青岛市工业需水量预测研究

青岛市工业需水量预测研究

0总结0.1工业需水量预测的意义随着城市人口的增加和工业的快速发展，工业所需的水量越来越大。工业所需的水流量预测是城市供水系统的设计和运营研究的极其重要部分。为了适应工业发展的需要,充分发挥企业的社会和经济效益,必须做好工业需水量的预测,制定符合工业发展要求的供水规划。而工业需水量受工业产值、产品结构、工业用水重复利用率、工业技术进步指数、工业用水价格、政策性节水率及时间等因素的制约,其变化较为复杂,因而要进行精确的预测比较困难。所以必须根据工业的特点选定合适的预测方法。0.2工业需水量预测传统的工业需水量预测方法主要有单位面积指标法、万元产值指标法、重复利用率提高法、比例相关法、线性回归法、趋势法、弹性系数法等。这些方法由于计算比较简单,目前在工业需水量预测中应用比较广泛。近年来,由于计算机的普遍推广,有较多比较复杂的计算方法也被应用到工业需水量预测领域中来,主要有灰色系统理论法、模糊神经网络法、时间序列法等。这些方法考虑多因素的影响,预测准确度较高,但计算参数调整复杂,须借用计算机计算技术。这些预测方法根本思路都是按照历史用水资料,对影响用水量大的因素进行分析,然后进行经验估算或建立模型预测,得出结果。本文采用灰色系统理论法对青岛市工业需水量进行预测。灰色预测是对既含有已知信息又含有不确定信息的系统进行预测,是对在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程进行预测。尽管灰色过程中所显示的现象是随机的,但毕竟是有序的,因此这一数据集合具有潜在的规律。灰色预测通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度,即进行关联分析,并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律,生成有较强规律性的数据序列,然后建立相应的微分方程模型,从而预测未来发展趋势的状况。1建立残差序列灰色模型GM(1,1)模型是最常用的一种灰色模型,它是由一个只包含单变量的一阶微分方程构成的模型,建立GM(1,1)模型的步骤如下:①级比检验(建模可行性检验)通过级比检验,检验原始数据是否跳跃过大,如果跳跃过大,则对原始数据作方根变换处理(即利用原始数据的平方根作为建模的基本数据),变换之后作级比检验是否合格。②对变换后的数据作累加设变换后数据序列{X(0)(n)}={X(0)(1),X(0)(2),X(0)(3),…,X(0)(n)}令:X(1)(k)=k∑m=1X(0)(m)X(1)(k)=∑m=1kX(0)(m)(1)得到一列新的数据系列:{X(1)(n)}={X(1)(1),X(1)(2),X(1)(3),…,X(1)(n)}③构造矩阵B及数据向量YNB=[-1/2[X(1)(2)+X(1)(1)]1-1/2[X(1)(3)+X(1)(2)]1⋮⋮-1/2[X(1)(n)+X(1)(n-1)]1]YΝ={X(0)(2),X(0)(3),X(0)(4),⋯,X(0)(20)}ΤB=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢−1/2[X(1)(2)+X(1)(1)]−1/2[X(1)(3)+X(1)(2)]⋮−1/2[X(1)(n)+X(1)(n−1)]11⋮1⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥YN={X(0)(2),X(0)(3),X(0)(4),⋯,X(0)(20)}T④计算参数向量ββ=|ab|=(BΤB)-1BΤYΝ(2)⑤列出相应的微分方程dX(1)dt+aX(1)=b(3)微分方程(3)所对应的时间响应函数为(白化模型):ˆX(1)(t+1)=[X(0)(1)-ba]e-at+ba(4)⑥建立灰色预测模型根据公式(4)和步骤②得出:ˆX(0)(t+1)=ˆX(1)(t+1)-ˆX(1)(t)(5)⑦回代检验及残差分析原始数据的还原值与其实际观测值之间的残差值ε(0)(t)和相对误差值q(t)的计算公式如下:ε(0)(t)=X(0)(t)-ˆX(0)(t-1)(6)q(t)=ε(0)(t)/X(0)(t)×100%(7)如果回代检验表明相对误差较大,那么为了提高模型的精度,还要进行残差分析,利用残差(ε(0)(t))数列建立残差序列灰色模型ˆε(0)(t+1)。将残差模型并入灰色预测模型,即获得经过残差校正的灰色预测模型。2工业需要水预测2.1gm1,1模型预测结果以青岛市1981~2000年的工业总产值数据(见表1,按2000年不变价)为基础数据,按以上步骤建立模型:ˆX(0)(t+1)=1588.88e0.054924t(8)经回代检验(具体见表2),平均相对误差为5.30%,模型计算值误差稍大。利用残差(ε(0)(t))数列建立了残差灰色序列模型:ˆε(0)(t+1)=-85.312849e0.054006t(9)将残差模型并入预测模型,即获得经过残差校正的预测模型:ˆX(0)(t+1)=1588.88e0.054924t-85.312849e0.054006t(10)分析表明,经过残差校正后的预测模型的平均相对误差为2.43%,预测精度有所提高,结果见表3。经过计算得到GM(1,1)模型预测结果,然后再对预测结果平方还原得到青岛市2010、2020和2030年工业总产值分别为:548.3亿元、16463.6亿元和49433.7亿元。此预测结果比较符合青岛市现在实际发展情况,因此作者认为预测结果是合理的。2.2水量和净水量工业用水定额用单位工业取水量表示。单位工业产值取水量既是年工业取用新鲜水量与当年工业总产值之比。现状年2000年工业万元产值取水量为148.4m3/万元,远远超过全国水平80m3/万元。根据青岛市未来经济发展能力、工业节水能力、参考青岛市供水总公司提供的资料中的预测结果和青岛市历年万元工业产值取水量变化趋势,综合考虑,确定出不同水平年的工业综合万元产值取水量为:2010年为100m3/万元,2020年为80m3/万元,2030年70m3/万元。2.3工业取水量q采用定额法对工业需水量进行预测。计算公式为:Wt=Gtqt(11)其中Wt为预测t水平年的工业取水量,Gt为预测t水平年工业总产值,qt为t水平年的工业取水定额(万元产值取水量)。计算得出2010年、2020年、2030年的工业需水量分别为5.48×109m3、1.317×1010m