浙江省用水結(jié)構(gòu)的組合預(yù)測(cè)*

胡玉琴、薛留根

（1浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院/2北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，浙江杭州 310018/北京 100000）

浙江省用水結(jié)構(gòu)的組合預(yù)測(cè)*

胡玉琴1、薛留根2

（1浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院/2北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，浙江杭州 310018/北京 100000）

本文以浙江省用水結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在分別應(yīng)用對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換與灰色預(yù)測(cè)模型GM（1,1）結(jié)合的成分?jǐn)?shù)據(jù)單一預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出成分?jǐn)?shù)據(jù)Aitchison距離最小化方法確定組合權(quán)重的組合預(yù)測(cè)方法，并對(duì)浙江省2013-2017年的用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究表明，組合預(yù)測(cè)能較好地提高預(yù)測(cè)的精度，增強(qiáng)預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性。

用水結(jié)構(gòu)；成分?jǐn)?shù)據(jù)；組合預(yù)測(cè)

一、引言

水資源作為人類賴以生存的自然資源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要保障。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需求與日益緊缺的水資源的矛盾凸顯。這一問題在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)但人均水資源并不豐富的浙江省應(yīng)該引起關(guān)注。用水結(jié)構(gòu)作為水資源在區(qū)域生產(chǎn)生活各部門的分配結(jié)果，其結(jié)構(gòu)特征直接反映水資源的可持續(xù)性發(fā)展?fàn)顩r。因而研究浙江省的用水結(jié)構(gòu)狀況并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于合理安排浙江省用水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。

用水結(jié)構(gòu)主要根據(jù)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)進(jìn)行分類，由農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水組成。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，增加新的統(tǒng)計(jì)分類——生態(tài)用水。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，浙江省自2003年開始對(duì)生態(tài)用水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用水結(jié)構(gòu)由農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水以及生態(tài)用水這四部分組成，具體數(shù)據(jù)見表1。2003-2012年浙江省的總用水量呈現(xiàn)出先升后降，之后逐漸趨于平穩(wěn)的過程?？傆盟繌?003年的205.98億立方米上升到2008年的216.62億立方米，隨后下降到2009年的197.76億立方米，之后趨于平穩(wěn)，在200億立方米左右。農(nóng)業(yè)用水是浙江省用水比重最大的部分，但其比重總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由2003年的53.5%下降到2008的45.6%，2009年上升到49.2%，2010年開始緩慢下降至2012年的46.1%；工業(yè)用水比重是浙江省用水的第二大用水部分，總體變動(dòng)比較平緩，從2003年的26.8%上升2007年的30.4%，2008-2012年在30%左右波動(dòng)；生活用水比重呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，由2003年的14.1%上升至2012年的21%；生態(tài)用水比重在2003-2007年間在6%左右浮動(dòng)，2008年達(dá)到最高值9.5%，之后下降達(dá)到2012年的2.3%。

表1 浙江省2003-2012年用水結(jié)構(gòu)

從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來看，用水結(jié)構(gòu)為成分?jǐn)?shù)據(jù)(compositional data)，可用描述統(tǒng)計(jì)學(xué)中的餅圖來表示某一事物中各種成分所占的比重。用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，p維成分?jǐn)?shù)據(jù)x=(x1,x2,…,xp),其中xi>0,i=1,2,…,p,滿足x1+x2+…+xp=1。由于成分?jǐn)?shù)據(jù)始終存在定和條件1的約束，單一對(duì)各成分進(jìn)行預(yù)測(cè)會(huì)使得預(yù)測(cè)結(jié)果不滿足定和條件1，因而在研究中應(yīng)對(duì)成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，運(yùn)用成分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究[1-2]。

本文以浙江省的用水結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分別運(yùn)用成分?jǐn)?shù)據(jù)的對(duì)數(shù)比變換和球面坐標(biāo)變換分析并預(yù)測(cè)用水結(jié)構(gòu)，并提出組合預(yù)測(cè)方法提高用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的精度。

二、成分?jǐn)?shù)據(jù)的單一預(yù)測(cè)

定和約束的存在使得成分?jǐn)?shù)據(jù)各分量間存在完全多重相關(guān)性，對(duì)原始成分?jǐn)?shù)據(jù)采取數(shù)據(jù)變換，突破定和條件約束，然后采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而利用反變換公式預(yù)測(cè)原始成分?jǐn)?shù)據(jù)是解決成分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)的主要思路。目前主要有對(duì)數(shù)比變換和球面投影坐標(biāo)變換進(jìn)行成分?jǐn)?shù)據(jù)的單一預(yù)測(cè)。

（一）基于對(duì)數(shù)比變換的成分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)

對(duì)成分?jǐn)?shù)據(jù)x=(x1,x2,…,xp)作對(duì)數(shù)比變換：

將p個(gè)線性相關(guān)的變量xi,i=1,2,…,p轉(zhuǎn)換成p-1個(gè)獨(dú)立并在(-∞,+∞)內(nèi)取值yi,i=1,2,…,p-1。

利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)yi,i=1,2,…,p-1進(jìn)行分析，然后根據(jù)反變換公式

得到對(duì)應(yīng)xi,i=1,2,…,p的相應(yīng)預(yù)測(cè)值，用表示。

（二）基于球面投影變換的成分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)

對(duì)成分?jǐn)?shù)據(jù)x=(x1,x2,…,xp)首先作變換，此時(shí)z=(z1,z2,…,zp)分布在半徑為1的p維超球面上；然后將z=(z1,z2,…,zp)

從直角坐標(biāo)系變換到球面坐標(biāo)系中，得到z=(1,θ2,…,θp，即

從而將p個(gè)線性相關(guān)變量轉(zhuǎn)換成p-1個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)角θi,i=2,3,…,p。

利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)θi,i=2,3,…,p進(jìn)行分析然后根據(jù)反變換公式（4）式得到zi,i=1,2,…,p的預(yù)測(cè)值，從而根據(jù)xi=(zi)2得到xi,i=1,2,…,p的預(yù)測(cè)值，用表示。

（三）浙江省用水結(jié)構(gòu)的單一預(yù)測(cè)

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)比變換得到y(tǒng)1,y2,y和進(jìn)行球面投影變換θ2,θ3,θ4，匯總見表2。根據(jù)散點(diǎn)圖，2008年作為異常值進(jìn)行處理，因而剔除2008年數(shù)據(jù)。由于采取9年的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)較少采用灰色預(yù)測(cè)模型GM（1,1）分別對(duì)y1,y2,y3,θ2,θ3,θ進(jìn)行預(yù)測(cè)。由表3，各個(gè)GM（1,1）模型的后驗(yàn)差檢驗(yàn)比C均小于0.35，表明預(yù)測(cè)精度等級(jí)均為好，模型具有較好的擬合效果和預(yù)測(cè)精度。

表2 對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換數(shù)據(jù)表

表3 各個(gè)GM（1,1）模型的預(yù)測(cè)檢驗(yàn)精度

根據(jù)各個(gè)GM（1,1）模型可得到2003-2012年（2008年除外）的擬合值BZ_8_525_553_558_589.png1,BZ_8_525_553_558_589.png2,BZ_8_525_553_558_589.png3，BZ_67_2031_2530_2056_2665.png2,BZ_67_2031_2530_2056_2665.png3,BZ_67_2031_2530_2056_2665.png4，根據(jù)相應(yīng)反變換公式可得到2003-2012年（2008年除外）浙江省用水結(jié)構(gòu)單一擬合值。表4中分別表示基于對(duì)數(shù)比變換與GM（1,1）方法下農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水以及生態(tài)用水的擬合值。分別表示基于球面投影變換與GM（1,1）方法下農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水以及生態(tài)用水的擬合值。由圖1可以看出基于對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換的用水結(jié)構(gòu)擬合值與真實(shí)值的擬合效果理想。

表4 浙江省用水結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換擬合值

圖1 對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換的浙江省用水結(jié)構(gòu)擬合圖

由于GM（1,1）適用于中短期預(yù)測(cè)，根據(jù)各個(gè)GM（1,1）模型得到2013-2017年的預(yù)測(cè)值1,2,y3，2,3,4，由相應(yīng)反變換公式可以得到對(duì)2013-2017年未來五年的浙江省用水結(jié)構(gòu)的單一預(yù)測(cè)。由表5，可以看到對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換單一預(yù)測(cè)在生態(tài)用水比重上相一致，在農(nóng)業(yè)用水和生活用水的預(yù)測(cè)趨勢(shì)上保持一致，但是球面投影變換變動(dòng)幅度較小，對(duì)數(shù)比變換的變動(dòng)幅度較大。在工業(yè)用水比重預(yù)測(cè)中，對(duì)數(shù)比變換預(yù)測(cè)趨勢(shì)下降，而球面投影變換預(yù)測(cè)趨勢(shì)則是上升。由于組合預(yù)測(cè)能夠充分利用單預(yù)測(cè)模型的信息，就有較高的適應(yīng)能力，因而采取將對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換預(yù)測(cè)的組合預(yù)測(cè)方法。

表5 浙江省用水結(jié)構(gòu)2013-2017年的對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換預(yù)測(cè)值

三、成分?jǐn)?shù)據(jù)的組合預(yù)測(cè)

（一）Aitchison距離

由于受定和條件的約束，成分?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)算具有閉合性特點(diǎn)，因而成分?jǐn)?shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的誤差，不能用歐幾里得空間的歐式距離度量，而應(yīng)采用單形空間的Aitchison距離[7]進(jìn)行度量。

Aitchison距離小，則預(yù)測(cè)精度高，反之，則預(yù)測(cè)精度低。

根據(jù)表4，分別計(jì)算2003-2012年（2008年除外）的用水結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)比變換擬合值xalr和球面投影變換擬合值xscr與真實(shí)成分?jǐn)?shù)據(jù)x的Aitchison距離分為da(x,xalr)和da(x,xscr)。由表6的第二列和第三列可知，由于采取灰色預(yù)測(cè)模型GM（1,1）方法進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)，兩種單一預(yù)測(cè)在2003年均沒有預(yù)測(cè)誤差，2006、2007、2009以及2011這4年的對(duì)數(shù)比變換預(yù)測(cè)精度高于球面投影變換，而2004、2005、2010以及2012這4年的球面投影變換預(yù)測(cè)精度高于對(duì)數(shù)比變換。兩種單一預(yù)測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

表6 對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換的Aitchison距離

續(xù)表

（二）組合權(quán)重的確定

用對(duì)數(shù)比變換預(yù)測(cè)值xalr和球面投影變換預(yù)測(cè)值xscr的組合W1xalr+W2xscr（其中W1+W2=1,W1,W2≥0進(jìn)行預(yù)測(cè)。關(guān)鍵是解決權(quán)重W1,W2的確定問題。

權(quán)重W1,W2應(yīng)使得擬合值與真實(shí)值x的Aitchi son距離之和最小，可表示為

（三）浙江省用水結(jié)構(gòu)的組合預(yù)測(cè)

根據(jù)表4和表5，分別對(duì)基于對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換單一預(yù)測(cè)的擬合值和預(yù)測(cè)值用組合預(yù)測(cè)x*=0.385xalr+0.615xscr對(duì)浙江省用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可得到表7。由圖2，可以看出組合預(yù)測(cè)具有較好的擬合效果，其精度高于單一預(yù)測(cè)。

表7 浙江省用水結(jié)構(gòu)的組合預(yù)測(cè)

圖2 浙江省用水結(jié)構(gòu)組合預(yù)測(cè)擬合圖

圖3 2013-2017年浙江省用水結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

用組合預(yù)測(cè)對(duì)浙江省2013-2017年用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，見表7和圖3，浙江省農(nóng)業(yè)用水所占比重持續(xù)下降，從2013年的43.5%下降到2017年的32.8%，工業(yè)用水比重下降趨勢(shì)較緩，從2013年的31.2%下降到2017年的28.8%，生態(tài)用水則從2013年的1.4%下降到2017年的0.4%，生活用水比重則呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，從2013年23.5%，上升到2017年的38%，2017年超過農(nóng)業(yè)用水，成為浙江省用水比重最大的部分。

四、小結(jié)

針對(duì)用水結(jié)構(gòu)這一成分?jǐn)?shù)據(jù)，本文首先分別運(yùn)用成分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換與灰色預(yù)測(cè)模型GM（1,1）方法對(duì)浙江省2003-2012年的用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析表明，盡管對(duì)數(shù)比變換和球面投影變換預(yù)測(cè)能夠達(dá)到較好的擬合效果，但是單一預(yù)測(cè)的結(jié)果相差較大。為提高預(yù)測(cè)精度，本文運(yùn)用組合預(yù)測(cè)方法，利用使得成分?jǐn)?shù)據(jù)Aitchison距離最小來確定權(quán)重系數(shù)，得到較好的擬合精度和預(yù)測(cè)效果。

值得說明的是，本文用R軟件進(jìn)行編程和分析，成分?jǐn)?shù)據(jù)的Aitchison距離計(jì)算借助compositions包[8]來進(jìn)行。

[1]Aitchison J.The Statistical Analysis of Compositional Data[M].London:Chapman and Hall,1986

[2]張堯庭.成分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析引論[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[3]王惠文,劉強(qiáng).成分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型及其在中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨勢(shì)分析中的應(yīng)用[J].中外管理導(dǎo)報(bào),2002(5):27-29.

[4]趙江濤,黃薇,王惠文.兩種成分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)建模方法的比較研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2003,16(2):37-40.

[5]施久玉,柴艷有.灰色成分?jǐn)?shù)據(jù)模型在中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].統(tǒng)計(jì)與信息論壇,2007,22(1): 32-35

[6]張曉琴,陳佳佳,原靜.成分?jǐn)?shù)據(jù)的組合預(yù)測(cè)[J].應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì),2013,29(3):307-316.

[7]Aitchison J,Barceló-Vidal C,Martín-Fernández JA,Pawlowsky-Glahn V.Logratio Analysis and Compositional Distance[J].Math.Geol.2000,32(3),271-275.

[8]Gerald van den Boogaart KG,Tolosana-Delgado R. "compositions":a unified R package to analyze Compositional Data[J].Computers&Geosciences,2008,34(4),320-338.

（責(zé)任編輯：牛域?qū)帲?/p>

*本文課題項(xiàng)目來源：全國(guó)統(tǒng)計(jì)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2013LY103）、國(guó)家社科基金青年項(xiàng)目（13CTJ012）、國(guó)家社科基金項(xiàng)目（14BTJ031）、浙江省2014年度統(tǒng)計(jì)研究重點(diǎn)課題。