河南省農(nóng)村居民生活用水量預(yù)測(cè)

張修宇 包添豪 曹彥坤

摘 要：為了預(yù)測(cè)農(nóng)村居民生活用水量，揭示其變化規(guī)律及影響因素，改善農(nóng)村水資源配置格局和控制居民生活用水量增長(zhǎng)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析影響農(nóng)村居民生活用水量的關(guān)鍵因素，并利用遺傳算法和ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)２０２５ 年、２０３０ 年河南省各地級(jí)市的農(nóng)村居民生活用水量，結(jié)果表明：河南省農(nóng)村居民生活用水量明顯隨人均可支配收入的增加而增大；２０２５ 年、２０３０ 年農(nóng)村居民生活用水量預(yù)測(cè)結(jié)果分別為１５．４０３ 億、１６．８５２ 億ｍ３，有明顯上升趨勢(shì)。河南省需加大水資源節(jié)約集約利用力度，加快建設(shè)節(jié)水型社會(huì)。

關(guān)鍵詞：生活用水量預(yù)測(cè)；灰色關(guān)聯(lián)分析；遺傳算法；ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；河南省

中圖分類號(hào)：ＴＶ２１３．４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１０

引用格式：張修宇，包添豪，曹彥坤．河南省農(nóng)村居民生活用水量預(yù)測(cè)［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：５８－６１，７２．

我國(guó)水資源緊缺，時(shí)空分布不均，部分地區(qū)水資源過度開發(fā)、城鄉(xiāng)供水不足、水污染嚴(yán)重、水質(zhì)惡化等問題突出。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平逐步提高，居民生活用水量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。受降水量時(shí)空分布不均、水量不足、供水管網(wǎng)不完善以及缺乏合理的水價(jià)運(yùn)行機(jī)制等多方面因素的影響，我國(guó)農(nóng)村存在供水不穩(wěn)定、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低等一系列問題。水利作為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的根本保障［１］ ?！笆奈濉逼陂g是河南省全面實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期。按照鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的總體要求，對(duì)標(biāo)“十四五”農(nóng)村供水標(biāo)準(zhǔn)，河南省農(nóng)村供水還處于較低水平，與廣大農(nóng)村居民日益增長(zhǎng)的用水需求存在較大差距。加上居民節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)，相關(guān)政策欠缺，監(jiān)管不到位，水資源利用效率低下［２］ ，加大了農(nóng)村居民生活用水的供需矛盾。預(yù)測(cè)農(nóng)村居民生活用水量對(duì)于農(nóng)村居民合理有效利用水資源、緩解農(nóng)村居民生活用水供需矛盾具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對(duì)生活用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)研究［３］ ，主要有主成分分析法、時(shí)間序列預(yù)測(cè)法、常規(guī)趨勢(shì)法、聚類分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、遺傳算法（ＧＡ）以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［４］ 等。其中：主成分分析法［５］ 雖然能夠反映研究對(duì)象的主要特征，但會(huì)忽略次要因素的影響，具有一定的局限性；時(shí)間序列預(yù)測(cè)法［６］ 對(duì)中短期預(yù)測(cè)效果較好，但當(dāng)遇到外界條件變化較大時(shí)會(huì)有一定的偏差；常規(guī)趨勢(shì)法［７］ 雖比較簡(jiǎn)捷直觀，但不夠全面；模糊綜合評(píng)價(jià)法［８］ 計(jì)算復(fù)雜，人為因素干擾較強(qiáng)。由于影響農(nóng)村居民生活用水量的因素較多且較為復(fù)雜，因此目前并沒有被普遍認(rèn)可的用水量預(yù)測(cè)模型，而不論采用哪一種預(yù)測(cè)模型，選擇的影響因子數(shù)量過多，會(huì)使模型變得很復(fù)雜，且極有可能使結(jié)果陷入局部最優(yōu)；選擇的影響因子數(shù)量過少，則會(huì)使預(yù)測(cè)精度不夠。針對(duì)以上問題，本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析法［９］ 分析各因素對(duì)農(nóng)村居民生活用水量的影響程度，再采用ＧＡ［１０］ 和ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［１１］ 對(duì)河南省農(nóng)村居民生活用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以彌補(bǔ)單一模型的不足，簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，提高預(yù)測(cè)精度。

５）變異操作。任意選出一個(gè)新的獨(dú)立個(gè)體，并基于概率原則進(jìn)行變異，使其得到新的獨(dú)立個(gè)體。

２ 結(jié)果與討論

２．１ 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

河南省面積為１６．７ 萬ｋｍ２，地勢(shì)呈階梯狀，水資源較為缺乏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河南省多年平均水資源量為４０３．５３ 億ｍ３，２０２１ 年全省供用水量２２２．９２ 億ｍ３，其中生活用水量４５．１０ 億ｍ３，占總用水量的２０．２％；全省人均綜合用水量２２６ ｍ３，其中農(nóng)村居民人均生活用水量為２５．５５ ｍ３。

本文數(shù)據(jù)來源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》（２００１—２０２２）和《河南省水資源公報(bào)》（２００１—２０２１） 等，以２００１—２０２１ 年為時(shí)間序列年，在充分考慮用水量影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)河南省各地市２０２５ 年、２０３０ 年農(nóng)村居民生活用水量進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。

２．２ 影響因素分析

影響農(nóng)村居民生活用水量的因素有很多，例如人口、經(jīng)濟(jì)以及自然因素等。本文以河南省１８ 個(gè)地級(jí)市的農(nóng)村生活用水量為研究對(duì)象，限于資料的可獲得性，選取農(nóng)村人均可支配收入（Ｘ１ ／ 元）、農(nóng)村人均住房面積（Ｘ２ ／ ｍ２）、農(nóng)村人口（Ｘ３ ／ 萬人）、降水量（Ｘ４ ／ ｍｍ）４個(gè)指標(biāo)作為河南省各地級(jí)市農(nóng)村生活用水量的影響因子。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，按照灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟，分別計(jì)算農(nóng)村人均可支配收入、農(nóng)村人均住房面積、農(nóng)村人口、降水量４ 個(gè)影響因子與河南省各地級(jí)市農(nóng)村生活用水量的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表１。

從表１ 可以看出，隨著農(nóng)村人均可支配收入的提高，農(nóng)村居民對(duì)于水資源的需求量增大，原因是農(nóng)村居民的支出能力隨著人均可支配收入的提高而提高，農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)承受能力提升，居民家中配置的用水設(shè)備逐步增多，水費(fèi)在生活支出中所占的比例逐漸降低，居民對(duì)水費(fèi)支出的敏感度下降，進(jìn)而導(dǎo)致生活用水量不斷增大。河南省農(nóng)村居民住房以自建住房為主，房屋面積相對(duì)較大，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)村居民需要使用更多的水來支持家庭基本生活，因此河南省農(nóng)村居民生活用水量與農(nóng)村人均住房面積的關(guān)系較為密切。

根據(jù)所得到的關(guān)聯(lián)度，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)處理，最終得出各比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度。當(dāng)關(guān)聯(lián)度小于０．６ 時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)序列無關(guān)，即關(guān)聯(lián)度閾值取０．６。由表１ 可知，Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４的關(guān)聯(lián)度均大于０．６，則認(rèn)為農(nóng)村人均可支配收入、農(nóng)村人均住房面積、農(nóng)村人口、降水量４ 個(gè)指標(biāo)對(duì)農(nóng)村生活用水量有較大影響。

２．３ 用水量預(yù)測(cè)

選取農(nóng)村人均可支配收入、農(nóng)村人均住房面積、農(nóng)村人口和降水量４ 個(gè)影響因子作為輸入變量，河南省各地級(jí)市農(nóng)村生活用水量作為輸出變量，建立３ 層ＧＡ－ＢＰ混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖２ 所示。

收集２００１—２０２１ 年各影響因子和河南省各地級(jí)市農(nóng)村生活用水量的相關(guān)數(shù)據(jù)，以２００１—２０１５ 年的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本、２０１６—２０２１ 年的數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，對(duì)該ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)。以河南省農(nóng)村居民人口較多的商丘市為例，訓(xùn)練參數(shù)見表２。

從表２ 中可以看出，該模型的確定系數(shù)Ｒ２ 為０．８７５，預(yù)測(cè)效果良好。由此可見，該模型對(duì)生活用水量的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，能夠反映生活用水量的變化規(guī)律，可用于對(duì)河南省農(nóng)村居民生活用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。按照社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和居民用水水平，根據(jù)《河南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》等相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，運(yùn)用已經(jīng)訓(xùn)練好的ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)河南?。保?jìng)€(gè)地級(jí)市２０２５ 年和２０３０ 年農(nóng)村居民生活用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見表３。河南?。玻埃埃薄玻埃玻?年農(nóng)村居民生活用水量及２０２５ 年、２０３０ 年預(yù)測(cè)結(jié)果如圖３ 所示。

從圖３ 可以看出，２００１—２０２１ 年河南省農(nóng)村居民生活用水量整體呈下降趨勢(shì)，原因是水資源管理政策不斷完善，農(nóng)村居民的節(jié)水意識(shí)不斷增強(qiáng)，節(jié)水設(shè)施陸續(xù)投入使用。其中，２０１６ 年農(nóng)村居民生活用水量陡然下降，這與河南省各地級(jí)市實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度有關(guān)，用水總量得到嚴(yán)格控制，節(jié)水型社會(huì)建設(shè)取得顯著成效，節(jié)水制度得到了較好落實(shí)，因而河南省農(nóng)村居民生活用水量較上年明顯減少。預(yù)測(cè)２０２５ 年、２０３０年河南省農(nóng)村居民生活用水量分別為１５．４０３ 億ｍ３ 和１６．８５２ 億ｍ３，將出現(xiàn)增大趨勢(shì)，原因是隨著河南省經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，農(nóng)村居民的人均可支配收入持續(xù)增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致水價(jià)失去了其在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的杠桿作用，不能很好地對(duì)農(nóng)村居民用水起到應(yīng)有的約束作用；同時(shí)，農(nóng)村居民的生活水平不斷提高，農(nóng)村居民家庭用水設(shè)施不斷完善，耗水設(shè)備不斷增多，用水習(xí)慣不斷發(fā)生變化（如拖地次數(shù)、洗衣頻率和方式、洗澡頻率等［１３］ ），導(dǎo)致農(nóng)村居民生活用水量不斷增長(zhǎng)。到２０３０年，河南省農(nóng)村居民生活用水量上升趨勢(shì)逐步減緩。

雖然河南省農(nóng)村居民的生活條件不斷變好，對(duì)水資源的需求量更高，但是考慮到水資源的有限性，仍需采取節(jié)水措施，控制農(nóng)村居民生活用水量，在保障人民美好生活需要的基礎(chǔ)上盡量減少用水。

３ 結(jié)論與建議

本文以河南省各地級(jí)市為計(jì)算單元，根據(jù)２００１—２０２１ 年的用水量影響因素以及相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了基于灰色關(guān)聯(lián)分析的ＧＡ－ＢＰ 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)農(nóng)村居民生活用水量預(yù)測(cè)模型。通過預(yù)測(cè)得出，２０２５ 年、２０３０ 年河南省農(nóng)村居民生活用水量分別為１５． ４０３ 億ｍ３ 和１６．８５２億ｍ３，２０２１—２０２５ 年呈較快上升趨勢(shì)，２０２６—２０３０ 年上升趨勢(shì)逐漸趨于平緩。

科學(xué)的水價(jià)制度是合理調(diào)配農(nóng)村水資源的有效手段，能夠提高農(nóng)村居民的節(jié)水意識(shí)，杜絕浪費(fèi)行為，合理利用水資源。為了緩解水資源短缺與農(nóng)村居民生活用水量增長(zhǎng)之間的矛盾，建議考慮節(jié)約用水制度、供水工程條件、用水量和農(nóng)村居民負(fù)擔(dān)程度等，制定合理的農(nóng)村供水價(jià)格管理制度。一是建立科學(xué)明確的農(nóng)村生活用水水權(quán)制度，明確戶均用水限額；二是制定合理可行的供水價(jià)格，為全面推行依照供水成本收取水費(fèi)創(chuàng)造條件；三是建立農(nóng)村生活用水約束激勵(lì)機(jī)制，對(duì)超限額用水實(shí)行累進(jìn)加價(jià)制度，促進(jìn)農(nóng)村生活用水的高效利用；四是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，保障水資源的可持續(xù)利用；五是大力開展節(jié)水行動(dòng)、推廣節(jié)水技術(shù)。限于本文數(shù)據(jù)資料可獲得性以及指標(biāo)信息的獨(dú)立性，對(duì)于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)來講，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的代表性較弱，在預(yù)測(cè)精度上會(huì)稍有不足。因此，在下一步研究中，應(yīng)考慮各個(gè)地級(jí)市的節(jié)水器具普及程度以及水價(jià)對(duì)居民用水量的影響，降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，使模型適用性更強(qiáng)，并提高預(yù)測(cè)精度。

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