基于灰度預(yù)測的地區(qū)水資源短缺研究

【摘要】水資源短缺的問題在全球范圍內(nèi)得到了越來越多的關(guān)注，為全世界所有公民提供清潔的水是科學家們的夢想。根據(jù)山東地區(qū)的狀況，我們設(shè)計了一個考慮所有缺水驅(qū)動因素的干預(yù)計劃，這種計劃通過人工降雨、減少污染、修建水庫等方面優(yōu)化配置水資源，有效的緩解缺水。并且我們還討論了在大背景下這項計劃對周圍區(qū)域乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的影響。我們利用計劃和模型進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)在進行干預(yù)后，所選地區(qū)不再容易受缺水的影響。希望能夠為解決世界水問題提供幫助。

【關(guān)鍵詞】水資源短缺；山東省；多元線性回歸分析；灰度預(yù)測

1、以某地區(qū)清潔誰水的總含量為變化量，以及該地區(qū)的人們對于清潔水的需求量為變化量，利用兩個變化量之間的比值衡量一個地區(qū)提供清潔的水來滿足人口需要的能力，并且考慮影響供給和需求的因素的動態(tài)特性，得到以下數(shù)學模型：

其中，考慮影響供給和需求的動態(tài)特征，總地表清潔水徑流量與降雨量、蒸發(fā)量、滲透量、水資源利用率和污染程度有關(guān)，則：

總地下清潔水含量與地表水滲透量、抽取量、水資源利用率和污染程度有關(guān)，則：

其他代替水源與國家自身發(fā)展有關(guān)，具有較大不確定度，則設(shè)：

假設(shè)居民生活耗水量與居民人數(shù)呈線性關(guān)系，則：

第一產(chǎn)業(yè)第二產(chǎn)業(yè)總耗水量與該地區(qū)的一二產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟總額和技術(shù)發(fā)展有關(guān)，設(shè)：

2、物理性缺水——從環(huán)境驅(qū)動因素考慮

降水年降水量地區(qū)分布不均勻，存在明顯的經(jīng)向和緯向分布規(guī)律。降水量年內(nèi)分配不均勻，存在一定的周期性。降水量最大月是最小月的20倍，汛期四個月降水量占全年70%以上。

地表水徑流的地區(qū)分布不均勻。徑流的年際、年內(nèi)變化大，全省年徑流量極值比達12.8。

地下水地下水資源在山東省地區(qū)分布不均勻，且山丘區(qū)與平原區(qū)差別較大。地下水資源總量較低的市占全省所有市的64.7%，且大部分集中在山丘區(qū)。

客水黃河是山東省最大的客水資源，它具有以下特點：水沙年內(nèi)分布不均；水、沙年際變化大，連豐、連枯特征明顯。

3、經(jīng)濟性缺水——從社會驅(qū)動因素考慮

農(nóng)業(yè)用水灌溉面積大和高耗水作物為主的種植業(yè)結(jié)構(gòu)，使得農(nóng)業(yè)成為主要的用水大戶。

效率低下地表水攔蓄能力弱，有效利用率低，浪費嚴重。社會各部門用水效率不高，全省農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)僅為0.5左右。

污染嚴重地表水、地下水均受到不同程度污染，化肥、農(nóng)藥、工業(yè)廢水、生活垃圾等都是污染源。此外，還受到了海水入侵的威脅。

將2005年至2014年的供需水量記為矩陣，由表中的數(shù)據(jù)計算每年的年平均值，記為，對做一次累加，，取0.5，得的均值生成序列

于是GM（1，1）的白化微分方程模型為，其中是發(fā)展灰度，是內(nèi)生控制灰度。

由于，取為灰導(dǎo)數(shù)，為背景值，則上述微分方程相應(yīng)的灰微分方程為（=2，3，…，6），即

由最小二乘估計可得=-0.0078628，=3265.8。

通過計算得到2015年的平均值，則2015年的預(yù)測總值為。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，通過公式可以統(tǒng)計計算出2015年第個指標值占全年的比例，于是通過可得到2015年每個指標的預(yù)測值，同理可得未來15年的水狀況。

由預(yù)測結(jié)果可知，在未來15年內(nèi)，山東省的水狀況不容樂觀，水資源開發(fā)利用的前景相當嚴峻，在不采取任何干預(yù)計劃的情況下水資源短缺不會得到緩解。

4、本文在水資源優(yōu)化配置目標設(shè)定時，主要考慮了常用的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和環(huán)境部門用水四個基本目標。

總目標：對于最優(yōu)權(quán)重的求得，本文采用層次分析法（HAP）。

采用人工降雨：根據(jù)現(xiàn)有科技，人工降雨量最多可增加百分之二十的降雨量，

節(jié)制水污染：經(jīng)過治理，水污染程度隨著時間成指數(shù)變化：

修繕地上水庫：

修建地下水庫：降雨量、蒸發(fā)量的關(guān)系式可以簡化為：

得到能力表達式：

對于該地區(qū)缺水狀況會有一定的緩解。

總結(jié)：干預(yù)計劃的優(yōu)點是整體計劃對于本地區(qū)的缺水問題起到了一定的作用，使得地區(qū)水資源穩(wěn)定性提高，所采取的增加供水的渠道也幾乎不會影響周圍的地區(qū)，但缺點是放到大環(huán)境去后，發(fā)現(xiàn)對于周圍地區(qū)的環(huán)境也會有一定的影響。