有關(guān)取用水工程設(shè)計(jì)保證問題探析

馮　博

(遼寧省鞍山水文局,遼寧 鞍山 114000)

有關(guān)取用水工程設(shè)計(jì)保證問題探析

馮博

(遼寧省鞍山水文局,遼寧 鞍山 114000)

摘要：基于有關(guān)取用水工程設(shè)計(jì)保證率分類原則，探索了農(nóng)田灌溉、水電工程、城市與農(nóng)村供水、港口航運(yùn)工程等設(shè)計(jì)保證率選定方法。可為設(shè)計(jì)保證率計(jì)算及優(yōu)化選定提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水資源；設(shè)計(jì)保證率；關(guān)鍵問題

如何選定取用水工程設(shè)計(jì)保證率已成為現(xiàn)實(shí)生活及生產(chǎn)中水資源事件探究面臨的必要問題。各地區(qū)在解決水資源問題時，通過對設(shè)計(jì)保證率的選定，可以間接反應(yīng)各地區(qū)某段時期內(nèi)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策導(dǎo)向。此外，設(shè)計(jì)保證率是否合理與工程運(yùn)用經(jīng)濟(jì)效益有關(guān)，與當(dāng)前付出呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨著設(shè)計(jì)保證率提高，當(dāng)前付出代價逐步增加，水資源客體所需承受的風(fēng)險也相應(yīng)越小。值得注意的是，不同水資源事件所需設(shè)計(jì)保證率不盡相同。鑒此，有必要在充分考慮城鎮(zhèn)與農(nóng)村規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況和工程環(huán)境條件基礎(chǔ)上，探究設(shè)計(jì)保證率選定的合理范圍[1]。

1設(shè)計(jì)保證率的分類

1.1按行業(yè)類別方式分類

農(nóng)田灌溉、水電工程、城市與農(nóng)村供水工程、港口航運(yùn)工程等水資源領(lǐng)域的相關(guān)生產(chǎn)與規(guī)劃設(shè)計(jì)工作均涉及設(shè)計(jì)保證率的選定問題，相關(guān)分類方式如下。

(1)灌溉工程。農(nóng)業(yè)灌溉工程設(shè)計(jì)保證率應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)水資源現(xiàn)狀、土壤質(zhì)地、農(nóng)田種植作物、氣候特性、水量調(diào)節(jié)程度、以及社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等綜合因素確定。若水資源不足地區(qū)灌溉工程主要以旱作為主，一般選擇設(shè)計(jì)保證率介于50%～75%之間[2]，在南方以種植水稻為主的農(nóng)業(yè)區(qū)，作物的特性決定了灌溉水資源設(shè)計(jì)保證率與旱作為主農(nóng)田的差異性，水田農(nóng)業(yè)的灌溉水設(shè)計(jì)保證率宜介于70%～95%之間。

(2)水電工程。水電工程設(shè)計(jì)保證率是指水電站正常發(fā)電時段數(shù)同總計(jì)算時段數(shù)的百分率比值[3]，設(shè)計(jì)保證率時段長度可依據(jù)設(shè)計(jì)需求及水庫調(diào)節(jié)功能，可分成日調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)、旬調(diào)節(jié)以及年調(diào)節(jié)四種時段模式。同時，在涉及具體論證水電站設(shè)計(jì)保證率時，應(yīng)遵循水電站所在電力系統(tǒng)水電比重、負(fù)荷特征、水庫調(diào)節(jié)性能、合川徑流特征以及水電站規(guī)模來確定設(shè)計(jì)保證率。此外，水電站設(shè)計(jì)保證率選定應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)保證率之外時間段保障系統(tǒng)用電可采取的措施以及出力降低程度等因素。因此，依據(jù)電力系統(tǒng)中水電容量所占比重，水電站設(shè)計(jì)保證率通常宜介于80%～98%之間。

(3) 城市與農(nóng)村供水工程。城市及農(nóng)村供水項(xiàng)目因其供水對象的不同，相關(guān)供水設(shè)計(jì)保證率的選定存在差異性。同時，部分工礦業(yè)(包括火電站、核電站、炭行業(yè)及鋼鐵行業(yè)等)因其自身需水量較大且穩(wěn)定供水保證率要求較高，常根據(jù)自身的供水需求自行修建供水設(shè)施[4]，因此，此類供水工程的設(shè)計(jì)保證率通常參考其自身行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范選定水資源設(shè)計(jì)保證率。

(4) 港口航運(yùn)工程。若內(nèi)河航運(yùn)河段受潮汐作用影響不明顯，可采用綜合歷時曲線計(jì)算方法確定河段的最低通航水位，該方法計(jì)算所得結(jié)果宜確保河段內(nèi)多年歷時保證率不低于90%。同時，可采用保證率頻率計(jì)算方法確定上述河段最低通航水位，其計(jì)算所得年設(shè)計(jì)保證率同樣不宜低于90%。若內(nèi)河航運(yùn)河段受潮汐作用影響明顯，則其最低通航水位應(yīng)采用低潮累積頻率為90%的潮位代替最低通航水位。

1.2按是否存在調(diào)蓄設(shè)施方式分類

部分工程項(xiàng)目在選擇供水方式時因距離天然水源較近，為保證供水保證率，可采用自行供水的水源方式，此類供水項(xiàng)目枯水期與豐水期的周期同天然河段來水方式一致?？菟诘墓┧ＷC率和天然河段的來水一致，即為一次供水保證率[5]。例如，某水利工程因距離江河干流不足1 km，采用無壩引水方式，設(shè)計(jì)保證率受干流來水量制約。

此外，某些大型水電樞紐工程距離天然水源較遠(yuǎn)，在充分考慮項(xiàng)目需水保證率基礎(chǔ)上，可采用自行修建調(diào)蓄水庫方式，利用水庫在天然河段豐水期時貯蓄河水資源，待枯水期時用作補(bǔ)充水量，即為二次供水保證率。例如，某樞紐工程水庫正常蓄水位達(dá)175 m，經(jīng)過水庫的調(diào)節(jié)作用，使得下游河段兩岸由原來不足十年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至百年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)[6]。此外，在水庫調(diào)蓄作用下，該樞紐工程下游河段枯水季節(jié)的水資源量維持在5000 m3/s以上，從而在改善下游河道航運(yùn)條件的同時有效維持了區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量。

1.3按設(shè)計(jì)時段方式分類

水電站工程設(shè)計(jì)保證率可分為四種時段模式且各時段設(shè)計(jì)保證率存在差異。灌溉工程、城市與農(nóng)村供水工程、調(diào)蓄能力較強(qiáng)的水電站工程通常選定年設(shè)計(jì)保證率。此外，部分徑流式水電站、港口航運(yùn)工程與徑流調(diào)節(jié)能力較弱用水單位通常采用日、旬及月水資源設(shè)計(jì)保證率。值得注意的是，分析計(jì)算設(shè)計(jì)保證率時，水文系列本身的時段長度易影響供水工程的設(shè)計(jì)保證率，例如采用日、旬和月的平均值，即在相同設(shè)計(jì)保證率下，水文數(shù)據(jù)的時段長度越長則設(shè)計(jì)保證程度越低。

1.4按工程取水方式分類

取用水工程均應(yīng)滿足一定的設(shè)計(jì)保證率，其中取水工程又可以劃分為自流引水管渠和提水工程兩類取水方式。在滿足設(shè)計(jì)水位要求前提下，當(dāng)設(shè)計(jì)流量大于引水流量時，一般選用自流引水管渠選定設(shè)計(jì)保證率。當(dāng)進(jìn)水口既能取水又符合淹沒深度要求時，則可按照提水工程選定設(shè)計(jì)保證率。

2設(shè)計(jì)保證率計(jì)算方法探析

2.1灌溉工程

(1)無徑流調(diào)節(jié)設(shè)施的灌溉取水工程。無調(diào)節(jié)設(shè)施灌溉取水工程在擬定設(shè)計(jì)保證率時，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂蜃兓⒆魑锓N類、灌溉效益、澆灌方式以及土壤構(gòu)成等因素。在遵循田間水量平衡原則基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)灌溉制度，分析計(jì)算田間灌水率并選定田間灌溉設(shè)計(jì)流量。應(yīng)根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288-99)，萬畝以上灌區(qū)應(yīng)采用時歷年法確定歷年各種主要作物的灌溉制度，選出2～3 個符合設(shè)計(jì)保證率的年份，以其中灌水分配過程不利的1 a為典型年，以該年的灌溉制度作為設(shè)計(jì)灌溉制度推求灌溉工程的設(shè)計(jì)保證率[7]。其中，上述時歷年系列不宜少于30 a。

(2)有徑流調(diào)節(jié)設(shè)施的灌溉工程。有徑流調(diào)節(jié)設(shè)施灌溉取水工程在擬定設(shè)計(jì)保證率時，應(yīng)在確定取水設(shè)備和工程規(guī)?；A(chǔ)上，依據(jù)水庫的徑流調(diào)節(jié)能力確定正常蓄水位。應(yīng)根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288-99)，灌溉供水水庫調(diào)節(jié)采用時歷年系列不小于30 a的方式逐月或旬進(jìn)行多年水量平衡計(jì)算，同時可采用長系列法或典型年法逐月或旬進(jìn)行多年水量平衡計(jì)算。

2.2城鄉(xiāng)供水工程

城鄉(xiāng)生活及生產(chǎn)用水保證率受氣候變化影響小，因而此類供水工程水資源設(shè)計(jì)保證率主要由水源地可使用水量決定。

2.2.1無調(diào)節(jié)設(shè)施工程

無調(diào)節(jié)設(shè)施供水工程主要依賴于河道的天然徑流量確定供水能力，相應(yīng)的供水設(shè)計(jì)保證率主要用于滿足設(shè)計(jì)保證率的天然徑流可使用水量，從而確定取水工程設(shè)施的特征水位。

2.2.2有調(diào)節(jié)設(shè)施工程

(1)缺水型工程。當(dāng)工程的需水量超過河道枯水期可供水量時，可修建水庫儲存豐水期水資源以補(bǔ)給枯水期，從而通過徑流調(diào)節(jié)計(jì)算確定水庫工程設(shè)計(jì)保證率。

(2)蓄淡避咸工程。部分供水工程位于我國沿海地區(qū)，工程取水水源地位于內(nèi)河水系或者入?？诟浇?，因此通常需修建蓄淡避咸水庫以保證淡水資源的供應(yīng)。此類工程供水保證率通?？砂慈∷谔幒榷冗M(jìn)行計(jì)算，河口地區(qū)海水入侵的時

間與入侵范圍與上游徑流量存在一定相關(guān)性，因此大多數(shù)蓄淡避咸工程均采用長系列的枯季徑流量統(tǒng)計(jì)頻率作為供水保證率計(jì)算依據(jù)。

2.3航運(yùn)工程

水位是影響航運(yùn)的主要水文條件，因此航道設(shè)計(jì)時通常依據(jù)航道控制斷面水位與流量關(guān)系推求水位保證率，從而使得水位保證率符合航道通航標(biāo)準(zhǔn)。航運(yùn)樞紐工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時，攔河壩的主要作用是在枯水期調(diào)節(jié)航道的水位以符合通航設(shè)計(jì)保證率。此外，航道整治工程的核心工作之一即在滿足水位設(shè)計(jì)保證率下，推求天然河道的通航最低水位以滿足通航船只的吃水深度[8]。同時，水位設(shè)計(jì)保證率的確定可進(jìn)一步求得航道設(shè)計(jì)高程，從而為航道疏浚深度及疏浚土方量的推算提供依據(jù)。

2.4綜合型工程

綜合開發(fā)利用水資源時應(yīng)妥善協(xié)調(diào)各用水部門之間的關(guān)系，在充分滿足供水、取水、水源地和供水保證率的基礎(chǔ)上，制定多組水資源綜合利用方案。同時，應(yīng)充分對比論證典型年的水量平衡關(guān)系，優(yōu)化各用水部門及工程的水量配置方案，從而在滿足各用水部門水資源設(shè)計(jì)保證率的同時，實(shí)現(xiàn)水資源的合理開發(fā)與綜合利用。

3結(jié)語

應(yīng)在充分重視對水文數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理推求工程設(shè)計(jì)保證率。其中，城市與農(nóng)村供水設(shè)計(jì)保證率比較高，計(jì)算時必須選擇水文數(shù)據(jù)系列短的時段，宜選取日均值作為推求基礎(chǔ)。值得注意的是，我國當(dāng)前各用水部門所需設(shè)計(jì)保證率普遍偏高且多數(shù)要求年設(shè)計(jì)保證率，因此，相關(guān)部門應(yīng)在遵循最嚴(yán)格水資源管理制度的同時，立足于提升區(qū)域水資源開發(fā)與管理水平，合理優(yōu)化及復(fù)核設(shè)計(jì)保證率以滿足社會各用水部門需求。

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作者簡介：馮博(1980-)，女，工程師，主要從事水環(huán)境監(jiān)測評價分析工作。

中圖分類號：TV67；TV697.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)04-0060-02