城鄉供水一體化項目水源可供水量計算方法探討

李 堅

(福建省水投勘測設計有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

保障農村飲水安全是實施鄉村振興戰略的重要內容，是堅持高質量發展落實趕超，實現城鄉融合發展及城鄉公共服務均等化的具體要求。2019年2月，福建省水利廳出臺《福建省城鄉供水一體化建設試點規劃導則(暫行)》，規范、指導全省城鄉供水一體化建設。在城鄉供水一體化項目設計過程中，水源可供水量計算和供需平衡分析是非常重要的一部分內容，對于合理確定水源的位置、取水方式、取水量等起到決定性作用。在實際工作中，由于不同設計人員經驗水平差異、對規范條文理解不一、采用方法不同等原因，計算成果有時差異較大。本文從實際工作出發，針對水源可供水量計算中一些常見的問題進行探討，并指出規范、設計手冊、常用參考書中的一些分歧，旨在厘清基本概念、完善計算方法。

1 可供水量的概念

可供水量，僅從字面上看，容易理解成是水利工程可以提供的最大水量，即水利工程的供水能力，這種理解是不全面的。《水資源供需預測分析技術規范》(SL 429—2008)對可供水量的定義[1]：供水系統在不同來水條件下，根據需水要求，按照一定的運行方式和規則進行調配，可提供的水量。在定義中，特別提到“根據需水要求”。因此，可供水量不僅僅與來水量和水利工程的供水能力有關，還與用戶的需水量有關。當一定來水條件下，若水利工程的供水能力小于用戶的需水量時，可供水量應等于水利工程的供水能力；若水利工程的供水能力大于用戶的需水量時，可供水量應等于用戶的需水量。

城鄉供水一體化項目設計時，對于已建水庫作為水源的，為求得水庫可供水量，采用時歷法進行徑流調節計算時，可直接將用戶的需水量作為已知量代入計算，如果用水保證率大于設計保證率，則水庫可供水量等于用戶的需水量；如果用水保證率小于設計保證率，則應通過試算的方法計算水庫的最大供水量，即水庫的供水能力，作為可供水量。

2 設計保證率

設計保證率，是指在長期供水中用水部門正常用水得到保證的程度[2]。《水利工程水利計算規范》(SL 104—2015)規定，城鄉供水工程設計保證率應采用歷時保證率，灌溉設計保證率應按水利年度進行統計，采用年保證率。正常供水保證率應根據計算系列中水庫滿足正常供水的年數(或時段數)與計算系列年數(或時段數)加1的比值表示，按期望值公式計算[2]：

式中：P為供水保證率；m為正常供水年數(或時段數)；n為計算系列年數(或時段數)。

對于保證率計算中，計算系列數n是否需要加1，在學術界存在一定的爭議。如全國水利行業“十三五”規劃教材《水利計算》[3]中給出的計算公式如下：

對于城鄉供水的設計保證率，通常采用月或旬進行統計，系列數n加1與否，對計算成果一般影響較小。但對于灌溉用水的設計保證率，按水利年度進行統計，計算系列年數一般在30～60 a，系列數n加1與否會產生較大影響。例如，某灌區設計保證率為90%，水庫計算系列30 a，如果滿足正常灌溉用水的年數是27 a，按系列數n加1,則灌溉保證率為87%，水庫可供水量不能滿足用水戶需求；按系列數n不加1, 則灌溉保證率為90%，水庫可供水量可以滿足用水戶需求。在此例中，根據計算成果給出的結論完全相悖。

筆者認為，計算設計保證率時系列數n是否需要加1留予學術界繼續研究和討論，在實際工作中，則應遵循規范的要求。

此外，還應避免設計保證率統計時的一種明顯錯誤，即采用下式計算供水保證率：

式中：T為供水破壞年數(或時段數)。

3 設計徑流計算

城鄉供水一體化項目水源設計徑流分析計算主要包括了徑流特性分析、徑流資料“三性”檢驗、設計流域年徑流及年內分配計算等內容。目前最常用的方法是水文比擬法，即將參證水文站的水文資料移置到設計流域上來的一種方法[4]。由于城鄉供水一體化水源一般位于小河流上，水源點以上流域面積一般與參證水文站相差超過15%，根據《水利水電工程水文計算規范》(SL/T 278—2020)規定，應考慮設計流域與參證水文站以上流域降水、下墊面條件的差異，推算水源點的徑流量。

在實際工作中，設計人員一般對降水差異分析的比較透徹，卻常常忽略了下墊面條件差異的分析。在《水工設計手冊(第2版)》第2卷中，介紹水文比擬法時，也僅提到用降水量修正，給出公式如下[5]：

式中：y年，設為設計流域的年徑流量；y年，參為參證流域的年徑流量；F設為設計流域的集水面積；F參為參證流域的集水面積。

實際上，在《水利水電工程水文計算規范》條文說明中明確指出，推算工程地址設計徑流量時，當工程地址和設計依據站集水面積超過15%，或區間降水、下墊面條件差異較大時，不能簡單地按面積比推算工程地址的徑流量，需考慮降水和徑流系數等的差別進行改正。

綜上所述，筆者認為，《水工設計手冊(第2版)》給的公式是不全面的。根據規范的要求，降水、下墊面條件兩方面的分析是同等重要的，不可偏廢其一。規范也明確指出，下墊面條件差異采用徑流系數進行修正。徑流系數可以通過當地的水文圖集或水資源圖集查得。因此，設計徑流計算公式應采用：

式中：a設、a參為設計流域和參證流域的徑流系數。

4 枯水徑流計算

城鄉供水一體化項目水源有時采用河道低壩引水，沒有水庫進行豐枯調節，水源點可供水量取決于河道天然徑流量。因此，應根據設計要求，分析計算取水口以上流域的枯水徑流。枯水徑流計算通常也采用水文比擬法。

枯水徑流計算，首先應分析參證水文站徑流資料，計算設計頻率的枯水流量。《水工設計手冊(第2版)》第2卷給出的方法是[5]：按年最小選樣原則，選取一年中最小的時段量，組成樣本序列，通過頻率計算的方法計算設計枯水流量。長江水利委員會編撰的大中型水利水電工程技術叢書《水文分析計算與水資源評價》也給出了同樣的方法。

如果按此方法計算參證水文站設計最小日平均流量，再移置到取水口，得到取水口設計最小日平均流量，以此作為水源點的可供水量，實際不符合《水利工程水利計算規范》規定。如前所述，規范規定城鄉供水工程設計保證率應采用歷時保證率。規范用詞是“應”，表示應嚴格執行，在正常情況下均應這樣做。而按此方法計算的可供水量，能夠保證設計枯水年每日來水量均滿足用水需求，實質上是采用了年保證率，其水量保證程度遠高于按旬或日進行統計的歷時保證率。由此會造成工程規模擴大，投資浪費。

按歷時保證率計算水源點的可供水量，可直接取參證水文站歷年逐日平均流量序列作為計算序列，按從小到大排列，采用經驗頻率公式(同上述期望值公式)，計算出參證站設計頻率的日平均流量。例如，計算出設計頻率P=95%的日平均流量，該數值是指：長期以來，有95%的天數日平均流量大于或等于該數值。再采用水文比擬法，將參證站設計頻率的日平均流量移置到取水口，作為水源點可供水量。采用此方法計算的水源點可供水量，才符合《水利工程水利計算規范》的規定。

5 算 例

5.1 基本情況

霞浦縣位于閩東地區，根據城鄉供水一體化規劃，全縣劃分為15個供水分區。其中，某分區位于霞浦縣西南部，根據預測，設計水平年最高日需水量為0.30萬m3/d。用水日變化系數取1.3，水廠自用水率取5%，水源點至水廠的輸水損失取5%，計算該分區原水日需水量為0.255萬m3/d。該分區水源有2處，一處為水庫，一處為河道低壩取水。水庫控制集水面積為5.8 km2，總庫容為129.5萬m3，調節庫容為101萬m3，庫容系數為24%，是1座具有年調節性能的小(1)型水庫。水庫除作為該分區供水水源外，還承擔2 500畝(1畝=1/15 hm2)農田的灌溉任務。低壩取水為引水工程，引水壩以上流域面積3.05 km2，沒有調節能力。

5.2 水庫可供水量計算

選擇同處于閩東地區的高灘水文站(控制集水面積為341 km2)作為參證站，收集到高灘水文站1963年4月—1993年3月逐日平均流量，資料系列長度為31 a。通過查《寧德地區水資源圖集》，分別查得參證流域和設計流域的多年平均降水量和徑流系數。采用水文比擬法，將高灘水文站逐月平均流量，按面積、降水量、徑流系數進行修正，計算得到水庫壩址以上歷年逐月平均流量。將歷年逐月來水量、生態用水過程、灌溉用水過程、生活用水過程(日供水量0.202萬m3)進行徑流調節計算，并考慮水庫蒸發滲漏損失。計算得到灌溉用水有29個水利年可以正常供水，灌溉保證率為90.6%，高于設計保證率90%；生活用水有365個月可以正常供水，生活用水保證率為97.9%，高于設計保證率95%。由此，計算出水庫生活用水的可供水量為0.202萬m3/d。

5.3 低壩取水可供水量計算

將高灘水文站1963年4月—1993年3月逐日平均流量序列從小到大排列，按經驗頻率公式計算出高灘水文站P=95%頻率日平均流量。按面積、降水量、徑流系數進行修正，移用到引水壩，計算出引水壩以上流域P=95%頻率日平均流量為0.006 m3/s。該水源可供水量即為0.053 m3/d。

5.4 供需平衡表

根據分區需水量和兩處水源可供水量，編制水量平衡表(見表1)。

表1 霞浦縣某供水分區水量供需平衡表

6 結 語

本文就城鄉供水一體化項目水源可供水量計算中常被混淆的概念進行討論，厘清可供水量和供水能力的區別、厘清年保證率和歷時保證率的不同應用范圍。緊緊圍繞《水利水電工程水文計算規范》和《水利工程水利計算規范》的規定，對有調節水源可供水量計算和無調節水源可供水量計算方法進行分別討論，指出設計中容易發生錯誤之處。此外，還指出規范、設計手冊、常用參考書中的一些分歧，實際工作中應首先遵循規范的要求。

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