面向水平衡測(cè)試的北方城鎮(zhèn)生活用水規(guī)律研究

王秀穎，孫玉華，吳俊秀，賈玉娟

(遼寧省水文水資源勘測(cè)局，遼寧沈陽(yáng)110003)

我國(guó)是世界水資源短缺的國(guó)家之一，人均占有量?jī)H為世界水平的1/4。城市是居民主要的集聚地，是生活用水主要的消耗區(qū)域，然而近年來(lái)，隨著人口、氣候以及經(jīng)濟(jì)各方面的變化，城市用水出現(xiàn)嚴(yán)重短缺問(wèn)題［1，2］。據(jù)水利部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)600多個(gè)城市中，有400多個(gè)城市供水不足，其中嚴(yán)重缺水的城市有110個(gè)。因此，對(duì)城市供用水問(wèn)題的研究具有重要的意義。一些研究人員針對(duì)城市用水規(guī)律、用水結(jié)構(gòu)變化、用水影響因素以及用水函數(shù)模型等進(jìn)行了系統(tǒng)研究［3－6］。城市用水?dāng)?shù)據(jù)的確定對(duì)相關(guān)研究工作非常重要，但是目前城市生活用水情況數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析還存在很多問(wèn)題，開展城市生活水平衡測(cè)試是摸清城市用水現(xiàn)狀，提高用水效率的有效手段［7］，然而由于一些困難，城市生活水平衡測(cè)試開展相對(duì)較少。我國(guó)北方地區(qū)在氣候、居民用水習(xí)慣等方面與南方有一定的差別，因此城市用水情況也不相同。為系統(tǒng)研究北方地區(qū)用水情況，并為城市水平衡測(cè)試提供基礎(chǔ)依據(jù)，本文以遼寧省昌圖縣和朝陽(yáng)縣為例，通過(guò)分析居民生活用水周、年內(nèi)變化過(guò)程揭示生活用水量多尺度變化特征，并針對(duì)北方地區(qū)各月用水特點(diǎn)，重新劃分北方城鎮(zhèn)生活用水季節(jié)，同時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波分析方法，通過(guò)分析城市居民生活用水周期來(lái)確定城市生活水平衡測(cè)試的最佳周期。

1 資料與研究方法

選取昌圖縣2011年每小時(shí)平均生活用水量以及朝陽(yáng)縣2010年平均日生活用水量資料進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。

利用origin軟件中的臨近點(diǎn)平均方法進(jìn)行滑動(dòng)平均計(jì)算，分析生活用水量的年變化特征。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)是Huang等［8］1998年提出的一種新的時(shí)間序列分析方法，它將一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，將不同尺度或?qū)哟蔚牟▌?dòng)或趨勢(shì)分量從原序列中提取出來(lái)，得到若干具有不同尺度的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)分量，通過(guò)分析這些分量，可以揭示原序列內(nèi)在的多尺度振蕩變化特征。本文利用matlab軟件對(duì)昌圖、朝陽(yáng)生活用水量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解計(jì)算。

小波分析是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種信號(hào)分析方法［9］，它不但可以揭示原時(shí)間序列在各種時(shí)間尺度上的周期變化特征，而且還能顯示出各種周期信號(hào)隨時(shí)間的變化。本文采用復(fù)Morlet小波作為母小波函數(shù)進(jìn)行小波變換，通過(guò)小波方差確定生活用水的主周期。

2 生活用水量多尺度變化特征

2.1 生活用水量周變化特征

對(duì)昌圖和朝陽(yáng)兩地一周內(nèi)的生活用水量變化過(guò)程進(jìn)行分析，得到每天生活用水量占一周總用水量的百分比變化過(guò)程，見(jiàn)圖1。從周一到周日，兩地居民用水量均呈增加趨勢(shì)。昌圖縣周二是一周用水量最低點(diǎn)，而后用水量開始增加，周四到周五迅速增加，在周六生活用水量達(dá)到一周最高峰，周日有所下降。朝陽(yáng)縣周一是一周用水量最低點(diǎn)，之后用水量增加明顯，周三到周五用水量有所減少，而到周六用水量迅速增加并達(dá)到一周用水量最高點(diǎn)，周日用水量又下降?？傮w來(lái)說(shuō)，兩地均在一周開始的前兩天用水量最低，而在周六居民用水量達(dá)到峰值，周日用水量開始下降，這與居民一周作息時(shí)間相對(duì)應(yīng):周末是居民普遍休息日，生活用水較多，而經(jīng)過(guò)周末之后的新一個(gè)周一、周二居民工作相對(duì)繁忙，生活用水量減少。

圖1 昌圖和朝陽(yáng)周用水量變化過(guò)程

2.2 生活用水量年變化特征

對(duì)昌圖縣2011年和朝陽(yáng)縣2010年逐日居民用水量進(jìn)行10天滑動(dòng)平均計(jì)算，然后進(jìn)行距平分析，得到昌圖縣和朝陽(yáng)縣居民用水量10天滑動(dòng)距平值在年內(nèi)的變化過(guò)程，見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，兩地居民用水量距平均呈波動(dòng)變化，距平正負(fù)值分布具有相似性。昌圖縣在1月－3月中旬用水量距平為正值，說(shuō)明此段時(shí)間居民用水量較多，這與北方冬季供暖需水量增大有關(guān);3月下旬－7月上旬，距平為負(fù)值，用水量有所減少;7月中旬－9月初，距平為正值，用水量增加，此段時(shí)間氣溫較高，居民因?yàn)樘岣呤孢m度而增加用水量;9月下旬－10月末，又出現(xiàn)一段距平負(fù)值，居民用水量再次減少;其余時(shí)間段，用水量距平基本為零，居民用水量處于穩(wěn)定狀態(tài)。朝陽(yáng)縣從1月－3月末，11月初－12月末，這兩段時(shí)間里距平均為正值，且偏離平均值較遠(yuǎn)，居民用水量增加較多，這是與北方冬季供暖需水量增加相一致;4月－6月初，8月中旬－10月末，用水量距平為負(fù)值，用水量減少;6月中旬－8月初，用水量距平主要在0 m3上下小幅度變化，居民用水量相對(duì)變化較小。通過(guò)對(duì)兩地用水量距平的分析可見(jiàn)，居民用水量在年內(nèi)的變化過(guò)程主要與北方氣候變化相對(duì)應(yīng)。

圖2 昌圖和朝陽(yáng)生活用水量年內(nèi)變化過(guò)程

3 生活用水季節(jié)劃分

通過(guò)對(duì)生活用水量年變化特征的分析可以得到，昌圖縣和朝陽(yáng)縣用水量的年內(nèi)變化與南方城鎮(zhèn)用水量具有一定的差別，即在全年較冷月份生活用水量明顯增加，主要原因是北方城鎮(zhèn)冬季供暖促使居民需水量提高。根據(jù)北方生活用水的特點(diǎn)，在四季天文劃分法和氣候劃分法的基礎(chǔ)上，本文提出北方生活用水季節(jié)概念并重新進(jìn)行月份劃分。根據(jù)昌圖縣和朝陽(yáng)縣各月平均日用水量與全年平均日用水量的比值(如圖3所示)變化過(guò)程，將北方生活用水季節(jié)分為春、夏、秋、冬四季。一般來(lái)說(shuō)北方供暖時(shí)間為11月到來(lái)年3月，從圖4也可以看出此段時(shí)間里居民用水量持續(xù)處于較高水平，因此定義11－3月為冬季，昌圖和朝陽(yáng)縣冬季5個(gè)月生活用水量均占全年生活用水總量的43%左右;用水第二高峰期主要在6－8月，為夏季，兩地夏季3個(gè)月生活用水量約占全年的25% ～26%;其余月份用水量相對(duì)較少，可分別劃分為春季和秋季，即4－5月為春季，9－10月為秋季，春季和秋季兩地生活用水量均為全年生活用水總量的15%～16%。

圖3 昌圖和朝陽(yáng)各月平均日用水量變化過(guò)程

4 生活用水水平衡測(cè)試周期分析

在進(jìn)行城鎮(zhèn)生活水平衡測(cè)試時(shí)，測(cè)試周期的選定對(duì)整個(gè)測(cè)試結(jié)果具有重要影響，測(cè)試周期過(guò)短，不能很好地反映居民生活用水的變化規(guī)律，測(cè)試周期過(guò)長(zhǎng)又會(huì)增加人力物力負(fù)擔(dān)。因此，本節(jié)通過(guò)分析城鎮(zhèn)居民生活用水的周期，來(lái)確定水平衡測(cè)試的最佳周期。

首先對(duì)昌圖縣和朝陽(yáng)縣逐日生活用水量分別進(jìn)行10天滑動(dòng)平均計(jì)算，然后與原用水?dāng)?shù)據(jù)做差，得到殘差序列，該序列濾掉了部分長(zhǎng)周期的影響，可突出其較短周期。對(duì)兩地生活用水殘差序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到7個(gè)代表不同時(shí)間尺度特征的IMF分量和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)res，見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，IMF1～7分量逐次為高頻分量到低頻分量，IMF1分量的震動(dòng)頻率最高，且振幅能量相對(duì)較高，通過(guò)計(jì)算方差貢獻(xiàn)率(表1)可得，昌圖縣IMF1的方差貢獻(xiàn)率為20%，朝陽(yáng)縣為17.7%，IMF1分量的方差貢獻(xiàn)率最大，其余IMF分量的方差貢獻(xiàn)率逐漸減小，說(shuō)明IMF1分量對(duì)原序列的影響最大，因此以IMF1分量代表的周期作為居民生活用水水平衡測(cè)試分析的周期。

圖4 昌圖和朝陽(yáng)生活用水量EMD分解各分量及趨勢(shì)量

表1 昌圖和朝陽(yáng)生活用水量EMD分解各分量方差貢獻(xiàn)率(%)

因?yàn)樗胶鉁y(cè)試周期不宜選擇較大尺度周期，因此僅分析30天以內(nèi)主周期。采用復(fù)Morlet小波對(duì)昌圖縣和朝陽(yáng)縣IMF1分量進(jìn)行周期分析，得到兩縣30天內(nèi)小波方差變化，如圖5所示，可見(jiàn)在30天內(nèi)，昌圖縣IMF1分量小波方差最大值在6天左右，朝陽(yáng)縣IMF1分量小波方差最大值在9天左右，即可以說(shuō)明昌圖縣30天內(nèi)居民生活用水周期約為6天，而朝陽(yáng)縣約為9天。因此，通過(guò)綜合考慮兩個(gè)縣平均用水周期，得到城鎮(zhèn)居民用水水平衡測(cè)試最佳測(cè)試周期為7天，這也與3.1節(jié)的分析結(jié)果相符，城鎮(zhèn)居民日常工作、生活一般以周為單位進(jìn)行周期性安排和重復(fù)，因此選擇7天作為城鎮(zhèn)居民用水水平衡測(cè)試最佳測(cè)試周期。

圖5 昌圖和朝陽(yáng)30天小波方差變化

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從周一到周日，居民生活用水量呈增加趨勢(shì)，周末用水量最高。生活用水量的周變化主要與居民一周的作息時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

(2)生活用水量的年內(nèi)變化主要與北方氣候變化相關(guān)，在較冷月份用水量最高，這是由于北方冬季供暖用水增加導(dǎo)致的。根據(jù)北方用水的特點(diǎn)，劃分了北方生活用水季節(jié)，即4－5月為春季，6－8月為夏季，9－10月為秋季，11－3月為冬季，春季生活用水量約占全年生活用水總量的15%～16%，夏季約占全年的25% ～26%，秋季為16%，冬季最高為43%。

(3)昌圖縣和朝陽(yáng)縣在30天內(nèi)的生活用水周期分別為6天和9天，根據(jù)水平衡測(cè)試的需要，城鎮(zhèn)居民用水水平衡測(cè)試最佳測(cè)試周期為7天。

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