活和工作造成了极大的不便，有些城市对楼房供水不足或经常断水，有的缺水城市不得不采取定时、限量供水，造成人民生活困难。为了满足生产生活的需求，人们开始采取开采地下水的措施。地下水过度开采，造成地下水位持续下降，水资源枯竭，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。用水效率低下、用水严重浪费的现象普遍存在是导致水资源短缺的重要原因。就农业方面而言，我国平均每生产l吨粮食需灌溉972立方米水，而以色利仅需280立方米。全国农业灌溉用水的利用系数平均约为0.45，而先进国家为0.7。在工业领域，由于现有用水设施技术落后，目前我国工业万元产值用水量为103立方米，而美国是8立方米。我国工业用水的重复利用率仅为55％左右，而发达国家平均为75％～85％。同时，由于水价太低，加之市民节水意识薄弱，城市生活用水浪费现象普遍存在。26 此外，水资源的时空分布很不均衡，是导致水资源短缺的另一个重要原因。由于降水季节过分集中，大部分地区每年汛期连续4个月的降水量占全年的60％一80％，不但容易形成春旱夏涝，而且降水量的年际剧烈变化，更造成江河的特大洪水和严重枯水。大量降水得不到利用，使可用水资源量大大减少。水资源的空间分布不均，水资源分布极不平衡，东西南北分配差异十分明显，供需矛盾非常突出。不仅限制了工农业生产的发展，而且影响人们的日常生活。水资源的时空分布不均，水资源分布极不平衡，东西南北分配差异十分明显，供需矛盾非常突出。不仅限制了工农业生产的发展，而且影响人们的日常生活。东多西少北少南多图2中国水资源供需现状Technology:随着中国综合国力的提升，科学技术水平的不断发展，水利技术已处于世界领先地位。三峡工程、南水北调工程，这些举世瞩目的成就，是我国科学技术发展水平的最好证明。我们坚信，只要勇于拼搏，技术问题不会是中国水资源问题的瓶颈。如何使水资源顺应我国经济可持续发展的需求，是一个亟待解决的问题。本文将根据对我国水资源的现状分析，预测其未来的发展趋势，并提出解决问题的合理建议和对策，制定目标树如下：26 缓解未来水资源紧张问题水资源污染问题水资源浪费问题空间分布不均时间分布不均治理污水调整水价跨区域调配兴建水库图3目标树的建立三、霍尔三维结构模型的建立整个水资源补充工程非常复杂，为了更系统和直观地展现后续工作地过程和特点，我们建立了该工程的霍尔三维结构模型如下：图4霍尔三维结构模型26 1.时间维表1时间维分析明确问题全面搜集资料、了解问题，包括实地考察、调研等，缓解未来我国水资源紧缺问题选择目标针对目前我国水资源时空分布不均、浪费现象、污染现象严重问题，拟从兴建水库、调整水价、污水处理三个方面来补充水资源，并针对我国各地区的实际情况制定切实可行的不同的方案。系统综合对我国东部、中部、西部、东北地区的方案进行必要说明，并提出综合性的解决方案。系统分析运用系统工程的方法和相关技术，建立相应的数学模型对未来水资源需求量进行预测，并据此给出定量的水资源补充方案。方案优化对模型结果进行客观评价和优化。作出决策确定方案付诸实施执行方案，完成各阶段的管理和督促工作。2.逻辑维表2逻辑维分析规划阶段首先需要收集大量数据，如用水量历史数据、全国各地区大型水库数量、库容量，全国各地区平均水价、人均消费水平，现有污水处理厂和新建情况等，并收集相关流域的水文、气象、地质、地形资料和进行实地勘探，然后对即将实施的政策或拟建的水利工程向相关部门提交可行性研究报告。26 方案阶段利用时间序列分析法、灰色关联法、层次分析法等系统工程的相关方法对未来水资源需求量进行预测并提出解决方案。研制阶段围绕总目标，针对不同的方案进行深入研究和优化，确保符合经济社会发展需求，还可对此进行物事人分析等。生产阶段根据拟定方案进行初步的政策普及和水利工程建设。运行阶段确保政策落实有效、做好工程的安全工作和维护及管理。更新阶段对现有工程进行优化调度、对出现的新问题进行研究，创造性地跟踪新技术、新工艺，提出新的方法，更好地惠及民生。1.知识维综合运用工程技术、经济学、法律、数学、管理科学、环境科学、计算机技术等方面的知识，运用系统工程知识，将时间和逻辑步骤结合起来，保证实施过程顺利进行。四、水资源需求量预测模型的建立（一）我国水资源需求量的时间序列分析通过国家统计局网站提供的数据，我们得到了有关2004-2013年全国的工业用水、农业用水、生活用水及用水总量的数据，如下表所示。可以看出，随着经济的发展和时间的推移，全国对水资源的需求量越来越大，对未来水资源需求量进行预测分析和进行合理的决策势在必行。表32004-2013年全国用水量数据26 年份20042005200620072008农业用水（亿立方米）3585.703580.003664.453599.513663.50工业用水（亿立方米）1228.901285.201343.761403.041397.10生活用水（亿立方米）651.20675.10693.76710.39729.30用水总量(亿立方米）5547.805632.985794.975818.675910.00年份20092010201120122013农业用水（亿立方米）3723.003689.103743.63903.003921.5工业用水（亿立方米）1391.001447.301461.81381.001406.40生活用水（亿立方米）748.00765.80789.9740.00750.10用水总量(亿立方米）5965.006022.006107.206131.006183.40首先，我们考虑利用时间序列预测的方法对农业用水、工业用水、生活用水的未来发展趋势进行预测。时间序列的影响因素的作用特征可以概括为四种变动方式，即趋势变动、季节变动、循环变动及不规则变动，采用何种方式进行预测，取决于影响因素的作用特征。利用MATLAB，我们对农业、工业和生活用水的数据特征进行了如下分析：26 图5工业用水数据分析图6农业用水数据分析26 图7生活用水数据分析从以上三幅图可以看出，农业用水、生活用水的需求量都带有一定的周期性。（周期分别约为四年和八年），而工业用水的需求量在经历一段时间的急剧上升后趋于平稳。因此对于未来农业用水和生活用水的需求量，我们采用arima模型进行预测，对于工业用水，采用指数平滑法进行预测。1.指数平滑法根据2004-2013年的历史数据，可以看出外部环境变化较快，所以我们取=0.4，设为年度工业用水总量，T为要预测的年份，计算得：26 预测结果如下图所示图8工业用水量预测1.arima模型由数据分析可知，农业用水和生活用水的数据是不平稳的，带有一定幅度的变化或具有一定的周期性。Arima模型将预测对象随时间推移而形成的数据序列视为一个随机序列，用一定的数学模型来近似描述这个序列，旨在不将平稳的序列经过n次差分后，使数据平稳建立的时间序列模型。这个模型一旦被识别后就可以从时间序列的过去值及现在值来预测未来值。其基本的实现步骤为：（1）根据时间序列的散点图、自相关函数和偏自相关函数图以ADF单位根检验其方差、趋势及其季节性变化规律，对序列的平稳性进行识别。（226 ）对非平稳序列进行平稳化处理。如果数据序列是非平稳的，并存在一定的增长或下降趋势，则需要对数据进行差分处理，如果数据存在异方差，则需对数据进行技术处理，直到处理后的数据的自相关函数值和偏相关函数值无显著地异于零。（3）根据时间序列模型的识别规则，建立相应的模型。（4）进行参数估计，检验是否具有统计意义。（5）进行假设检验，诊断残差序列是否为白噪声。（6）利用已通过检验的模型进行预测分析以上可以通过spss实现，通过spss分析，我们得到未来农业用水和生活用水的预测结果如下图：图9农业用水量预测26 图10生活用水量预测表4未来用水量预测值年份201420152016201720182019农业用水预测值3956.113942.264029.854083.564106.044096.37生活用水预测值759.01772.23791.65817.91851.26891.76工业用水预测值4561.684539.244681.144768.154804.564788.90年份202020212022202320242025农业用水预测值4182.524236.734259.034249.424335.554389.77生活用水预测值881.87879.18883.68895.38914.27940.36工业用水预测值4928.465016.285052.415036.855176.375264.2026 图11未来用水量预测（一）基于灰色关联法的用水总量预测从2004-2013年的全国用水数据可以看出，生活用水、农业用水和工业用水之和与该年的用水总量不相等，说明有其他方面的少量用水数据未统计，为了减少这部分数据的影响，我们利用灰色关联法，将其影响按权重分别加到生活用水、农业用水和工业用水中，以减小我们对未来水资源需求总量预测时的误差。1、灰色系统理论概述一般来说，内部因素难以辨识或之间关系隐蔽、系统的行为特征较难描述、内部特性部分已知的系统称为灰色系统，如社会、经济、农业以及生态系统等。这些系统一般都会有不可忽略的“噪声”（即随机干扰）。现有的系统分析的量化方法，大都是数理统计法如回归分析、方差分析、主成分分析等，但这些方法大都对样本量有较高的要求，有时候有了大量的数据也不一定能得到统计规律，也不能分析因素间动态的关联程度。26 灰色系统理论提出了一种新的分析方法—关联度分析方法，即根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间关联的程度，揭示事物动态关联的特征与程度。由于以发展态势为立足点，因此对样本量的多少没有过分的要求，也不需要典型的分布规律，计算量少到甚至可用手算，且不致出现关联度的量化结果与定性分析不一致的情况。这种方法已应用到农业经济、水利、宏观经济等各方面，都取得了较好的效果。2、未来用水总量预测关联度的定义：选取参考数列其中k表示时刻。假设有m个比较数列则称为比较数列对参考数列在k时刻的关联系数，其中为分辨系数，分辨系数越大，分辨率越大；越小，分辨率越小。称为数列对参考数列的关联度。当参考数列不止一个，被比较的因素也不止一个时，假设有m个参考数列（亦称母因素），记为，再假设有个比较数列（亦称子因素），记为显然，每一个参考数列对个比较数列有个关联度，设表示比较数列对参考数列的关联度，可构造关联（度）矩阵。26 根据2003-2014年的用水量数据，通过MATLAB计算，我们得到最终的关联矩阵为设未来某年的用水总量为，通过时间序列分析预测得到的该年农业、生活和工业用水分别为、、，则未来年度用水总量可以如下表示：五、水资源问题的对策分析考虑到当今我国一方面水资源紧缺、另一方面水资源浪费和污染严重的现象，我们拟从兴建水库、调整水价和污水净化三个方面来补充水资源，以缓解供水压力。其中，兴建水库的数量和地区分配、水价调整幅度、地区经济差异、污水处理力度等都是要重点考虑的因素。根据不同地区的实际情况和经济发展差异，下面我们利用层次分析法来分析未来补充的水资源如何在各地区分配的问题。1.建立层次结构模型A解决水资源问题的对策目标层准则层B4东北地区B2中部地区B3西部地区B1东部沿海26 方案层C3污水净化C2调整水价C1兴建水库图12层次结构模型2、建立判断矩阵不同地区水资源的需求程度不同，因此水资源短缺问题亟待解决的程度也不同，2004-2013年的各地区年平均用水量大小如下表所示。表52004-2013年的各地区年平均用水量地区年用水量（亿立方米）占总体比例东部2071.170.35中部1434.410.23西部1927.700.32东北588.700.10合计6021.991.00图132004-2013年的各地区年平均用水量26 根据以上数据，我们将东部沿海、中部、西部和东北地区水资源需求程度分别设为4、2、3、1，并由此得到准则层对目标层的判断矩阵为方案层对准则层的判断矩阵构造如下：东部沿海地区人口密集，工业发展较快，生态破坏、水污染现象最为严重，因此将治污工作放在重中之重，而通过调整水价对水资源的节约量可能短时间内成效相对污水处理和兴建水库较小，因此将污水处理、兴建水库、调整水价的权重分别设为6、5、4,通过两两比较，得到判断矩阵为中部地区离海洋较远，湖泊富营养化、河流污染较严重，经济发展程度有待提升，水价调整幅度不宜过大，因此将污水处理、兴建水库、调整水价的权重分别设为3、2、1，通过两两比较，得到判断矩阵为：26 西部地区年平均降水量较少，河流数量少，多山脉、高原和盆地，兴建水库对于降水资源的利用至关重要。因此将兴建水库、污水处理、调整水价的权重分别设为6、4、1，通过两两比较，得到判断矩阵为：东北地区冬季较长，河流汛期早，兴建水库有利于蓄水，对于缓解春季汛期整体蓄水压力也发挥了巨大作用。此外，东北地区是老工业基地，经济较发达，水价调整幅度可比西部地区略高，因此将兴建水库、污水处理、调整水价的权重分别设为5、3、2，通过两两比较，得到判断矩阵为：3、计算权重向量表6权重向量特征根λ权重向量ωA4.031ω=[0.09540.27720.16010.4673]B13.009ω1=[0.29690.16340.5396]B23.009ω2=[0.29690.16340.5396]B33.054ω3=[0.64420.08520.2706]B43.108ω4=[0.62500.23850.1365]26 4、层次总排序以2025年为例，根据前面的预测模型，我们预测2025年所需要的水资源总量根据2013年可用水资源总量，不考虑未来不确定因素对水资源总量的影响，我们得到2013-2025年间需要补充的水资源量约为737.1756亿立方米。通过兴建水库、调整水价、污水净化直接（或间接）补充的水资源量为：表7补充水量方案组合权向量所需补充用水量（亿立方米）兴建水库0.5058=372.8634水价调整0.1860=137.1147污水处理0.3082=227.197526 图14补充水量5、一致性检验表8随机一致性指标RIn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.241.32 1.41 1.45 A B1 B2 B3 B4 CI 0.010333 0.00460.00460.02680.0092 CR 0.01148 0.00790.0079 0.04620.016CR均小于0.1，可认为一致性检验通过。6、各方案在全国不同地区的投入分配1）兴建水库查阅相关数据资料，我们得到四个地区大型水库的数量和容量如下表：表9大型水库数量和容量地区东部中部西部东北大型水库数量21251410大型水库总库容量（单位：亿立方米）764.101637.25903.2051036.385765.4964.51435126 平均水库容量（单位：亿立方米）东部、中部、西部和东北地区通过兴建水库应补充的水量（亿立方米）分别为：根据现有大型水库的平均容量，得到应新修建的大型水库数量如下：表10未来应修建的大型水库地区东部中部西部东北兴建水库总存水量（亿立方米）174.239159.6954103.357735.5712平均水库容量（亿立方米）36.385765.4964.514351兴建水库数量4.790.911.600.70兴建水库数量（取整）5121查阅相关资料，我们得到平均每建一立方米的水库，花费1.7316元，由此得到中国2025年之前为满足未来水资源战略规划需在兴建水库方面的总投资为740.1674亿元。四个地区未来修建水库的数量和费用如下表。表11未来修建水库的数量和费用地区未来各地区应兴建水库数费用（亿元）东部地区5181.928526 中部地区165.49西部地区2129.0286东北 地区151合计9740.16742）调整水价东部、中部、西部和东北地区通过调整水价应间接补充的水量（亿立方米）分别为：查阅相关数据资料，我们得到四个地区平均水价和可支配收入如下表表12各地区平均水价和可支配收入地区各地平均水价（元）各地区人口各地区可支配收入东部2.0850,61628312.1中部1.69635,67216944.67西部2.02631,43415040.83东北2.66710,95219248那么水价到底怎样调整才合适呢？从社会发展的角度来看，物价上涨是一种趋势，但这种上涨不能超过居民的承受范围，因此水价的改革和上涨尤其要考虑到社会影响，涨幅必须控制在一定范围内（特别是针对低收入地区）。我们根据世界银行和一些国际贷款机构的研究成果，家庭或个人水费支 出（家庭或个人用水量×水价）占家庭收入或人均收入的比重为3%～5%是现实可行的。 我们将这个比重定义为水费支出指数。1995 年国家建设部完成的《城市缺水问题研究》认 为，我国城市居民水费支出指数为2%～3%是比较适宜的。因此，为了使水价调整在居民的可接受范围内，水费支出指数以2%来确定居民生活可承受水价。26 设居民可承受水价为P，为居民人均用水量，r为水费支出能力指数，Yd为人均可支配收入。则可建立以下关系式：设、分别为水价调整前和水价调整后的居民人均用水量，P1、P2分别为原水价和调整后的水价，则间接补充的水量L为其中n为该地区总人口数。最终各地区应调整的水价为：表13调整水价地区东部中部西部东北原水价（元/吨）2．081.6962.0262.667调整水价（元/吨）2.18141.74982.20592.9071调整幅度（元/吨）0.10140.05380.17990.24013）污水净化东部、中部、西部和东北地区通过污水处理补充的水量（亿立方米）分别为：查阅资料并整理得，污水处理厂在各地区的分布表如下：表14四个地区污水处理厂的日处理量及新建个数26 地区东部中部西部东北平均污水日处理量（万立方米/日）100366010新建污水处理厂数量29.0827.6828.7659.38新建污水处理场数量（取整）30282960设每个污水处理厂的兴建费用： 其中表示目前中国污水处理厂每天处理一万立方米污水所需修建费用（查阅资料，元，表示不同型号污水处理厂污水日处理量。表15污水处理厂建造费用地区未来应新建污水处理厂单个费用（万元）总计（万元）东部30200.006000.00中部2872.002016.00西部29120.003480.00东北6020.001200.00中国2025年之前为满足未来水资源战略规划需在污水处理方面的总投资为：万元六、模型评价与分析1、三种措施对经济、社会生活、环境的影响分析26 1）经济方面：大型水库的修建，从一定程度上可以缓解水资源在时间上分布不均的问题，为工农业生产提供有力保障，同时可带动养殖业、旅游业等新兴产业的发展；通过水价调整，可提高人们的节水意识，同时水价上调也增加了政府收入；污水处理厂的建立，一方面增加就业岗位，另一方面能够改善环境质量，水资源循环利用，为企业的可持续发展注入新的活力。2）社会生活方面：兴建水库，可大大缓解居民用水压力，改善环境；水价合理上调，使人们养成节约用水的习惯，弘扬中华民族勤俭节约的传统美德；通过污水处理，可大大提高水环境质量，提高城市整体形象，有利于人民生活安定、健康。3）、环境方面：通过兴建水库，可实现水资源的合理配置，改善干旱地区缺水现状，提高了防洪抗旱的能力，减轻水旱灾害的损失；污水处理厂可充分利用污水处理技术，变废为宝，用于工业循环冷却、市政园林、近郊农田灌溉以及建筑用水，改善了生态环境。1、优缺点分析1)优点：思路清晰，首先对我国当前的水资源现状进行了充分的定性讨论，在模型建立的过程中考虑了经济、社会、生态等方方面面的因素，有利于经济社会的可持续发展。2)缺点：只考虑了兴建水库、调整水价和污水处理三个方面的措施，对于其他存在的问题及相应的措施没有做进一步讨论；此外，整个决策过程基于层次分析法，权重的确定具有一定的主观性，结论的可行性有待进一步研究。参考文献[1]中国水资源年鉴2004-2013[2]胡明秀.2004.我国水资源现状及开发利用对策.武汉工业学院学报.1-326'