供水能力相關概念及計算方法辨析

游進軍，林鵬飛，蔣云鐘,付 敏

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

供水能力是一個常用的水利術語，對于區域水資源開發狀況評估、供需形勢分析以及相關決策具有重要意義。供水能力能夠反映區域水資源開發情勢，是確定水利工程規劃建設方案的重要參考，體現了水利服務民生、支撐經濟社會發展的能力，也是水利供給側改革的主要成效指標[1]。供水能力分析是水資源中長期規劃重要工作，也是水資源開發利用和配置體系的重要內容。從水利統計數據看，全國層面以及大多數地區統計的供水能力均高于實際供用水量，該結果與當前供需形勢和缺水現狀存在矛盾，使得水源工程規劃建設的必要性受到質疑。造成該現象的主要原因是缺乏對供水能力的科學認識和統計[2]。隨著生態文明理念的深入和最嚴格水資源管理制度的全面推行，我國水資源供需形勢出現了明顯變化，對供水能力的科學客觀評價提出了更高要求。因此，明晰供水能力相關概念，對提高水資源管理以及水利工程規劃工作具有重要意義。

1 供水能力相關概念

供水能力概念提出較早，其中文含義淺顯易懂，專業和非專業領域均廣泛引用。文獻檢索表明，雖然大量文獻和報告中使用供水能力這一概念，并延伸使用工程供水能力、區域供水能力、現狀和規劃供水能力等術語，然而很少有人專門針對供水能力的定義進行深入探討。

GB/T 50095—2014《水文基本術語和符號標準》將供水能力定義為“利用供水工程設施，對水量進行存儲、調節、處理、傳輸，可以向用水戶分配的具有一定保證程度的最大供水量”。GB/T 30943—2014《水資源術語》沿用了該定義，《中國資源科學百科全書》水資源科學分冊的定義基本相同。該定義的要點是供水能力應針對工程分析，其次是滿足一定保證程度向用水戶分配的能力，第三是滿足要求的最大供水量，較為準確的總結了工程供水能力分析要求。

然而，工程供水能力不能準確表達區域的供水安全狀況，實際工作中區域整體供水能力對于決策更為重要?！度珖Y源綜合規劃技術細則》提出了區域供水能力的概念，將其定義為“區域內所有供水工程組成的供水系統，依據系統來水條件、工程狀況、需水要求及相應的運用調度方式和規則，提供不同用戶、不同保證率的供水量”，并區分了現狀和規劃供水能力?，F狀供水能力是指現狀條件下相應供水保證率的供水量。規劃新增供水能力是考慮地表、地下水和其他可能的供水工程的變化，與現狀條件相比對應保證率能提高的供水量。該技術大綱以規劃為目標突出了區域供水能力的概念，以及不同用戶和保證率要求的影響，說明供水能力的概念具有一定的彈性，表征了不同條件下的供水量。目前無論技術管理人員還是研究人員，對供水能力的基本含義和相關要素都有一定共識，但對其概念缺乏深入理解且缺乏相對統一規范的計算方法，導致具體分析應用中存在各種爭議。

由于供水能力對水利規劃管理工作和供需分析的重要性，部分研究對其含義和計算要求進行了探討。臺世舜[3]提出供水能力一般指蓄、引、提工程設計供水規模，與來水、需水沒有直接聯系，隨著工程規模的擴大，供水能力可相應增加。甘泓等[4]提出水資源系統的穩定供水能力需要從系統的可供水量、供水保證率和供水破壞深度三方面衡量。方紅遠等[5]指出區域供水能力需要綜合考慮需求大小、工程容量等動態變化條件。游進軍等[6]考慮區域水量需求、天然來水和工程條件等三方面因素，提出以引提水和河網調蓄工程調度計算為中心的區域供水概化算法。郭旭寧等[7]指出水庫群供水能力不僅取決于水庫的興利庫容，而且與聯合調度規則密切相關。柳林云等[8]以蓄水、引水、提水、調水工程供水能力之和作為長江流域區域供水能力，分析了長江流域近20年的開發利用進程和潛力。林鵬飛等[9]研究了并聯水庫系統供水能力的影響因素，證明了聯合供水系統的供水能力高于水庫單獨運行時供水能力之和。王慶利等[10]考慮多種用水戶保證率的差異性，分析了生態用水、保證率變化等對水庫供水能力的影響。由于供水能力計算涉及的因素較多，而且不同水利工程的性質不同，導致供水能力計算方法不夠統一，容易出現偏差，給相關決策帶來不利影響。

2 供水能力影響因素

目前對供水能力的共識體現了一定要求下滿足用戶需水的水平和能力，但在使用和計算過程中仍然存在幾點關系需要進一步明晰：供水能力與需水關系，供水能力與來水關系，單個工程與區域整體的關系，骨干工程和配套工程的關系，生態流量與供水能力的關系。

a.供水能力應與需水用戶相關，而與需水量無關。供水能力是否與需水相關是一個焦點問題，存在明顯分歧，各有依據。堅持與需水無關的觀點認為，供水能力表達一種以工程為基礎的客觀狀態，不應隨需求變化而變化，否則這種狀態就不具有客觀性。而堅持與需水有關的觀點則認為，沒有特定的需水無法分析工程或工程系統是否能在一定條件(如保證率)下保障需水的要求，因而供水能力不應該獨立于需水存在。筆者認為供水能力應與需求用戶相關，而不是與需水量相關。需水是計算供水能力的必要條件，但不應是構成供水能力的要素。不同用戶的保障要求不同，供水能力需要衡量在來水偏枯等不利條件下可保障的需水。同一個工程，在承擔城鎮供水和農業灌溉等不同任務時，由于保證率要求不同，其供水能力應不同。在用水戶確定的情況下，供水能力應由工程決定，不受需求變化影響。隨著經濟社會的發展，很多水利工程的供水目標從單一目標轉換為多個目標，設計供水能力不能代表實際承擔供水任務的能力，因此需要考慮用水戶類型的變化，按照不同供水目標的保證率要求進行復核。

b.供水能力應考慮上游工程建設和取用水導致的來水條件變化。由于來水涉及工程間的水力關系，因此供水能力與來水是否相關的判斷也更加復雜。筆者認為來水是計算供水能力的必要條件。對于地表水工程而言，單個工程的供水能力計算與來水關系密切，在給定來水條件下分析供水能力是工程規劃設計的基本工作。但工程來水條件會受上游工程建設和取用水變化影響，其實際供水能力也會隨之變化，即工程設計階段分析的能力不能代表其實際供水能力。一般而言，工程數量增加，工程的來水條件受上游工程取用水的影響將發生變化，雖然區域整體供水能力增強，但單個工程供水能力可能降低。以三亞河福萬水庫和水源池水庫兩座中型串聯水庫為例，上游福萬水庫多年平均來水量為2 604萬m3，興利庫容998萬m3；下游水源池水庫興利庫容1 190萬m3，兩庫區間來水量為3 751萬m3。若不考慮福萬水庫的影響，水源池水庫的年均入庫徑流量為6 355萬m3，長系列調算表明95%供水保證率要求下其供水能力為2 328萬m3。福萬水庫95%保證率下年供水能力為1 464萬m3，考慮福萬水庫對上游來水的攔蓄作用，水源池水庫年供水能力降低至1 956萬m3?？梢钥闯?，福萬水庫建成后的下游水源池水庫供水能力減少372萬m3，但雙庫聯合系統供水能力增加1 092萬m3。上述結果說明水庫上游新建工程后，下游工程自身獨立的供水能力會降低，但系統整體供水能力會增加。因此，對于區域或流域整體而言，其來水條件是不變的，區域供水能力只與工程有關，單獨討論某個工程的供水能力必須明確來水條件。

c.區域供水能力不是單個工程供水能力的簡單疊加。區域整體供水能力和單個工程供水能力存在明顯不同。二者存在密切關系，區域總供水能力必須從區域整體進行分析計算，不能將單個工程設計供水能力簡單累加。這是水利工程與其他類別基礎設施工程在計算增加保障能力時的主要區別，也是依托工程規劃分析新增供水能力與實際存在差異的關鍵。新建工程可以提高區域整體供水能力，在水資源條件不變的情況下，更多是增強系統的供水保障能力，尤其是通過存蓄增加枯水年等不利條件下的能力，不能簡單等同于增加工程設計供水能力。

d.骨干工程供水能力應考慮配套工程建設情況。骨干工程和配套工程在界定供水能力時也容易帶來爭議。按照供水能力的基本定義，應以供水工程系統可以滿足用戶需求的水平衡量其能力，因此必須考慮配套工程狀況。一方面，水利工程從骨干工程到配套工程的建成周期非常長，實際中不得不采用現狀供水能力和設計供水能力分別表達配套工程部分建成和完全建成達效狀態下的供水能力。但供水能力數據很難做到實時變化，因而難以準確界定現狀和設計供水能力。另一方面由于水利工程存在水力聯系，部分工程既可以承擔獨立供水任務，也可以承擔現有骨干工程的配套作用，即骨干工程和配套工程也存在前文所述的工程間能力重疊問題。因此，評價大型工程系統的供水能力時，應將骨干工程與配套工程作為一個整體分析。

e.新增生態流量要求影響供水能力。水利工程運行中確?；旧鷳B流量下泄已經成為共識，但生態流量會對供水能力分析帶來不確定影響。一是早期的工程設計中通常未考慮生態需求，導致不同時期供水能力的概念和意義不一致；二是工程調度的生態需求和河流生態需求不一致；三是實際的生態流量標準、優先級存在不一致。這些差異化認識都給分析計算供水能力帶來不確定性。

從上述分析可以得出，供水能力的概念存在很多不確定性，導致其分析計算不規范，在使用中存在較多容易引起矛盾的問題。因此，界定其概念不僅需要明確影響因素與分析計算方法的關系，更需要從認識上達成一致。在不能形成統一認識、規范定義和計算方法的情況下，筆者認為應在特定工作范圍內作說明，避免歧義。

3 相關概念辨析

供水能力的影響因素較多，當面對不同的工程類型、水源類型、供水階段時供水能力計算方法存在一定差異，本文結合不同情況進一步探討供水能力的意義。同時，供水能力在使用過程中通常與水資源可利用量、可供水量存在混淆，需要進一步對相關概念進行辨析。

3.1 供水能力

a.按工程組成分析。按照工程組成可以劃分為單一工程、供水系統、區域整體等不同類型的供水能力。其中，單一工程通常是指地表水工程，包括蓄、引、提、調等工程，需要結合調度規則分析多個用水戶在不同保證率要求下的供水能力[10]。供水系統包括取水、輸水、凈水、配水等多個環節，其供水能力由水源工程、水廠及管網等共同決定。對于多個水源工程組成的供水系統，需要考慮不同工程之間的調度規則，分析系統整體在合理調度下滿足保證程度的最大供水量[9]。區域供水能力表達區域內所有工程集合對用戶用水保障的情況，需要在區域范圍界定基礎上考慮來水、用水過程及工程調控的影響，計算不同來水條件、水量配置模式下用戶需求的保障情況，最后分析得出滿足不同用戶不同保證率的最大供水量。目前對于單一工程、供水系統、區域整體等不同角度供水能力的使用和分析還存在混淆，需要以單個工程的供水能力分析為基礎，明確各自的概念，提出合理的分析計算方法。

b.按水源類型分析。按水源類型劃分，一般包括地表水、地下水和非常規水等三類供水能力。地表水源由于受水資源時空分布不均的影響，供水能力的大小受到來水的不確定性影響較大，因此在計算地表水供水能力時必須嚴格考慮保證率的約束作用。地下水和非常規水源在水源穩定的條件下，主要根據其工程規模和供水范圍評價供水能力。由于非常規水源一般不存在水源交叉關系，其供水能力可以采用工程規模并累加，但實際應用時需要考慮水質影響下的供水范圍。

c.按供水階段分析。按照《全國水資源綜合規劃技術大綱》，可將供水能力劃分為現狀供水能力和設計供水能力?，F狀供水能力是指在現狀條件下工程的實際供水能力，設計供水能力是指工程及相應的配套設施按照規劃設計建成后，整個工程的供水能力。受配套設施建設情況不夠完善或年久失修等情況的影響，設計供水能力一般大于現狀供水能力[11]。但實際也存在另一種可能，即上游用水增加導致工程來水減少，工程會無法達到設計供水能力。因此，現狀和設計供水能力也需要根據工程實際情況進行分析和修正，直接用于統計分析可能會與現實情況出現較大的偏差。

3.2 水資源可利用量與供水能力

水資源可利用量是在可預見的時期內，在統籌考慮河道內生態環境和其他用水的基礎上，通過經濟合理、技術可行的措施，可供河道外一次性利用的最大水量(不包括回歸水的重復利用)[12-13]，表達了合理的水資源利用上限值[13]。

對比水資源可利用量和供水能力的概念，兩者的約束條件不同，供水能力需要與工程、用戶類型關聯分析。在實際研究工作中，不少專家學者對水資源可利用量作了探討[14-17]，水資源可利用量與供水能力區別在于前者界定了開發利用的上限，后者主要從工程角度出發分析滿足要求的供水量。理論上，區域供水量不應超過水資源可利用量，供水能力也應受此約束。水資源可利用量是一次性利用的最大水量，是可消耗的水資源量。供水能力分析的是可供出的水量，由于存在著水資源的內部利用循環，難以簡單與可利用量進行對比。從實際工作而言，兩者實際服務于不同的任務，水資源可利用量更多用于承載能力等總體概念性的分析，供水能力應用于工程規劃計算。兩者在分析計算上具有密切關系，應從學術研究角度進一步探討。

3.3 可供水量與供水能力

可供水量是在考慮來水和用水條件，通過各種工程措施可提供的水資源量。部分學者探討了可供水量的概念[18-19]，均認為其與來水條件、工程規模、用水需求相關?？梢钥闯隹晒┧康母拍钆c供水能力非常相似，都需要綜合來水、工程和需求分析計算。區別在于兩者表達的目標不同，可供水量強調實際可供出的水量，不強調供水穩定性和安全性，且隨來水頻率年變化而變化。而供水能力是滿足保障程度的最大供水量，不應隨著來水條件發生變化。此外，可供水量與具體的需水量相關，而供水能力只與需水用戶相關，不隨需水量變化而改變。簡言之，供水能力是給定保證率下的供水量。

3.4 來水保證率與供水保證率

保證率是評價供水工程供水能力的重要因素，包括來水保證率和供水保證率。來水保證率是統計分析某一量級來水或某一水位得到保證的程度[20]。依據經驗頻率的計算方法，采用實測系列資料，統計量從大到小降序排列。來水保證率的經驗計算公式為

(1)

式中：pru為來水保證率；n為排序號；m為樣本數。

供水保證率是指預期供水量在多年供水中能夠得到充分滿足的年數出現的概率，是評價供水能力的重要指標。供水保證率的計算公式為

(2)

式中：Psu為供水保證率；N為長系列水文年中可供水量能夠滿足某一供水量的年數；M為總年數。

來水保證率與供水保證率有聯系也有區別，實際中也存在一些混淆。就供水能力分析而言，在工程不具備調蓄能力的條件下，這兩個保證率實際沒有差異。如GB 50282—2016《城市給水工程規劃規范》提出城市給水水源的枯水流量保證率可采用90%～97%，實際是按照來水條件進行分析。但當工程具備調蓄能力時，由于存在年際間的徑流補償關系，來水保證率與供水保證率存在不同頻的現象，該情況下供水能力應采用供水保證率分析。

不同用戶要求的供水保證程度不同，在同時承擔多個不同類型用戶供水任務時，應按照不同用戶保證率計算，而且不同用戶、不同頻率的供水能力不能簡單累加。一般情況下，居民用水供水保證率一般在95%以上，工業用水在90%以上，而農業用水相對較低。

4 案例分析

4.1 研究區概況

成都市位于四川盆地西部，是都江堰灌區的核心區，面積1.43萬km2。近年來隨著城市范圍的增大、人口和經濟規模的增加，水資源需求不斷增強，加之都江堰灌區擴大，水資源供需矛盾日益明顯，影響到區域可持續發展。準確核算區域供水能力，對合理規劃布局水利工程，保證區域供水安全十分重要。

成都市可利用水源包括本地地表水、地下水、過境水、非常規水源以及外調水。由于水源類型多，相互關系密切，全市的供水能力需要在整體配置模式下分析計算。筆者依據《成都市水資源綜合規劃(修編)》成果，根據2025年、2030年的需水預測數據和1964—2008年的水資源評價數據，以ROWAS為工具構建了成都市水量配置模型，并對區域供水能力進行分析[21]。

4.2 計算邊界條件

a.水資源量。水資源量是供水能力分析計算的基礎。依據水資源規劃對1964—2008年長系列數據的評價結果，成都市地表水資源量為85.93億m3，地下水資源量為32.16億m3，地表地下重復量27.54億m3，本地水資源總量為90.55億m3。全市入境水量多年平均值156.20億m3，其中岷江入境148.40億m3，沱江入境7.80億m3。

b.需水量。根據《成都市水資源規劃(修編)》成果，按照生活、生產、生態口徑的2016年、2025年、2030年需水成果如表1所示。以該需水計算現狀工程在不同需水條件下的可供水量。

表1 成都市不同水平年需水量

4.3 單個工程與區域供水能力分析

根據《成都市水利統計年報》，2018年所有工程供水能力疊加值為186.90億m3?？紤]水利工程之間的水力聯系，基于成都市水資源配置模型，按照生活、工業滿足95%保證率，農業滿足75%保證率，分析得出的區域供水能力為70.30億m3。由此可見，采用工程供水能力疊加處理會造成區域供水能力偏大的問題。因此，在計算區域供水能力時，若水利工程之間不存在水力聯系，將各供水工程的供水能力直接相加即等于區域供水能力；當存在水力聯系時，需根據一定的原則和運行方式構建區域供水能力聯合結算模型進行求解，而不能進行簡單的疊加。

4.4 可利用水資源量與區域供水能力分析

根據水資源評價結果，成都市當地水資源可開發利用總量為33.93億m3，岷沱江過境水(入成都斷面水量)的可利用總量為120.70億m3。綜合考慮，成都市水資源可利用量的多年平均值為154.60億m3，而成都市的區域供水能力僅為70.30億m3。對比結果表明，可利用量不受需水用戶類型及保證率要求約束，對于豐水地區可利用量值一般要大于供水能力值。

4.5 可供水量與供水能力分析

成都市可供水量與區域供水能力模型計算結果表明，見圖1。成都市2025水平年可供水量多年平均值為65.30億m3；2030水平年可供水量多年平均值為71.40億m3。在工程條件和來水條件一致的情況下，可供水量與需水相關，隨著需水增大可供水量也逐步增大，同時缺水也可能隨之增加。而區域供水能力在工程規模、來水條件及用水戶保證率要求確定后，其值即可確定?？晒┧侩S著來水情況波動，來水較多時可供水量可以高于供水能力，而來水條件較差時可低于供水能力?？晒┧颗c供水能力也不存在線性相關關系，不可以采用簡單的比例關系由供水能力推算可供水量或者由可供水量推算供水能力。

圖1 可供水量與供水能力關系

根據2030年計算結果，分析不同來水保證率各水源的供水量關系，見表2。由于地下水和非常規水源供水規模有限，枯水條件可供水量有一定增長，但增幅有限。本地水工程由于枯水年來水減少，可供水量將減少，水源條件相對穩定的過境水供水量在枯水年需要進一步增大。不同類別水源受來水和工程控制影響，可供水量變化呈現不同特征。未來成都市的供水安全需要本地水和過境水共同開發，本地水在平水年增加供給量，而枯水年需要加大過境水的利用保障供水安全。

表2 2030年不同來水保證率各水源可供水量

4.6 來水保證率與供水保證率分析

通過對本地水資源量排頻，根據式(1)得到成都市不同來水保證率對應的年份，相應年份的供水量作為對應來水保證率下的供水量。通過對逐年的供水量排頻分析，根據式(2)得到成都市不同供水保證率對應的供水量，兩者的結果對比見表3。兩種方式選擇得出的可供水量不同，通過兩種保證率對應的年份也不一致。由于兩種分析方式在實際中均有應用，因此應注意其區別。因此，在計算區域或者大中型水庫的供水能力時，不能簡單選用來水保證率對應年份的結果。同時也說明，在水庫等調蓄工程具有相互調劑作用時不能簡單地選用典型年法進行供水能力計算，割裂水文年之間的補償關系。

表3 供水保證率和來水保證率對比分析

5 結 語

a.單個工程及多個工程組成的聯合供水系統，需要考慮調度規則的約束作用，結合多目標、多保證率要求計算供水能力。

b.區域供水能力不能將單個工程供水能力簡單疊加，需要考慮工程間水力聯系的互相作用，構建區域整體的水資源配置模型，計算滿足不同用水戶保證率要求的供水能力。

c.區域可利用水量為一次性可提供的最大水資源量，不受需水用戶及保證率的約束作用；區域可供水量受用水戶需水量的限制，但不考慮保證率的約束作用；供水能力與需水用戶的類型相關，而與具體的需水量無關，是一定保證率要求下的最大可供水量。

d.確定工程供水能力時需要辨別供水能力的階段，不能簡單將設計階段供水能力作為現狀供水能力，需要考慮上游工程建設、取用水等對來水條件的影響以及供水對象的變化情況。

e.供水能力及其相關概念由于涉及條件復雜、需求導向不同，當前仍然缺乏系統規范的定義，還需進一步分析其應用需求和與各類影響因素的相關關系，通過研究形成技術標準，規范其分析計算和應用，支撐相關決策判斷，以便水利部門和其他部門工作的順暢銜接。