摘要：基于有关取用水工程设计保证率分类原则，探索了农田灌溉、水电工程、城市与农村供水、港口航运工程等设计保证率选定方法。可为设计保证率计算及优化选定提供决策依据。
关键词：水资源；设计保证率；关键问题
如何选定取用水工程设计保证率已成为现实生活及生产中水资源事件探究面临的必要问题。各地区在解决水资源问题时，通过对设计保证率的选定，可以间接反应各地区某段时期内的技术和经济政策导向。此外，设计保证率是否合理与工程运用经济效益有关，与当前付出呈现正比关系，随着设计保证率提高，当前付出代价逐步增加，水资源客体所需承受的风险也相应越小。值得注意的是，不同水资源事件所需设计保证率不尽相同。鉴此，有必要在充分考虑城镇与农村规划、区域经济状况和工程环境条件基础上，探究设计保证率选定的合理范围［１］。
１设计保证率的分类
１．１按行业类别方式分类
农田灌溉、水电工程、城市与农村供水工程、港口航运工程等水资源领域的相关生产与规划设计工作均涉及设计保证率的选定问题，相关分类方式如下。（１）灌溉工程。农业灌溉工程设计保证率应根据所在地区水资源现状、土壤质地、农田种植作物、气候特性、水量调节程度、以及社会经济效应等综合因素确定。若水资源不足地区灌溉工程主要以旱作为主，一般选择设计保证率介于５０％～７５％之间［２］，在南方以种植水稻为主的农业区，作物的特性决定了灌溉水资源设计保证率与旱作为主农田的差异性，水田农业的灌溉水设计保证率宜介于７０％～９５％之间。（２）水电工程。水电工程设计保证率是指水电站正常发电时段数同总计算时段数的百分率比值［３］，设计保证率时段长度可依据设计需求及水库调节功能，可分成日调节、月调节、旬调节以及年调节四种时段模式。同时，在涉及具体论证水电站设计保证率时，应遵循水电站所在电力系统水电比重、负荷特征、水库调节性能、合川径流特征以及水电站规模来确定设计保证率。此外，水电站设计保证率选定应综合考虑设计保证率之外时间段保障系统用电可采取的措施以及出力降低程度等因素。因此，依据电力系统中水电容量所占比重，水电站设计保证率通常宜介于８０％～９８％之间。（３）城市与农村供水工程。城市及农村供水项目因其供水对象的不同，相关供水设计保证率的选定存在差异性。同时，部分工矿业（包括火电站、核电站、炭行业及钢铁行业等）因其自身需水量较大且稳定供水保证率要求较高，常根据自身的供水需求自行修建供水设施［４］，因此，此类供水工程的设计保证率通常参考其自身行业标准与规范选定水资源设计保证率。（４）港口航运工程。若内河航运河段受潮汐作用影响不明显，可采用综合历时曲线计算方法确定河段的最低通航水位，该方法计算所得结果宜确保河段内多年历时保证率不低于９０％。同时，可采用保证率频率计算方法确定上述河段最低通航水位，其计算所得年设计保证率同样不宜低于９０％。若内河航运河段受潮汐作用影响明显，则其最低通航水位应采用低潮累积频率为９０％的潮位代替最低通航水位。
１．２按是否存在调蓄设施方式分类
部分工程项目在选择供水方式时因距离天然水源较近，为保证供水保证率，可采用自行供水的水源方式，此类供水项目枯水期与丰水期的周期同天然河段来水方式一致。枯水期的供水保证率和天然河段的来水一致，即为一次供水保证率［５］。例如，某水利工程因距离江河干流不足１ｋｍ，采用无坝引水方式，设计保证率受干流来水量制约。此外，某些大型水电枢纽工程距离天然水源较远，在充分考虑项目需水保证率基础上，可采用自行修建调蓄水库方式，利用水库在天然河段丰水期时贮蓄河水资源，待枯水期时用作补充水量，即为二次供水保证率。例如，某枢纽工程水库正常蓄水位达１７５ｍ，经过水库的调节作用，使得下游河段两岸由原来不足十年一遇的防洪标准提高至百年一遇的防洪标准［６］。此外，在水库调蓄作用下，该枢纽工程下游河段枯水季节的水资源量维持在５０００ｍ３／ｓ以上，从而在改善下游河道航运条件的同时有效维持了区域生态环境需水量。
１．３按设计时段方式分类
水电站工程设计保证率可分为四种时段模式且各时段设计保证率存在差异。灌溉工程、城市与农村供水工程、调蓄能力较强的水电站工程通常选定年设计保证率。此外，部分径流式水电站、港口航运工程与径流调节能力较弱用水单位通常采用日、旬及月水资源设计保证率。值得注意的是，分析计算设计保证率时，水文系列本身的时段长度易影响供水工程的设计保证率，例如采用日、旬和月的平均值，即在相同设计保证率下，水文数据的时段长度越长则设计保证程度越低。
１．４按工程取水方式分类
取用水工程均应满足一定的设计保证率，其中取水工程又可以划分为自流引水管渠和提水工程两类取水方式。在满足设计水位要求前提下，当设计流量大于引水流量时，一般选用自流引水管渠选定设计保证率。当进水口既能取水又符合淹没深度要求时，则可按照提水工程选定设计保证率。
２设计保证率计算方法探析
２．１灌溉工程
（１）无径流调节设施的灌溉取水工程。无调节设施灌溉取水工程在拟定设计保证率时，应充分考虑当地气候变化、作物种类、灌溉效益、浇灌方式以及土壤构成等因素。在遵循田间水量平衡原则基础上确定设计灌溉制度，分析计算田间灌水率并选定田间灌溉设计流量。应根据《灌溉与排水工程设计规范》（ＧＢ５０２８８－９９），万亩以上灌区应采用时历年法确定历年各种主要作物的灌溉制度，选出２～３个符合设计保证率的年份，以其中灌水分配过程不利的１ａ为典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度推求灌溉工程的设计保证率［７］。其中，上述时历年系列不宜少于３０ａ。（２）有径流调节设施的灌溉工程。有径流调节设施灌溉取水工程在拟定设计保证率时，应在确定取水设备和工程规模基础上，依据水库的径流调节能力确定正常蓄水位。应根据《灌溉与排水工程设计规范》（ＧＢ５０２８８－９９），灌溉供水水库调节采用时历年系列不小于３０ａ的方式逐月或旬进行多年水量平衡计算，同时可采用长系列法或典型年法逐月或旬进行多年水量平衡计算。
２．２城乡供水工程
城乡生活及生产用水保证率受气候变化影响小，因而此类供水工程水资源设计保证率主要由水源地可使用水量决定。２．２．１无调节设施工程无调节设施供水工程主要依赖于河道的天然径流量确定供水能力，相应的供水设计保证率主要用于满足设计保证率的天然径流可使用水量，从而确定取水工程设施的特征水位。２．２．２有调节设施工程（１）缺水型工程。当工程的需水量超过河道枯水期可供水量时，可修建水库储存丰水期水资源以补给枯水期，从而通过径流调节计算确定水库工程设计保证率。（２）蓄淡避咸工程。部分供水工程位于我国沿海地区，工程取水水源地位于内河水系或者入海口附近，因此通常需修建蓄淡避咸水库以保证淡水资源的供应。此类工程供水保证率通常可按取水口处含氯度进行计算，河口地区海水入侵的时间与入侵范围与上游径流量存在一定相关性，因此大多数蓄淡避咸工程均采用长系列的枯季径流量统计频率作为供水保证率计算依据。
２．３航运工程
水位是影响航运的主要水文条件，因此航道设计时通常依据航道控制断面水位与流量关系推求水位保证率，从而使得水位保证率符合航道通航标准。航运枢纽工程规划设计时，拦河坝的主要作用是在枯水期调节航道的水位以符合通航设计保证率。此外，航道整治工程的核心工作之一即在满足水位设计保证率下，推求天然河道的通航最低水位以满足通航船只的吃水深度［８］。同时，水位设计保证率的确定可进一步求得航道设计高程，从而为航道疏浚深度及疏浚土方量的推算提供依据。
２．４综合型工程
综合开发利用水资源时应妥善协调各用水部门之间的关系，在充分满足供水、取水、水源地和供水保证率的基础上，制定多组水资源综合利用方案。同时，应充分对比论证典型年的水量平衡关系，优化各用水部门及工程的水量配置方案，从而在满足各用水部门水资源设计保证率的同时，实现水资源的合理开发与综合利用。
３结语
应在充分重视对水文数据一致性检验的基础上，合理推求工程设计保证率。其中，城市与农村供水设计保证率比较高，计算时必须选择水文数据系列短的时段，宜选取日均值作为推求基础。值得注意的是，我国当前各用水部门所需设计保证率普遍偏高且多数要求年设计保证率，因此，相关部门应在遵循最严格水资源管理制度的同时，立足于提升区域水资源开发与管理水平，合理优化及复核设计保证率以满足社会各用水部门需求。
作者：冯博 单位：辽宁省鞍山水文局
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