基于灰色系统模型的河南省水资源供需预测及平衡分析

(中原工学院 a.系统与工业工程技术研究中心；b.经济管理学院，郑州 450007)

随着经济发展和人口增长，城乡生活用水、工农业用水迅速增加，水资源供需矛盾已经成为制约经济社会可持续发展的重要因素之一。目前水资源供需平衡的研究方法主要是系统动力学方法，在预测供需时主要采用动态仿真模拟、人工神经网络和灰色预测方法。2006年范英英等采用系统动力学方法构建了北京市水资源动态预测模型，通过动态仿真模拟进行供需水预测[1]；2009年赵军凯等以开封市为例，运用灰色系统原理，对开封市水资源进行了供需平衡及预测分析[2]；2011年邵全忠基于灰色预测模型对河南省需水量进行了预测[3]。

本文从河南省水资源现状出发，结合华中地区特点和社会经济发展水平，运用灰色预测理论，构建GM(1，1)模型，对不同水平年不同保证率下河南省供水量和需水量进行了预测，并对河南省水资源进行了供需平衡分析，以期为河南省政府和水行政主管部门制定水资源可持续发展规划提供科学依据。

1 河南省水资源供需现状

河南省位于我国中东部，地处南暖温带和北亚热带地区，气候有明显的过渡性特征。河南省河川径流地表水资源主要由降雨形成。全省多年平均降水量为784 mm，多年平均河川天然径流量为312.7亿 m3，多年平均浅层地下水资源量为208.3亿 m3，多年平均水资源总量为413.4亿m3，占全国水资源总量的1.47%，居全国第19位。河南省水旱灾害频繁，而且旱灾范围广，洪涝灾害重，为全国重灾区之一。

以2011年为例。根据2011年河南省水资源公报[4]，2011 年全省平均降水量736.2 mm，折合降水总量1218.602亿 m3，较上年减少12.5%，较多年均值减少4.6%，省辖海河、黄河、淮河、长江流域降水量分别为630.9 mm、792.1 mm、715.3 mm和786.6 mm，与多年均值相比，海河、黄河流域有所增加，增幅分别为3.4%、25.1%；淮河、长江流域有所减少，减幅分别为15.1%和 4.3%。2011年属稍偏枯年份。

2011 年全省地表水资源量222.5亿 m3，折合径流深134.4 mm，比多年均值304.0亿 m3偏少26.8%。全省地下水资源量为 191.80 亿 m3，地下水资源模数为11.6 万 m3/km2，比多年均值减少 2.1%。2011年全省水资源总量为 327.94 亿 m3，比多年均值偏少18.7%，人均水资源量349 m3，只相当于全国的1/5，远低于国际公认的人均1 700 m3的水资源紧张警戒线，平均产水模数 19.8 万 m3/km2，产水系数 0.27。

2011 年末全省 22 座大型水库和 104 座中型水库蓄水总量57.43 亿 m3。其中，大型水库年末蓄水量 46.29 亿 m3,中型水库 11.14 亿 m3。2011 年末全省平原区浅层地下水位与上年末相比略有下降，平均降幅 0.18 m，相应地下水储存量与上年相比减少 5.7 亿 m3;全省平原区浅层地下水漏斗区总面积为 7 346 km2，约占平原总面积的 8.7%，比上年减少 150 km2。

2011年全省总供水量为 229.04 亿 m3。其中地表水源供水 96.86 亿 m3，占总供水量的 42.3%；地下水源供水 131.30 亿 m3，占总供水量的57.3%；集雨及其他水源工程供水 0.88亿 m3，占总供水量的 0.4%。在地表水开发利用中，引用入过境水量为 35.50 亿 m3(包括引黄河干流水量 34.22 亿 m3)，其中流域间相互调水 20.63 亿 m3。在地下水利用中，开采浅层地下水120.27 亿 m3，中深层地下水 11.03 亿 m3。

2011 年全省总用水量为229.04 亿 m3。其中农、林、渔业用水124.61 亿 m3(农田灌溉114.52 亿m3)，占 54.4%；工业用水56.81 亿 m3，占 24.8%；城乡生活、环境综合用水 47.62 亿 m3(其中城镇生活、环境综合用水 29.36 亿 m3)，占 20.8%。全省用水消耗总量 130.42 亿 m3，占总用水量的 56.9%，其中农林渔业用水消耗量占 66.2%，工业用水消耗占 10.3%，城乡生活、环境用水消耗占 23.5%。

2011年全省人均用水量为 237 m3。万元 GDP 用水量为 64 m3；农田灌溉亩均用水量为 164 m3；吨粮用水量约 148 m3；万元工业增加值取水量为 39 m3，工业企业重复用水率86.59%，与《中国城市节水2010年技术进步发展规划》所要求的工业用水率大于75%、工业万元增加值取水量小于40 m3相比，工业节水水平较高，但与先进国家与地区工业用水水平相比，仍有工业节水潜力。

2 灰色预测方法简介

灰色预测是指利用GM模型对系统行为特征的发展变化规律进行预测，主要用灰色系统理论中的GM(1，1)模型进行处理[5-6]。

GM(1，1)模型的构建如下：

(1)数据的检验与处理

设某指标近期多年的实测值为数列x(0)：

x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))

计算数列的级比

做AGO生成数列：

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))，

求均值数列：

z(1)(k)=(z(1)(2),z(1)(3),…,z(1)(n))=

0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1) (k=2,3,…,n)

(2)建立GM(1，1)模型

GM(1，1)的灰微分方程为：

x(0)(k)+az(1)(k)=b(k=2,3,…,n)

相应的白化微分方程为：

求解白化微分方程，可得预测值为：

且

Y1=(x(0)(2),x(0)(3)，…，x(0)(n))T,

(3)精度检验

3 河南省水资源供需预测分析

3.1 河南水资源需水量预测

3.1.1 农业需水预测

农业需水量包括灌溉需水量、渔业需水量及牲畜需水量。以现状为基础，以保障社会发展和提高农民收入为目标，根据2006-2011年的农林渔业用水量数据，利用GM(1，1)模型，结合河南省人民政府2011年1月21日印发的《关于加快水利改革发展的实施意见》，参照河南省地方标准《用水定额》(DB41/T 385-2004)，同时考虑农业生产发展所导致的用水需求增长、节水技术应用和推广等降低农业需水量因素的综合影响，对河南省2015年、2020年、2025年和2030年的农业需水量进行预测[3-7]。

3.1.1.1 灌溉需水预测

灌溉需水取决于灌溉面积和毛灌溉定额。毛灌溉定额与灌溉水利用系数密切相关。灌溉面积的发展与区域的自然地理状况、水资源条件、农产品需求量以及农产品进出口量有着密切的关系。河南省耕地面积总体呈减少趋势，建设占用是导致耕地减少的主要因素。不同规划水平年河南省有效灌溉面积及农田灌溉定额预测结果如表1和表2所示。

表1 不同水平年河南省有效灌溉面积预测 万亩

表2 不同水平年不同保证率下河南省灌溉定额预测 m3/亩

由表1和表2可得，不同水平年河南省灌溉需水预测结果，如表3所示。

表3 不同水平年不同保证率下河南省灌溉需水预测结果 亿m3

3.1.1.2 渔业需水预测

渔业需水指单位养殖水面一年内维持某一适宜范围水深所需的补水量。结合《河南省现代渔业发展规划》，预测不同水平年鱼塘补水量，如表4所示。

表4 不同水平年不同保证率下河南省鱼塘补水量预测结果 亿m3

3.1.1.3 牲畜需水预测

牲畜需水量采用日需水定额法预测，将牲畜分为大牲畜和小牲畜两类。根据河南省畜牧业用水定额，目前大牲畜和小牲畜日需水定额分别为40 L和6 L。根据河南省畜牧业发展状况及牲畜日需水定额，预测不同水平年牲畜需水量，如表5所示。

表5 不同水平年河南省牲畜需水预测结果 亿 m3

3.1.1.4 农业需水总量预测

由以上分项预测结果可得，不同水平年不同保证率下河南省农业需水总量预测结果，如表6所示。

表6 不同水平年不同保证率下河南省农业需水总量预测结果 亿m3

总体而言，河南省农业用水量将呈下降趋势。一方面，是由于农业节水技术的推广和种植结构调整；另一方面是随着城镇化率的提高，有一部分农田转变为城市用地，城市面积扩大，农村面积和耕地缩小，导致农业需水量下降。

3.1.2 工业需水预测

随着工艺水平提高和节水措施的增加，工业用水定额大幅下降，2011现状年工业产值万元取水量为39 m3，工业企业重复用水率为86.59%。根据河南省政府《关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》及河南省2015年用水效率控制目标，2015年工业产值万元取水量将控制在30 m3，到2030年用水效率将达到或接近全国先进水平。根据2006-2011年的工业用水量数据，利用GM(1，1)模型预测河南省不同水平年工业需水，预测结果如表7所示。

表7 不同水平年河南省工业需水预测结果 亿m3

3.1.3 生活需水预测

生活需水包括城镇居民生活需水和农村居民生活需水。随着城镇化率的提高，城镇生活用水定额有所提高，农村生活需水增长相对较慢。2011年城市人均日生活用水量206 L，城镇人口数为4 255万人；农村人均日生活用水量83 L，农村人口数为6 234万人；城镇化率为40.60%。按照《河南生态省建设规划指标》，2020年河南城镇化率要达到55%，2030年要达到60%。此外，《河南省人口发展“十二五”规划》提出年均人口自然增长率要控制在7.1‰以内，人口控制在1.05亿以内。2012年7月22日，河南省住房和城乡建设厅、河南省发展和改革委员会联合下发通知，在全省范围内开展节水型城市创建活动，以进一步推进河南省城市节约用水工作，提高城市用水效率，改善城市水环境，加快资源节约型社会建设。河南省规划2030年节水型卫生器具普及率达到80%，用水器具改造率达到90%，公共生活冷却水循环利用率达到96%以上。

根据2006-2011年河南省生活用水量数据，利用GM(1，1)模型预测不同水平年居民生活用水定额及人口数，预测结果如表8和表9所示。

表8 不同水平年河南省居民生活用水定额预测结果 L/d

表9 不同水平年河南省人口数预测结果 万人

由以上结果可得不同水平年河南省生活需水总量预测结果，如表10所示。

表10 不同水平年河南省生活需水预测结果 亿m3

3.1.4 生态需水预测

生态需水包括河道内生态用水和河道外生态用水。河道内生态用水包括河湖补水、河流冲沙用水、非汛期生态流量等；河道外生态用水包括城市绿化、人工生态林草地用水等。加强水资源管理、促进水生态文明建设，是保障和改善民生的重要任务。2010年河南省正式启动生态省建设，拟通过20年的生态文明建设，到2030年全面完成生态省规划建设任务。根据《河南生态省建设规划纲要》，2015年全省绿化覆盖率要达到39%,2020年要达到40.5%。不同水平年河南省生态需水量预测结果如表11所示。

表11 不同水平年河南省生态需水预测结果 亿m3

3.1.5 不同保证率需水总量

根据以上结果可得不同水平年不同保证率下河南省需水总量预测结果，如表12所示。

表12 不同水平年不同保证率下河南省需水总量预测结果 亿m3

3.2 河南水资源可供水量预测

可供水量是指在不同水平年、不同保证率的情况下，考虑需水要求，供水工程设施可能提供的水量。供水预测要充分考虑来水条件、用水条件、水质条件及工程条件的影响。工程的弃水和不能为用户所利用的水量都不能作为工程可能提供的水量。在区域水资源分析计算中供水预测能反映出水资源的余缺程度，能适应现状、近期和远景各种不同水平年的供需分析。河南省近远期的可供水量，包括水库、塘堰、河流渠道引水工程、南水北调中线工程、地下水、污水处理回用等提供的水量。

3.2.1 蓄水工程可供水量预测

结合一些资料齐全的不同调节能力的典型水库的可供水量，根据2006-2011年的已知数据，利用GM(1，1)模型预测不同水平年不同保证率下河南省蓄水工程可供水量，预测结果如表13所示。

表13 不同水平年不同保证率下河南省蓄水工程可供水量预测结果 亿m3

3.2.2 引、提水工程可供水量预测

由2006-2011年的已知数据，考虑已成引、提水工程经过挖潜、改造及水量的合理调配后新增的可供水量，同时考虑工程老化、损坏、淤积等对供水能力的衰减影响，利用GM(1，1)模型预测不同水平年河南省引、提水工程可供水量，预测结果如表14所示。

表14 不同水平年河南省引、提水工程可供水量预测结果 亿m3

3.2.3 地下水可供水量预测

随着工业的快速发展和城市化进程的加快，加之地表水和浅层地下水受到污染，中深层地下水成为主要供水水源。目前河南省每年抽取地下水近140亿m3，占供水量的59%。地下水超采区达10 000 km2，超采区中心水位每年以近1 m的速率下降，豫北平原超采尤为严重，引发了水质恶化、地面沉降等一系列地质、生态、环境问题，已严重影响到社会经济的可持续发展。近年来，随着《河南省地下水保护行动计划》等各项措施的落实，地下水源得到了一定保护，但由于用水需求增长，地下水开采仍处于日益增长的状态。不同水平年不同保证率下河南省地下水可供水量预测如表15所示。

表15 不同水平年不同保证率下河南省地下水可供水量预测结果 亿m3

3.2.4 南水北调中线工程可供水量

在南水北调中线工程中，河南省既是水源地，又是受水区。河南省是我国人均水资源量严重短缺的省份之一，南水北调中线工程的实施，将从根本上缓解人口及经济发展带来的水资源短缺压力。

南水北调中线一期工程计划于2013年底建成，2014年10月通水，规划年调水量95亿 m3，分配给河南省37.69亿 m3，占39.7%，扣除南阳引丹灌区分水量和总干渠输水损失后，河南省总干渠城市分水口门水量为29.94亿 m3。后期进一步扩大从汉江丹江口水库引水规模，年均调水量将达到130亿 m3，工程预计在2030年完成。因此，2015-2030年南水北调中线工程年可供水量29.94亿 m3。

3.2.5 污水处理回用

根据《河南省水污染防治条例》及《河南省“十二五”城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，河南省“十二五”期间将投入325亿元治理城镇污水，但由于人口增长与工业发展，污水排放量仍会持续增长。

根据2006-2011年污水排放量数据，用GM(1，1)模型预测不同水平年河南省污水排放量，预测结果如表16所示。

表16 不同水平年河南省污水排放量预测结果 亿m3

根据《河南省“十二五”城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，到2015年，县级以上城市污水处理率达到85%以上,再生水利用率达到30%以上。不同水平年河南省污水回用量预测结果如表17所示。

表17 不同水平年河南省污水回用量预测结果 亿m3

3.2.6 可供水总量

根据以上结果，不同水平年不同保证率下河南省可供水总量预测结果如表18所示。

表18 不同水平年不同保证率下河南省可供水总量预测结果 亿m3

4 河南省水资源供需平衡分析

水资源供需平衡分析的目的是在没有新增供水和节水等投入下，定量确定区域水资源供需的前景，暴露发展进程中水资源的供需矛盾[8]。需水量指规划水平年社会经济按照当地制定的目标发展、节水措施正常投入、生态保护目标正常增长下的需水量。以现有水利设施不变为前提，扣除不合理的供水量，在外延式发展形势下供水量展示了区域水资源供需矛盾。河南省不同水平年供水能力与需水量平衡分析如表19所示，其中缺水量=可供水量-需水量。

表19 不同水平年河南省水资源供需平衡分析表 亿m3

5 结 语

本文以2011年为现状水平年，将河南省各行业经济发展指标与用水定额相结合，运用灰色预测方法，预测出不同水平年不同保证率下的需水量与供水量，并进行水资源供需平衡分析。结果表明，河南省水资源利用既存在危机又存在潜力。造成这种局面的主要原因是工业快速发展及城镇化进程的加速推进，需水量增加过快，导致供需矛盾。如果不做好水资源的开发利用、节约保护和优化配置，必将加剧供需矛盾，制约社会经济的可持续发展。另一方面，河南省水资源的利用又存在较大潜力。从分析结果可以看出，缺水量总体呈下降趋势，这说明未来随着河南综合实力的提高，各项保护措施的落实，水资源的供需矛盾可得到有效缓解。此外，南水北调中线工程建成通水后，可有效解决河南水资源短缺的问题，同时，地下水开采量将会大幅减少。

参考文献：

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[2] 赵军凯，赵秉栋，李九发，等．城市水资源供需平衡及预测分析——以开封市为例[J]．水文，2009，29(6)：50-57．

[3] 邵全忠．基于GM(1,1)的河南省需水量预测研究[J]．河南水利与南水北调，2011，(24)：59-61．

[4] 河南省水利厅．2011年河南省水资源公报[J]．河南水利与南水北调，2013，(6)：50-57．

[5] 党耀国，刘思峰，王正新，等．灰色预测与决策模型研究[M]．北京：科学出版社，2009：39-55．

[6] 韩中庚．数学建模方法及其应用[M]．北京：高等教育出版社，2009：366-383．

[7] 马兴冠，傅金祥，李勇．水资源需求预测研究[J]．沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002，18(2)：135-138．

[8] 刘红英，郑凌云，拜存有．榆林市水资源供需平衡分析[J]．水资源与水工程学报，2010，21(3)：130-133．