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        城鄉(xiāng)供水一體化項(xiàng)目水源可供水量計(jì)算方法探討

        2021-12-15 01:59:54堅(jiān)
        小水電 2021年6期
        關(guān)鍵詞:保證率供水量水文站

        李 堅(jiān)

        (福建省水投勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350001)

        0 引 言

        保障農(nóng)村飲水安全是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容,是堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展落實(shí)趕超,實(shí)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(tái)《福建省城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)試點(diǎn)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(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中,水源可供水量計(jì)算和供需平衡分析是非常重要的一部分內(nèi)容,對(duì)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(shí)際工作中,由于不同設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)水平差異、對(duì)規(guī)范條文理解不一、采用方法不同等原因,計(jì)算成果有時(shí)差異較大。本文從實(shí)際工作出發(fā),針對(duì)水源可供水量計(jì)算中一些常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行探討,并指出規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、常用參考書中的一些分歧,旨在厘清基本概念、完善計(jì)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(yù)測(cè)分析技術(shù)規(guī)范》(SL 429—2008)對(duì)可供水量的定義[1]:供水系統(tǒng)在不同來(lái)水條件下,根據(jù)需水要求,按照一定的運(yùn)行方式和規(guī)則進(jìn)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(lái)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(lái)水條件下,若水利工程的供水能力小于用戶的需水量時(shí),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(shí),可供水量應(yīng)等于用戶的需水量。

        城鄉(xiāng)供水一體化項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于已建水庫(kù)作為水源的,為求得水庫(kù)可供水量,采用時(shí)歷法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí),可直接將用戶的需水量作為已知量代入計(jì)算,如果用水保證率大于設(shè)計(jì)保證率,則水庫(kù)可供水量等于用戶的需水量;如果用水保證率小于設(shè)計(jì)保證率,則應(yīng)通過(guò)試算的方法計(jì)算水庫(kù)的最大供水量,即水庫(kù)的供水能力,作為可供水量。

        2 設(shè)計(jì)保證率

        設(shè)計(jì)保證率,是指在長(zhǎng)期供水中用水部門正常用水得到保證的程度[2]?!端こ趟?jì)算規(guī)范》(SL 104—2015)規(guī)定,城鄉(xiāng)供水工程設(shè)計(jì)保證率應(yīng)采用歷時(shí)保證率,灌溉設(shè)計(jì)保證率應(yīng)按水利年度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用年保證率。正常供水保證率應(yīng)根據(jù)計(jì)算系列中水庫(kù)滿足正常供水的年數(shù)(或時(shí)段數(shù))與計(jì)算系列年數(shù)(或時(shí)段數(shù))加1的比值表示,按期望值公式計(jì)算[2]:

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

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

        對(duì)于城鄉(xiāng)供水的設(shè)計(jì)保證率,通常采用月或旬進(jìn)行統(tǒng)計(jì),系列數(shù)n加1與否,對(duì)計(jì)算成果一般影響較小。但對(duì)于灌溉用水的設(shè)計(jì)保證率,按水利年度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算系列年數(shù)一般在30~60 a,系列數(shù)n加1與否會(huì)產(chǎn)生較大影響。例如,某灌區(qū)設(shè)計(jì)保證率為90%,水庫(kù)計(jì)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(kù)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(kù)可供水量可以滿足用水戶需求。在此例中,根據(jù)計(jì)算成果給出的結(jié)論完全相悖。

        筆者認(rèn)為,計(jì)算設(shè)計(jì)保證率時(shí)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(shí)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(jì)保證率統(tǒng)計(jì)時(shí)的一種明顯錯(cuò)誤,即采用下式計(jì)算供水保證率:

        式中:T為供水破壞年數(shù)(或時(shí)段數(shù))。

        3 設(shè)計(jì)徑流計(jì)算

        城鄉(xiāng)供水一體化項(xiàng)目水源設(shè)計(jì)徑流分析計(jì)算主要包括了徑流特性分析、徑流資料“三性”檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)流域年徑流及年內(nèi)分配計(jì)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(jì)流域上來(lái)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(diǎn)以上流域面積一般與參證水文站相差超過(guò)15%,根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL/T 278—2020)規(guī)定,應(yīng)考慮設(shè)計(jì)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(diǎn)的徑流量。

        在實(shí)際工作中,設(shè)計(jì)人員一般對(duì)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(jì)手冊(cè)(第2版)》第2卷中,介紹水文比擬法時(shí),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(jì)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(jì)流域的集水面積;F參為參證流域的集水面積。

        實(shí)際上,在《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》條文說(shuō)明中明確指出,推算工程地址設(shè)計(jì)徑流量時(shí),當(dāng)工程地址和設(shè)計(jì)依據(jù)站集水面積超過(guò)15%,或區(qū)間降水、下墊面條件差異較大時(shí),不能簡(jiǎn)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(jìn)行改正。

        綜上所述,筆者認(rèn)為,《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(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(jìn)行修正。徑流系數(shù)可以通過(guò)當(dāng)?shù)氐乃膱D集或水資源圖集查得。因此,設(shè)計(jì)徑流計(jì)算公式應(yīng)采用:

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

        4 枯水徑流計(jì)算

        城鄉(xiāng)供水一體化項(xiàng)目水源有時(shí)采用河道低壩引水,沒(méi)有水庫(kù)進(jìn)行豐枯調(diào)節(jié),水源點(diǎn)可供水量取決于河道天然徑流量。因此,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,分析計(jì)算取水口以上流域的枯水徑流??菟畯搅饔?jì)算通常也采用水文比擬法。

        枯水徑流計(jì)算,首先應(yīng)分析參證水文站徑流資料,計(jì)算設(shè)計(jì)頻率的枯水流量。《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(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(shí)段量,組成樣本序列,通過(guò)頻率計(jì)算的方法計(jì)算設(shè)計(jì)枯水流量。長(zhǎng)江水利委員會(huì)編撰的大中型水利水電工程技術(shù)叢書《水文分析計(jì)算與水資源評(píng)價(jià)》也給出了同樣的方法。

        如果按此方法計(jì)算參證水文站設(shè)計(jì)最小日平均流量,再移置到取水口,得到取水口設(shè)計(jì)最小日平均流量,以此作為水源點(diǎn)的可供水量,實(shí)際不符合《水利工程水利計(jì)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(jì)保證率應(yīng)采用歷時(shí)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(jì)算的可供水量,能夠保證設(shè)計(jì)枯水年每日來(lái)水量均滿足用水需求,實(shí)質(zhì)上是采用了年保證率,其水量保證程度遠(yuǎn)高于按旬或日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的歷時(shí)保證率。由此會(huì)造成工程規(guī)模擴(kuò)大,投資浪費(fèi)。

        按歷時(shí)保證率計(jì)算水源點(diǎn)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(jì)算序列,按從小到大排列,采用經(jīng)驗(yàn)頻率公式(同上述期望值公式),計(jì)算出參證站設(shè)計(jì)頻率的日平均流量。例如,計(jì)算出設(shè)計(jì)頻率P=95%的日平均流量,該數(shù)值是指:長(zhǎng)期以來(lái),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(jì)頻率的日平均流量移置到取水口,作為水源點(diǎn)可供水量。采用此方法計(jì)算的水源點(diǎn)可供水量,才符合《水利工程水利計(jì)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(gè)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(cè),設(shè)計(jì)水平年最高日需水量為0.30萬(wàn)m3/d。用水日變化系數(shù)取1.3,水廠自用水率取5%,水源點(diǎn)至水廠的輸水損失取5%,計(jì)算該分區(qū)原水日需水量為0.255萬(wàn)m3/d。該分區(qū)水源有2處,一處為水庫(kù),一處為河道低壩取水。水庫(kù)控制集水面積為5.8 km2,總庫(kù)容為129.5萬(wàn)m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容為101萬(wàn)m3,庫(kù)容系數(shù)為24%,是1座具有年調(diào)節(jié)性能的小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)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(méi)有調(diào)節(jié)能力。

        5.2 水庫(kù)可供水量計(jì)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(zhǎng)度為31 a。通過(guò)查《寧德地區(qū)水資源圖集》,分別查得參證流域和設(shè)計(jì)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(jìn)行修正,計(jì)算得到水庫(kù)壩址以上歷年逐月平均流量。將歷年逐月來(lái)水量、生態(tài)用水過(guò)程、灌溉用水過(guò)程、生活用水過(guò)程(日供水量0.202萬(wàn)m3)進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算,并考慮水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失。計(jì)算得到灌溉用水有29個(gè)水利年可以正常供水,灌溉保證率為90.6%,高于設(shè)計(jì)保證率90%;生活用水有365個(gè)月可以正常供水,生活用水保證率為97.9%,高于設(shè)計(jì)保證率95%。由此,計(jì)算出水庫(kù)生活用水的可供水量為0.202萬(wàn)m3/d。

        5.3 低壩取水可供水量計(jì)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(yàn)頻率公式計(jì)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(jìn)行修正,移用到引水壩,計(jì)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(jiàn)表1)。

        表1 霞浦縣某供水分區(qū)水量供需平衡表

        6 結(jié) 語(yǔ)

        本文就城鄉(xiāng)供水一體化項(xiàng)目水源可供水量計(jì)算中常被混淆的概念進(jìn)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(shí)保證率的不同應(yīng)用范圍。緊緊圍繞《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》和《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》的規(guī)定,對(duì)有調(diào)節(jié)水源可供水量計(jì)算和無(wú)調(diào)節(jié)水源可供水量計(jì)算方法進(jìn)行分別討論,指出設(shè)計(jì)中容易發(fā)生錯(cuò)誤之處。此外,還指出規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、常用參考書中的一些分歧,實(shí)際工作中應(yīng)首先遵循規(guī)范的要求。

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