河南省農村居民生活用水量預測

張修宇 包添豪 曹彥坤

摘 要：為了預測農村居民生活用水量，揭示其變化規律及影響因素，改善農村水資源配置格局和控制居民生活用水量增長，采用灰色關聯分析法分析影響農村居民生活用水量的關鍵因素，并利用遺傳算法和ＢＰ 神經網絡相結合的ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡模型預測２０２５ 年、２０３０ 年河南省各地級市的農村居民生活用水量，結果表明：河南省農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 年農村居民生活用水量預測結果分別為１５．４０３ 億、１６．８５２ 億ｍ３，有明顯上升趨勢。河南省需加大水資源節約集約利用力度，加快建設節水型社會。

關鍵詞：生活用水量預測；灰色關聯分析；遺傳算法；ＢＰ 神經網絡；ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡；河南省

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１０

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

我國水資源緊缺，時空分布不均，部分地區水資源過度開發、城鄉供水不足、水污染嚴重、水質惡化等問題突出。隨著經濟社會的發展，人民的物質生活水平逐步提高，居民生活用水量呈現增長趨勢。受降水量時空分布不均、水量不足、供水管網不完善以及缺乏合理的水價運行機制等多方面因素的影響，我國農村存在供水不穩定、水質達標率較低等一系列問題。水利作為農業農村發展的重要基礎，是實施鄉村振興戰略的根本保障［１］ 。“十四五”期間是河南省全面實施鄉村振興戰略的關鍵時期。按照鄉村振興戰略的總體要求，對標“十四五”農村供水標準，河南省農村供水還處于較低水平，與廣大農村居民日益增長的用水需求存在較大差距。加上居民節水意識不強，相關政策欠缺，監管不到位，水資源利用效率低下［２］ ，加大了農村居民生活用水的供需矛盾。預測農村居民生活用水量對于農村居民合理有效利用水資源、緩解農村居民生活用水供需矛盾具有重要意義。

國內外學者采用多種方法對生活用水量進行預測研究［３］ ，主要有主成分分析法、時間序列預測法、常規趨勢法、聚類分析法、模糊綜合評價法、遺傳算法（ＧＡ）以及人工神經網絡法［４］ 等。其中：主成分分析法［５］ 雖然能夠反映研究對象的主要特征，但會忽略次要因素的影響，具有一定的局限性；時間序列預測法［６］ 對中短期預測效果較好，但當遇到外界條件變化較大時會有一定的偏差；常規趨勢法［７］ 雖比較簡捷直觀，但不夠全面；模糊綜合評價法［８］ 計算復雜，人為因素干擾較強。由于影響農村居民生活用水量的因素較多且較為復雜，因此目前并沒有被普遍認可的用水量預測模型，而不論采用哪一種預測模型，選擇的影響因子數量過多，會使模型變得很復雜，且極有可能使結果陷入局部最優；選擇的影響因子數量過少，則會使預測精度不夠。針對以上問題，本文利用灰色關聯分析法［９］ 分析各因素對農村居民生活用水量的影響程度，再采用ＧＡ［１０］ 和ＢＰ 神經網絡組成的ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡［１１］ 對河南省農村居民生活用水量進行預測，以彌補單一模型的不足，簡化模型結構，提高預測精度。

５）變異操作。任意選出一個新的獨立個體，并基于概率原則進行變異，使其得到新的獨立個體。

２ 結果與討論

２．１ 研究區概況與數據來源

河南省面積為１６．７ 萬ｋｍ２，地勢呈階梯狀，水資源較為缺乏。據統計，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，其中農村居民人均生活用水量為２５．５５ ｍ３。

本文數據來源于《河南統計年鑒》（２００１—２０２２）和《河南省水資源公報》（２００１—２０２１） 等，以２００１—２０２１ 年為時間序列年，在充分考慮用水量影響因素的基礎上，對河南省各地市２０２５ 年、２０３０ 年農村居民生活用水量進行分析及預測。

２．２ 影響因素分析

影響農村居民生活用水量的因素有很多，例如人口、經濟以及自然因素等。本文以河南省１８ 個地級市的農村生活用水量為研究對象，限于資料的可獲得性，選取農村人均可支配收入（Ｘ１ ／ 元）、農村人均住房面積（Ｘ２ ／ ｍ２）、農村人口（Ｘ３ ／ 萬人）、降水量（Ｘ４ ／ ｍｍ）４個指標作為河南省各地級市農村生活用水量的影響因子。對原始數據進行無量綱化處理，按照灰色關聯度的計算步驟，分別計算農村人均可支配收入、農村人均住房面積、農村人口、降水量４ 個影響因子與河南省各地級市農村生活用水量的關聯度，結果見表１。

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

根據所得到的關聯度，對其進行加權處理，最終得出各比較序列與參考序列之間的關聯度。當關聯度小于０．６ 時，認為兩個序列無關，即關聯度閾值取０．６。由表１ 可知，Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４的關聯度均大于０．６，則認為農村人均可支配收入、農村人均住房面積、農村人口、降水量４ 個指標對農村生活用水量有較大影響。

２．３ 用水量預測

選取農村人均可支配收入、農村人均住房面積、農村人口和降水量４ 個影響因子作為輸入變量，河南省各地級市農村生活用水量作為輸出變量，建立３ 層ＧＡ－ＢＰ混合神經網絡模型，如圖２ 所示。

收集２００１—２０２１ 年各影響因子和河南省各地級市農村生活用水量的相關數據，以２００１—２０１５ 年的數據作為訓練樣本、２０１６—２０２１ 年的數據作為檢驗樣本，對該ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡模型進行訓練和檢驗。以河南省農村居民人口較多的商丘市為例，訓練參數見表２。

從表２ 中可以看出，該模型的確定系數Ｒ２ 為０．８７５，預測效果良好。由此可見，該模型對生活用水量的預測較為準確，能夠反映生活用水量的變化規律，可用于對河南省農村居民生活用水量進行預測。按照社會經濟發展趨勢和居民用水水平，根據《河南省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》等相關資料和數據，運用已經訓練好的ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡模型對河南省１８個地級市２０２５ 年和２０３０ 年農村居民生活用水量進行預測，結果見表３。河南省２００１—２０２１ 年農村居民生活用水量及２０２５ 年、２０３０ 年預測結果如圖３ 所示。

從圖３ 可以看出，２００１—２０２１ 年河南省農村居民生活用水量整體呈下降趨勢，原因是水資源管理政策不斷完善，農村居民的節水意識不斷增強，節水設施陸續投入使用。其中，２０１６ 年農村居民生活用水量陡然下降，這與河南省各地級市實行最嚴格水資源管理制度有關，用水總量得到嚴格控制，節水型社會建設取得顯著成效，節水制度得到了較好落實，因而河南省農村居民生活用水量較上年明顯減少。預測２０２５ 年、２０３０年河南省農村居民生活用水量分別為１５．４０３ 億ｍ３ 和１６．８５２ 億ｍ３，將出現增大趨勢，原因是隨著河南省經濟水平的快速提升，農村居民的人均可支配收入持續增長，進而導致水價失去了其在市場經濟中的杠桿作用，不能很好地對農村居民用水起到應有的約束作用；同時，農村居民的生活水平不斷提高，農村居民家庭用水設施不斷完善，耗水設備不斷增多，用水習慣不斷發生變化（如拖地次數、洗衣頻率和方式、洗澡頻率等［１３］ ），導致農村居民生活用水量不斷增長。到２０３０年，河南省農村居民生活用水量上升趨勢逐步減緩。

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

３ 結論與建議

本文以河南省各地級市為計算單元，根據２００１—２０２１ 年的用水量影響因素以及相關數據，建立了基于灰色關聯分析的ＧＡ－ＢＰ 混合神經網絡農村居民生活用水量預測模型。通過預測得出，２０２５ 年、２０３０ 年河南省農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，２０２６—２０３０ 年上升趨勢逐漸趨于平緩。

科學的水價制度是合理調配農村水資源的有效手段，能夠提高農村居民的節水意識，杜絕浪費行為，合理利用水資源。為了緩解水資源短缺與農村居民生活用水量增長之間的矛盾，建議考慮節約用水制度、供水工程條件、用水量和農村居民負擔程度等，制定合理的農村供水價格管理制度。一是建立科學明確的農村生活用水水權制度，明確戶均用水限額；二是制定合理可行的供水價格，為全面推行依照供水成本收取水費創造條件；三是建立農村生活用水約束激勵機制，對超限額用水實行累進加價制度，促進農村生活用水的高效利用；四是實行最嚴格水資源管理制度，保障水資源的可持續利用；五是大力開展節水行動、推廣節水技術。限于本文數據資料可獲得性以及指標信息的獨立性，對于長期預測來講，訓練樣本數據的代表性較弱，在預測精度上會稍有不足。因此，在下一步研究中，應考慮各個地級市的節水器具普及程度以及水價對居民用水量的影響，降低神經網絡的復雜度，使模型適用性更強，并提高預測精度。

參考文獻：

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【責任編輯 張華興】