引水灌溉工程的水利計算

慈紅衛(wèi)

(黑龍江省紅興隆墾區(qū)江川水利建筑有限公司，黑龍江紅興隆154302)

與蓄水灌溉工程不同，引水灌溉工程沒有調(diào)節(jié)徑流的能力，只能把河流來水量作空間上的調(diào)撥( 即由灌溉水源引入灌區(qū)) ，而不能作時間上的調(diào)節(jié)( 即余水即蓄、缺水即放) 。因此，確定引水灌溉工程規(guī)模的水利計算，在于推求設計引水流量和保證灌溉面積。保證灌溉面積系指為滿足某一灌溉設計保證率的用水需要，引河水灌溉的面積。引水灌派常以旬作為水利計算的計算時段。

1 灌溉設計標準

1.1 灌溉設計保證率

灌溉設計保證率是指灌區(qū)用水量在多年間能夠得到充分滿足的幾率。一般以正常供水的年數(shù)或供水不被破壞的年數(shù)占總年數(shù)的百分數(shù)表示，例如，頻率P =80%表示灌溉設施在長期運用過程中，平均每100 a可保證80 a正常供水。為了修正以樣本資料推測總體規(guī)律的某些不合理的地方，灌溉設計保證率常用下式進行計算，即

式中: p 灌溉設計保證率，%; m 為灌溉設施能保證正常供水的年數(shù); n 為灌溉設施供水的總年數(shù)。

灌溉設計保證率綜合反映了灌區(qū)用水和水源供水兩方面的情況，較好地表達了灌溉工程的設計標準。灌溉設計保證率因各地自然條件、經(jīng)濟條件的不同而有所不同。具體可根據(jù)灌區(qū)水文氣象、水土資源、作物組成、灌區(qū)規(guī)模、灌水方法、生態(tài)經(jīng)濟效益等因素，參考表1 數(shù)值確定。

1.2 抗旱天數(shù)

所謂抗旱天數(shù)是指灌溉設施在無降水的情況下能滿足作物需水要求的天數(shù)。它反映了灌溉設施的抗旱能力，也是灌溉設計標準的指標之一。關于“抗旱天數(shù)”的標準，水電部所定SD288—99 試行規(guī)范中已規(guī)定“采用抗旱天數(shù)作為灌溉設計標準的地區(qū)，旱作物和單季稻灌區(qū)抗旱天數(shù)可為30 ～50 d，雙季稻灌區(qū)抗旱天數(shù)可為50 ～70 d，有水源條件和經(jīng)濟條件的地區(qū)應予提高”。

抗旱天數(shù)的概念比較清楚，容易被人們所理解接受。因此，在我國小型灌區(qū)和農(nóng)田基本建設規(guī)劃設計中，多以抗旱天數(shù)作為設計標準。但由于無雨日的確定有一些實際困難。加之不便于與其他用水部門的保證率對照比較，故在大中型灌溉工程及綜合利用工程的設計中還較少采用。灌溉工程的水利計算，一般有蓄水工程的水利計算、引水工程的水利計算以及抽水工程的水利計算等。

表1 灌溉設計保證率

2 有壩引水樞紐水文水利計算

2.1 設計引水流量的確定

2.1.1 長系列法

所謂長系列法，就是首先計算歷年的渠首河流來水過程線和已定灌區(qū)的灌溉用水過程線，再逐年比較這兩個過程，統(tǒng)計出河流來水滿足灌溉用水的保證年數(shù)。長系列法考慮了歷年的引水流量與灌溉用水流量的實際變化及配合，只要所選取的系列年組有足夠的代表性，其成果一般比較可靠，但工作量比較大。

2.1.2 設計代表年份

設計代表年法是選擇某幾個代表年份，進行引水量平衡計算，其計算方法與長系列法相同，但該法系僅就選定的代表年份進行計算，故計算工作量較小，在選取的設計代表年具有一定的代表性時，成果還是可靠的。具體計算步驟有:

2.1.2.1 選擇設計代表年

由于僅選擇一個年份作為代表，具有很大的偶然性，故可按下述方式選擇一個代表年組:①以渠首河流歷年的來水量，進行頻率分析，按灌區(qū)所要求的灌溉設計保證率，選出2～3 a，作為設計代表年，并求出相應年份的灌溉用水過程。②以灌區(qū)歷年作物生長期降雨量或灌溉定額進行頻率分析，選擇保證率接近于灌區(qū)所要求的灌溉設計保證率的年份2 ～3 a，作為設計代表年，并根據(jù)水文資料，查得相應年份渠首河流的來水過程。③由上述一種或兩種方法所選得的設計代表年中，選出2 ～6 a組成一個設計代表年組。

2.1.2.2 對設計代表年組中的每一年，進行飲水量平衡計算與分析

如在引水量平衡計算中，發(fā)生破壞情況，則應采取縮小灌溉面積，改變作物組成或降低設計標準等措施，并重新計算。

2.1.2.3 選擇設計代表年組中實際引水流量最大的年份

作為設計代表年，并以該最大飲水量作為設計流量。

2.2 攔河壩高度的確定

根據(jù)一般規(guī)劃設計經(jīng)驗，攔河壩的高度應滿足下述3 方面的要求:

1) 應滿足灌溉所要求的引水高程。

2) 在滿足灌溉引水要求的前提下，使筑壩后上游淹沒損失盡可能小，亦即在宣泄一定設計頻率洪水的條件下，使溢流壩的壅水高度最小。

3) 適當考慮綜合利用的要求。如對灌溉和發(fā)電效益而言，攔河壩高些為好: 但攔河壩越高，上游淹沒損失越大，防洪工程造價也高。因此，必須通過多方面的調(diào)查研究，反復比較才行。

一般地說，壩頂高程常先根據(jù)灌溉引水高程初步擬定，然后結(jié)合河床地形地質(zhì)條件、壩型和建材以及溢流壩段工程量和壩上游防洪工程的大小等進行綜合比較確定。

2.3 攔河壩的防洪校核及上游防洪設施的確定

進行防洪校核，首先要確定設計標準。中小型引水工程的防洪設計標準，一般采用10 ～20 a一遇洪水設計，100 ～200 a一遇洪水校核。根據(jù)一定標準的設計洪水和初步擬定的壩高，便可根據(jù)河床情況，選取一個溢流寬度，計算壩上的壅水高度。此項計算往往與溢流段壩高的計算交叉進行。

3 無壩引水工程的水利計算

無壩引水工程水文水利計算任務，主要是在灌區(qū)面積已定情況下，確定符合灌溉設計保證率要求的進水建筑物尺寸，如果進水建筑物的尺寸已定，則可根據(jù)河流來水情況，確定滿足既定灌溉保證率下的灌溉面積。其計算內(nèi)容包括確定設計引水流量，閘前設計水位，閘后設計水位和進水閘尺寸等。

3.1 設計引水流量的確定

當河流流量及水位對灌溉用水有保證的情況下( 例如在大江大河上引水，引水流量占河流流量比重顯然甚小) ，無壩引水樞紐的設計引水流量可采用以下方法計算。

3.1.1 長系列法

所謂長系列法，就是根據(jù)灌溉面積、歷年的灌水率圖以及灌溉水利用系數(shù)，求得灌區(qū)歷年灌溉用水流量過程線，并選擇各年灌溉引水和用水緊張時期( 即灌溉臨界期) 中，灌水延續(xù)時間≥20 d的最大灌水流量作為該年的灌溉最大引水流量，然后以此進行頻率分析，選擇其中符合灌溉設計保證率的流量，作為設計引水流量。

長系列法由于考慮了歷年灌溉用水流量的實際變化情況，所以，如選取的系列年組具有足夠的代表也其成果是可靠的。對于比較重要的大、中型工程，宜采用此法。其缺點是計算工作量較大。

3.1.2 設計代表年法

此法系根據(jù)灌區(qū)歷年灌溉定額，或灌溉期降雨量，進行頻率分析，選擇2 ～3個相當于灌溉設計保證率的年份，作為設計代表年，然后作各設計代表年的灌溉用水過程線，以確定各設計代表年的灌溉最大引水流量( 方法同長系列法) ，再從中選擇一個最大的灌溉引水流量，作為設計引水流量。

由于設計代表年法系僅就所選定的年份進行計算分析，故其工作量顯然較長系列法為小，如選取的設計代表年具有較好的代表性，則成果還是可靠的。

3.2 設計水位的確定

設計水位一般是根據(jù)灌區(qū)高程控制要求確定的干渠渠首水位。但這一水位還應根據(jù)閘前設計引水位扣除過閘水頭損失加以校核。如果不滿足，則應以閘前設計水位扣除過閘水頭損失作為閘后設計水位，而將灌區(qū)范圍適當縮小，或者向上游重新選擇新的取水地點。

3.3 進水閘閘孔尺寸的確定及校核

進水閘閘孔尺寸，主要指閘底板高程和閘孔的凈寬，在確定這些尺寸時，它們之間是互為前提，相互影響的。在滿足灌區(qū)高程控制要求的前提下，對同一設計流量，閘底板高程定的低些，閘孔凈寬可小些; 相反，閘底板高程定得高些，閘孔凈寬就需要大些。設計時必須根據(jù)建閘處地形、地質(zhì)條件等綜合考慮，反復比較，以求得經(jīng)濟合理的閘孔尺寸。

［1］胡雯. 轉(zhuǎn)型期中國農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可持續(xù)治理研究［D］. 成都: 西南財經(jīng)大學，2008.

［2］楊東泉，巴信. 河小流域灌溉工程施工管理的三大控制［C］//廣西水利廳. 廣西水利廳廳慶征文選集. 南寧: 廣西水利廳，2004:1.

［3］王旭升，閻隆勃，王曉柏. 灌溉工程設計標準選擇［J］. 水利水電技術(shù)，1995(07) :46－51.