城市供水動態(tài)預測預警研究與應用

談娟娟 闕家駿

摘要： 持續(xù)穩(wěn)定良好的供水環(huán)境是保證人民生活質(zhì)量的基礎。聚焦當前城鎮(zhèn)供水管理分散、抗旱調(diào)度預測預判能力薄弱、線下會商效率低等問題，以寧波城鎮(zhèn)供水為例，針對該城市供水動態(tài)預測預警問題展開了研究。結果表明：采用數(shù)字化手段并結合水利專業(yè)模型技術，通過供水信息的全面匯聚和共享、“水庫-水廠”供需預報預警模型的研究、供水實時調(diào)度分析平臺的搭建，強化城市供水調(diào)度“預報、預警、預演、預案”措施，在實際抗旱供水調(diào)度應用過程中，可以實現(xiàn)多方位支撐旱情形勢下供水調(diào)度的精準分析、可供水持續(xù)時間的動態(tài)預測，以及對供水調(diào)度進行可視化預演，同時可有力地保障區(qū)域的供水安全。研究成果可為城市供水調(diào)度能力的全面提升提供建設性的指導。

關 鍵 詞： 城市供水; 供需網(wǎng)絡; 情勢分析; 預報預警; 供水調(diào)度預演

中圖法分類號： ?TV213.4

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.034

0 引 言

隨著居民生活質(zhì)量的不斷提高，對飲用水的要求不再僅僅局限于有水即可，水質(zhì)優(yōu)良、水量充足、水壓合格、服務到位等問題越來越被社會及用戶關注，良好的供水環(huán)境是保證人民生活質(zhì)量的基礎。寧波市已基本形成“多水源聯(lián)合調(diào)度、多管道聯(lián)網(wǎng)供水、互為應急保安”的水資源供給體系，實現(xiàn)了從水源保護，到引水、制水、供水、終端服務的全過程、全要素、全流程綜合管理? [1-3] 。但是2020年冬季至2021年春季，浙江省出現(xiàn)了自2013年以來最嚴重的旱情，寧波市2020年10月至2021年1月，降雨量僅為91 mm，是自1956年有水文記錄以來最低量，部分區(qū)域采取了限制供水措施。面對干旱少雨、水資源供給不足情況，有必要強化旱情預報、預警、預演、預案措施，加強區(qū)域一體化、精細化供水管理，精準分析當前供水情勢，預判可供水持續(xù)時間，以及時采取調(diào)水、節(jié)水措施，準確發(fā)布供水信息，保障城市供水安全。

目前，關于城市供水預警模式及預警方法的研究，李忠莉等? [4] 選用城市未來供水量作為預警指標，并按一般、嚴重、特別嚴重 3 個預警級別對城市供水進行了預警研究;王思琪等? [5] 提出通過劃定城市水源供水預警線，可及時預報城市供水干旱險情;劉付榮? [6] 提出以可供水量預測為基礎的供水預測的實際計算步驟和方法，預測了不同保證率下的城市可供水量以支撐區(qū)域水資源配置;羅偉偉等? [7] 構建了基于可信性約束的區(qū)間兩階段隨機規(guī)劃的城市供水調(diào)度優(yōu)化模型，可為城市供水管理者提供不同情景下的決策方案。關于借助信息化手段提升城市供水管理效率，王坤等? [8] 針對錦繡川水庫供水現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)技術和MIKE11模型仿真模擬技術，建立了監(jiān)測和服務平臺，實現(xiàn)了水庫實時供水預警;姜磊? [9] 提出城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度是結合設備監(jiān)測系統(tǒng)得到的供水信息以及水分需求信息建立的預測模型、制定科學的調(diào)度方案;沈南? [10] 認為在當前智能化時代背景下，需要借助物聯(lián)網(wǎng)技術、信息傳輸技術、云計算技術等，構建新型水務管理系統(tǒng)可以提高城市供水管理的效率。

以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術日益發(fā)展并逐漸成熟，全面推進水利業(yè)務與新一代信息技術的深度融合，有助于促進傳統(tǒng)水利管理模式的全面升級? [10-11] 。本文以寧波市為例，圍繞旱情形勢下的區(qū)域供水預報調(diào)度，深入剖析現(xiàn)狀管理存在的痛點問題，提出了基于專業(yè)模型及數(shù)字化手段的城市供水動態(tài)預測預警研究與應用思路，可為供水調(diào)度能力的提升提供建設性指導。

1 現(xiàn)狀問題及解決方法

1.1 管理現(xiàn)狀及問題分析

寧波市城鎮(zhèn)供水管理體制復雜，供水信息較“散”。全市城鎮(zhèn)供水企業(yè)60家，供水信息涉及水利、環(huán)保、住建和衛(wèi)健等多個部門，信息共享和匯聚不夠，數(shù)據(jù)需要人工逐級報送，且更新不及時、不全面，給供水行業(yè)管理特別是旱期統(tǒng)一調(diào)度造成較大難度。同時，城鎮(zhèn)水廠多以企業(yè)各自管理為主，缺乏全市一體化統(tǒng)一監(jiān)管手段。

當前，旱期調(diào)度中對現(xiàn)狀情勢分析和未來形勢的判斷主要依靠人工計算，速度慢、時間長、覆蓋不全，總體效率較“低”。供水會商以線下為主，這種會商的方式效率低、信息傳遞滯后，無法支撐科學高效的供水調(diào)度分析。并且，從服務端需求分析，供水管理發(fā)布信息較“少”，特別是旱情嚴重時，向重點用水企業(yè)及社會公眾及時、準確、實時發(fā)布旱情預警信息的能力不足，導致公眾和企業(yè)信息獲取不及時。

1.2 總體解決思路

針對供水管理信息較“散”、供水調(diào)度效率較“低”、供水發(fā)布信息較“少”等現(xiàn)狀管理問題，通過橫縱向供水信息共享機制的建立、供需預報預警模型的研究、供水調(diào)度預演平臺的搭建，打破傳統(tǒng)城市供水分析及會商調(diào)度模式，變監(jiān)測預警為預報預警，變?nèi)斯び嬎銥橹悄芊治觯兙€下會商為線上預演，形成“供水分析全鏈路、預報預警智能化、調(diào)度預演可視化、供水服務精準化”的城鎮(zhèn)供水調(diào)度管理模式，以全面提升城市供水安全保障能力。

（1） 數(shù)據(jù)歸集及預警模型構建。依托浙江省水利大腦及寧波市城市大腦，建立橫縱向信息共享機制，實現(xiàn)市水利局與橫縱向部門供水信息的全面匯集及數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)區(qū)域供水信息從“多部門分散”到“統(tǒng)一監(jiān)管”。在此基礎上，建立全市水庫-水廠供需預報預警模型，按照水資源供需分析從“來水預測-需水計算-供需預警”的模式，采用多頻率來水及自定義降雨量預報2種模式進行水源地來水預測;采集現(xiàn)狀水廠供水量、生態(tài)及其他用水量進行需水計算，按照“蓄水-來水-用水-棄水”流程構建水庫可供水量逐日滾動計算模型，實現(xiàn)時段末蓄水量、水庫可供水天數(shù)的動態(tài)預測，參考城市供水應急預案中的預警級別，按照水庫可供水天數(shù)進行分級預警? [12] 。

（2） 調(diào)度系統(tǒng)搭建。通過數(shù)字化手段，構建城鎮(zhèn)供水動態(tài)調(diào)度分析平臺，重塑區(qū)域供水調(diào)度4預（預報、預警、預演、預案）管理流程。通過在線分析計算、可視化調(diào)度預演平臺的搭建，為全面掌控水資源情勢、科學預判可供水量、及時發(fā)布供水信息提供技術支撐。圖1為城鎮(zhèn)供水預測預警應用框架圖。

2 數(shù)據(jù)歸集及預報預警模型研究

2.1 多源數(shù)據(jù)采集與歸集

隨著水利信息化建設的開展，水利數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、存儲與管理等方面的基礎設施逐步完善? [13-15] ，寧波市水利局已初步搭建全局化的智慧水利綜合管理平臺，實現(xiàn)了橫縱向水利信息的全面匯集及數(shù)據(jù)共享，面向本次城市供水動態(tài)預測預警研究與應用，需要歸集的供水數(shù)據(jù)需求如表1所列。

2.2 城鎮(zhèn)供水關系網(wǎng)絡構建

目前，寧波市60座城鎮(zhèn)水廠供水水源主要為各個大中型供水水庫，基于對全市供水水庫及城鎮(zhèn)自來水水廠基礎信息全面采集，考慮水庫供水調(diào)度規(guī)則、跨區(qū)域引水規(guī)則、水廠供水規(guī)則等條件，進行水庫與水廠之間“N-N”供需關系網(wǎng)絡構建。

（1） 水庫供水規(guī)則。針對水庫存在限制供水的條件，需在模型中配置限制供水量，一旦達到限制條件，需自動縮小配水比例;同時，對存在加大供水規(guī)則的聯(lián)調(diào)水庫，需自動加大配水比例。

（2） 水庫引水規(guī)則。若水庫之間存在引水關系或者境外引水量，需要在引水能力的范圍內(nèi)考慮引水量，對水庫之間引調(diào)水量、境外引水量按照水源地逐日水量的輸入輸出進行補充考慮。

（3） 水庫聯(lián)調(diào)規(guī)則。針對上下游串聯(lián)水庫且取水口僅有一個的情況，需考慮水庫聯(lián)調(diào)規(guī)則，將2個水庫進行合并計算。

以寧波市中心城區(qū)為例，中心城區(qū)水庫直供水實現(xiàn)100%，雙網(wǎng)聯(lián)調(diào)供水系統(tǒng)分東西2條原水線路，東線由白溪、橫山、橫溪三大水庫組成供水水源，西線由周公宅、皎口、亭下、溪下以及欽寸（境外引水）五大水庫組成供水水源。東西線共同向中心城區(qū)東錢湖水廠、北侖水廠、江東水廠、毛家坪水廠、桃源水廠五大水廠組成的供水環(huán)網(wǎng)進行原水供給。中心城區(qū)供水網(wǎng)絡概化如圖2所示。

2.3 模型計算流程及方法

2.3.1 計算流程

考慮到水庫之間的聯(lián)調(diào)關系、引水關系以及供水規(guī)則， N個水庫的可供水天數(shù)計算采用并行模式。先計算每個供水水庫的來水量，然后計算t時刻所有水庫的引水量、水廠的供水量、水庫生態(tài)用水及其他用水量、水庫的棄水量，通過以上數(shù)據(jù)計算t+1時刻各個水庫的蓄水量。若t+1時刻i水庫的蓄水量小于供水死庫容，也即此時水庫不能往外供水，i水庫停止計算并輸出可供水天數(shù)，由此循環(huán)完成所有水庫t時刻的計算，然后進行t+1時刻計算， 由此循環(huán)直至所有水庫都停止計算，并輸出結果。計算流程如圖3所示。

2.3.2 計算方法

水庫可供水天數(shù)計算流程主要包含來水量預測、引水量計算、供水量計算、生態(tài)用水及其他計算、棄水量計算以及蓄水量計算等，各個環(huán)節(jié)計算方法如下。

（1） 計算來水量預測系列 I? t? 方法。

①? 采用頻率曲線法計算，取50%，75%，90%，95% 4種頻率的來水作為未來來水預測量，并考慮無降雨情況;

②? 自定義預報降雨量，根據(jù)預測時段內(nèi)歷史降雨總量最接近的年份進行逐日分配，得到預測降雨系列，采用徑流系數(shù)法轉化成水庫來水量。

（2） 考慮引水規(guī)則計算 t時刻引水量Q? 引 t? ，分2種情況考慮。

①? 水庫無引水，Q? 引 t? =0。

②? 水庫有引水，Q? 引 t? =±Q （±表示引入引出關系）。

（3） 考慮供水規(guī)則計算 t時刻供水量S t，分3種情況考慮。

①? 無限制供水條件，S? t =S（S為現(xiàn)狀條件下水庫-水廠的供水量）;

②? 有限制供水條件，S? t =S× i （i為限制比例）;

③? 存在聯(lián)調(diào)需加大供水，S? t =S+S 補（S 補 為聯(lián)調(diào)水庫減少的供水量）

（4） 計算 t 時刻生態(tài)用水及其他方法。

① ?Q?? 生態(tài) 計算，取95%頻率下下游河道最小月平均流量作為生態(tài)用水量;

② ?Q?? 蒸發(fā) 計算，取監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史平均值或經(jīng)驗值;

③? ?Q?? 下滲 計算，取監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史平均值或經(jīng)驗值。

（5） 計算 t 時刻棄水量 Q? 棄 t?? 的方法。

Q? 棄 t? =V? t +I? t +Q? 引 t? -S? t -Q? 生態(tài) -Q? 蒸發(fā) -Q? 下滲 -V? 汛限

（0≤Q?? t? ≤Q?? max? ）

（6） 計算 t +1時刻蓄水量 V?? t +1? 的方法。

V? t+1 =V t+I t+Q? 引t -S t-Q? 生態(tài) -Q? 蒸發(fā) -Q? 下滲 -Q? 棄t

3 供水調(diào)度分析平臺構建

3.1 構建業(yè)務應用框架

通過橫縱向供水數(shù)據(jù)的全面匯聚、供需預報預警模型的建立，構建區(qū)域供水動態(tài)調(diào)度分析平臺，對供水情勢分析、動態(tài)預報預警、供水調(diào)度預演、供水信息服務進行業(yè)務流程再造。面向治理端，提供全鏈路的供水情勢分析、供水動態(tài)預測預警及智能調(diào)度，面向服務端，提供全面的供水信息服務，形成“動態(tài)分析、超前預警、智能調(diào)度、精準服務”的供水調(diào)度管理模式。系統(tǒng)動能框架圖如圖4所示。

3.2 業(yè)務應用功能設計

明確系統(tǒng)四大功能的定位：

（1） 提供全鏈路的供水分析，以支撐區(qū)域水資源的豐枯形勢及供給狀態(tài)的判別。

（2） 提供智能化的預報預判，實現(xiàn)水源地可供水天數(shù)的預測預警。

（3） 提供可視化的會商預演，支撐全大市一體化智能供水調(diào)度。

（4） 提供精準化的信息服務，以確保重點供水企業(yè)及社會公眾及時掌握供水動態(tài)。

3.2.1 供水情勢分析

基于降雨、蓄水、取水、引水、供水、用水信息的全面整合，建立水資源實時監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)絡? [15] ，提供從“源頭-龍頭”的供水全鏈路分析。圍繞“分析過去、聚焦現(xiàn)狀”對整個鏈路上的各類要素進行同比環(huán)比分析、分類分區(qū)統(tǒng)計、重點對象分析等，以支撐區(qū)域水資源的豐枯形勢及供給狀態(tài)的判別。

3.2.2 動態(tài)預報預警

面向?qū)I(yè)預報預警分析計算，搭建供需預警計算分析模塊，充分考慮用戶在抗旱期間可自定義配置信息的需求，采用動態(tài)表格實現(xiàn)靈活配置及分析計算，系統(tǒng)實時讀取水庫現(xiàn)狀蓄水量、引水量、供水量等信息，用戶可在頁面上進行預測時段、預測頻率、預測雨量、計算區(qū)域等計算場景的自定義配置。系統(tǒng)自動調(diào)用后臺模型，完成預測時段末蓄水量及可供水天數(shù)的計算及分級預警展示。供需預警計算平臺如圖5所示。

3.2.3 供水調(diào)度預演

面向供水調(diào)度指揮決策，搭建用于供水調(diào)度的可視化會商大屏? [16] 。一方面，綜合展示水庫-水廠取供水實時信息、實時旱情預警信息，以整體掌握當前的供水狀態(tài)及旱情形勢;另一方面，以概化圖形式對供水網(wǎng)絡及調(diào)度方案進行展示，并與預報預警計算平臺進行實時聯(lián)動，以動態(tài)展示當前計算方案下的調(diào)度結果，以支撐不同工況下的調(diào)度決策會商，為供水調(diào)度提供全場景、可視化的智能預演支撐。供水調(diào)度可視化大屏如圖6所示。

3.2.4 供水信息服務

構建供水信息發(fā)布服務，特別是在旱情期間，針對重點用水企業(yè)，平臺根據(jù)供需預警結果自動判別預警水源對應的重點用水企業(yè)，采用短信定向預警形式，向企業(yè)發(fā)布水源預警、調(diào)度措施等信息，針對社會公眾，通過“浙里辦”及時發(fā)布旱情信息及供水動態(tài)信息，提升供水服務能力。

4 創(chuàng)新性

面對旱情形勢下如何強化區(qū)域供水調(diào)度“預報、預警、預演、預案”措施，針對區(qū)域供需預報預警模型研究及供水動態(tài)預測預警平臺的構建，筆者提出了詳細地分析計算流程及應用功能設計思路，總結如下。

（1） 創(chuàng)新智能計算模式，強化專業(yè)決策分析。區(qū)別于傳統(tǒng)水庫-水廠單線人工計算模式，構建全大市所有城鎮(zhèn)供水水庫及水廠之間“N-N”供需關系網(wǎng)絡，采用多頻率來水及降雨量預報2種模式進行水庫來水預測;并在充分考慮各類水庫聯(lián)調(diào)模式、引水規(guī)則以及水廠供水需求的基礎上，構建水庫可供水量逐日滾動計算的模型，實現(xiàn)預測時段末蓄水量、水庫可供水天數(shù)動態(tài)預測預警。

（2） 創(chuàng)新在線會商機制，支撐實時調(diào)度預演。區(qū)別于傳統(tǒng)人工報送、線下會商的模式，面向計算人員及決策領導，搭建在線化的預報預警分析平臺及調(diào)度預演大屏，支撐全場景、可視化的智能分析場景。根據(jù)現(xiàn)狀供水調(diào)度方案預判水庫可供能力，以在線會商形式進行可視化動態(tài)調(diào)度預演，從而形成當前需求下的最優(yōu)調(diào)度成果，以支撐全市一體化供水調(diào)度。

5 結 論

針對城鎮(zhèn)供水管理分散、抗旱調(diào)度預測預判能力薄弱、公眾服務能力不足問題，開展區(qū)域供水預測預警研究與應用，以寧波城鎮(zhèn)供水為例，通過供水信息的全面匯聚和共享，構建了全大市多水源聯(lián)網(wǎng)聯(lián)調(diào)分析網(wǎng)絡，按照水資源供需預警分析模式，構建了“水庫-水廠”供需預報預警模型，搭建了供水動態(tài)預警及調(diào)度預演平臺，在實際抗旱供水調(diào)度應用過程中取得了較好成效，城市供水動態(tài)預測預警研究與應用成效總結如下。

（1） 技術創(chuàng)新推動效率變革?；谒麑I(yè)模型結合數(shù)字化手段，打破了傳統(tǒng)的城市供水調(diào)度人工監(jiān)測分析，采用計算機動態(tài)智能計算，不僅實現(xiàn)了從監(jiān)測預警到預報預警的提升，同時提高了效率、覆蓋率和精準度，計算速度從原來人工計算的小時級別提升至分鐘甚至秒級，覆蓋范圍從中心城區(qū)擴大至全域，為科學、高效決策提供了技術支撐。

（2） 流程再造推動制度重塑。對供水情勢分析、動態(tài)預報預警、調(diào)度方案預演、信息服務等進行業(yè)務流程再造，通過數(shù)字化手段，重塑四預管理，形成“動態(tài)分析、超前預警、智能調(diào)度、精準服務”的供水調(diào)度管理模式，構建水資源供需線上會商預演機制，提高了分析預判水平、調(diào)度會商效率、為民服務能力，有力地保障了區(qū)域的供水安全。

不足之處在于供水水廠的進廠水量監(jiān)測尚未全面覆蓋，導致部分供水量計算依靠人工錄入形式，而且未考慮原水管網(wǎng)的損失量。隨著水利物聯(lián)感知體系的建設完善，問題也將會得到進一步解決，為區(qū)域供水調(diào)度提供更實時更精準的服務支撐。

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（編輯：趙秋云）

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