銀川市城市供水與氣象條件的相關(guān)關(guān)系分析

肖云清，楊 苑，任柏帆，翟穎佳，劉鵬兵

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.銀川市氣象局，寧夏銀川 750002；3.中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000；4.中國電信股份有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750002；5.寧夏氣象臺(tái)，寧夏 銀川 750002）

在當(dāng)前全球氣候變暖背景下，供水行業(yè)在水資源跨時(shí)空調(diào)度等方面受氣象條件的影響越來越明顯。我國大城市的許多專家學(xué)者對(duì)供水量與氣象要素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行全方位的分析。魏靜等[1]、宋永芳等[2]、孫東霞等[3]、李建科等[4]分別分析了武漢、石家莊、克拉瑪依、西安市日供水量與當(dāng)?shù)貧庀笠氐南嚓P(guān)性，得到日供水量與溫度、日照呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)，日供水量夏季最大等結(jié)論。常遠(yuǎn)勇等[5]、孫玫玲等[6]分析了上海、天津日供水量與氣象要素的相關(guān)性，建立了日供水量預(yù)測(cè)模型，對(duì)當(dāng)?shù)爻鞘杏盟?guī)劃、調(diào)度提供了參考依據(jù)。

通過實(shí)地調(diào)研，銀川市氣象部門了解到銀川市每年的5 月22 日至8 月22 日為銀川市用水高峰期。高溫天氣與供水量關(guān)系密切，每年夏季溫度較高時(shí)，用水量明顯增大；出現(xiàn)連續(xù)3 d 高溫，用水量達(dá)到高峰，造成供水能力不能充分滿足用水需求，部分老舊小區(qū)5 樓以上用水受到影響。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，若連續(xù)無降水日較長，出現(xiàn)高溫天氣時(shí)，小區(qū)內(nèi)綠化用水，會(huì)對(duì)部分老舊小區(qū)的供水產(chǎn)生一定影響。因此，當(dāng)高溫天氣出現(xiàn)時(shí)，水務(wù)部門會(huì)聯(lián)系物業(yè)公司對(duì)小區(qū)綠化用水進(jìn)行限量。

本文主要對(duì)該用水高峰時(shí)間段銀川市日供水量與氣象因子之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，為當(dāng)?shù)厮Y源的合理分配提供一定的氣象依據(jù)，為銀川市拓展專業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)建立一定的理論基礎(chǔ)。

1 資料與方法

銀川平原地下水資源量主要為引黃渠道滲漏和渠灌水的田間入滲[7]。根據(jù)銀川市統(tǒng)計(jì)局公開的《銀川統(tǒng)計(jì)年鑒2020》可知，截至2019 年末，全市常住人口229.31 萬人，城鎮(zhèn)人口181.28 萬人，占總?cè)丝诘谋戎貫?9.1%，中心城區(qū)人口146.89 萬人，銀川可飲用淡水資源約63.96 萬m3/d。利用中心城區(qū)高峰期用水資料與銀川市同期時(shí)段的氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，確定相關(guān)系數(shù)較大的要素，通過回歸計(jì)算，建立簡易預(yù)測(cè)模型，為保障城市日常用水服務(wù)提供參考。

1.1 資料

本文所用逐日供水量資料由銀川市中鐵水務(wù)集團(tuán)公司提供。氣象觀測(cè)資料來自于銀川市氣象觀測(cè)站，包括逐日平均氣壓、平均風(fēng)速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、降水量、日照時(shí)數(shù)和能見度等。時(shí)間序列為2016—2019 年的5 月22日—8 月22 日。

1.2 方法

（1）相關(guān)系數(shù)。相關(guān)分析是統(tǒng)計(jì)2 個(gè)或2 個(gè)以上的隨機(jī)變量間相關(guān)程度的分析方法。本文采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，對(duì)日供水量與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)越接近于1，相關(guān)性越好。相關(guān)系數(shù)為

式中：ρx，y為Pearson 相關(guān)系數(shù)；cov（x，y）為協(xié)方差；σx為標(biāo)準(zhǔn)差；X 為x1～xn的均值，Y 為y1～yn的均值；E[X]、E[Y]為期望值。

（2）線性回歸方程的建立。一元回歸方程如下：

式中：k 為斜率；b 為截距。

2 結(jié)果與分析

2.1 2016—2019 年銀川市用水年高峰時(shí)段情況

氣象部門與中鐵水務(wù)公司通過共同調(diào)研、討論、分析發(fā)現(xiàn)，每年5 月22 日至8 月22 日是銀川市用水年高峰時(shí)段。調(diào)取現(xiàn)有銀川城區(qū)用水資料及對(duì)應(yīng)銀川市氣象要素，分析、交流和總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)和文獻(xiàn)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)銀川市連續(xù)3 d 出現(xiàn)高溫天氣后，第3 天起用水會(huì)出現(xiàn)階段性高峰值。2016—2019 年銀川市用水量分析見圖1。

圖1 2016—2019 年5 月22 日至8 月22 日銀川市總供水量及最高、最低供水量

2016—2019 年5 月22 日至8 月22 日銀川市總供水量、最高供水量、最低供水量均是穩(wěn)中有升。由圖1可知，銀川市逐日平均供水量為（41.79～45.83）萬m3。日供水量差異較大，最小日供水量為29.98 萬m3，出現(xiàn)在2017 年6 月6 日，對(duì)應(yīng)2017 年6 月4—6 日，銀川市出現(xiàn)連陰雨，降水量為63.1 mm。2016—2019 年最大供水量為54.76 萬m3，出現(xiàn)在2017 年7 月13 日。2019 年7 月9—13 日連續(xù)5 d 出現(xiàn)高溫天氣，11日、12 日最高溫度分別為39.0 ℃、39.1 ℃，連續(xù)突破歷年7 月份最高溫度極值。

2.2 供水量與氣象因子關(guān)系分析

2.2.1 相關(guān)性分析 將2016—2019 年5 月22 日至8 月22 日逐日供水量與氣象因子進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析（表1）。由表1 可知，日供水量主要與平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、能見度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，與平均風(fēng)速為弱相關(guān)或無相關(guān)。說明在高溫、干燥、晴天、日照充足或者出現(xiàn)霧、沙塵等能見度低的天氣時(shí)，供水量需求大；而在陰雨天，日照時(shí)間短、溫度低的情況下，日供水量會(huì)較少。其中，表征氣溫的3 個(gè)因子中，2016—2017 年，平均氣溫與日供水量的相關(guān)系數(shù)最大，與最高氣溫的相關(guān)系數(shù)次之；2018—2019 年，最高氣溫與日供水量的相關(guān)系數(shù)最大，與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)次之，且均通過α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)。最低氣溫與日供水量由正相關(guān)轉(zhuǎn)為無相關(guān)關(guān)系。

表1 銀川市2016—2019 年5 月22 日至8 月22 日逐日供水量與氣象因子相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2.2 回歸方程建立 通過相關(guān)性分析，篩選出與日供水量相關(guān)性較好的氣象因子，如平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、降水量、日照時(shí)數(shù)和能見度。影響供水量的災(zāi)害性天氣為高溫天氣和連陰雨天氣。將上述氣象要素與供水量之間建立線性回歸方程，分析各個(gè)氣象因子對(duì)供水量變化的貢獻(xiàn)。

由表2 可知，日供水量與平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、能見度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，與前文不同年份的相關(guān)性保持一致。當(dāng)其他條件保持不變，平均溫度每上升1 ℃，日供水量大約增加0.91 萬m3；最高溫度每上升1 ℃，日供水量大約增加0.84 萬m3；蒸發(fā)量每增加1 mm，日供水量大約增加2.45 萬m3；日照時(shí)數(shù)每增加1 h，日供水量大約增加0.52 萬m3；相對(duì)濕度每增加1%，日供水量大約減少0.26 萬m3；降水量每增加1 mm，日供水量大約減少0.37 萬m3。其中，蒸發(fā)量對(duì)日供水量變化的貢獻(xiàn)最大。

綜上可知，與日供水量相關(guān)關(guān)系較好的氣象因子從大到小為相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、最高氣溫等。由于蒸發(fā)量可預(yù)報(bào)性不高，相對(duì)濕度、最高氣溫預(yù)報(bào)結(jié)果可靠性強(qiáng)，故擬選取相對(duì)濕度、最高氣溫作為預(yù)報(bào)因子。日供水量的預(yù)報(bào)方程為

式中：WS 為日供水量，萬m3；Tmax為日最高氣溫，℃；RH為日平均相對(duì)濕度，%。

3 供水氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)的建立

通過調(diào)研和實(shí)地分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)供水造成壓力的最主要原因是35 ℃以上連續(xù)3 d 高溫天氣，因此把連續(xù)3 d 以上預(yù)報(bào)有高溫天氣作為氣象風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。另外，大風(fēng)、暴雨、低溫等有造成供水設(shè)施被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，或因雨污未分流，暴雨造成污水排水不暢，有影響供水的損耗風(fēng)險(xiǎn)。因此通過總結(jié)，初步確定了供水氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)（表3），并開展業(yè)務(wù)試運(yùn)行，服務(wù)效果反映良好。

表3 供水氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)

另外，因日供水量與平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、能見度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，因此上述氣象要素也可以是水務(wù)部門開展氣象服務(wù)的參考要素。

4 結(jié)論

通過相關(guān)性分析，篩選出與供水量相關(guān)關(guān)系明顯的氣象要素作為日常氣象服務(wù)的參考，同時(shí)把高溫天氣作為供水氣象風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)。對(duì)比分析后得出以下結(jié)論：

（1）2016—2019 年5 月22 日至8 月22 日銀川市總供水量、最高供水量、最低供水量均是穩(wěn)中有升，日供水量差異較大，受溫度和降水影響明顯；出現(xiàn)連陰雨天氣，日用水量減??；出現(xiàn)連續(xù)高溫天氣，用水量明顯增加。

（2）日供水量與平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、日照時(shí)數(shù)、能見度呈正相關(guān)，而與相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，即在高溫、干燥、晴天、日照充足或者出現(xiàn)霧、沙塵等能見度低的天氣時(shí)，供水量需求大，而在陰雨天，日照時(shí)間短、溫度低的情況下，日供水量需求低。

（3）蒸發(fā)量對(duì)日供水量變化的貢獻(xiàn)最大，蒸發(fā)量每增加1 mm，日供水量大約增加2.45 萬m3，最高溫度與日供水量呈正相關(guān)。

（4）連續(xù)3 d 以上預(yù)報(bào)有高溫天氣時(shí)，有可能造成供水風(fēng)險(xiǎn)，可作為氣象風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。