城市供水动态预测预警研究与应用

谈娟娟 阙家骏

摘要： 持续稳定良好的供水环境是保证人民生活质量的基础。聚焦当前城镇供水管理分散、抗旱调度预测预判能力薄弱、线下会商效率低等问题，以宁波城镇供水为例，针对该城市供水动态预测预警问题展开了研究。结果表明：采用数字化手段并结合水利专业模型技术，通过供水信息的全面汇聚和共享、“水库-水厂”供需预报预警模型的研究、供水实时调度分析平台的搭建，强化城市供水调度“预报、预警、预演、预案”措施，在实际抗旱供水调度应用过程中，可以实现多方位支撑旱情形势下供水调度的精准分析、可供水持续时间的动态预测，以及对供水调度进行可视化预演，同时可有力地保障区域的供水安全。研究成果可为城市供水调度能力的全面提升提供建设性的指导。

关 键 词： 城市供水; 供需网络; 情势分析; 预报预警; 供水调度预演

中图法分类号：  TV213.4

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.034

0 引 言

随着居民生活质量的不断提高，对饮用水的要求不再仅仅局限于有水即可，水质优良、水量充足、水压合格、服务到位等问题越来越被社会及用户关注，良好的供水环境是保证人民生活质量的基础。宁波市已基本形成“多水源联合调度、多管道联网供水、互为应急保安”的水资源供给体系，实现了从水源保护，到引水、制水、供水、终端服务的全过程、全要素、全流程综合管理  [1-3] 。但是2020年冬季至2021年春季，浙江省出现了自2013年以来最严重的旱情，宁波市2020年10月至2021年1月，降雨量仅为91 mm，是自1956年有水文记录以来最低量，部分区域采取了限制供水措施。面對干旱少雨、水资源供给不足情况，有必要强化旱情预报、预警、预演、预案措施，加强区域一体化、精细化供水管理，精准分析当前供水情势，预判可供水持续时间，以及时采取调水、节水措施，准确发布供水信息，保障城市供水安全。

目前，关于城市供水预警模式及预警方法的研究，李忠莉等  [4] 选用城市未来供水量作为预警指标，并按一般、严重、特别严重 3 个预警级别对城市供水进行了预警研究;王思琪等  [5] 提出通过划定城市水源供水预警线，可及时预报城市供水干旱险情;刘付荣  [6] 提出以可供水量预测为基础的供水预测的实际计算步骤和方法，预测了不同保证率下的城市可供水量以支撑区域水资源配置;罗伟伟等  [7] 构建了基于可信性约束的区间两阶段随机规划的城市供水调度优化模型，可为城市供水管理者提供不同情景下的决策方案。关于借助信息化手段提升城市供水管理效率，王坤等  [8] 针对锦绣川水库供水现状，利用物联网技术和MIKE11模型仿真模拟技术，建立了监测和服务平台，实现了水库实时供水预警;姜磊  [9] 提出城市供水系统优化调度是结合设备监测系统得到的供水信息以及水分需求信息建立的预测模型、制定科学的调度方案;沈南  [10] 认为在当前智能化时代背景下，需要借助物联网技术、信息传输技术、云计算技术等，构建新型水务管理系统可以提高城市供水管理的效率。

以大数据、云计算、物联网为代表的新一代信息技术日益发展并逐渐成熟，全面推进水利业务与新一代信息技术的深度融合，有助于促进传统水利管理模式的全面升级  [10-11] 。本文以宁波市为例，围绕旱情形势下的区域供水预报调度，深入剖析现状管理存在的痛点问题，提出了基于专业模型及数字化手段的城市供水动态预测预警研究与应用思路，可为供水调度能力的提升提供建设性指导。

1 现状问题及解决方法

1.1 管理现状及问题分析

宁波市城镇供水管理体制复杂，供水信息较“散”。全市城镇供水企业60家，供水信息涉及水利、环保、住建和卫健等多个部门，信息共享和汇聚不够，数据需要人工逐级报送，且更新不及时、不全面，给供水行业管理特别是旱期统一调度造成较大难度。同时，城镇水厂多以企业各自管理为主，缺乏全市一体化统一监管手段。

当前，旱期调度中对现状情势分析和未来形势的判断主要依靠人工计算，速度慢、时间长、覆盖不全，总体效率较“低”。供水会商以线下为主，这种会商的方式效率低、信息传递滞后，无法支撑科学高效的供水调度分析。并且，从服务端需求分析，供水管理发布信息较“少”，特别是旱情严重时，向重点用水企业及社会公众及时、准确、实时发布旱情预警信息的能力不足，导致公众和企业信息获取不及时。

1.2 总体解决思路

针对供水管理信息较“散”、供水调度效率较“低”、供水发布信息较“少”等现状管理问题，通过横纵向供水信息共享机制的建立、供需预报预警模型的研究、供水调度预演平台的搭建，打破传统城市供水分析及会商调度模式，变监测预警为预报预警，变人工计算为智能分析，变线下会商为线上预演，形成“供水分析全链路、预报预警智能化、调度预演可视化、供水服务精准化”的城镇供水调度管理模式，以全面提升城市供水安全保障能力。

（1） 数据归集及预警模型构建。依托浙江省水利大脑及宁波市城市大脑，建立横纵向信息共享机制，实现市水利局与横纵向部门供水信息的全面汇集及数据共享，实现区域供水信息从“多部门分散”到“统一监管”。在此基础上，建立全市水库-水厂供需预报预警模型，按照水资源供需分析从“来水预测-需水计算-供需预警”的模式，采用多频率来水及自定义降雨量预报2种模式进行水源地来水预测;采集现状水厂供水量、生态及其他用水量进行需水计算，按照“蓄水-来水-用水-弃水”流程构建水库可供水量逐日滚动计算模型，实现时段末蓄水量、水库可供水天数的动态预测，参考城市供水应急预案中的预警级别，按照水库可供水天数进行分级预警  [12] 。

（2） 调度系统搭建。通过数字化手段，构建城镇供水动态调度分析平台，重塑区域供水调度4预（预报、预警、预演、预案）管理流程。通过在线分析计算、可视化调度预演平台的搭建，为全面掌控水资源情势、科学预判可供水量、及时发布供水信息提供技术支撑。图1为城镇供水预测预警应用框架图。

2 数据归集及预报预警模型研究

2.1 多源数据采集与归集

随着水利信息化建设的开展，水利数据监测、采集、传输、存储与管理等方面的基础设施逐步完善  [13-15] ，宁波市水利局已初步搭建全局化的智慧水利综合管理平台，实现了横纵向水利信息的全面汇集及数据共享，面向本次城市供水动态预测预警研究与应用，需要归集的供水数据需求如表1所列。

2.2 城镇供水关系网络构建

目前，寧波市60座城镇水厂供水水源主要为各个大中型供水水库，基于对全市供水水库及城镇自来水水厂基础信息全面采集，考虑水库供水调度规则、跨区域引水规则、水厂供水规则等条件，进行水库与水厂之间“N-N”供需关系网络构建。

（1） 水库供水规则。针对水库存在限制供水的条件，需在模型中配置限制供水量，一旦达到限制条件，需自动缩小配水比例;同时，对存在加大供水规则的联调水库，需自动加大配水比例。

（2） 水库引水规则。若水库之间存在引水关系或者境外引水量，需要在引水能力的范围内考虑引水量，对水库之间引调水量、境外引水量按照水源地逐日水量的输入输出进行补充考虑。

（3） 水库联调规则。针对上下游串联水库且取水口仅有一个的情况，需考虑水库联调规则，将2个水库进行合并计算。

以宁波市中心城区为例，中心城区水库直供水实现100%，双网联调供水系统分东西2条原水线路，东线由白溪、横山、横溪三大水库组成供水水源，西线由周公宅、皎口、亭下、溪下以及钦寸（境外引水）五大水库组成供水水源。东西线共同向中心城区东钱湖水厂、北仑水厂、江东水厂、毛家坪水厂、桃源水厂五大水厂组成的供水环网进行原水供给。中心城区供水网络概化如图2所示。

2.3 模型计算流程及方法

2.3.1 计算流程

考虑到水库之间的联调关系、引水关系以及供水规则， N个水库的可供水天数计算采用并行模式。先计算每个供水水库的来水量，然后计算t时刻所有水库的引水量、水厂的供水量、水库生态用水及其他用水量、水库的弃水量，通过以上数据计算t+1时刻各个水库的蓄水量。若t+1时刻i水库的蓄水量小于供水死库容，也即此时水库不能往外供水，i水库停止计算并输出可供水天数，由此循环完成所有水库t时刻的计算，然后进行t+1时刻计算， 由此循环直至所有水库都停止计算，并输出结果。计算流程如图3所示。

2.3.2 计算方法

水库可供水天数计算流程主要包含来水量预测、引水量计算、供水量计算、生态用水及其他计算、弃水量计算以及蓄水量计算等，各个环节计算方法如下。

（1） 计算来水量预测系列 I  t  方法。

①  采用频率曲线法计算，取50%，75%，90%，95% 4种频率的来水作为未来来水预测量，并考虑无降雨情况;

②  自定义预报降雨量，根据预测时段内历史降雨总量最接近的年份进行逐日分配，得到预测降雨系列，采用径流系数法转化成水库来水量。

（2） 考虑引水规则计算 t时刻引水量Q  引 t  ，分2种情况考虑。

①  水库无引水，Q  引 t  =0。

②  水库有引水，Q  引 t  =±Q （±表示引入引出关系）。

（3） 考虑供水规则计算 t时刻供水量S t，分3种情况考虑。

①  无限制供水条件，S  t =S（S为现状条件下水库-水厂的供水量）;

②  有限制供水条件，S  t =S× i （i为限制比例）;

③  存在联调需加大供水，S  t =S+S 补（S 补 为联调水库减少的供水量）

（4） 计算 t 时刻生态用水及其他方法。

①  Q   生态 计算，取95%频率下下游河道最小月平均流量作为生态用水量;

②  Q   蒸发 计算，取监测数据的历史平均值或经验值;

③   Q   下渗 计算，取监测数据的历史平均值或经验值。

（5） 计算 t 时刻弃水量 Q  弃 t   的方法。

Q  弃 t  =V  t +I  t +Q  引 t  -S  t -Q  生态 -Q  蒸发 -Q  下渗 -V  汛限

（0≤Q   t  ≤Q   max  ）

（6） 计算 t +1时刻蓄水量 V   t +1  的方法。

V  t+1 =V t+I t+Q  引t -S t-Q  生态 -Q  蒸发 -Q  下渗 -Q  弃t

3 供水调度分析平台构建

3.1 构建业务应用框架

通过横纵向供水数据的全面汇聚、供需预报预警模型的建立，构建区域供水动态调度分析平台，对供水情势分析、动态预报预警、供水调度预演、供水信息服务进行业务流程再造。面向治理端，提供全链路的供水情势分析、供水动态预测预警及智能调度，面向服务端，提供全面的供水信息服务，形成“动态分析、超前预警、智能调度、精准服务”的供水调度管理模式。系统动能框架图如图4所示。

3.2 业务应用功能设计

明确系统四大功能的定位：

（1） 提供全链路的供水分析，以支撑区域水资源的丰枯形势及供给状态的判别。

（2） 提供智能化的预报预判，实现水源地可供水天数的预测预警。

（3） 提供可视化的会商预演，支撑全大市一体化智能供水调度。

（4） 提供精准化的信息服务，以确保重点供水企业及社会公众及时掌握供水动态。

3.2.1 供水情势分析

基于降雨、蓄水、取水、引水、供水、用水信息的全面整合，建立水资源实时监控物联网络  [15] ，提供从“源头-龙头”的供水全链路分析。围绕“分析过去、聚焦现状”对整个链路上的各类要素进行同比环比分析、分类分区统计、重点对象分析等，以支撑区域水资源的丰枯形势及供给状态的判别。

3.2.2 动态预报预警

面向专业预报预警分析计算，搭建供需预警计算分析模块，充分考虑用户在抗旱期间可自定义配置信息的需求，采用动态表格实现灵活配置及分析计算，系统实时读取水库现状蓄水量、引水量、供水量等信息，用户可在页面上进行预测时段、预测频率、预测雨量、计算区域等计算场景的自定义配置。系统自动调用后台模型，完成预测时段末蓄水量及可供水天数的计算及分级预警展示。供需预警计算平台如图5所示。

3.2.3 供水调度预演

面向供水调度指挥决策，搭建用于供水调度的可视化会商大屏  [16] 。一方面，综合展示水库-水厂取供水实时信息、实时旱情预警信息，以整体掌握当前的供水状态及旱情形势;另一方面，以概化图形式对供水网络及调度方案进行展示，并与预报预警计算平台进行实时联动，以动态展示当前计算方案下的调度结果，以支撑不同工况下的调度决策会商，为供水调度提供全场景、可视化的智能预演支撑。供水调度可视化大屏如图6所示。

3.2.4 供水信息服务

构建供水信息发布服务，特别是在旱情期间，针对重点用水企业，平台根据供需预警结果自动判别预警水源对应的重点用水企业，采用短信定向预警形式，向企业发布水源预警、调度措施等信息，针对社会公众，通过“浙里办”及时发布旱情信息及供水动态信息，提升供水服务能力。

4 创新性

面对旱情形势下如何强化区域供水调度“预报、预警、预演、预案”措施，针对区域供需预报预警模型研究及供水动态预测预警平台的构建，笔者提出了详细地分析计算流程及应用功能设计思路，总结如下。

（1） 创新智能计算模式，强化专业决策分析。区别于传统水库-水厂单线人工计算模式，构建全大市所有城镇供水水库及水厂之间“N-N”供需关系网络，采用多频率来水及降雨量预报2种模式进行水库来水预测;并在充分考虑各类水库联调模式、引水规则以及水厂供水需求的基础上，构建水库可供水量逐日滚动计算的模型，实现预测时段末蓄水量、水庫可供水天数动态预测预警。

（2） 创新在线会商机制，支撑实时调度预演。区别于传统人工报送、线下会商的模式，面向计算人员及决策领导，搭建在线化的预报预警分析平台及调度预演大屏，支撑全场景、可视化的智能分析场景。根据现状供水调度方案预判水库可供能力，以在线会商形式进行可视化动态调度预演，从而形成当前需求下的最优调度成果，以支撑全市一体化供水调度。

5 结 论

针对城镇供水管理分散、抗旱调度预测预判能力薄弱、公众服务能力不足问题，开展区域供水预测预警研究与应用，以宁波城镇供水为例，通过供水信息的全面汇聚和共享，构建了全大市多水源联网联调分析网络，按照水资源供需预警分析模式，构建了“水库-水厂”供需预报预警模型，搭建了供水动态预警及调度预演平台，在实际抗旱供水调度应用过程中取得了较好成效，城市供水动态预测预警研究与应用成效总结如下。

（1） 技术创新推动效率变革。基于水利专业模型结合数字化手段，打破了传统的城市供水调度人工监测分析，采用计算机动态智能计算，不仅实现了从监测预警到预报预警的提升，同时提高了效率、覆盖率和精准度，计算速度从原来人工计算的小时级别提升至分钟甚至秒级，覆盖范围从中心城区扩大至全域，为科学、高效决策提供了技术支撑。

（2） 流程再造推动制度重塑。对供水情势分析、动态预报预警、调度方案预演、信息服务等进行业务流程再造，通过数字化手段，重塑四预管理，形成“动态分析、超前预警、智能调度、精准服务”的供水调度管理模式，构建水资源供需线上会商预演机制，提高了分析预判水平、调度会商效率、为民服务能力，有力地保障了区域的供水安全。

不足之处在于供水水厂的进厂水量监测尚未全面覆盖，导致部分供水量计算依靠人工录入形式，而且未考虑原水管网的损失量。随着水利物联感知体系的建设完善，问题也将会得到进一步解决，为区域供水调度提供更实时更精准的服务支撑。

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（编辑：赵秋云）

Research and application of dynamic prediction and early warning of urban water supply

TAN Juanjuan，QUE Jiajun

（ Ningbo Hongtai Water Conservancy Information Technology Co.，Ltd.，Ningbo 315000，China ）

Abstract：

A sustained，stable and good water supply environment is a basis for ensuring the quality of peoples life.Focusing on the current problems of decentralized urban water supply management，weak prediction ability of water supply dispatching and low efficiency of offline consultation，taking Ningbo City for instance，we studied dynamic prediction and early warning of urban water supply.The results show that combining digital technology with water conservancy professional model，such as comprehensive aggregation and sharing of water supply information，researches on reservoir-water plant supply and demand forecast and early warning model，and establishing a real-time water supply dispatching analysis platform，we can support the accurate analysis of water supply dispatching under the drought situations，dynamic prediction of available water supply duration，and visual preview of water supply dispatching，which effectively ensures the regional water supply safety.The research results can provide construction guidance for the overall improvement of urban water supply dispatching capacity.

Key words：

urban water supply;supply-demand network;situation analysis;forecast and early warning;rehearsal of water supply dispatching