生活废水排放三维非线性推测分析范文

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1引言

水资源是人类社会可持续发展的基础，根据水利部的统计数据，按目前的正常需要和不超采地下水，正常年份我国缺水总量将近400×108m3，有400余座城市供水不足，其中110座城市严重缺水．同时，从我国未来发展趋势看，由于城镇人口和城镇人均用水量的不断增加，未来城镇地区水资源供需矛盾将越来越突出，而且我国的生活废水排放量也在不断增长［1］．日益严重的生活废水排放已经成为我国水污染加剧的主要原因之一，并在某种程度上造成了比工业更为严重的影响［2］．影响生活废水排放量的因素较多．往往很难从理论上找到预测的机理模型．近年来，国内外学者曾采用了一些预测方法，对生活废水排放量行了一些预测研究．如王亮等人应用的粒子群算法的预测模型［3］、阎伍玖等人应用的等维灰数递补动态模型［4］、AhmedGamalEl－Din等人应用的神经元网络模型［5］，以及YoshiakiTsuzuki等人应用的软干预预测模型［6］．这些研究成果为解决生活废水排放量的预测问题，提供了一些方法和手段，具有一定的参考价值．本文采用了多元统计分析方法，为了表明变量之间的交互作用，采用非线性的方式，并将经济增长和居民用水量作为影响生活废水排放量的主要因素，根据1999－2009年中国统计年鉴数据，构建了非线性预测模型，为预测未来生活废水排放量提供了经验模型．

2样本的选取

江苏位于长江、淮河下游，是长江三角洲地区的重要组成部分，是中国人口密度最高的省份之一，境内平原辽阔．土地肥沃，物产丰富，江河湖泊密布，五大淡水湖中的太湖、洪泽湖在此横卧，历史上素有“鱼米之乡”的美誉．在过去的11年中江苏省的经济高速发展，人年均GDP增长3095元，几何增速13．9％，高于同期全国的平均水平12．27％．2010年地区生产总值（GDP）更是达到40903亿元，人均地区生产总值达到7700美元，同期生活废水排放量也从13．5亿吨上升为26．76亿吨，十年间翻了一番，每年新增生活废水排放量1．2亿多吨，年均几何增长率高达6．4％，高于同期全国的生活废水排放的增速5．17％．正是因为江苏省经济发达，河流广布加之人口密度大，生活废水排放量增长快，所以其在研究生活废水排放问题上十分具有代表性．

3模型的建立与分析

3．1变量的选取与数据处理由于影响生活废水排放的因素较多，从预测生活废水排放量角度分析问题，不可能也不必要选取包罗万象的指标，必须进行优化选择．所以选择影响生活废水排放量因素的指标必须遵循以下原则：1）代表性原则．选取的指标必须具有代表性，从众多指标中选择出的指标应当是能很好反应生活废水排放量的优质指标．2）实用性原则．选取的指标必须是符合我国现阶段国情，各个指标也应当是在各类统计数据中较易找到，且对日后生产和生活能产生积极地影响．3）动态性原则．随着社会和科学技术不断发展和进步，所选取的指标数值也应当是动态发展的．鉴于以上原则，采用1999～2009年的人均生活用水量和人均GDP两个指标．其中：人均GDP反映一定时期内人们生活水平的能力与状态；人均日生活用水量以反映生活用水情况，具体如表1（资料来源于《我国统计年鉴》相关各期资料）．

3．2模型的建立

结合生活废水排放量、人均生活用水量和人均GDP构建了多元非线性的指数模型：y＝f（x1，x2）＝c0exp（c1x1＋c2x2）．（1）代入来自中国统计年鉴和江苏统计年鉴中1999～2009年的数据，并通过Eviews的非线性回归分析后，得到模型：y＝44．75exp（－0．004734x1＋0．09391x2）．（2）（3．155）（－3．840）（4．340）R2＝0．9661DW＝1．535．异方差检验：由表2知F－统计量的P值为0．015小于10％，所以可以判定回归方程具有异方差性．用加权最小二乘法来消除异方差性，权值取残差绝对值的倒数，得新的回归方程为：y＝39．65exp（－0．004271x1＋0．101357x2）（3）（5．403）（－6．152）（8．882）R2＝0．9976DW＝1．771．表2怀特检验F－统计8．988506P值0．015R2统计量5．496486P值0．0191可以看出消除异方差后，回归方程的拟合程度有所提高．自相关检验：消除异方差后的回归方程DW值为1．771，可以通过杜宾—瓦森检验的临界值，所以判定回归方程不具有自相关性．拟合分析：消除异方差性后模型的决定系数为0．9976．同时从图1可以明显看出实际值和预测值基本为同一条直线，残值绝对值的波动量很小，说明回归方程拟合精度很高．

3．3方差分析

分别求出消除异方差后回归模型的总和平方和（SST）、残差平方和（SSE）、回归平方和（SSR）以及均方回归（MSR）和均方残差（MSE）．SSE＝∑ni＝1e2i＝∑ni＝1（yi－＾yi）2，（4）SSR＝∑ni＝1（＾yi－y珔）2，（5）SST＝∑ni＝1（yi－y珔）2，y珔＝1n∑ni＝1yi，（6）MSR＝SSRk－1，（7）MSE＝SSEn－k－1．（8）式中：ei为残差；yi为样本的观测值；＾yi为样本的估计值；y珔为样本的平均值；n为样本的数量；k为回归方程中自变量的个数利用式（4）～式（8）得消除异方差后回归方程的方差分析见表3．可以看出残差平方和仅为0．5254，，说明模型观测值和拟合值之间的偏差很小，再次印证了此回归模型就有良好的性能，可以用来对生活污水排放量进行预测分析．表3方差分析方差来源平方和自由度均方回归0．525420．2627残差0．525480．0657总和1．050810－

3．4模型结果的分析

通过图2可以清晰的看出三维非线性模型各个变量之间及其与因变量之间的关系．一般情况下生活废水量的排放随着人均GDP的上升而增多，却随着人均日生活用水量的增多而下降．在人均生活用水量较低的情况下，人均GDP略微升高就使得生活废水排放量显著增多，而在人均生活用水量较高的情况下，人均GDP对生活废水排放量的影响力显著下降．图2模型三维效果图

4生活废水排放量预测

利用已建立的模型进行江苏省生活废水排放量的预测．为此分别根据中国统计年鉴和江苏省统计年鉴1999～2009年人均日生活用水量和人均GDP的数据建立：人均日生活用水量预测方程，如式（9）；人均GDP的预测方程，如式（10）．y＝10995．01－5．377754x＋ar（1），（9）ar（1）＝0．614347R2＝0．9032，DW＝1．646y＝－1403．958＋0．700592x＋ar（1），（10）ar（1）＝0．854587，R2＝0．9968，DW＝2．040由式（9）和式（10）分别预测出2010年至2020年江苏省人均日生活用水量和人均GDP的值，之后代回式（3）得出生活废水排放量的预测值，如表4所示．随着经济和社会的高速发展，江苏省人均日生活用水在过去11年间呈下降趋势．到2009年人均日生活用水量仅为192．7升，不足全国448升的一半．究其原因主要是随着经济社会的发展，人们的综合素质普遍提高，节水意识明显加强，生活用水的重复利用率明显提高；水费阶梯收费制度的实行，用经济杠杆的效应调节了人均用水量；输水管道的更新，检测技术的不断更新与应用，这些措施大量地减少了输水过程中不必要的渗漏情况．在未来十年间，随着水资源紧缺程度不断加深，人均用水量很可能如上文预测的数据所示继续呈现下降趋势．同时生活废水排放量将继续保持迅猛增长势头．根据预测数据可知到2020年，生活废水的排放量应该为2009年（26．76亿吨）的2倍以上，但2009年除无锡生活废水处理率达90．1％以外，其余地区均不足90％，镇江仅为77．7％，可见在未来10年江苏省在生活废水处理上面临很大压力．

5政策建议

江苏承担着国家赋予的“两个率先”的责任，经济建设仍是当前要务，不太可能以牺牲经济社会的综合发展来解决污染问题．因此从系统角度来分析城市生活废水治理措施，本研究提出以下治理建议：1）征收城市生活废水排放费．按照“谁污染谁治理谁付费”原则，对生活废水的排放征收排污费．我国工业废水排放长期以来都是征收排污费的，从而有效地遏制了工业废水排放量增长势头，并且提供了资金来治理排放的工业废水．城市生活废水的治理也应当借鉴此种模式．考虑到城市生活废水排放不像工业废水排放那样容易检测，可以改为通过生活用水量多少来间接收取排污费，以此来完成对消费者决策的直接和间接影响．2）提高水价，更好地实行阶梯式水价．按照市场资源配置状况和真实供求关系，逐步提高水价，并使其达到合理的市场价格．一方面可以提高供水企业积极性，增大对整个市场自来水供应量，同时也可以减轻了政府财政压力；另一方面，水价提高和阶梯式水价的实施，必然能促使消费者更加注重自来水高效利用，减少其不必要浪费．按照奥地利学派的观点只有市场才是对资源进行优化配置的最好手段，在城市生活用水及其废水排放问题上应该充分借鉴此观点．3）增加投资，促进科技进步．2010年我国已成为世界第二大经济体，国家综合实力大幅提高．在此情况下，应当加大对节水技术和污染治理技术上的研发投入，使得我国能更早的全面使用上更加清洁、高效的水资源利用和处理技术，达到水资源利用的可持续发展．4）加大宣传和教育力度，培养节水护水意识．事物内因是影响事物发展最重要的因素，所以要解决城市生活废水排放不断增加的问题，必须充分认识到人主观能动性的重要性．因而政府需大力宣传教育，充分发挥非政府组织的引导鼓励作用，提高全民节约用水、保护水资源、合理利用水资源的意识，使全民参与到水环境保护工作中来．