专利名称：跨越式发展地区需水预测方法
技术领域：
本发明涉及水利工程的技术领域，特别涉及一种跨越式发展地区需水预测方法。
背景技术：
跨越式发展地区需水预测是个国际难题，国外的需水预测经验是根据200年来工业化渐进式发展所产生的供水和需水数据所获得的，而中国的改革开放和经济发展缩短为30年，国外的常规需水预测方法 都不适用。广西北部湾经济区有沿海优势、后发优势和政策优势，地处西南经济圈、华南经济圈和东盟经济圈的交汇处，是国家级开发区，人流和物流非常集中，不同于中国中西部其他地区的发展。受国家重点发展政策的支持，广西北部湾经济区短期内将上马一些石化、钢铁等高耗水工业项目，并且新建一些工业园区，由此将带来外来人口的迅速增加，人口的增长和工业发展的预测都将超越渐进式发展地区的发展模式和预测方法，需要突破该区域历史发展进程中的经济发展模式的限制，需水预测有更大的难度。(I)跨越式发展地区的经济增长呈跨越式特征，经济社会发展指标难以按渐进式发展模式预测。经济社会发展情景设置是需水预测的基础，经济社会发展指标通常按照事先设定的增长率预测，或直接采用经济管理部门的预测成果。经济管理部门采用的预测方法通常有时间序列法、计量经济模型、投入产出分析法或其他预测方法，这些预测方法都是建立在历史统计数据基础上的。对于一个区域而言，在渐进式发展模式下，经济增长的结构、规模和速度是较平稳的，并且可以获得一致性关系很好的长系列统计数据，能很好的用上述预测方法来预测。经济跨越式发展具有如下三个特征:一是经济超常增长，国民经济总量急剧增加，经济增长率高，同时经济效益高；二是经济不平衡推进，在工业发展的基础上，由主导产业部门带动其他产业部门发展；三是经济发展呈现出一系列“蛙跳”增长形式，经济增长不是在一个时点上的一次“突进”，而是多次“突进”的集合。在跨越式发展模式下，经济增长的结构、规模和速度表现出与渐进式发展完全不同的特性，不再是平稳发展，跨越式发展阶段和渐进式发展阶段的统计数据也不具有一致性关系，因此现有的预测方法不适用于跨越式发展地区。(2)跨越式发展地区的用水变化将经历高速增长、减速增长、趋于平稳三个阶段，常规需水预测方法无法准确刻画需水增长过程和需水结构变化。经济社会用水量的增长与经济的发展、人口的增长、居民生活水平的提高、环境保护意识的增强、用水效率和水价等因素有密切关系。发达国家和地区的发展经验数据表明，在经济社会发展进程中，区域用水量变化通常要经历三个阶段:在工业化初级和中级阶段，经济社会加速发展，城镇化快速推进，产业结构在农业稳步快速发展基础上逐步向工业为主转变，工业从劳动密集型产业逐步转向资本密集型产业，第三产业兴起，生活用水和工业用水都明显增长，农业用水先快速增长之后变缓甚至略有下降，经济社会用水总量快速增长；在工业化高级阶段，人口增长受到控制，农业稳步发展，技术密集型工业产业兴起，第三产业快速发展，城市生活用水、工业用水增长速度变缓，农业用水稳定，用水总量呈现低增长趋势；在发达经济阶段，人口稳定，知识密集型产业占主导地位，节水农业高度发达，第三产业繁荣，人们的水资源保护意识增强，用水行为得以严格控制，生活用水、工业用水、农业用水维持稳定，用水总量出现零增长甚至负增长趋势。现有的需水预测方法都基于两个假定条件:一是影响经济社会发展的因素变化不大，并继续按同样的方式影响着未来经济社会的发展与演变；二是经济社会的发展是一个渐进的过程不是跳跃式的突变。按照现有的需水预测方法，影响需水增长的人口增长率、城镇化率、GDP增长率、产业结构、用水效率指标，以及宏观经济政策都保持不变，这样预测出的需水变化过程将是一个单一的增长趋势，不能准确刻画需水的高速-减速-平稳的增长过程，也不能准确刻画需水结构的变化。(3)跨越式发展地区的用水需求受国家和地方的宏观经济政策影响较大，这些影响难以在常规预测方法中得以定量体现。国家和地方的产业政策直接影响着产业布局、产业结构和经济规模，从而间接影响着用水需求在地区之间、产业部门之间的分布，以及用水需求总量；国家和地方的水资源管理政策(如水资源控制指标、水价政策、节水减污和清洁生产政策等)直接影响着社会经济各部门的用水水平，从而影响了各部门的用水需求；国家和地方的科技政策直接影响着生活、工农业用水工艺和器具的技术进步，从而影响了社会经济各部门的用水水平；国家和地方的投资政策直接影响了产业发展、节水投入、生产技术，从而影响了社会经济各部门的用水水平和用水需求。国家和地方的产业政策、水资源管理政策、科技政策和投资政策对用水效率和用水需求分布的影响难以在常规需水预测方法中得以定量体现。广西北部湾 经济区位于华南、西南和东盟经济圈的结合部，是我国首个国际区域经济合作区，是我国与东盟国家既有海上通道，又有陆地接壤的门户，是国家开放战略转型的先行区和新一轮沿海发展的重要增长极，也是带动和支撑西部大开发的战略高地，在我国经济和社会发展中具有不可替代的地位。2008年I月16日，国家批准实施《广西北部湾经济区发展规划》，标志着经济区开放开发正式纳入国家发展战略。这将大大推进该区域城镇化与重点产业园的建设，加快经济社会跨越式发展步伐。随着发展进程的推进，经济区对水资源的量和质都将提出更高的要求，也将对经济区的水环境和生态系统带来前所未有的压力，水资源安全面临着巨大的挑战。实践证明，跨越式发展地区的水资源已经成为制约区域社会经济发展的瓶颈，水安全保障问题日益突出。为了保障跨越式发展地区社会经济的跨越式发展，破解水资源安全保障难题，急需准确预测跨越式发展地区未来用水需求。跨越式发展地区需水预测方法研究是一项十分重要且迫切的研究工作，对破解跨越式发展地区水资源安全保障问题具有重要意义。
发明内容
本发明针对跨越式发展地区需水预测的难点，创新地提出了具有物理机理的需水预测方法。本发明的目的通过下述技术方案实现:(I)经济发展轨迹特征参数的确定
通过考察国内外先行发展国家和地区的跨越式发展历程，找出经济发展各个阶段的基本特征和一般规律，为社会经济发展情景方案的设置提供特征参数。a)搜集国内外先行发展国家和地区跨越式发展阶段的⑶P、人均⑶P、三产结构的社会经济数据；b)根据⑶P和人均⑶P数据，处理为⑶P增长率和人均⑶P增长率；c)采用二次抛物线五点平滑法，平滑GDP增长率和人均GDP增长率，得到GDP增长率和人均GDP增长率趋势，其采用的二次抛物线五点平滑法的平滑公式为
权利要求
1.一种跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，包括下述步骤: 51、确定经济发展轨迹特征参数，通过考察国内外先行发展国家和地区的跨越式发展历程，找出经济发展各个阶段的基本特征和一般规律，为社会经济发展情景方案的设置提供特征参数； 52、预测经济社会发展情景，根据跨越式发展地区的发展轨迹，借鉴国内外先行发展国家和地区的人口、城镇化率、GDP、三产结构变化规律，结合跨越式发展地区的发展现状和发展需求，预测该地区未来的人口、城镇化率、GDP和三产结构，设置社会经济发展情景方案； 53、确定经济社会发展与需水的定量关系，总结分析国内外先行发展国家和地区的用水量变化一般规律，定量分析人口和GDP与用水量之间的关系，确定用水总量、万元工业增加值用水量、万元第三产业增加值用水量的变化趋势，为系统动力学模型的构建和校验提供边界条件； 54、基于系统动力学模型的需水预测，系统动力学模型通过微分方程组来模拟预测社会经济、生态环境和水资源系统复杂发展过程，模型分成若干个子系统和子模块；然后选用一定数量的决策变量，通过决策变量设定各种方案，综合考虑各子系统之间的相互联系；再通过系统动力学模型模拟不同发展方案，得出人口经济增长与水资源利用之间的变化趋势，预测用水需求，分析水资源对社会经济的促进和抑制作用； 55、需水预测成果的多途径校验，根据跨越式发展地区最严格水资源管理控制指标，校验需水总量预测的合理性；根据节水型社会考核指标，校验用水效率预测的合理性；利用GDP与用水量之间的关系和需水总量增长趋势校验需水过程预测的合理性。
2.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤SI中，经济发展轨迹特征参数确定的具体步骤为: 511、采集国内外先行发展国家和地区跨越式发展阶段的GDP、人均GDP、三产结构的社会经济数据； 512、根据⑶P和人均⑶P数据，处理为⑶P增长率和人均⑶P增长率； 513、采用二次抛物线五点平滑法，平滑GDP增长率和人均GDP增长率，得到GDP增长率和人均GDP增长率趋势，其采用的二次抛物线五点平滑法的平滑公式为毛二 —(- -2 + 12χ/- + 17A + l2xM _ h+2 ); 514、判定开始进入经济跨越式发展阶段的特征:GDP增长率一般年均达到8%-9%，人均⑶P增长率一般年均达到6%-7%，第二产业和第三产业占⑶P的比例达到80%以上，根据平滑得到的GDP增长率和人均GDP增长率趋势，分析国内外先行发展国家和地区在跨越式发展过程中的起涨点、发展速度、发展时段长度特征参数； 515、根据跨越式发展地区经济社会发展现状，判断所处经济社会发展阶段，确定跨越式发展的起涨点、发展速度、发展时段长度，从而确定未来的发展轨迹。
3.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S2中，预测经济社会发展情景的具体步骤为: S21、搜集国内外先行发展国家和地区的人口、城镇化率、GDP、三产结构社会经济数据；Ｓ22、根据人口、城镇化率和GDP数据，处理为人口增长率、城镇化率增长率和GDP增长率； Ｓ23、根据三产结构数据，采取趋势分析法，分析三产结构的变化趋势； Ｓ24、采用二次抛物线五点平滑法，分析人口增长率、城镇化率增长率和GDP增长率变化趋势； Ｓ25、设定跨越式发展地区社会经济发展情景方案，根据先行发展国家和地区在跨越式发展阶段的社会经济特征，确定跨越式发展地区的社会经济发展情景。
4.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S3中，经济社会发展与需水的定量关系具体内容为: 人口与用水量的关系，一个地区的用水总量与人口的关系分两个阶段:第一个阶段，用水总量与人口呈正相关关系，用水总量随人口的增长而增长；第二个阶段，当用水总量增长到一定阶段后，用水总量与人口不再具有相关关系，人口在增长，而用水总量却保持稳定； GDP与用水量的关系，一个地区用水总量起初随着GDP的增长而增长，当GDP增长到一定程度后，用水总量趋于稳定状态，不再随着GDP的增长而增长； 第三产业比重与用水量的关系，随着第三产业比重的增加用水量也逐渐增长，当第三产业比重增长到一定程度后，用水量不再增长； 用水总量的变化趋势，一个地区的用水总量不会无限增长，当其增长到一定程度后会呈现“零增长”甚至“负增长”态势； 万元工业增加值用水量的变化趋势，在跨越式发展过程中万元工业增加值用水量变化趋势基本一致，总体呈现递减趋势，均符合指数递减趋势，变化趋势曲线表达式如下:y=a*exp(b＊T)+c 式中，I为万元工业增加值用水量；T为时间；a、b、c为参数； 万元第三产业增加值用水量的变化趋势，在跨越式发展过程中万元第三产业增加值用水量变化趋势基本一致，总体呈现递减趋势，均符合指数递减趋势，变化趋势曲线表达式如下:y=a*exp(b＊T)+c 式中，Y为万元第三产业增加值用水量；T为时间；a、b、c为参数。
5.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S4中，基于系统动力学模型的需水预测包括下述具体步骤: Ｓ41、构建系统的动力学模型，利用系统动力学系统性、动态性、政策模拟和整体预测能力强的特点，以系统动力学模型为仿真平台，以参证法给出的经济发展轨迹和用水变化规律为输入条件，并将国家和地方的产业、水资源管理、科技和投资宏观经济政策转化为决策变量，进行不同社会经济发展和水资源开发利用的情景方案的系统仿真； Ｓ42、设置变量，系统动力学模型共使用变量112个，其中状态变量10个，速率变量10个，常量14个，辅助变量78个； Ｓ43、确定系统的宏观经济政策决策变量，从影响节水和供水两个角度，增加了水污染对供水的定量影响和农业节水投资对需水的定量影响的决策分析； Ｓ44、模型参数的确定，系统动力学(SD)模型中用到的参数包括社会经济参数和用水参数，社会经济参数是指模型中与社会经济发展预测有关的参数，包括人口增长率、人均GDP、三产比例、城镇化率；用水参数是指系统动力学模型中除社会经济参数外，与需水预测有关的参数，包括万元工业增加值用水量、万元建筑业增加值用水量、万元第三产业增加值用水量、农业亩均灌溉用水量、城镇居民每人每日生活用水量和农村居民每人每日生活用水量; S45、跨越式发展地区需水预测结果，利用建立的系统动力学需水预测模型，按照不同的社会经济发展情景，模拟预测跨越式发展地区需水量。
6.根据权利要求5所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S42中，10个状态变量为GDP、总人口、农业节水投资、水田灌溉面积、水浇地灌溉面积、菜田灌溉面积、林果地灌溉面积、草场灌溉面积、鱼塘补水面积和牲畜头数； 10个速率变量为:GDP年增加值、人口年增加值、农业节水投资年增加值、水田灌溉面积增加值、水浇地灌溉面积增加值、菜田灌溉面积增加值、林果地灌溉面积增加值、草场灌溉面积增加值、鱼塘补水面积增加值、牲畜头数增加值； 主要系统动力方程为^DP总量=总人口 *人均⑶P ； 一产增加值=GDP- 二产增加值-三产增加值； 二产增加值=GDP* 二产比例； 三产增加值=GDP*三产比例； 总人口 =INTEG(人口增长量，总人口现值)； 城镇人口 =总人口 *城镇化率； 农村人口 =总人口-城镇人口 ； 总需水量=农业需水量+工业需水量+建筑业需水量+第三产业需水量+生态需水量+生活用水量； 农业需水量=水田需水量+水浇地需水量+菜田需水量+林果地需水量+草场需水量+鱼塘需水量+牲畜需水量； 第二产业需水量=工业需水量+建筑业需水量； 工业需水量=工业增加值*万元工业增加值需水量； 建筑业需水量=建筑业增加值*万元建筑业增加值需水量； 第三产业需水量=三产增加值*万元三产增加值需水量； 生活需水量=城镇生活需水量+农村生活需水量； 城镇生活需水量=城镇人口 *城镇生活用水定额； 农村生活需水量=农村人口 *农村生活用水定额； 生态需水量=城镇生活需水量*15% ； 废水排放总量=城镇生活污水排放量+工业废水排放量+农业废水排放量； 废水处理总量=生活污水处理量+工业废水处理量； 水资源供需平衡比=水资源可供水量/需水总量； 水资源供需平衡因子=IF THEN ELSE(水资源供需平衡比>=1，1，IF THEN ELSE(水资源供需平衡比>=0.9，0.95，0.9))； 水田灌溉面积=INTEG (水田灌溉面积增加量，灌溉面积现值)； 水田需水量=水田灌溉面积*水田灌溉净定额*农业节水因子/农田水利用系数/10000。
7.根据权利要求5所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S5中，步骤S42中，水污染对供水的定量影响、农业节水投资对需水的定量影响的系统动力方程为: 农业节水投资=INTEG (农业节水投资增加量，农业节水投资现值)； 农业投资系数=农业节水投资/一产增加值； 农业节水因子=IF THEN ELSE (农业投资系数>=0.25，0.86，IF THEN ELSE (农业投资系数 >=0.15，0.9，IF THEN ELSE (农业投资系数 >=0.05，0.93，IF THEN ELSE (农业投资系数 >=0.025，0.95，0.97))))； 水污染总量=废水排放总量-废水处理总量； COD产生总量=城镇生活COD排放量+工业COD排放量； 污水处理厂COD排放量=废水处理总量*污水处理厂COD出水标准； COD排放总量=COD产生总量* (1-城市污水处理率)+污水处理厂COD排放量； COD污染比=COD排放总量/COD允许排放最大量； 水污染比=水污染总·量/需水总量； 水污染因子=IF THEN ELSE (COD 污染比 >=1，0.45,0.5)+IF THEN ELSE (水污染比>=0.5，0.45，0.5)。
8.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，在步骤SI和S2中采用参证法，借鉴日本、韩国、新加坡、香港、珠三角、长三角、环渤海国内外先行发展国家和地区跨越式发展阶段的经济发展规律，合理预测跨越式发展地区的经济增长的跨越式发展特征及经济社会发展指标。
9.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，在步骤S3中采用参证法，总结分析国内外先行发展国家和地区跨越式发展阶段的用水量变化一般规律，建立经济社会发展与需水的定量关系，为系统动力学模型(SD)的构建和校验提供边界条件。
10.根据权利要求1所述的跨越式发展地区需水预测方法，其特征在于，步骤S4中，利用系统动力学模型具有系统性、动态性、政策模拟和整体预测能力强的特点，以系统动力学模型为仿真平台，构建了基于系统动力学的水资源与经济社会发展定量关系模型，以经济发展轨迹和需水增长规律为输入条件，并将国家和地方的产业、水资源管理、科技和投资宏观经济政策转化为决策变量融入该模型。
全文摘要
本发明公开了一种跨越式发展地区需水预测方法，其步骤为S1、确定经济发展轨迹特征参数；S2、预测经济社会发展情景；S3、确定经济社会发展与需水的定量关系；S4、基于系统动力学模型的需水预测；S5、需水预测成果的多途径校验。本发明利用系统动力学模型具有系统性、动态性、政策模拟和整体预测能力强的特点，以系统动力学模型为仿真平台，构建了基于系统动力学的水资源与经济社会发展定量关系模型，以经济发展轨迹和需水增长规律为输入条件，并将国家和地方的产业、水资源管理、科技和投资等宏观经济政策转化为决策变量融入该模型，解决了宏观经济政策对水资源开发利用的影响难以在常规预测方法中得以定量体现的难题。
文档编号G06F19/00GK103218536SQ20131015102
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者王琳, 贺新春, 李兴拼, 范群芳, 郑江丽 申请人:珠江水利委员会珠江水利科学研究院