用水保证率内涵、计算及应用探讨

侯保灯 ，高而坤 ，占许珠 ，吴永祥 ，王建华

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210029，南京；3.水利部水资源司，100053，北京；4.北京中水新华国际工程咨询有限公司，100044，北京）

水利工程设计时，通常采用设计保证率（如供水设计保证率、灌溉设计保证率等）来确定规模；经济社会发展水资源需求预测时，均要求按照不同保证率进行农业需水预测；水文分析计算时经常需计算水文频率（如来水频率、降水频率）；建设项目水资源论证时，要求论证取水是否满足其用水保证率；然而供水设计保证率、水文频率、来水频率、来水保证率、用水保证率等在实际工作与管理中关系不清、经常混淆，尤其是对于用水保证率，目前在不同场合、不同对象之间所表述的内涵不同，缺少共识。

为解决当前水供需管理中存在的现实问题，本文将分析用水保证率概念和内涵，厘清水文频率、供水保证率、用水保证率三者之间的关系，提出用水保证率的计算方法，探讨用水保证率在最严格水资源管理中的应用，为全面实施最严格水资源管理制度提供技术支撑。

一、用水保证率内涵分析

1.基本概念

水文频率是指水文变量（如降水量、最大洪峰流量、枯季最小流量、最高水位、最低水位、径流量等）某次出现的值大于或等于一定数值 （即）的可能性大小，反映了水文变量值出现的概率。常采用经验频率公式计算样本水文频率值。

保证率一般是指某要素值小于或大于某一数值的可靠程度，通常以某要素在长时期内小于或大于某一数值的累积频率来表示。在水利工程学科中，保证率被定义为多年内灌溉、发电、航运、给水等部门能按设计要求正常运行的保证程度，一般用正常运行年数占总年数的百分数表示。保证率表征某一事件发生的可靠程度，为某一可靠性出现的概率。

通常，所说的保证率为设计保证率。在水利规划中对各项任务要求一般都要选定某一设计保证率作为规划标准，并据以决定工程的规模。设计保证率的选定是国家在一定时期内技术政策和经济政策的具体体现。保证率越高，付出的代价越大，承受的风险越小；保证率越低，付出的代价越小，但所需承受的风险势必越大。通常，各项任务的设计保证率都要在规划中根据其重要性、特点，结合国家或地区的经济状况和有关工程的自然条件，通过技术经济论证最终选定。

供水设计保证率，一般简称供水保证率，是预期供水量在多年供水中数量或时间上（年数或历时）能够得到充分满足的概率，是评价供水工程供水能力的重要指标，也是供水工程设计标准的一项重要指标。供水保证率一般都是对于供水工程而言的，且适用于工程设计阶段。工程运行时，实际供水量达到设计供水量即为 “正常工作”，但是对于用水户而言（可为单用水户、多用水户，也可是受水区域），即使供水工程按照其供水保证率进行供水，也不一定能满足其需求，因为其需求可能是不断增加的，而设计供水量在一定时期内可能是相对不变的。若用水户用水需求是不断减小的，则供水工程仍按需供水，但此时供水量小于其设计供水量，此时的供水保证率可能严重偏小。因此，对于供水工程而言，需要进行“实际供水保证率”的测算。“实际供水保证率”可表示为工程实际供水满足用水户实际需水的程度。

1988年 《中华人民共和国水法》实施以后，特别是对水资源实行取水许可制度和建设项目水资源论证制度以后，用水保证率的概念逐步成为用水需求论证的指标。2005年试行的《建设项目水资源论证导则 （试行）》（SL/Z 322—2005）中要求对建设项目取水进行可靠性分析，2013年修订后的 《建设项目水资源论证导则》（SL 322—2013）要求对用水保证率进行论证。但目前对用水保证率并没有统一的定义，多与供水保证率、来水频率混淆，相关研究也较少。王育杰等认为用水保证率与洪水频率概念基本相同，用水保证率是指用水部门相应于某较小量级用水特征量 （如小流量或小水量）所可能得到的用水时间保证率P（%），实质上反映了枯水可能出现的平均概率或概率，并认为用水保证率具有显著的客观随变特点与关联特点，容易受自然条件和人类活动的影响。李清富等认为灌区来水和需水存在着严重的随机性，灌溉用水只能以一定概率来保证，并根据灌区系统总来水量与总用水量之差来评价灌溉用水是否可以得到保证。最终基于随机思想和可靠度理论建立一种确定灌区灌溉用水保证率的计算模型，并以示例说明了模型的可行性。刘强等在计算农业用水保证率（P）时，将其表示为农业可供水量 （潜状供水量或现状供水量）（Ws）与农业需水量（Wr）的比值，即 P=Ws/Wr；并认为 P＞0.8 时，农村生活用水及作物需水得到满足，大多数耗水作物产量可达优产。

可见，用水保证率是针对用水户而提出的，主要涉及两个方面，分别为“用水”和“需水”，用水保证率可表征为用水户实际用水达到实际需水的概率。沿袭上文供水保证率的定义，用水保证率可定义为“用水户在多年用水中，在满足相应水质要求的前提下，实际用水量在数量或时间上达到需水量的概率”。用水保证率是用水保障程度的概率体现。

2.内涵分析

用水保证率主要表征了供水工程或部门的供水是否达到用水户实际用水需求这一事件的可靠程度或保障程度，是用水户用水得到满足这一情况发生的累积概率或频率；体现了供水工程或部门的供水服务在实际受益主体 （用水户）用水过程中的满意程度，体现了用水安全保障的程度。用水保证率越高，则用水户的用水需求满足程度越高，用水保障程度越高。可见，用水保证率是相对于用水户而言的，一般适用于工程实际运行阶段。

影响某用水户用水保证率的因素主要有：来水频率、供水工程设计规模、用水户本身需求变化以及其他用水户用水影响。基于此，用水保证率主要包括三方面的基本内涵。

（1）以用水户合理需水为前提

由于用水保证率是水供给 （使用）和水需求的平衡状态与能力的表征，因此用水保证率的分析必须基于一个前提，就是用水户的用水需求是真实的，是相对合理的，即用水保证率是相对于当前特定的技术经济水平下的合理用水需求而言的，过高或过低用水需求标准反演出的供需平衡情况都不是真实的。但合理需求标准的确定往往是一个很大的技术挑战。具体预测时，可将用水户的需求分成不同层次，认为其需求从低到高可分为基本需求、发展需求及和谐需求。不同情况下，可满足不同层次的用水需求。

（2）从水量、水质、持续性和经济性四个方面进行保障

基于对用水户用水需求要素的考察，用水保证率实际上是一个四维向量，即现实或情景空间下供水（或用水）在数量、品质、时间、经济4个维度上对真实用水需求的满足率。

据此，用水保证率有四大基本要件组成，即：①一定的水量，即供给的水量满足相应标准下的真实用水需求。如生活供水满足相应区域用水定额标准下的用水需求，灌溉供水量满足有效灌溉面积在充分灌溉或经济灌溉定额下的需水量，工业供水量满足工业企业正常生产用水需求。②达标的水质，即供给的水量达到目标用水相应的水质标准。③稳定的供给，用以表征供水的持续性，具体包括供水水源的供水保证率和供水工程系统的可靠性两方面。④可承受的经济性，包括成本和价格在内的经济要素，是用水保障的基础性要件。海水淡化、雨水集蓄、远距离调水等非常规措施的运用很大程度上就是受到经济承受能力的制约。

（3）包括一般状态和应急状态2种情景

用水保证率可以分为基于一般状态和应急状态2种情景下的保障程度，其中一般情景下的保障程度是指在相应设计供水保证率和正常运行条件下维持稳定持续的供水状态，表现为目标供水的有效性和供水系统的稳定性。在此状态下应满足用水户的正常用水需求或发展用水需求 （即供水越多，越能促进用水户的向前发展）。应急状态下的保障程度是指在超出设计供水保证率的极端情景、自然或是人为突发事件条件下，供水系统通过有效的应急措施来规避风险或降低影响，维持一定标准供水的能力，来满足用水户的基本用水需求。

综合以上分析，研究提出“用水保证率”具有明确物理意义的定义。所谓用水保证率，是指在当前经济技术条件下，用水户的真实用水需求相对于区域供水系统的供水，在水量、水质、持续性和经济性等方面得到满足的程度。

3.关系分析

单水源单工程单用户条件下的水文频率、供水保证率和用水保证率三者两两之间的关系相对简单，但单水源单工程多用户条件下，三者的关系相对复杂，容易引起混淆。

现引入供（用）水量进行三者关系分析，见图1。图中为一个供水工程3个用水户的情形，根据定义，供水工程的供水保证率S，取决于水资源条件和最低用水保证率的用户，如图中S=U1=P1；对于大于水文频率P1的来水年份，供水工程已不能满足用水户U1的正常用水，但U2和U3的用水不受影响；直至来水的水文频率大于P3，所有用水户的用水均不能正常供给。

二、用水保证率计算

1.用水保证率分类

对于供水保证率，一般有两种不同的计量方式：即按保证正常供水的历时（年、季、月、旬、日等）或按保证正常供水的数量（水量）来衡量。同样用水保证率也可按此分为历时保证率和数量保证率。

用水保证率按照包含用水户的数量多少，可分为单一用水户用水保证率（如农业用水户用水保证率、工业用水户用水保证率、生活用水户用水保证率等）和综合用水保证率（如多用水户供水工程综合用水保证率、区域综合用水保证率、流域用水保证率等）。用水保证率按照年数的长短，可分为年度用水保证率、年际用水保证率和长系列用水保证率等。以上几种保证率可以互相组合，如单一用水户年度历时用水保证率、单一用水户长系列数量用水保证率、年度综合用水保证率等。

2.基于可靠度分析的用水保证率计算方法

用水保证率除可采用经验频率公式进行计算外，还可采用可靠度分析法。

可靠度是指一个系统在规定的时间、条件下满足预定功能要求的概率，以承认系统有失效或破坏的可能性为前提。近年来，可靠度分析被应用到防洪系统、地下水系统、水资源调配系统等水利计算中，并在灌区灌溉用水保证的概率计算上得到有效尝试。可靠度分析已成为1种有效的概率设计定量分析方法。

用水保证率的计算主要是基于实际供水量与用水户需水量的比较，两变量系列构成用水保证率系统，当实际供水量小于需水量时，用水即为破坏，系统将处于失效状态，故可采用可靠度分析的方法进行用水保证率的计算。由于在实际情况下，实际供水量基本上不会出现大于用水户需水量的情况，最多两者相等。因此，经长系列计算得到的可靠概率乘以2才能为用水保证率。

可靠度的计算方法目前主要有一次二阶矩法、验算点法、JC法、吴氏法、蒙特卡罗法、验证荷载法、变量分布截尾下的JC法、干涉面积法、帕罗黑莫法、实用分析法、二次二阶矩法、二次三阶矩法、四阶矩法、Rosenblueth法和重要性抽样方法等，每种方法各有其特点和适用条件，这里不再一一赘述。

3.算例研究

图1 单水源单工程多用户条件下水文频率、供水保证率和用水保证率三者之间的关系示意图

本文以某水库供水工程为例，进行用水保证率的计算。该水库位于我国华北地区，是一座以防洪为主，并结合农业灌溉、发电、工业供水、水产养殖、风景旅游综合利用的大（2）型水库。水库控制流域面积444 km2，总库容 2.21亿 m3，兴利库容1.12亿 m3，死库容 280万 m3。现根据该水库1966—2012年的实际供水资料，结合推算的农业和工业用水户的用水需求，进行用水保证率计算。

采用数量保证率法、历时保证率法（年保证率法和月保证率法）、JC法和蒙特卡罗法进行用水保证率计算，结果如表1所示。可以看出，JC法和蒙特卡罗法计算出来的农业用水保证率与传统方法中年保证率法、月保证率法计算的用水保证率数值上相差不大。数量保证率法计算出来的年、月保证率数值均一致，月值与其他3种方法计算结果基本一致，而年值却偏大较多，主要是因为年、月保证率法计算出对于出现缺水的年、月便不计入保障正常供水的时段总数，而数量保证率法则全部计入其 “贡献”。JC法和蒙特卡罗法进行用水保证率计算时只需估计用水和需水系列的均值、标准差和分布情况，较年、月保证率法简便。可见，基于可靠度分析的保证率计算方法可用于保证率的核定计算，且具有一定的优势，为供水保证率的核定和用水保证率的设计提供了一种新的计算方法。

由计算结果可以看出，采用年数据计算出来的年用水保证率较采用月数据计算出来的月保证率小很多（数量保证率除外），可见，对于同一用水户，采用年保证率计量则较难达到设计值，对于供水部门来说，也最难满足其正常供水要求。本例中，若农业灌区的设计用水保证率为50%，工业的设计用水保证率为95%，则月保证率和数量保证率均达到了设计要求，而年保证率均没达到要求。

三、用水保证率在最严格水资源管理中的应用

根据用水保证率的概念与内涵分析，用水保证率可在规划管理、水资源论证与取水许可管理、计划用水与定额管理、水权制度与水市场建设等方面进行应用，现探讨如下。

在规划管理方面，①可根据不同区域的水资源条件，制定不同行业不同的需水层次（如基本、发展、和谐层次需水），合理预测不同层次的需水量。②可按照用水保证率要求，进行水资源配置。可按用水保证率从大到小确定配置次序，并按照基本、发展、和谐层次逐层配置。在用水保证率要求范围内，按用水保证率从大到小进行供水配置；在保证率范围外，按从小到大进行供水配置，但应保证其基本层次的需水。③为达到区域水资源优化配置，可使区域或规划区域的数量用水保证率最大。

在水资源论证与取水许可管理方面，①可制订各行各业的用水保证率统一标准。不同流域或区域，可根据水资源条件，制订一套适应本地区经济社会发展的用水保证率体系。②建设项目水资源论证及后评估时，应严格按照用水保证率进行建设项目用水可靠性论证，确保建设项目在其用水保证率范围内有水可用且用水可靠。保证率范围外，能尽量多用水，且能满足其基本需水。③明确取水许可中含有用水保证率的要求。在申请取水许可时，应注明用水户的用水保证率，以及超出用水保证率外的最小许可水量。

表1 不同计算方法下的用水保证率计算结果

在计划用水与定额管理方面，①严格控制用水需求，动态管理用水定额。在用水保证率范围内，用水户取水计划不允许丰增枯减，及时跟踪先进用水水平，动态核减用水定额。②严格按用水保证率进行供水。用水保证率范围内，按需供水；用水保证率范围外，满足其基本需水的基础上，尽量少缺水。③根据历年用水情况，动态调整许可水量。在保证率不变的情况下，提高用水效率，减少取用水量；在按需供水的情况下，定期核减许可水量。

在水权制度与水市场建设方面，①可按照用水保证率进行确权。保证率高的用水户享有优先权，明确水权中含有用水保证率的要求。②严格按用水保证率进行使用。保证率范围内，用水户应大力节水；保证率范围外，允许存在一定程度的缺水。③按用水保证率进行水权交易。明确水权交易包括水量和用水保证率，应确保受让方的用水保证率在交易后得到满足，若产生其他影响，应采取一定的补偿措施。

四、结 论

①明确对象，规范使用水文频率、供水保证率、用水保证率。水文频率主要用于河道来水、区域来水、过境水、降水等水文气象现象。水资源配置中，应进行不同降水频率下的农业灌溉需水量预测和不同来水频率下的可供水量预测。供水保证率主要用于供水工程设计及复核。用水保证率主要用于用水户的用水设计及运行管理，对于供水要求较高的用水户，应采用年保证率进行设计。在建设项目水资源论证及后评估中，应进行用水保证率严格论证。

②亟须制订一套用水户用水保证率体系。可按照《全国水资源综合规划》“新口径”用水户分类进行用水保证率制订，必要时可按《国民经济行业分类与代码》（GB/T 4754）对一般工业和高用水工业进一步细分行业并分别制订用水保证率。

③严格按照用水保证率进行供水及管理。按用水保证率大小，控制其用水定额。在发展层次，除生活和环境用水外，其他河道外用水定额应根据经济社会发展水平逐年核减。严格按照保证率进行供水，维护用水户的正常用水权益，尽量不超保证率供水。保证率范围内，禁止挤占低保证率用水户的合理用水，若出现，则应进行补偿；在保证率范围外，应尽量使用水户的缺水量最小，并确保满足其基本需水。

④合理对待缺水现象。保证率范围内，不应该出现缺水现象（适度缺水可算正常现象）；保证率范围外，应该出现缺水现象，只是应尽量使用水户的缺水量最小，并保证满足其基本需水。

⑤明确水权中含有用水保证率的概念，不同保证率用水户的许可水量不能简单地全部转换，相同的许可水量在不同用水保证率下许可时间不等。

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