水資源需求預(yù)測研究方法概述

郭曉茜，閆 強(qiáng)，王高尚

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037)

水資源是人類社會(huì)活動(dòng)中不可替代的自然資源，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織2017年的報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)未來幾十年全球?qū)λY源的需求將顯著提高。其中，農(nóng)業(yè)消耗了超過70%的水資源。此外工業(yè)和能源生產(chǎn)對(duì)水資源的需求也將大幅攀升，而快速的城鎮(zhèn)化以及城市供水和衛(wèi)生系統(tǒng)的擴(kuò)張也需要大量的水[1-2]。氣候變化情景分析預(yù)測水循環(huán)變化將使水資源在時(shí)間和空間上的分配更加不均，從而造成水資源供需之間的矛盾進(jìn)一步加大[3]。如何通過進(jìn)行水資源的需求預(yù)測來緩解水資源供需矛盾成為各個(gè)國家和地區(qū)進(jìn)行水資源規(guī)劃的一項(xiàng)重要任務(wù)。

我國水資源的需求情況和用水情況是緊密相連的。建國以來，我國水資源需求總量不斷增長。根據(jù)水利部門的統(tǒng)計(jì)，1949我國總體用水量估計(jì)為1 031億m3，1959年的用水量達(dá)到2 048億m3，翻了一番。到1980年，總體用水量已經(jīng)達(dá)到了4 437億m3，相較于1959年翻了一番[4-7]。從2004年開始，國家統(tǒng)計(jì)局公布了我國用水總量和各部門用水量，其中2004～2017年的用水情況如圖1所示[8]。2004年的用水總量為5 547.8億m3，主要用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)四個(gè)方面。其中，農(nóng)業(yè)用水量為3 585.7億m3，占全國總用水量的64%左右，其次是工業(yè)用水，用水總量為1 228.9億m3。2017年的用水總量為6 043.4億m3，仍然以農(nóng)業(yè)用水為主。2004～2017年我國用水總量趨于平穩(wěn)狀態(tài)，從2011年起，每年的用水總量都維持在6 100億m3左右。

圖1 2004～2017年我國水資源使用情況Fig.1 Water resources usage in China from 2004 to 2017

1 水資源預(yù)測發(fā)展歷程

美國是最早正式將水資源納入全國調(diào)查范圍的國家，1965年美國開始了第一次全國范圍的水資源預(yù)測評(píng)價(jià)工作，并且提出了1968～2020年的水資源需求展望。1978年，美國進(jìn)行了第二次分部門的水資源需求預(yù)測展望[9-10]。同時(shí)，日本、英國、法國、荷蘭、加拿大等國也逐步開展需水預(yù)測工作，并以此作為水資源規(guī)劃的主要依據(jù)[11]。聯(lián)合國教科文組織每年都會(huì)牽頭組織聯(lián)合國水機(jī)制成員撰寫《聯(lián)合國世界水發(fā)展報(bào)告》，圍繞全球水資源供需和熱點(diǎn)問題進(jìn)行討論[1-2]。

我國水資源需求預(yù)測開始于20世紀(jì)60年代。隨著我國農(nóng)田灌溉面積的不斷擴(kuò)大，我國農(nóng)業(yè)用水量大幅上升，同時(shí)生活和工業(yè)用水量隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也在大幅增加，水資源需求預(yù)測研究啟動(dòng)。但是除了農(nóng)業(yè)用水使用了灌溉技術(shù)定額方法之外，其他部門用水量采取了趨勢外延法，而且由于統(tǒng)計(jì)手段有限，歷史水資源數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，我國水資源的需求預(yù)測技術(shù)發(fā)展緩慢。從1980年開始，隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，我國水資源需求量逐漸加大，水資源供需矛盾逐漸突出。因此，水資源需求預(yù)測的重要性得到了重視，開始進(jìn)行大范圍的水資源預(yù)測工作。在國內(nèi)專家的水資源需求預(yù)測中，姚建文等[12]預(yù)測2030年需水量為7 800億～8 200億m3，2050年需水量為8 500億～9 000億m3;賈紹鳳等[13]分析預(yù)測在2030年左右我國基本進(jìn)入需水的“零增長”階段;錢正英等[4]在水資源戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告中指出基本情形下，我國2030年水資源需求量為7 119億m3，2050年水資源需求量為7 319億m3。這些研究中以錢正英等進(jìn)行的水資源戰(zhàn)略研究涉及的預(yù)測范圍較廣，預(yù)測部門劃分詳細(xì)。至此，國內(nèi)水資源需求預(yù)測研究正式起步。

2 國內(nèi)外水資源需求預(yù)測方法

水資源的預(yù)測方法多種多樣，預(yù)測涉及范圍也比較廣泛。從時(shí)空尺度上可以分為短期、長期以及全球、國家等方面，從預(yù)測范圍上可以分為整體預(yù)測和部門預(yù)測，從方法模型上可以分為灰色關(guān)聯(lián)、回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，影響因素方面可以從經(jīng)濟(jì)、價(jià)格、政策和居民習(xí)慣等方面入手。根據(jù)目前對(duì)水資源文獻(xiàn)的梳理，水資源的需求預(yù)測方法可以概括見表1。

表1 水資源需求預(yù)測分類Table 1 Classification of water resources demand prediction

本文主要從預(yù)測范圍方面討論水資源預(yù)測方法。從預(yù)測范圍看，水資源需求預(yù)測方法總體可分為兩類。一類是根據(jù)水資源歷史消費(fèi)數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)遞推關(guān)系來直接預(yù)測水資源需求量，在本文中劃分為“整體預(yù)測方法”。整體預(yù)測方法主要包括了灰色預(yù)測、回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)模型。另一類是分別對(duì)水資源需求部門(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài))進(jìn)行需求預(yù)測，再進(jìn)行水資源總體需求量的預(yù)測，在本文中劃分為“部門預(yù)測方法”。

2.1 整體預(yù)測方法

整體預(yù)測方法使用了大量的數(shù)學(xué)模型，主要分為傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和智能數(shù)學(xué)模型。其中傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括了灰色預(yù)測、回歸分析等方法。灰色預(yù)測方法是直接通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的累加生成尋找系統(tǒng)的整體規(guī)律，構(gòu)建增長模型，這種方法對(duì)長期、短期預(yù)測均適用，且所需數(shù)據(jù)量不大，在數(shù)據(jù)缺乏時(shí)十分有效。王煜[14]首次在需水預(yù)測中引用灰色系統(tǒng)方法，提出了帶有時(shí)間因子的非線性GM(1，1)；宋帆等[15]結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度以及集對(duì)分析聚類預(yù)測法建立了用水量預(yù)測的灰關(guān)聯(lián)-集對(duì)聚類預(yù)測模型，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析識(shí)別出吉林省用水量的主要影響指標(biāo)，并且預(yù)測了2020年吉林省用水量將達(dá)到139億m3?；貧w分析是一種確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法。根據(jù)自變量和因變量的數(shù)量以及相互關(guān)系可以存在多種變形，這些變形廣泛應(yīng)用于各種預(yù)測研究中。線性傳遞函數(shù)是回歸分析中的一種變形。THOMAS等[16]基于天氣情況、水價(jià)格以及經(jīng)濟(jì)情況，利用線性傳遞函數(shù)預(yù)測了美國單個(gè)家庭的水需求量，具有良好的檢驗(yàn)效果。

智能數(shù)學(xué)模型主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等方法,其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于短期預(yù)測和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)短期負(fù)荷值，對(duì)于長期預(yù)測并不適用。劉洪波等[17]利用人工網(wǎng)絡(luò)建立了短期用水量預(yù)報(bào)模型，并證明該模型可滿足供水系統(tǒng)調(diào)度的實(shí)際需要；王堅(jiān)[18]引入模糊反饋法來改進(jìn)熵值法，以確定組合模型的加權(quán)系數(shù)，建立組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，提高了人工網(wǎng)絡(luò)模型在水資源需求預(yù)測方面的計(jì)算精度；LIU等[19]基于遺傳編程等方法預(yù)測了河流沉積物。

從上述總結(jié)來看，整體預(yù)測方法偏重于數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，對(duì)水資源整體的需求預(yù)測具有良好的效果。但是水資源涉及的使用范圍較廣，整體的水資源需求量對(duì)實(shí)際的水資源規(guī)劃和管理來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要進(jìn)一步引入分部門的水資源需求預(yù)測。

2.2 分部門預(yù)測方法

目前來說，全球范圍內(nèi)對(duì)水資源的需求可以統(tǒng)一分為四個(gè)部門：農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)。各部門的預(yù)測方法和原理各不相同。

2.2.1 農(nóng)業(yè)需水

我國是農(nóng)業(yè)大國，因此農(nóng)業(yè)用水目前在我國水資源部門消費(fèi)中占比最大。農(nóng)業(yè)水資源的定義包含了“廣義”和“狹義”兩方面?！皬V義”的農(nóng)業(yè)水資源由兩個(gè)分量組成，即耕地有效降水“綠水”和耕地灌溉“藍(lán)水”；而“狹義”的農(nóng)業(yè)水資源主要指耕地灌溉“藍(lán)水”。在目前的農(nóng)業(yè)水資源需求預(yù)測當(dāng)中，李保國等[20]主要研究“廣義”農(nóng)業(yè)水資源需求量，并且指出灌溉“藍(lán)水”即為《中國水資源公報(bào)》中報(bào)告的農(nóng)業(yè)用水量和農(nóng)田灌溉量，而有效降水“綠水”的水平衡方程見式(1)。

Qgw=Pcr-Rcr-Dcr

(1)

式中：Qgw為耕地有效降水“綠水”量；Pcr為耕地降水量；Rcr為耕地徑流量；Dcr為耕地深層滲漏量[20-21]。

錢正英等[4]主要研究“狹義”農(nóng)業(yè)水資源的預(yù)測，認(rèn)為農(nóng)業(yè)需水包括農(nóng)田灌溉需水以及林木漁業(yè)的需水，是通過蓄水和引水等方式向農(nóng)田、林地和牧地供水，以滿足作物的需水要求。因此，農(nóng)業(yè)需水受到氣候地理等條件的影響，在時(shí)空分布上變化很大；同時(shí)，考慮作物的品種和組成、灌溉方式等因素，在眾多的農(nóng)業(yè)用水預(yù)測中，以張國良等的研究方法最為實(shí)用。張國良等指出，農(nóng)業(yè)灌溉用水需要按區(qū)進(jìn)行，總體的農(nóng)業(yè)灌溉用水等于各個(gè)區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水之和。灌溉需水量的預(yù)測則使用各種作物的灌溉定額和灌溉面積兩個(gè)主要指數(shù)，再除以灌溉水的利用系數(shù)。

2.2.2 工業(yè)需水

工業(yè)生產(chǎn)過程所用水量，包括原料用水、動(dòng)力用水、沖洗用水和冷卻用水等。由于工業(yè)用水量與工業(yè)產(chǎn)值密切相關(guān)，目前工業(yè)總產(chǎn)值的增長速度很快，預(yù)測未來工業(yè)總產(chǎn)值增長速度也很快，而從造成工業(yè)用水量迅速增加，因此工業(yè)用水是近些年來國內(nèi)用水研究的熱點(diǎn)之一。

工業(yè)需水的預(yù)測方法包括定額法、趨勢法以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法等。其中定額法是現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)部門常用的方法，根據(jù)設(shè)定的單位工業(yè)產(chǎn)值用水量和工業(yè)產(chǎn)值兩個(gè)因素即可預(yù)測未來工業(yè)需水的變化趨勢，以錢正英等[4]的研究為代表。趨勢法主要以庫茲涅茨曲線研究為主。環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)呈現(xiàn)倒“U”型，代表了經(jīng)濟(jì)增長過程中，貧富差距會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先增大、后減小的過程。張?jiān)碌萚22]通過對(duì)全國的八大經(jīng)濟(jì)區(qū)域建立約化模型，驗(yàn)證了中國工業(yè)用水發(fā)展水平符合EKC特征，人均工業(yè)用水與人均GDP存在著“倒U”型關(guān)系。賈紹鳳等[13]用庫茲涅茨曲線研究了工業(yè)用水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，研究指出發(fā)達(dá)國家工業(yè)用水隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化存在一個(gè)由上升轉(zhuǎn)而下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，工業(yè)用水量下降的人均GDP閡值在3 700～1700 美元(PPP，以1985年為基數(shù))。以上研究為發(fā)展中國家的工業(yè)需水預(yù)測起到良好的指示作用。

2.2.3 生活需水

生活需水預(yù)測方面，RATHNAYAKAA等[23-24]進(jìn)行了詳盡的研究，認(rèn)為傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)和時(shí)間序列方法只能對(duì)整月或者是整年的生活需水進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測方法比較粗糙。生活用水的主題是居民和家庭，每個(gè)家庭和居民生活習(xí)慣的多樣性決定了生活用水規(guī)律的復(fù)雜性；因此，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行了生活用水的解析。圖2為生活用水空間表現(xiàn)形式，圖3為生活用水時(shí)間表現(xiàn)形式?？臻g上從終端用戶入手，通過設(shè)定不同用戶群的影響因子來確定最終的生活用水量；時(shí)間上從每天需水模型入手，進(jìn)而計(jì)算每周、每季度和全年生活用水量。在時(shí)空上相互印證，從而精確地計(jì)算出生活需水量。

此外，關(guān)于國內(nèi)的生活用水，孫艷芝等[25]調(diào)查了北京生活用水與城市發(fā)展水平之間的關(guān)系；胡振等[26]以西部城市為例，調(diào)查了家庭人口結(jié)構(gòu)和生活用水的相互關(guān)系。這些研究都為生活需水的預(yù)測提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖2 生活用水空間展現(xiàn)形式Fig.2 Model spatial scale representation(資料來源：文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]，有修改)

圖3 生活用水時(shí)間展現(xiàn)形式Fig.3 Model time scale representation(資料來源：文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]，有修改)

2.2.4 生態(tài)需水

生態(tài)需水是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。關(guān)于生態(tài)用水的定義目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，《中國水利百科全書》指出：生態(tài)用水是指在特定的時(shí)空范圍內(nèi)，維持各類生態(tài)系統(tǒng)正常發(fā)育與相對(duì)穩(wěn)定所必需消耗的、不作為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)用水的、現(xiàn)存的水資源，包括地表水、地下水和土壤水等。從廣義上講，生態(tài)用水是指維持生態(tài)系統(tǒng)完整性所消耗的水分，它包括一部分水資源量和一部分常常不被水資源量計(jì)算包括的部分水分，如無效蒸發(fā)量、植物截留量。從狹義上講，生態(tài)用水是指維持生態(tài)系統(tǒng)完整性所需要的水資源總量。國內(nèi)外在生態(tài)用水研究中，所采用的概念除生態(tài)用水、生態(tài)需水外，還有環(huán)境用水與環(huán)境需水、生態(tài)環(huán)境用水與生態(tài)環(huán)境需水，這些概念和標(biāo)準(zhǔn)所包含的生態(tài)用水的定義各不相同。楊愛民等[27]在研究中定義了生態(tài)用水、生態(tài)需水和生態(tài)缺水的定義。同時(shí)根據(jù)空間位置的不同，對(duì)生態(tài)用水進(jìn)行了分類，分為河道內(nèi)生態(tài)用水和河道外生態(tài)用水，并且詳細(xì)介紹了河道外生態(tài)用水的計(jì)算方法。同時(shí)以延安市為例，重點(diǎn)展示了水土保持生態(tài)用水和城市綠化生態(tài)用水的計(jì)算過程。王玉娟等[28]則對(duì)植被生態(tài)用水進(jìn)行了定量模擬，對(duì)三門峽地區(qū)不同植被類型綠水資源消耗效用進(jìn)行了分析，提出該區(qū)域植被結(jié)構(gòu)調(diào)整方案。這些研究為我國生態(tài)用水的研究提供了積極的借鑒意義。

3 存在的問題

目前，水資源需求量的預(yù)測方法多種多樣，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是從水資源需求的長期預(yù)測來看，目前的需水預(yù)測方法存在著諸多問題。

1) 歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失。作為水資源需求預(yù)測的基礎(chǔ)，由于水資源流動(dòng)性較大，來源較廣，造成水資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不健全，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)誤差，從而造成水資源需求預(yù)測的誤差。比如生活需水的預(yù)測方面，目前國際上除了澳大利亞等國的生活用水統(tǒng)計(jì)分類比較詳細(xì)之外(細(xì)分到以家庭為單位)，其他很多國家和地區(qū)的生活用水并沒有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分類，只給出了年度生活用水的總量。這對(duì)于使用部門分類法來預(yù)測生活需水的是非常不利的。

2) 影響水資源需求量的因素是動(dòng)態(tài)變化的。水資源需求量受到氣候、地域、水價(jià)、水市場、節(jié)水和水管理水平等因素的制約，這些因素在不同年份和不同地域是動(dòng)態(tài)變化的，尤其是氣候和水管理制度的變化，這些因素本身就難以預(yù)測，從而給水資源中長期預(yù)測帶來了很大的不確定性，導(dǎo)致水資源需求量中長期的預(yù)測發(fā)生偏差。

3) 水資源需求預(yù)測方法中對(duì)水資源的實(shí)際供給能力考慮不足。水資源的供給量和需求量是相互制約的，當(dāng)水資源的供給量一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)水價(jià)、跨流域水利工程等手段會(huì)對(duì)水資源的需求量產(chǎn)生一定的影響。但是目前受限于水資源供給量的動(dòng)態(tài)變化(包括不同年份大氣降水、地表蒸發(fā)量的不同，以及跨流域水資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)雜性)，造成水資源供給量的確定性較低，從而影響了在供給量約束條件下的水資源需求量預(yù)測。如果進(jìn)行無約束的需水預(yù)測，必然造成預(yù)測結(jié)果偏大。

4) 生態(tài)用水預(yù)測方面，生態(tài)用水預(yù)測和生態(tài)需水預(yù)測的概念還比較模糊，雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量探索，但是生態(tài)需水計(jì)算基本上是以現(xiàn)狀為主，對(duì)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的合理性分析與診斷經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，造成了預(yù)測結(jié)果偏差。

5) 除了宏觀層面對(duì)水資源的研究，還有很大一部分學(xué)者側(cè)重于虛擬水的研究。孫志才等[29]基于投入產(chǎn)出模型測算了中國31個(gè)省(市、區(qū))的水足跡及水足跡貿(mào)易量；鐘銳等[30]測算了能源貿(mào)易和水資源的關(guān)系；朱啟榮等[31]則測算了進(jìn)出口貿(mào)易中農(nóng)產(chǎn)品隱含的虛擬水。這些虛擬水研究揭示了生產(chǎn)產(chǎn)品的用水量，為重新審視水資源提供了嶄新的視角，也是水資源需求預(yù)測中不可或缺的一部分。目前，虛擬水和宏觀水資源需求預(yù)測研究并沒有有效交集。

4 發(fā)展方向

1) 水資源需求預(yù)測理論體系仍需要進(jìn)一步完善。目前水資源的需求預(yù)測方法仍然集中在對(duì)預(yù)測方法本身的研究，對(duì)于影響水資源需求量的因素考慮較少。水資源需求涉及到經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，受到科技、生活方式、水管理政策以及水市場等諸多因素的影響。因此，實(shí)際用水量的彈性很大，水資源需求量的中長期預(yù)測面臨很多不確定性。如何從影響水資源的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策等方面入手來探尋這些因素和水資源需求量之間的定量關(guān)系，建立水資源需求量的中長期預(yù)測體系，是未來水資源需求預(yù)測的重要工作之一。此外，怎樣將虛擬水的研究同宏觀用水結(jié)合起來是水資源需求預(yù)測需要考慮的一個(gè)方向。

2) 生態(tài)需水預(yù)測方法亟需構(gòu)建。近些年來生態(tài)環(huán)境不斷惡化，生態(tài)需水受到越來越多的關(guān)注。但是截至目前，關(guān)于生態(tài)需水的研究仍處在初級(jí)階段，對(duì)于生態(tài)需水的定義國內(nèi)外也并不統(tǒng)一。此外，生態(tài)需水方面，可提供借鑒的計(jì)算案列和方法也比較少。因此，生態(tài)需水的預(yù)測方法亟需構(gòu)建，完善的生態(tài)需水預(yù)測方法可為我國未來生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。