侯保燈 ，高而坤 ，占許珠 ，吳永祥 ，王建華

（1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，100038，北京；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，210029，南京；3.水利部水資源司，100053，北京；4.北京中水新華國際工程咨詢有限公司，100044，北京）

水利工程設計時，通常采用設計保證率（如供水設計保證率、灌溉設計保證率等）來確定規(guī)模；經(jīng)濟社會發(fā)展水資源需求預測時，均要求按照不同保證率進行農(nóng)業(yè)需水預測；水文分析計算時經(jīng)常需計算水文頻率（如來水頻率、降水頻率）；建設項目水資源論證時，要求論證取水是否滿足其用水保證率；然而供水設計保證率、水文頻率、來水頻率、來水保證率、用水保證率等在實際工作與管理中關系不清、經(jīng)?；煜?，尤其是對于用水保證率，目前在不同場合、不同對象之間所表述的內(nèi)涵不同，缺少共識。

為解決當前水供需管理中存在的現(xiàn)實問題，本文將分析用水保證率概念和內(nèi)涵，厘清水文頻率、供水保證率、用水保證率三者之間的關系，提出用水保證率的計算方法，探討用水保證率在最嚴格水資源管理中的應用，為全面實施最嚴格水資源管理制度提供技術支撐。

一、用水保證率內(nèi)涵分析

1.基本概念

水文頻率是指水文變量（如降水量、最大洪峰流量、枯季最小流量、最高水位、最低水位、徑流量等）某次出現(xiàn)的值大于或等于一定數(shù)值 （即）的可能性大小，反映了水文變量值出現(xiàn)的概率。常采用經(jīng)驗頻率公式計算樣本水文頻率值。

保證率一般是指某要素值小于或大于某一數(shù)值的可靠程度，通常以某要素在長時期內(nèi)小于或大于某一數(shù)值的累積頻率來表示。在水利工程學科中，保證率被定義為多年內(nèi)灌溉、發(fā)電、航運、給水等部門能按設計要求正常運行的保證程度，一般用正常運行年數(shù)占總年數(shù)的百分數(shù)表示。保證率表征某一事件發(fā)生的可靠程度，為某一可靠性出現(xiàn)的概率。

通常，所說的保證率為設計保證率。在水利規(guī)劃中對各項任務要求一般都要選定某一設計保證率作為規(guī)劃標準，并據(jù)以決定工程的規(guī)模。設計保證率的選定是國家在一定時期內(nèi)技術政策和經(jīng)濟政策的具體體現(xiàn)。保證率越高，付出的代價越大，承受的風險越?。槐ＷC率越低，付出的代價越小，但所需承受的風險勢必越大。通常，各項任務的設計保證率都要在規(guī)劃中根據(jù)其重要性、特點，結(jié)合國家或地區(qū)的經(jīng)濟狀況和有關工程的自然條件，通過技術經(jīng)濟論證最終選定。

供水設計保證率，一般簡稱供水保證率，是預期供水量在多年供水中數(shù)量或時間上（年數(shù)或歷時）能夠得到充分滿足的概率，是評價供水工程供水能力的重要指標，也是供水工程設計標準的一項重要指標。供水保證率一般都是對于供水工程而言的，且適用于工程設計階段。工程運行時，實際供水量達到設計供水量即為 “正常工作”，但是對于用水戶而言（可為單用水戶、多用水戶，也可是受水區(qū)域），即使供水工程按照其供水保證率進行供水，也不一定能滿足其需求，因為其需求可能是不斷增加的，而設計供水量在一定時期內(nèi)可能是相對不變的。若用水戶用水需求是不斷減小的，則供水工程仍按需供水，但此時供水量小于其設計供水量，此時的供水保證率可能嚴重偏小。因此，對于供水工程而言，需要進行“實際供水保證率”的測算?！皩嶋H供水保證率”可表示為工程實際供水滿足用水戶實際需水的程度。

1988年 《中華人民共和國水法》實施以后，特別是對水資源實行取水許可制度和建設項目水資源論證制度以后，用水保證率的概念逐步成為用水需求論證的指標。2005年試行的《建設項目水資源論證導則 （試行）》（SL/Z 322—2005）中要求對建設項目取水進行可靠性分析，2013年修訂后的 《建設項目水資源論證導則》（SL 322—2013）要求對用水保證率進行論證。但目前對用水保證率并沒有統(tǒng)一的定義，多與供水保證率、來水頻率混淆，相關研究也較少。王育杰等認為用水保證率與洪水頻率概念基本相同，用水保證率是指用水部門相應于某較小量級用水特征量 （如小流量或小水量）所可能得到的用水時間保證率P（%），實質(zhì)上反映了枯水可能出現(xiàn)的平均概率或概率，并認為用水保證率具有顯著的客觀隨變特點與關聯(lián)特點，容易受自然條件和人類活動的影響。李清富等認為灌區(qū)來水和需水存在著嚴重的隨機性，灌溉用水只能以一定概率來保證，并根據(jù)灌區(qū)系統(tǒng)總來水量與總用水量之差來評價灌溉用水是否可以得到保證。最終基于隨機思想和可靠度理論建立一種確定灌區(qū)灌溉用水保證率的計算模型，并以示例說明了模型的可行性。劉強等在計算農(nóng)業(yè)用水保證率（P）時，將其表示為農(nóng)業(yè)可供水量 （潛狀供水量或現(xiàn)狀供水量）（Ws）與農(nóng)業(yè)需水量（Wr）的比值，即 P=Ws/Wr；并認為 P＞0.8 時，農(nóng)村生活用水及作物需水得到滿足，大多數(shù)耗水作物產(chǎn)量可達優(yōu)產(chǎn)。

可見，用水保證率是針對用水戶而提出的，主要涉及兩個方面，分別為“用水”和“需水”，用水保證率可表征為用水戶實際用水達到實際需水的概率。沿襲上文供水保證率的定義，用水保證率可定義為“用水戶在多年用水中，在滿足相應水質(zhì)要求的前提下，實際用水量在數(shù)量或時間上達到需水量的概率”。用水保證率是用水保障程度的概率體現(xiàn)。

2.內(nèi)涵分析

用水保證率主要表征了供水工程或部門的供水是否達到用水戶實際用水需求這一事件的可靠程度或保障程度，是用水戶用水得到滿足這一情況發(fā)生的累積概率或頻率；體現(xiàn)了供水工程或部門的供水服務在實際受益主體 （用水戶）用水過程中的滿意程度，體現(xiàn)了用水安全保障的程度。用水保證率越高，則用水戶的用水需求滿足程度越高，用水保障程度越高。可見，用水保證率是相對于用水戶而言的，一般適用于工程實際運行階段。

影響某用水戶用水保證率的因素主要有：來水頻率、供水工程設計規(guī)模、用水戶本身需求變化以及其他用水戶用水影響?；诖?，用水保證率主要包括三方面的基本內(nèi)涵。

（1）以用水戶合理需水為前提

由于用水保證率是水供給 （使用）和水需求的平衡狀態(tài)與能力的表征，因此用水保證率的分析必須基于一個前提，就是用水戶的用水需求是真實的，是相對合理的，即用水保證率是相對于當前特定的技術經(jīng)濟水平下的合理用水需求而言的，過高或過低用水需求標準反演出的供需平衡情況都不是真實的。但合理需求標準的確定往往是一個很大的技術挑戰(zhàn)。具體預測時，可將用水戶的需求分成不同層次，認為其需求從低到高可分為基本需求、發(fā)展需求及和諧需求。不同情況下，可滿足不同層次的用水需求。

（2）從水量、水質(zhì)、持續(xù)性和經(jīng)濟性四個方面進行保障

基于對用水戶用水需求要素的考察，用水保證率實際上是一個四維向量，即現(xiàn)實或情景空間下供水（或用水）在數(shù)量、品質(zhì)、時間、經(jīng)濟4個維度上對真實用水需求的滿足率。

據(jù)此，用水保證率有四大基本要件組成，即：①一定的水量，即供給的水量滿足相應標準下的真實用水需求。如生活供水滿足相應區(qū)域用水定額標準下的用水需求，灌溉供水量滿足有效灌溉面積在充分灌溉或經(jīng)濟灌溉定額下的需水量，工業(yè)供水量滿足工業(yè)企業(yè)正常生產(chǎn)用水需求。②達標的水質(zhì)，即供給的水量達到目標用水相應的水質(zhì)標準。③穩(wěn)定的供給，用以表征供水的持續(xù)性，具體包括供水水源的供水保證率和供水工程系統(tǒng)的可靠性兩方面。④可承受的經(jīng)濟性，包括成本和價格在內(nèi)的經(jīng)濟要素，是用水保障的基礎性要件。海水淡化、雨水集蓄、遠距離調(diào)水等非常規(guī)措施的運用很大程度上就是受到經(jīng)濟承受能力的制約。

（3）包括一般狀態(tài)和應急狀態(tài)2種情景

用水保證率可以分為基于一般狀態(tài)和應急狀態(tài)2種情景下的保障程度，其中一般情景下的保障程度是指在相應設計供水保證率和正常運行條件下維持穩(wěn)定持續(xù)的供水狀態(tài)，表現(xiàn)為目標供水的有效性和供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此狀態(tài)下應滿足用水戶的正常用水需求或發(fā)展用水需求 （即供水越多，越能促進用水戶的向前發(fā)展）。應急狀態(tài)下的保障程度是指在超出設計供水保證率的極端情景、自然或是人為突發(fā)事件條件下，供水系統(tǒng)通過有效的應急措施來規(guī)避風險或降低影響，維持一定標準供水的能力，來滿足用水戶的基本用水需求。

綜合以上分析，研究提出“用水保證率”具有明確物理意義的定義。所謂用水保證率，是指在當前經(jīng)濟技術條件下，用水戶的真實用水需求相對于區(qū)域供水系統(tǒng)的供水，在水量、水質(zhì)、持續(xù)性和經(jīng)濟性等方面得到滿足的程度。

3.關系分析

單水源單工程單用戶條件下的水文頻率、供水保證率和用水保證率三者兩兩之間的關系相對簡單，但單水源單工程多用戶條件下，三者的關系相對復雜，容易引起混淆。

現(xiàn)引入供（用）水量進行三者關系分析，見圖1。圖中為一個供水工程3個用水戶的情形，根據(jù)定義，供水工程的供水保證率S，取決于水資源條件和最低用水保證率的用戶，如圖中S=U1=P1；對于大于水文頻率P1的來水年份，供水工程已不能滿足用水戶U1的正常用水，但U2和U3的用水不受影響；直至來水的水文頻率大于P3，所有用水戶的用水均不能正常供給。

二、用水保證率計算

1.用水保證率分類

對于供水保證率，一般有兩種不同的計量方式：即按保證正常供水的歷時（年、季、月、旬、日等）或按保證正常供水的數(shù)量（水量）來衡量。同樣用水保證率也可按此分為歷時保證率和數(shù)量保證率。

用水保證率按照包含用水戶的數(shù)量多少，可分為單一用水戶用水保證率（如農(nóng)業(yè)用水戶用水保證率、工業(yè)用水戶用水保證率、生活用水戶用水保證率等）和綜合用水保證率（如多用水戶供水工程綜合用水保證率、區(qū)域綜合用水保證率、流域用水保證率等）。用水保證率按照年數(shù)的長短，可分為年度用水保證率、年際用水保證率和長系列用水保證率等。以上幾種保證率可以互相組合，如單一用水戶年度歷時用水保證率、單一用水戶長系列數(shù)量用水保證率、年度綜合用水保證率等。

2.基于可靠度分析的用水保證率計算方法

用水保證率除可采用經(jīng)驗頻率公式進行計算外，還可采用可靠度分析法。

可靠度是指一個系統(tǒng)在規(guī)定的時間、條件下滿足預定功能要求的概率，以承認系統(tǒng)有失效或破壞的可能性為前提。近年來，可靠度分析被應用到防洪系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、水資源調(diào)配系統(tǒng)等水利計算中，并在灌區(qū)灌溉用水保證的概率計算上得到有效嘗試。可靠度分析已成為1種有效的概率設計定量分析方法。

用水保證率的計算主要是基于實際供水量與用水戶需水量的比較，兩變量系列構(gòu)成用水保證率系統(tǒng)，當實際供水量小于需水量時，用水即為破壞，系統(tǒng)將處于失效狀態(tài)，故可采用可靠度分析的方法進行用水保證率的計算。由于在實際情況下，實際供水量基本上不會出現(xiàn)大于用水戶需水量的情況，最多兩者相等。因此，經(jīng)長系列計算得到的可靠概率乘以2才能為用水保證率。

可靠度的計算方法目前主要有一次二階矩法、驗算點法、JC法、吳氏法、蒙特卡羅法、驗證荷載法、變量分布截尾下的JC法、干涉面積法、帕羅黑莫法、實用分析法、二次二階矩法、二次三階矩法、四階矩法、Rosenblueth法和重要性抽樣方法等，每種方法各有其特點和適用條件，這里不再一一贅述。

3.算例研究

圖1 單水源單工程多用戶條件下水文頻率、供水保證率和用水保證率三者之間的關系示意圖

本文以某水庫供水工程為例，進行用水保證率的計算。該水庫位于我國華北地區(qū)，是一座以防洪為主，并結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、工業(yè)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、風景旅游綜合利用的大（2）型水庫。水庫控制流域面積444 km2，總庫容 2.21億 m3，興利庫容1.12億 m3，死庫容 280萬 m3?，F(xiàn)根據(jù)該水庫1966—2012年的實際供水資料，結(jié)合推算的農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水戶的用水需求，進行用水保證率計算。

采用數(shù)量保證率法、歷時保證率法（年保證率法和月保證率法）、JC法和蒙特卡羅法進行用水保證率計算，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯琂C法和蒙特卡羅法計算出來的農(nóng)業(yè)用水保證率與傳統(tǒng)方法中年保證率法、月保證率法計算的用水保證率數(shù)值上相差不大。數(shù)量保證率法計算出來的年、月保證率數(shù)值均一致，月值與其他3種方法計算結(jié)果基本一致，而年值卻偏大較多，主要是因為年、月保證率法計算出對于出現(xiàn)缺水的年、月便不計入保障正常供水的時段總數(shù)，而數(shù)量保證率法則全部計入其 “貢獻”。JC法和蒙特卡羅法進行用水保證率計算時只需估計用水和需水系列的均值、標準差和分布情況，較年、月保證率法簡便。可見，基于可靠度分析的保證率計算方法可用于保證率的核定計算，且具有一定的優(yōu)勢，為供水保證率的核定和用水保證率的設計提供了一種新的計算方法。

由計算結(jié)果可以看出，采用年數(shù)據(jù)計算出來的年用水保證率較采用月數(shù)據(jù)計算出來的月保證率小很多（數(shù)量保證率除外），可見，對于同一用水戶，采用年保證率計量則較難達到設計值，對于供水部門來說，也最難滿足其正常供水要求。本例中，若農(nóng)業(yè)灌區(qū)的設計用水保證率為50%，工業(yè)的設計用水保證率為95%，則月保證率和數(shù)量保證率均達到了設計要求，而年保證率均沒達到要求。

三、用水保證率在最嚴格水資源管理中的應用

根據(jù)用水保證率的概念與內(nèi)涵分析，用水保證率可在規(guī)劃管理、水資源論證與取水許可管理、計劃用水與定額管理、水權(quán)制度與水市場建設等方面進行應用，現(xiàn)探討如下。

在規(guī)劃管理方面，①可根據(jù)不同區(qū)域的水資源條件，制定不同行業(yè)不同的需水層次（如基本、發(fā)展、和諧層次需水），合理預測不同層次的需水量。②可按照用水保證率要求，進行水資源配置。可按用水保證率從大到小確定配置次序，并按照基本、發(fā)展、和諧層次逐層配置。在用水保證率要求范圍內(nèi)，按用水保證率從大到小進行供水配置；在保證率范圍外，按從小到大進行供水配置，但應保證其基本層次的需水。③為達到區(qū)域水資源優(yōu)化配置，可使區(qū)域或規(guī)劃區(qū)域的數(shù)量用水保證率最大。

在水資源論證與取水許可管理方面，①可制訂各行各業(yè)的用水保證率統(tǒng)一標準。不同流域或區(qū)域，可根據(jù)水資源條件，制訂一套適應本地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的用水保證率體系。②建設項目水資源論證及后評估時，應嚴格按照用水保證率進行建設項目用水可靠性論證，確保建設項目在其用水保證率范圍內(nèi)有水可用且用水可靠。保證率范圍外，能盡量多用水，且能滿足其基本需水。③明確取水許可中含有用水保證率的要求。在申請取水許可時，應注明用水戶的用水保證率，以及超出用水保證率外的最小許可水量。

表1 不同計算方法下的用水保證率計算結(jié)果

在計劃用水與定額管理方面，①嚴格控制用水需求，動態(tài)管理用水定額。在用水保證率范圍內(nèi)，用水戶取水計劃不允許豐增枯減，及時跟蹤先進用水水平，動態(tài)核減用水定額。②嚴格按用水保證率進行供水。用水保證率范圍內(nèi)，按需供水；用水保證率范圍外，滿足其基本需水的基礎上，盡量少缺水。③根據(jù)歷年用水情況，動態(tài)調(diào)整許可水量。在保證率不變的情況下，提高用水效率，減少取用水量；在按需供水的情況下，定期核減許可水量。

在水權(quán)制度與水市場建設方面，①可按照用水保證率進行確權(quán)。保證率高的用水戶享有優(yōu)先權(quán)，明確水權(quán)中含有用水保證率的要求。②嚴格按用水保證率進行使用。保證率范圍內(nèi)，用水戶應大力節(jié)水；保證率范圍外，允許存在一定程度的缺水。③按用水保證率進行水權(quán)交易。明確水權(quán)交易包括水量和用水保證率，應確保受讓方的用水保證率在交易后得到滿足，若產(chǎn)生其他影響，應采取一定的補償措施。

四、結(jié) 論

①明確對象，規(guī)范使用水文頻率、供水保證率、用水保證率。水文頻率主要用于河道來水、區(qū)域來水、過境水、降水等水文氣象現(xiàn)象。水資源配置中，應進行不同降水頻率下的農(nóng)業(yè)灌溉需水量預測和不同來水頻率下的可供水量預測。供水保證率主要用于供水工程設計及復核。用水保證率主要用于用水戶的用水設計及運行管理，對于供水要求較高的用水戶，應采用年保證率進行設計。在建設項目水資源論證及后評估中，應進行用水保證率嚴格論證。

②亟須制訂一套用水戶用水保證率體系。可按照《全國水資源綜合規(guī)劃》“新口徑”用水戶分類進行用水保證率制訂，必要時可按《國民經(jīng)濟行業(yè)分類與代碼》（GB/T 4754）對一般工業(yè)和高用水工業(yè)進一步細分行業(yè)并分別制訂用水保證率。

③嚴格按照用水保證率進行供水及管理。按用水保證率大小，控制其用水定額。在發(fā)展層次，除生活和環(huán)境用水外，其他河道外用水定額應根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展水平逐年核減。嚴格按照保證率進行供水，維護用水戶的正常用水權(quán)益，盡量不超保證率供水。保證率范圍內(nèi)，禁止擠占低保證率用水戶的合理用水，若出現(xiàn)，則應進行補償；在保證率范圍外，應盡量使用水戶的缺水量最小，并確保滿足其基本需水。

④合理對待缺水現(xiàn)象。保證率范圍內(nèi)，不應該出現(xiàn)缺水現(xiàn)象（適度缺水可算正?，F(xiàn)象）；保證率范圍外，應該出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，只是應盡量使用水戶的缺水量最小，并保證滿足其基本需水。

⑤明確水權(quán)中含有用水保證率的概念，不同保證率用水戶的許可水量不能簡單地全部轉(zhuǎn)換，相同的許可水量在不同用水保證率下許可時間不等。

[1]楊愛平.水庫興利設計保證率的設計分析[J].水利科技與經(jīng)濟，2012（4）.

[2]李清富，張艷麗，張乾坤，等.灌區(qū)灌溉用水保證的概率問題[J].人民黃河，1997（3）.

[3]侯保燈，高而坤，吳永祥，等.水資源需求層次理論和初步實踐[J].水科學進展，2014（6）.

[4]中華人民共和國水利部.水利工程水利計算規(guī)范[S].1995.

[5]中華人民共和國水利部.灌溉與排水工程設計規(guī)范[S].1999.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.工程結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)一標準[S].2008.

[7]劉佩貴，束龍倉，尚熳廷，等.地下水可開采量可靠性分析的模糊—隨機方法[J].水利學報，2008（9）.

[8]李英.區(qū)域水資源調(diào)配系統(tǒng)的不確定性研究[D].南京：河海大學水文水資源學院，2007.