銀川市日供水量與氣溫的相關(guān)性分析及預(yù)測(cè)模型的建立

胡婉婷

（銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川 750021）

城市供水作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和社會(huì)發(fā)展的重要保障，與居民生活、工業(yè)生產(chǎn)、城市綠化環(huán)境緊密相關(guān)，直接影響到城市的穩(wěn)定發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)城市供水與氣象資料的關(guān)系作了研究。魏靜等[2]，李建科等[3]，孫東霞等[4]研究得出，供水量與平均氣溫的相關(guān)性最明顯。張華麗等[5]研究得出，西安市年均生活用水量與年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.640，0.437 和0.721。蓋長(zhǎng)松等[6]研究了重慶的巫山、黔江、武隆、沙坪壩、銅梁五個(gè)子區(qū)域，得出供水量與最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.7。宋永芳等[7]對(duì)石家莊市春夏秋冬各季節(jié)最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫與供水的相關(guān)性進(jìn)行了研究，得出供水量與秋季日均氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81。常遠(yuǎn)勇等[8]基于上海市3 年的日供水資料和氣象觀測(cè)資料建立日供水量預(yù)報(bào)模型，得出氣溫大于20 ℃時(shí)，日供水量對(duì)于平均氣溫變化明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。本文在已有研究基礎(chǔ)上，利用銀川市2012—2020 年的供水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫資料，通過(guò)分析城市供水量與氣溫的相關(guān)關(guān)系，揭示氣象要素對(duì)城市供水的影響程度，并作出科學(xué)預(yù)判，為城市供水企業(yè)運(yùn)行調(diào)控提供有力支撐，指導(dǎo)城市的用水規(guī)劃。

1 研究區(qū)概況

銀川市位于黃河上游、寧夏平原中部，地域范圍為北緯37°29′～38°52′，東經(jīng)105°48′～106°52′。銀川市下轄三區(qū)兩縣一市，總面積9 025.38 km2。銀川市多年平均氣溫10.9 ℃，最高氣溫40 ℃，最低氣溫-25 ℃，年降水量233.2 mm。全市水資源總量為1.136×108m3，2019 年銀川市固定人口229.31 萬(wàn)人，人均水資源占有量49 m3，僅占全省和全國(guó)人均的1/4 和1/47，是一個(gè)極度缺水的城市。

2020 年以前，銀川市生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水的主要水源是地下水。目前銀川市為地下水、地表水雙水源供水，水廠供水規(guī)模為81 萬(wàn)m3/d。供水對(duì)象為城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)供水、公共用水。2020 年銀川市最低日供水量28 萬(wàn)m3/d，最高日供水量76 萬(wàn)m3/d，供水差額48 萬(wàn)m3/d。然而，伴隨著銀川市高鐵開(kāi)通，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口的增加以及生活水平的改善，城市用水量將會(huì)進(jìn)一步提高。因此，分析城市供水量與氣溫的相關(guān)關(guān)系具有必要性，對(duì)城市供水企業(yè)運(yùn)行調(diào)控、城市經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和城市節(jié)水有借鑒意義。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

本文以2012—2020 年銀川市的逐日供水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所用的逐日供水量，逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司。逐日供水量資料年限為2012—2020 年，資料長(zhǎng)度為3 285 d。逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)資料年限為2015—2020 年，資料長(zhǎng)度為2 007 d。

2.2 分析方法

城市生活用水量的變化主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口數(shù)量、節(jié)假日、氣候狀況等諸多因子的影響，其構(gòu)成方程式為[9]

式中：y 為實(shí)際水資源消費(fèi)量；yt為水資源消費(fèi)趨勢(shì)量（即社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量）；yw為波動(dòng)量（氣候耗水量）；yc為隨機(jī)量。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量是指由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高而影響的水資源消費(fèi)量。隨機(jī)量是指由于其他方面的隨機(jī)因素而影響的水資源消費(fèi)量，這一部分水資源消費(fèi)量所占的比重一般較小，且不易分離，通常忽略不計(jì)。氣候耗水量是指由于氣候因子（溫度、降水、災(zāi)害等）的波動(dòng)而影響的水資源量。本次沒(méi)有將社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量、隨機(jī)量考慮在內(nèi)，主要討論氣溫對(duì)城市生活用水量的影響。

本次采用銀川市2012—2020 年的供水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫資料，分析全年用水特征，將供水劃分為四個(gè)階段，并利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析四個(gè)階段水量與最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫的相關(guān)關(guān)系。

3 供水量的特征分析

3.1 銀川市全年供水量的變化特征

銀川市全年的供水量呈現(xiàn)出兩個(gè)階段特征：2—7 月份為上漲期，本年度的8 月份至下年度的1 月份為下降期。每年的供水量有明顯的波峰波谷，最低月供水量出現(xiàn)在2 月份，供水量占全年供水量的6.22%，最高月供水量出現(xiàn)在7 月份，供水占全年供水量的9.92%。2—5 月份供水量呈直線上漲，趨勢(shì)明顯，5 月底供水量上漲到一定量后，上漲趨勢(shì)變緩。6—8 月份，供水量平穩(wěn)，波動(dòng)小，處于供水高峰期。8—9 月份，供水量急速下降，下降明顯，降低約1%。9—12 月份和下年度的1 月份，供水平穩(wěn)，供水量整體呈下降趨勢(shì)，但11 月份除外，11 月份較9 月份、10 月份供水量略微上漲。主要原因是銀川市冬季的集中供暖，在注水調(diào)試期，會(huì)有短暫的供水小高峰，見(jiàn)圖1。

圖1 2012—2020 年平均各月供水量分布圖

3.2 銀川市城市供水階段的劃分

根據(jù)2012—2020 年的日供水量數(shù)據(jù)，銀川市城市供水過(guò)程具有明顯的規(guī)律性（圖2），總體呈現(xiàn)四個(gè)階段。通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，春、夏、秋、冬四個(gè)階段的供水起止時(shí)間點(diǎn)與氣溫變化密切相關(guān)。本次將全年城市生活用水按春、夏、秋、冬劃分為四個(gè)階段，見(jiàn)表1。

圖2 供水量逐日變化圖

表1 春、夏、秋、冬供水時(shí)段劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 全年四個(gè)階段日供水量與氣溫的相關(guān)關(guān)系

本文對(duì)2015—2020 年冬季、春季、夏季、秋季的日最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫與日供水量的相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表2。冬季、春季、夏季、秋季供水?dāng)?shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為675，423，462，447 d，合計(jì)2 007 d。其中，冬季供水剔除了160 d 的采暖調(diào)試期。

表2 全年四個(gè)階段日供水量與氣溫的相關(guān)關(guān)系

銀川市四季用水與氣溫的相關(guān)性：春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季供水與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.914 3，夏季供水與日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.826 9，冬季供水與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)是0.712 6，秋季供水與氣溫的相關(guān)性不明顯。

4.2 氣候用水量模型建立

本次提取氣候用水量的時(shí)段為2015—2020 年春季供水時(shí)段。春季氣溫波動(dòng)性上升，上升速度快，日最低溫度從-3 ℃上升到20 ℃，日最高溫度從9 ℃上升到28 ℃，日平均溫度從3 ℃上升到23 ℃，溫差范圍達(dá)到4～24 ℃。該時(shí)段供水量對(duì)日平均氣溫的響應(yīng)最明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.914 3，得出模型公式：y=3.320 5e0.0123t（t=3，4，5，···，23 ℃）（圖3）。

圖3 氣候供水量模型

隨著城市施工用水的增加以及綠化開(kāi)始恢復(fù)用水，供水量呈現(xiàn)J 形增長(zhǎng)，每日供水量持續(xù)上漲，比冬季供水量上漲約81.4%。根據(jù)模型公式得出，日平均氣溫每上升1 ℃，日供水量上漲0.5 萬(wàn)m3。

4.3 居民生活用水量分析

城市用水可分為工業(yè)用水、城市生活用水和公共用水，公共用水以綠化用水、生態(tài)用水為主。冬季銀川市工業(yè)用水量、公共用水量相對(duì)穩(wěn)定，以城市生活用水為主。本次選用2012—2020 年冬季供水量數(shù)據(jù)計(jì)算分析銀川市城市居民生活用水。

4.3.1 居民生活用水量預(yù)測(cè) 統(tǒng)計(jì)2012—2020 年的冬季日均供水量，得出模型公式（圖4）：y=22.06e0.0522t（t=1，2，3···），R2=0.917 7。由2012—2020 年城市生活日供水量變化趨勢(shì)圖（圖2）可知，2012—2020 年冬季平均日供水量整體呈上漲趨勢(shì)，但2020 年冬季日均供水量同比2018，2019 年下降，分析原因是由于疫情期間，城市流動(dòng)人口數(shù)量減少，銀川市城市生活用水量下降，學(xué)校用水、經(jīng)營(yíng)服務(wù)用水基本暫停。去除2020 年特殊年份冬季日均供水量數(shù)據(jù)，采用指數(shù)趨勢(shì)方法對(duì)銀川市城市生活用水量進(jìn)行擬合，得到銀川市城市生活年日均供水量模型公式（圖5）：y=21.415e0.0611t（t=1，2，3···），R2=0.977 6。

圖4 城市生活日供水量變化趨勢(shì)

圖5 修正后城市生活日供水量變化趨勢(shì)

4.3.2 居民生活用水定額測(cè)算 由前文分析得出冬季城市供水量受氣溫的影響不顯著。2020 年冬春季受疫情影響，銀川市工業(yè)用水量、公共用水量減少，本次忽略不計(jì)。城市供水量以城市生活用水量為主，本次選用特殊年份2020 年的2—4 月份城市供水量，計(jì)算銀川市的居民生活用水定額。

目前國(guó)內(nèi)外在研究生活用水時(shí)大多采用人均日用水量[10]，其公式為

式中：Wp為人均生活日用水量，萬(wàn)m3/d；P 為建卡立檔用水戶數(shù)，戶；K 為生活用水定額，L/（人·d）。

2020 年2—4 月份的最低日供水量和平均日供水量分別為28.62，32.48 萬(wàn)m3/d，銀川市供水人口225 萬(wàn)人。通過(guò)計(jì)算，銀川市現(xiàn)狀居民生活用水定額范圍為128～145 L/（人·d）。

2020 年冬季日均生活用水量為32.48 萬(wàn)m3，根據(jù)多年城市生活日供水量模型，矯正后的日均生活用水量為37.11 萬(wàn)m3，2020 年冬季平均日供水量減少了4.63 萬(wàn)m3/d，約12%。可以計(jì)算得出，銀川市流動(dòng)人口達(dá)到32.07 萬(wàn)人。銀川市流動(dòng)人口占銀川市常住人口的14%，說(shuō)明城市流動(dòng)人口對(duì)銀川市城市生活用水影響顯著。

4.4 日變化系數(shù)

依據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）4.0.9 條款[11]，城鎮(zhèn)供水的日變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)城鎮(zhèn)性質(zhì)和規(guī)模、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、供水系統(tǒng)布局，結(jié)合現(xiàn)狀供水曲線和日用水變化分析確定。

式中：K 為日變化系數(shù)；Qdmax為最高日用水量，萬(wàn)m3/d；Qdave為平均日用水量，萬(wàn)m3/d。

通過(guò)計(jì)算可知，2020 年日變化系數(shù)為1.55，2012—2019 年日變化系數(shù)范圍為[1.29，1.44]。2020 年日變化系數(shù)較大，主要是因?yàn)?020 年銀川市供黃河水后，最高日用水量比2019 年最高日用水量多出25 萬(wàn)m3，而平均日供水量相差不明顯，導(dǎo)致2020 年日變化系數(shù)數(shù)值較大。通過(guò)計(jì)算得出，多年平均日變化系數(shù)為1.38。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）春、夏季供水量對(duì)氣溫的響應(yīng)性強(qiáng)，秋、冬季供水量對(duì)氣溫的響應(yīng)較差。夏季供水受最高氣溫的影響較大，春季與平均氣溫的關(guān)系密切。特點(diǎn)是春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季，最低氣溫持續(xù)3 d≥0 ℃到最高氣溫持續(xù)3 d≥30 ℃時(shí)段，日供水量與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.914 3，與日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.700 9。夏季，最高氣溫持續(xù)3 d≥30 ℃時(shí)段，日供水量與日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.826 9。冬季，最低氣溫持續(xù)3 d≤0 ℃時(shí)段，日供水量與日平均氣溫的相關(guān)系數(shù)是0.712 6。秋季，最高氣溫持續(xù)3 d≤30 ℃到最低氣溫持續(xù)3 d≤0 ℃時(shí)段，日供水量與氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.3 以下。

（2）春季銀川市氣溫溫差較大，溫差范圍達(dá)到4～24 ℃，城市供水量主要的影響因素是平均氣溫，時(shí)間集中在3 月中旬到5 月底。夏季銀川市主要的影響因素是最高氣溫，夏季高峰用水量集中在6—8月份，高峰用水大約持續(xù)60 d 左右，各類用水達(dá)到最大值，供水量與最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.826 9；主要原因是供水量受降水、多云天氣影響，綠化用水量波動(dòng)大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大。

（3）通過(guò)建立氣候用水趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型可知，春季日平均溫度每上升1 ℃，日供水量上漲0.5 萬(wàn)m3。銀川市現(xiàn)狀居民生活用水定額范圍為128～145 L/（人·d），銀川市流動(dòng)人口達(dá)到32.07 萬(wàn)人，銀川市多年平均日變化系數(shù)為1.38，該結(jié)果為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

5.2 建議

應(yīng)進(jìn)一步研究降雨、氣壓、風(fēng)速等氣象因子對(duì)城市供水的影響，作出科學(xué)的預(yù)判，為銀川市城市節(jié)水、城市用水規(guī)劃、供水調(diào)度提供技術(shù)支持和參考依據(jù)。