需水量預(yù)測技術(shù)方法文獻(xiàn)分析及其應(yīng)用綜述

欒清華，龐婷婷，王志友，高昊悅，何立新，何 帥，董 森

（1.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038； 2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050072）

1 引 言

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是保證高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵要素。 隨著我國經(jīng)濟(jì)高速穩(wěn)步發(fā)展，水資源需求量不斷攀升，水資源供需不平衡成為制約許多地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。 為破解水資源匱乏難題，保障經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，中央提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水思路。 水資源開發(fā)利用和規(guī)劃一直是水資源管理重點，而了解不同行業(yè)需水量預(yù)測方法的適用性及局限性，提高經(jīng)濟(jì)社會需水量預(yù)測的準(zhǔn)確性是水資源規(guī)劃與管理的首要前提。

本文基于對需水量預(yù)測關(guān)鍵詞文獻(xiàn)計量分析結(jié)果，解析歸納了2000—2021年國內(nèi)外需水量預(yù)測常用方法；在剖析常用方法的適用性及局限性基礎(chǔ)上，探究其在生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)方面的實際應(yīng)用，以期為水資源供需分析和水資源管理提供參考。

2 需水量預(yù)測方法文獻(xiàn)分析

關(guān)鍵詞是體現(xiàn)論文研究內(nèi)容和主題的核心詞，對關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計分析，可快速、全面了解需水量預(yù)測研究領(lǐng)域的熱點。 以需水量預(yù)測為關(guān)鍵詞，梳理了2000—2021年 CNKI（中國知網(wǎng)）和 Web of Science 數(shù)據(jù)庫中收錄的有關(guān)需水量預(yù)測的文獻(xiàn)，利用知識圖譜可視化軟件VOSviewer 繪制圖譜。 將研究主題相近的關(guān)鍵詞用同種顏色表示，關(guān)鍵詞圓圈大小代表其出現(xiàn)頻次的高低；圓圈之間距離的遠(yuǎn)近與連線的粗細(xì)表明二者的關(guān)聯(lián)性，距離越近、連線越粗，表明二者之間關(guān)聯(lián)性越強。 在此基礎(chǔ)上，對需水量預(yù)測領(lǐng)域文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化計量分析。

2.1 CNKI 數(shù)據(jù)庫中文文獻(xiàn)共現(xiàn)圖譜

由2000—2021年CNKI 需水量預(yù)測中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（見圖1）可知，以“需水量預(yù)測”為中心，可延伸或衍生出有關(guān)需水量預(yù)測研究方法的多個關(guān)鍵詞。 其中：出現(xiàn)頻次較高且具有同一關(guān)聯(lián)屬性（連接線為深紅色）的主要有灰色預(yù)測法、需水定額法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸分析法等；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大、出現(xiàn)頻次最高，需水定額法和灰色預(yù)測法次之，回歸分析法節(jié)點最小、出現(xiàn)頻次最低。

圖1 2000—2021年CNKI 需水量預(yù)測中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.2 Web of Science 數(shù)據(jù)庫英文文獻(xiàn)共現(xiàn)圖譜

2000—2021年Web of Science 數(shù)據(jù)庫中需水量預(yù)測英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜見圖2，延伸或衍生出有關(guān)需水量預(yù)測研究方法的關(guān)鍵詞主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色預(yù)測法、回歸分析法。 其中：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法節(jié)點最大、出現(xiàn)頻次最高且比較顯著，回歸分析法次之，灰色預(yù)測法節(jié)點較小、出現(xiàn)頻次較低。 盡管灰色預(yù)測法節(jié)點小，但和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法同屬黃色，表明兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性，而回歸分析法和上述兩種方法的關(guān)聯(lián)性較小。

圖2 2000—2021年Web of Science 數(shù)據(jù)庫需水量預(yù)測英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

綜上可知，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色預(yù)測法、回歸分析法是國內(nèi)外均常用的需水量預(yù)測研究方法，需水定額法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸分析法、灰色預(yù)測法是國內(nèi)常用且具關(guān)聯(lián)性的方法。

2.3 常用方法的對比

針對文獻(xiàn)計量解析得出的4 種常用方法，從類型、定義、數(shù)據(jù)要求及適用性4 個方面進(jìn)行對比分析，見表1。 定額法直觀、簡單易行，有廣泛的適用性，但需考慮因素變化及政策調(diào)整造成的定額差異。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對數(shù)據(jù)數(shù)值的量級及其變化有一定要求。 灰色預(yù)測法通過鑒別系統(tǒng)因素之間發(fā)展趨勢的相異程度，尋找原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)變動的規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測，對數(shù)據(jù)要求相對較低，但對波動性較大的數(shù)據(jù)預(yù)測效果較差。 回歸分析法主要通過方程逼近原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果較為精確，但計算較為復(fù)雜，受變量之間的依存關(guān)系所限，常作為輔助性方法與其他方法結(jié)合使用。 綜上可知，4 種方法有不同的適用性，在選擇預(yù)測方法時，應(yīng)該在充分了解不同方法特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解析樣本數(shù)據(jù)序列特征后再進(jìn)行優(yōu)選，才能獲得較好的預(yù)測效果。

表1 常用需水量預(yù)測方法對比［1-5］

3 分產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測方法綜述

鑒于我國不同級別行政區(qū)域的水資源公報多從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)4 個方面進(jìn)行統(tǒng)計，本文按照水的需求主體不同，分生活、生產(chǎn)（農(nóng)業(yè)和工業(yè)）和生態(tài)3個方面進(jìn)行分析，其中：生活需水以人們在日常生活中所需要的水為主，農(nóng)業(yè)需水以灌溉以及農(nóng)村牲畜需水為主，工業(yè)需水以工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的水為主，生態(tài)需水以河道內(nèi)和河道外需水為主。 在了解不同行業(yè)需水主體的基礎(chǔ)上，分析歸納上述文獻(xiàn)計量解析得出的國內(nèi)常用且具有較強關(guān)聯(lián)性的4 種需水量預(yù)測方法，以期為水資源規(guī)劃管理提供參考。

3.1 生活需水量預(yù)測

生活需水直接關(guān)系民生，一般作為優(yōu)質(zhì)水和優(yōu)先分配的對象，是經(jīng)濟(jì)社會的剛性需水，因此歸納生活需水量預(yù)測方法的實際應(yīng)用情況，對提高生活需水量預(yù)測精度、開展水資源規(guī)劃和節(jié)水管理具有重要意義。

在采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行生活需水量預(yù)測方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法和灰色預(yù)測法應(yīng)用較多。 劉俊萍等［6］建立徑向基函數(shù)（RBF）模型預(yù)測了山西省生活需水量，驗證了該模型具有運算速度快、精度較高等特點；甘月云等［7］采用灰色預(yù)測法預(yù)測了河北省圍場滿族蒙古族自治縣的生活需水量，表明模型具有良好的預(yù)測精度。 然而，袁瑞新等［8］研究發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列以S 形曲線增長時，灰色預(yù)測法預(yù)測誤差較大，進(jìn)而提出并驗證了灰色Verhulst 模型在生活需水量預(yù)測中的適用性。 鑒于單一方法的局限性，學(xué)者們研究了耦合模型的應(yīng)用，如灰色GM（1，1）模型和自回歸AR（p）模型與多元回歸分析模型耦合［9］、多元線性回歸方程與灰色預(yù)測法耦合［10］、遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型耦合的GA-BP算法［11］等，均表明組合模型的預(yù)測精度高于單一預(yù)測模型的。

定額法在生活需水量預(yù)測中分為人均需水定額法（定額的選取依據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)）、綜合需水定額法。 如計算河北省生活需水量時，人均需水定額依據(jù)河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《生活與服務(wù)業(yè)需水定額第1 部分：居民生活》（DB 13／T 5450.1—2021），綜合需水定額依據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50282—2016）。 需水定額的準(zhǔn)確性是定額法預(yù)測的關(guān)鍵，在制定需水定額時，應(yīng)充分考慮居民用水習(xí)慣、當(dāng)?shù)厝司杖胨?、?jié)水器具的普及程度、供水管網(wǎng)條件等社會經(jīng)濟(jì)以及氣候和地理環(huán)境等因素的影響。 石嬌等［12］分別采用人均需水定額法、綜合需水定額法對山西太谷區(qū)的農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活需水量進(jìn)行了預(yù)測，楊連海［13］利用綜合需水定額法對甘肅張掖甘州區(qū)生活需水量進(jìn)行了預(yù)測，均表明定額法預(yù)測精度良好。

3.2 生產(chǎn)需水量預(yù)測

3.2.1 農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測

農(nóng)業(yè)是國之命脈，農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)用水的主體，本文重點對農(nóng)田灌溉需水量預(yù)測的方法應(yīng)用歸納分析。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，李飛等［14］基于典型灌區(qū)基本資料建立了RBF 模型，預(yù)測結(jié)果表明該模型精度較高；李灶鵬等［15］以河北邯鄲某大棚試驗田為例，建立GA-BP 模型預(yù)測了灌溉用水量，結(jié)果表明改進(jìn)后的模型預(yù)測精度明顯提高。 灰色預(yù)測法在農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，李振全等［16］采用灰色預(yù)測法對華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量進(jìn)行預(yù)測，并通過殘差檢驗驗證了模型的可行性和適用性；張瓊楠等［17］為解決非純指數(shù)樣本序列預(yù)測會產(chǎn)生較大誤差問題，將重構(gòu)灰色微分方程的背景函數(shù)和優(yōu)化白化方程的時間響應(yīng)函數(shù)耦合，對灰色預(yù)測法進(jìn)行了改進(jìn)，預(yù)測了新疆阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量，提高了模型精度和適用性。 回歸分析法在農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，郭磊等［18］采用回歸分析法預(yù)測了珠三角城市農(nóng)業(yè)等各產(chǎn)業(yè)需水量，結(jié)果表明該模型既具有較高精度又容易操作。 定額法在農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，呂良華等［19］、占車生等［20］利用定額法分別對雄安新區(qū)、新疆昌吉三工河流域農(nóng)業(yè)需水量進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明定額法預(yù)測結(jié)果與實際較為接近。 需水定額除了受水資源利用效率、種植結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模、灌溉方式等社會經(jīng)濟(jì)因素影響，還受降水量、時間、氣溫、土壤類型、光熱條件等自然因素的顯著影響。 因此，在應(yīng)用定額法預(yù)測農(nóng)業(yè)需水量時，應(yīng)充分考慮自然因素并兼顧可調(diào)控的社會經(jīng)濟(jì)影響因素，提高農(nóng)業(yè)需水定額的時效性。 為大力加強農(nóng)業(yè)節(jié)水管理，各?。▍^(qū)）進(jìn)一步細(xì)化了需水定額的種類，如河北省最新發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)用水定額 第1 部分：種植業(yè)》（DB 13／T 5449.1—2021），將種植業(yè)灌溉需水定額分為5 個種類132 項，確定了不同降水條件下各類灌溉方式的定額。

3.2.2 工業(yè)需水量預(yù)測

工業(yè)需水量預(yù)測是水資源規(guī)劃和管理的重點。 不少學(xué)者采用單一方法或耦合方法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工業(yè)需水量預(yù)測分析，如李琴等［21］構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對寶雞市工業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測，馬國梁［22］利用灰色預(yù)測法對山東省工業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測，張雅君等［23］、熊義杰［24］采用多元線性回歸分析法分別對北京、陜西工業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明預(yù)測精度較高。 鑒于工業(yè)種類繁多，用水工藝愈加復(fù)雜，有學(xué)者采用GABP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［25］、GM（1，1）-RBF 模型［26］等耦合模型預(yù)測工業(yè)需水量，結(jié)果表明模型穩(wěn)定性較好、預(yù)測精度較高。 定額法在工業(yè)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，一些學(xué)者［27-28］分別對山東省南四湖流域、鄂爾多斯市工業(yè)需水量進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明定額法具有較強的適用性。 進(jìn)一步細(xì)化工業(yè)需水定額的種類是提高工業(yè)需水量預(yù)測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。 隨著我國最嚴(yán)格水資源管理制度的實施和水資源管理精細(xì)化水平的不斷提高，水利部給出了火電、鋼鐵、紡織、造紙、石油煉制、食品制造等行業(yè)70 項工業(yè)需水定額，各省（市、區(qū)）在水利部推薦的需水定額的基礎(chǔ)上，結(jié)合各自的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，采納國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，開展了不同地區(qū)的需水定量研究。未來應(yīng)在充分考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變、用水效率提高的基礎(chǔ)上，正確認(rèn)識經(jīng)濟(jì)社會用水規(guī)律，提高不同區(qū)域需水定額的準(zhǔn)確性，更科學(xué)地預(yù)測工業(yè)需水量，為進(jìn)一步挖掘工業(yè)節(jié)水潛力提供支撐。

3.3 生態(tài)需水量預(yù)測

隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)，科學(xué)預(yù)測生態(tài)需水量對生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)以及水資源的可持續(xù)利用均具有重要意義。 相比其他行業(yè)需水而言，生態(tài)需水涉及動植物的種類繁多且對應(yīng)不同的生境，影響生態(tài)需水的自然、經(jīng)濟(jì)、社會、文化等各因素之間的映射及其需水關(guān)系更加復(fù)雜，非線性、高階次的特點更加突出。因此，在開展生態(tài)需水量研究時，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和灰色預(yù)測法或其耦合模型較多，如拾兵等［29］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測了黃河口濱海區(qū)生態(tài)需水量；黃天意等［30］利用灰色預(yù)測法對北京生態(tài)需水量進(jìn)行了預(yù)測；王有娟等［31］將 GM（1，1）模型和灰色 Verhulst 模型相結(jié)合構(gòu)建了灰色組合模型，并對模型采用殘差和權(quán)重分配相結(jié)合的二次修正方式進(jìn)行修正，預(yù)測了2013—2020年浙江省生態(tài)需水，結(jié)果表明預(yù)測結(jié)果更加合理；許昆［32］耦合自適應(yīng)變尺度粒子群和RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建不同水文頻率下的生態(tài)需水量預(yù)測模型。上述研究結(jié)果均表明不同模型或耦合模型在區(qū)域生態(tài)預(yù)測方面有較高的可行性、可靠性和準(zhǔn)確性。 定額法在生態(tài)需水量預(yù)測應(yīng)用方面，秦長海等［33］對寧夏生態(tài)需水量進(jìn)行了預(yù)測，He 等［34］提出了一種在總用水量和生態(tài)需水量約束下進(jìn)行基準(zhǔn)尺度需水量預(yù)測的兩階段法。 鑒于生態(tài)需水具有顯著的自然-社會二元屬性，在制定需水定額時，如何綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)本身的特征及經(jīng)濟(jì)社會要素對生態(tài)需水的影響，成為科學(xué)預(yù)測生態(tài)需水的關(guān)鍵。 未來隨著水資源管理水平的不斷提升，可嘗試定額的季節(jié)化和動態(tài)化，更加科學(xué)、合理地預(yù)測生態(tài)需水量，維持流域／區(qū)域生態(tài)平衡，推進(jìn)流域／區(qū)域的生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展。

受限于地區(qū)間經(jīng)濟(jì)水平、水資源本底條件等諸多因素的差異性，上述各類方法在實際應(yīng)用時取得的效果不盡相同。 在不同人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法因能較好模擬具有非線性變化特點的需水問題而被廣泛應(yīng)用，但該方法應(yīng)用中時常出現(xiàn)收斂速度慢、局部極小值等問題，目前常通過算法優(yōu)化或參數(shù)優(yōu)化等方法進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果。 灰色預(yù)測模型僅用單一的指數(shù)模型來描述系列的發(fā)展變化規(guī)律，而現(xiàn)實中的需水系列并不完全是指數(shù)關(guān)系，因此在實際應(yīng)用中一般將繁多的影響因素概化，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合使用。 回歸分析法受自變量和因變量之間的依存關(guān)系所限，單一的回歸方程往往難以表達(dá)復(fù)雜的需水系統(tǒng)，因此經(jīng)常作為輔助性方法與其他方法結(jié)合使用。

上述研究方法都是直接或通過構(gòu)建模型進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測需水量的，但行政部門在進(jìn)行水資源規(guī)劃時，難以對模型涉及的參數(shù)設(shè)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而定額法具有計算簡單、可操作性強、易于統(tǒng)一規(guī)劃管理的優(yōu)點，往往作為行政部門進(jìn)行水資源規(guī)劃的主要技術(shù)手段。因此，在實際應(yīng)用中需水定額的準(zhǔn)確性顯得尤為關(guān)鍵，應(yīng)充分考慮自然、經(jīng)濟(jì)、社會等因素影響，優(yōu)化生活需水定額、時效化農(nóng)業(yè)灌溉定額、精細(xì)化工業(yè)需水定額、動態(tài)化生態(tài)需水定額，進(jìn)一步提高定額法預(yù)測需水量的準(zhǔn)確性和適用性。 在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色預(yù)測模型等常用方法的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合計算機技術(shù)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，提高預(yù)測精度，將成為未來研究的前沿，而探究如何結(jié)合大數(shù)據(jù)、智能平臺優(yōu)化需水定額更具有水資源管理的實際應(yīng)用價值。

4 結(jié) 論

本文利用知識圖譜可視化軟件VOSviewer，對比分析了2000—2021年國內(nèi)外需水量預(yù)測常用方法及其優(yōu)缺點，并從生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)4 個方面歸納總結(jié)了需水量預(yù)測技術(shù)方法應(yīng)用研究現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論。

（1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、需水定額法、灰色預(yù)測法和回歸分析法是國內(nèi)應(yīng)用較多且關(guān)聯(lián)性較強的方法，英文文獻(xiàn)中灰色預(yù)測法、回歸分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用較多。

（2）在分產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測研究方面，多采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色預(yù)測法或耦合模型，偶見回歸模型，借助新型智能算法進(jìn)行模型的優(yōu)化是現(xiàn)今需水量預(yù)測領(lǐng)域的研究熱點。 在實際管理應(yīng)用中，定額法因具有計算簡單、可操作性強等優(yōu)點而成為水資源規(guī)劃管理的重要方法。 建議進(jìn)一步優(yōu)化生活需水定額、時效化農(nóng)業(yè)灌溉定額、精細(xì)化工業(yè)需水定額、動態(tài)化生態(tài)需水定額，提高定額法預(yù)測需水的準(zhǔn)確性。