银川市日供水量与气温的相关性分析及预测模型的建立

胡婉婷

（银川中铁水务集团有限公司，宁夏银川 750021）

城市供水作为城市重要的基础设施之一，是城镇经济运行和社会发展的重要保障，与居民生活、工业生产、城市绿化环境紧密相关，直接影响到城市的稳定发展[1]。国内一些学者对城市供水与气象资料的关系作了研究。魏静等[2]，李建科等[3]，孙东霞等[4]研究得出，供水量与平均气温的相关性最明显。张华丽等[5]研究得出，西安市年均生活用水量与年均气温、年均最高气温和年均最低气温的相关系数分别达到0.640，0.437 和0.721。盖长松等[6]研究了重庆的巫山、黔江、武隆、沙坪坝、铜梁五个子区域，得出供水量与最高气温、最低气温、平均气温的相关系数在0.5～0.7。宋永芳等[7]对石家庄市春夏秋冬各季节最低气温、最高气温、平均气温与供水的相关性进行了研究，得出供水量与秋季日均气温的相关系数达到0.81。常远勇等[8]基于上海市3 年的日供水资料和气象观测资料建立日供水量预报模型，得出气温大于20 ℃时，日供水量对于平均气温变化明显，相关系数达到0.95。本文在已有研究基础上，利用银川市2012—2020 年的供水数据和气温资料，通过分析城市供水量与气温的相关关系，揭示气象要素对城市供水的影响程度，并作出科学预判，为城市供水企业运行调控提供有力支撑，指导城市的用水规划。

1 研究区概况

银川市位于黄河上游、宁夏平原中部，地域范围为北纬37°29′～38°52′，东经105°48′～106°52′。银川市下辖三区两县一市，总面积9 025.38 km2。银川市多年平均气温10.9 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-25 ℃，年降水量233.2 mm。全市水资源总量为1.136×108m3，2019 年银川市固定人口229.31 万人，人均水资源占有量49 m3，仅占全省和全国人均的1/4 和1/47，是一个极度缺水的城市。

2020 年以前，银川市生活用水和工业生产用水的主要水源是地下水。目前银川市为地下水、地表水双水源供水，水厂供水规模为81 万m3/d。供水对象为城乡生活用水、工业供水、公共用水。2020 年银川市最低日供水量28 万m3/d，最高日供水量76 万m3/d，供水差额48 万m3/d。然而，伴随着银川市高铁开通，经济发展、人口的增加以及生活水平的改善，城市用水量将会进一步提高。因此，分析城市供水量与气温的相关关系具有必要性，对城市供水企业运行调控、城市经济稳定发展和城市节水有借鉴意义。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本文以2012—2020 年银川市的逐日供水数据和气温数据为基础数据，所用的逐日供水量，逐日最高气温、最低气温和平均气温数据来自于银川中铁水务集团有限公司。逐日供水量资料年限为2012—2020 年，资料长度为3 285 d。逐日最高气温、最低气温和平均气温数据资料年限为2015—2020 年，资料长度为2 007 d。

2.2 分析方法

城市生活用水量的变化主要受社会经济、人口数量、节假日、气候状况等诸多因子的影响，其构成方程式为[9]

式中：y 为实际水资源消费量；yt为水资源消费趋势量（即社会经济耗水量）；yw为波动量（气候耗水量）；yc为随机量。

社会经济耗水量是指由于社会经济的发展、人民生活水平的提高而影响的水资源消费量。随机量是指由于其他方面的随机因素而影响的水资源消费量，这一部分水资源消费量所占的比重一般较小，且不易分离，通常忽略不计。气候耗水量是指由于气候因子（温度、降水、灾害等）的波动而影响的水资源量。本次没有将社会经济耗水量、随机量考虑在内，主要讨论气温对城市生活用水量的影响。

本次采用银川市2012—2020 年的供水数据和气温资料，分析全年用水特征，将供水划分为四个阶段，并利用数学统计方法分析四个阶段水量与最低气温、平均气温、最高气温的相关关系。

3 供水量的特征分析

3.1 银川市全年供水量的变化特征

银川市全年的供水量呈现出两个阶段特征：2—7 月份为上涨期，本年度的8 月份至下年度的1 月份为下降期。每年的供水量有明显的波峰波谷，最低月供水量出现在2 月份，供水量占全年供水量的6.22%，最高月供水量出现在7 月份，供水占全年供水量的9.92%。2—5 月份供水量呈直线上涨，趋势明显，5 月底供水量上涨到一定量后，上涨趋势变缓。6—8 月份，供水量平稳，波动小，处于供水高峰期。8—9 月份，供水量急速下降，下降明显，降低约1%。9—12 月份和下年度的1 月份，供水平稳，供水量整体呈下降趋势，但11 月份除外，11 月份较9 月份、10 月份供水量略微上涨。主要原因是银川市冬季的集中供暖，在注水调试期，会有短暂的供水小高峰，见图1。

图1 2012—2020 年平均各月供水量分布图

3.2 银川市城市供水阶段的划分

根据2012—2020 年的日供水量数据，银川市城市供水过程具有明显的规律性（图2），总体呈现四个阶段。通过对统计数据分析发现，春、夏、秋、冬四个阶段的供水起止时间点与气温变化密切相关。本次将全年城市生活用水按春、夏、秋、冬划分为四个阶段，见表1。

图2 供水量逐日变化图

表1 春、夏、秋、冬供水时段划分

4 结果与分析

4.1 全年四个阶段日供水量与气温的相关关系

本文对2015—2020 年冬季、春季、夏季、秋季的日最低气温、最高气温、平均气温与日供水量的相关性进行了分析，结果见表2。冬季、春季、夏季、秋季供水数据长度分别为675，423，462，447 d，合计2 007 d。其中，冬季供水剔除了160 d 的采暖调试期。

表2 全年四个阶段日供水量与气温的相关关系

银川市四季用水与气温的相关性：春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季供水与日平均气温的相关系数达到0.914 3，夏季供水与日最高气温的相关系数达到0.826 9，冬季供水与日平均气温的相关系数是0.712 6，秋季供水与气温的相关性不明显。

4.2 气候用水量模型建立

本次提取气候用水量的时段为2015—2020 年春季供水时段。春季气温波动性上升，上升速度快，日最低温度从-3 ℃上升到20 ℃，日最高温度从9 ℃上升到28 ℃，日平均温度从3 ℃上升到23 ℃，温差范围达到4～24 ℃。该时段供水量对日平均气温的响应最明显，相关系数达到0.914 3，得出模型公式：y=3.320 5e0.0123t（t=3，4，5，···，23 ℃）（图3）。

图3 气候供水量模型

随着城市施工用水的增加以及绿化开始恢复用水，供水量呈现J 形增长，每日供水量持续上涨，比冬季供水量上涨约81.4%。根据模型公式得出，日平均气温每上升1 ℃，日供水量上涨0.5 万m3。

4.3 居民生活用水量分析

城市用水可分为工业用水、城市生活用水和公共用水，公共用水以绿化用水、生态用水为主。冬季银川市工业用水量、公共用水量相对稳定，以城市生活用水为主。本次选用2012—2020 年冬季供水量数据计算分析银川市城市居民生活用水。

4.3.1 居民生活用水量预测 统计2012—2020 年的冬季日均供水量，得出模型公式（图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变化趋势图（图2）可知，2012—2020 年冬季平均日供水量整体呈上涨趋势，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间，城市流动人口数量减少，银川市城市生活用水量下降，学校用水、经营服务用水基本暂停。去除2020 年特殊年份冬季日均供水量数据，采用指数趋势方法对银川市城市生活用水量进行拟合，得到银川市城市生活年日均供水量模型公式（图5）：y=21.415e0.0611t（t=1，2，3···），R2=0.977 6。

图4 城市生活日供水量变化趋势

图5 修正后城市生活日供水量变化趋势

4.3.2 居民生活用水定额测算 由前文分析得出冬季城市供水量受气温的影响不显著。2020 年冬春季受疫情影响，银川市工业用水量、公共用水量减少，本次忽略不计。城市供水量以城市生活用水量为主，本次选用特殊年份2020 年的2—4 月份城市供水量，计算银川市的居民生活用水定额。

目前国内外在研究生活用水时大多采用人均日用水量[10]，其公式为

式中：Wp为人均生活日用水量，万m3/d；P 为建卡立档用水户数，户；K 为生活用水定额，L/（人·d）。

2020 年2—4 月份的最低日供水量和平均日供水量分别为28.62，32.48 万m3/d，银川市供水人口225 万人。通过计算，银川市现状居民生活用水定额范围为128～145 L/（人·d）。

2020 年冬季日均生活用水量为32.48 万m3，根据多年城市生活日供水量模型，矫正后的日均生活用水量为37.11 万m3，2020 年冬季平均日供水量减少了4.63 万m3/d，约12%。可以计算得出，银川市流动人口达到32.07 万人。银川市流动人口占银川市常住人口的14%，说明城市流动人口对银川市城市生活用水影响显著。

4.4 日变化系数

依据《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）4.0.9 条款[11]，城镇供水的日变化系数应根据城镇性质和规模、国民经济和社会发展、供水系统布局，结合现状供水曲线和日用水变化分析确定。

式中：K 为日变化系数；Qdmax为最高日用水量，万m3/d；Qdave为平均日用水量，万m3/d。

通过计算可知，2020 年日变化系数为1.55，2012—2019 年日变化系数范围为[1.29，1.44]。2020 年日变化系数较大，主要是因为2020 年银川市供黄河水后，最高日用水量比2019 年最高日用水量多出25 万m3，而平均日供水量相差不明显，导致2020 年日变化系数数值较大。通过计算得出，多年平均日变化系数为1.38。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）春、夏季供水量对气温的响应性强，秋、冬季供水量对气温的响应较差。夏季供水受最高气温的影响较大，春季与平均气温的关系密切。特点是春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季，最低气温持续3 d≥0 ℃到最高气温持续3 d≥30 ℃时段，日供水量与日平均气温的相关系数达到0.914 3，与日最高气温的相关系数达到0.700 9。夏季，最高气温持续3 d≥30 ℃时段，日供水量与日最高气温的相关系数达到0.826 9。冬季，最低气温持续3 d≤0 ℃时段，日供水量与日平均气温的相关系数是0.712 6。秋季，最高气温持续3 d≤30 ℃到最低气温持续3 d≤0 ℃时段，日供水量与气温的相关系数在0.3 以下。

（2）春季银川市气温温差较大，温差范围达到4～24 ℃，城市供水量主要的影响因素是平均气温，时间集中在3 月中旬到5 月底。夏季银川市主要的影响因素是最高气温，夏季高峰用水量集中在6—8月份，高峰用水大约持续60 d 左右，各类用水达到最大值，供水量与最高气温的相关系数达到0.826 9；主要原因是供水量受降水、多云天气影响，绿化用水量波动大，导致数据波动性较大。

（3）通过建立气候用水趋势预测模型可知，春季日平均温度每上升1 ℃，日供水量上涨0.5 万m3。银川市现状居民生活用水定额范围为128～145 L/（人·d），银川市流动人口达到32.07 万人，银川市多年平均日变化系数为1.38，该结果为城市规划设计提供了依据。

5.2 建议

应进一步研究降雨、气压、风速等气象因子对城市供水的影响，作出科学的预判，为银川市城市节水、城市用水规划、供水调度提供技术支持和参考依据。