城鄉(xiāng)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(shè)計有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

保障農(nóng)村飲水安全是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，是堅持高質(zhì)量發(fā)展落實趕超，實現(xiàn)城鄉(xiāng)融合發(fā)展及城鄉(xiāng)公共服務(wù)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(xiāng)供水一體化建設(shè)試點規(guī)劃導(dǎo)則(暫行)》，規(guī)范、指導(dǎo)全省城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)。在城鄉(xiāng)供水一體化項目設(shè)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(nèi)容，對于合理確定水源的位置、取水方式、取水量等起到?jīng)Q定性作用。在實際工作中，由于不同設(shè)計人員經(jīng)驗水平差異、對規(guī)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(fā)，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(guī)范、設(shè)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?！端Y源供需預(yù)測分析技術(shù)規(guī)范》(SL 429—2008)對可供水量的定義[1]：供水系統(tǒng)在不同來水條件下，根據(jù)需水要求，按照一定的運行方式和規(guī)則進行調(diào)配，可提供的水量。在定義中，特別提到“根據(jù)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(guān)，還與用戶的需水量有關(guān)。當(dāng)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(yīng)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(yīng)等于用戶的需水量。

城鄉(xiāng)供水一體化項目設(shè)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(diào)節(jié)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(shè)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(shè)計保證率，則應(yīng)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(shè)計保證率

設(shè)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]?！端こ趟嬎阋?guī)范》(SL 104—2015)規(guī)定，城鄉(xiāng)供水工程設(shè)計保證率應(yīng)采用歷時保證率，灌溉設(shè)計保證率應(yīng)按水利年度進行統(tǒng)計，采用年保證率。正常供水保證率應(yīng)根據(jù)計算系列中水庫滿足正常供水的年數(shù)(或時段數(shù))與計算系列年數(shù)(或時段數(shù))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(shù)(或時段數(shù))；n為計算系列年數(shù)(或時段數(shù))。

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

對于城鄉(xiāng)供水的設(shè)計保證率，通常采用月或旬進行統(tǒng)計，系列數(shù)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(shè)計保證率，按水利年度進行統(tǒng)計，計算系列年數(shù)一般在30～60 a，系列數(shù)n加1與否會產(chǎn)生較大影響。例如，某灌區(qū)設(shè)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(shù)是27 a，按系列數(shù)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(shù)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(jù)計算成果給出的結(jié)論完全相悖。

筆者認(rèn)為，計算設(shè)計保證率時系列數(shù)n是否需要加1留予學(xué)術(shù)界繼續(xù)研究和討論，在實際工作中，則應(yīng)遵循規(guī)范的要求。

此外，還應(yīng)避免設(shè)計保證率統(tǒng)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(shù)(或時段數(shù))。

3 設(shè)計徑流計算

城鄉(xiāng)供水一體化項目水源設(shè)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(shè)計流域年徑流及年內(nèi)分配計算等內(nèi)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(shè)計流域上來的一種方法[4]。由于城鄉(xiāng)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(jù)《水利水電工程水文計算規(guī)范》(SL/T 278—2020)規(guī)定，應(yīng)考慮設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)為設(shè)計流域的年徑流量；y年，參為參證流域的年徑流量；F設(shè)為設(shè)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(guī)范》條文說明中明確指出，推算工程地址設(shè)計徑流量時，當(dāng)工程地址和設(shè)計依據(jù)站集水面積超過15%，或區(qū)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(shù)等的差別進行改正。

綜上所述，筆者認(rèn)為，《水工設(shè)計手冊(第2版)》給的公式是不全面的。根據(jù)規(guī)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(guī)范也明確指出，下墊面條件差異采用徑流系數(shù)進行修正。徑流系數(shù)可以通過當(dāng)?shù)氐乃膱D集或水資源圖集查得。因此，設(shè)計徑流計算公式應(yīng)采用：

式中：a設(shè)、a參為設(shè)計流域和參證流域的徑流系數(shù)。

4 枯水徑流計算

城鄉(xiāng)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(diào)節(jié)，水源點可供水量取決于河道天然徑流量。因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求，分析計算取水口以上流域的枯水徑流?？菟畯搅饔嬎阃ǔＲ膊捎盟谋葦M法。

枯水徑流計算，首先應(yīng)分析參證水文站徑流資料，計算設(shè)計頻率的枯水流量?！端ぴO(shè)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(shè)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(shù)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(shè)計最小日平均流量，再移置到取水口，得到取水口設(shè)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(guī)范》規(guī)定。如前所述，規(guī)范規(guī)定城鄉(xiāng)供水工程設(shè)計保證率應(yīng)采用歷時保證率。規(guī)范用詞是“應(yīng)”，表示應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，在正常情況下均應(yīng)這樣做。而按此方法計算的可供水量，能夠保證設(shè)計枯水年每日來水量均滿足用水需求，實質(zhì)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(tǒng)計的歷時保證率。由此會造成工程規(guī)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(jīng)驗頻率公式(同上述期望值公式)，計算出參證站設(shè)計頻率的日平均流量。例如，計算出設(shè)計頻率P=95%的日平均流量，該數(shù)值是指：長期以來，有95%的天數(shù)日平均流量大于或等于該數(shù)值。再采用水文比擬法，將參證站設(shè)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(guī)范》的規(guī)定。

5 算 例

5.1 基本情況

霞浦縣位于閩東地區(qū)，根據(jù)城鄉(xiāng)供水一體化規(guī)劃，全縣劃分為15個供水分區(qū)。其中，某分區(qū)位于霞浦縣西南部，根據(jù)預(yù)測，設(shè)計水平年最高日需水量為0.30萬m3/d。用水日變化系數(shù)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(qū)原水日需水量為0.255萬m3/d。該分區(qū)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(diào)節(jié)庫容為101萬m3，庫容系數(shù)為24%，是1座具有年調(diào)節(jié)性能的小(1)型水庫。水庫除作為該分區(qū)供水水源外，還承擔(dān)2 500畝(1畝=1/15 hm2)農(nóng)田的灌溉任務(wù)。低壩取水為引水工程，引水壩以上流域面積3.05 km2，沒有調(diào)節(jié)能力。

5.2 水庫可供水量計算

選擇同處于閩東地區(qū)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(qū)水資源圖集》，分別查得參證流域和設(shè)計流域的多年平均降水量和徑流系數(shù)。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(shù)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(tài)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(diào)節(jié)計算，并考慮水庫蒸發(fā)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(shè)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(shè)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(jīng)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(shù)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(jù)分區(qū)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(qū)水量供需平衡表

6 結(jié) 語

本文就城鄉(xiāng)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(qū)別、厘清年保證率和歷時保證率的不同應(yīng)用范圍。緊緊圍繞《水利水電工程水文計算規(guī)范》和《水利工程水利計算規(guī)范》的規(guī)定，對有調(diào)節(jié)水源可供水量計算和無調(diào)節(jié)水源可供水量計算方法進行分別討論，指出設(shè)計中容易發(fā)生錯誤之處。此外，還指出規(guī)范、設(shè)計手冊、常用參考書中的一些分歧，實際工作中應(yīng)首先遵循規(guī)范的要求。

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