灌區(qū)輸水骨干工程設計流量計算方法的研究與思考

岳金隆 邢小燕 路豪杰

1 灌區(qū)輸水骨干工程與設計流量

灌區(qū)輸水骨干工程一般指灌區(qū)的干渠級工程和支渠級輸水工程。從工程位置來看，輸水骨干工程處于輸水過程的中游，上接蓄水、引水或提水的水源工程，下連斗渠、農(nóng)渠的田間工程，其主要任務是將水源工程所取之水順利輸送至田間工程，因此，輸水骨干工程在灌區(qū)中承擔著承上啟下的作用，是灌區(qū)中十分關鍵、重要的工程。在灌區(qū)工程投資中，輸水骨干工程投資經(jīng)常占到灌區(qū)工程投資的一半以上。輸水骨干工程的設計流量是決定其投資的主要因素之一。

輸水骨干工程設計流量是在設計標準條件下，為滿足供水對象用水要求，需要工程正常輸水的最大流量。設計流量通常是在灌區(qū)范圍、灌區(qū)規(guī)模、工程布置基本確定后進行計算的，常用“典型年法”、“長系列法”等方法。

2 “典型年法”

“典型年法”主要根據(jù)灌水率、灌溉面積及種植結構、灌溉水利用系數(shù)等參數(shù)、分區(qū)進行計算，也稱“代表年法”，計算步驟主要分6 步。

2.1 計算灌溉制度

采用時歷年法（系列長度不少于30 年），根據(jù)彭曼公式、水量平衡公式計算作物灌溉制度。灌區(qū)的主要作物均應計算灌溉制度，計算成果應與當?shù)氐挠盟~等規(guī)定進行比對，進行合理性檢查。

2.2 選定典型年和設計灌溉制度

根據(jù)年灌溉定額進行頻率分析，選出2～3 個符合設計保證率的年份，以灌水分配不利的一年作為典型年，典型年的灌溉制度作為設計灌溉制度。

2.3 制定初步灌水率圖

根據(jù)分區(qū)的作物組成，各作物的設計灌溉制度，依次計算每種作物每次灌水的灌水率，繪制各種作物灌水率過程線，將同時期各種作物的灌水率相加，繪成分區(qū)的典型年灌水率圖。作物單次灌水的灌水率計算公式如下：

qik= aimik/0.36tikTik

式中 qik——第i 種作物第k 次灌水的灌水率， m3/（s·萬畝）；

ai——第i 種作物的種植比，%；

mik——第i種作物第k次灌水的灌水定額，m3/畝；

tik——第i 種作物第k 次灌水1 d 的延續(xù)時間，h，自流灌溉取24 h，提水灌溉取18～22 h。

Tik——第i 種作物第k 次灌水的延續(xù)天數(shù)，d。

2.4 對灌水率圖進行修正

由于各時期的灌水率大小相差懸殊，導致輸水過程忽大忽小、斷斷續(xù)續(xù)，不利于管理，若以最大的灌水率計算渠道灌溉流量，勢必偏大，不經(jīng)濟且不合理。因此，應以消除灌溉高峰和短期停水的影響為目的，對初步繪制的灌水率圖進行修正。

灌水率圖修正按以下原則進行：與水源的供水條件相適應；盡量使各次灌水的灌水率均勻連續(xù)，短期的灌水率峰值不應大于設計灌水率的120%，最小灌水率不應小于設計灌水率的30%。當改變作物灌水日期時，應不改變主要作物關鍵需水期的灌水日期，比如孕穗期、抽穗開花期；灌水日期必須調(diào)整時，以前移為主，且前后移動不超過3 d；若連續(xù)兩次改變同一作物的灌水日期，不能一次提前、一次推后。延長或縮短灌水時間不超過原定時間的20%。

2.5 確定設計灌水率

設計灌水率是典型年灌溉過程中經(jīng)常出現(xiàn)（多見于北方或種植結構相對簡單的地區(qū)）或延續(xù)時間較長（多見于南方或種植作物相對較多的地區(qū)）的灌水率。灌水率決定著工程的設計流量，應根據(jù)灌區(qū)實際情況，合理確定。北方或種植結構相對簡單的地區(qū)較多采用累計天數(shù)的最大灌水率，以累計30 d 以上的最大灌水率作為設計灌水率；南方或種植作物相對較多的地區(qū)多采用連續(xù)20 d 以上的最大灌水率作為設計灌水率。

2.6 計算設計流量

灌區(qū)輸水骨干工程的灌溉設計流量按“灌溉設計流量=設計灌溉面積×設計灌水率÷灌溉水利用系數(shù)”得出。工程若有供水、充蓄補水等任務，且供水、補水過程也在灌溉高峰期，則輸水骨干工程設計流量需要在灌溉設計流量的基礎上，疊加供水、充蓄補水流量所得。

3 “長系列法”

“長系列法”主要根據(jù)作物灌溉制度、灌溉面積及種植結構、灌溉水利用系數(shù)進行計算，計算步驟主要分4步。

3.1 計算灌溉制度

計算方法同“典型年法”，不再贅述。

3.2 計算歷年灌溉需水流量過程

根據(jù)灌溉制度、灌溉面積、種植結構、灌溉水利用系數(shù)、灌溉時段歷時求得灌溉需水流量過程。灌溉時段一般為旬或候。

3.3 修正灌溉過程

考慮到灌溉需水流量的大小懸殊、不太均勻和連續(xù)性不強等原因，參考SL 104—2015《水利工程水利計算規(guī)范》等相關規(guī)范，取連續(xù)20～30 d 的平均灌溉水量對灌溉需水過程進行修正。

3.4 選定設計流量

將每年的灌溉最大流量進行頻率分析，選取相應灌溉保證率的流量，作為輸水骨干工程設計流量。按照確定的設計流量和水源工程供水條件，進一步復核水資源供需分析成果和灌區(qū)規(guī)模。

灌區(qū)的實際規(guī)劃設計中，由于灌區(qū)范圍內(nèi)一般會有縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，因此，輸水骨干工程常常不是單一的灌溉功能，往往兼城鄉(xiāng)供水任務；同時灌區(qū)常與當?shù)氐乃畮爝B通，形成長藤結瓜的灌溉布局，因此，輸水骨干工程往往還有向低位水庫充蓄、同時接受高位水庫的補償?shù)墓δ?，總之，輸水骨干工程常常同時具有灌溉、供水、充蓄等綜合利用功能。對于綜合利用輸水骨干工程，則在歷年灌溉需水量計算過程中，相應疊加城鄉(xiāng)生活和工業(yè)需水過程、充蓄水庫的缺水過程，形成綜合流量過程；選定設計流量時，需按不同供水對象的設計保證率綜合選定設計流量。因此“長系列法”不僅適用于功能單一的灌溉工程，而且適用于功能為灌溉、供水、充蓄等綜合利用工程。

4 實際案例

瓊西北供水工程以城鄉(xiāng)供水及灌溉為主，城鄉(xiāng)供水范圍涉及濱海新城以及儋州和白沙的10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和3 個農(nóng)場，規(guī)劃供水總人口63 萬人，設計灌溉面積4.8 萬hm2（72 萬畝），總供水量4.42 億m3，主要建設內(nèi)容為新（擴）建輸水骨干工程280 km。

瓊西北供水工程的輸水骨干工程共41 條，其中干渠1 條、分干渠5 條、支渠35 條。由于干渠供水對象多、且沿線充蓄水庫多，用水過程比較復雜，因此，采用了“長系列法”計算確定其設計流量；分干渠和支渠的任務相對簡單，設計流量分別采用“典型年法”、“長系列法”兩種方法進行了計算?！暗湫湍攴ā钡脑O計灌水率取連續(xù)天數(shù)30 d 以上的最大灌水率，“長系列法”采用連續(xù)30 d 的平均灌溉水量對灌溉需水過程進行了修正。

瓊西北供水工程部分輸水骨干工程設計流量成果見表1。

表1 瓊西北供水工程部分輸水骨干工程設計流量計算成果表

從計算成果來看，與“長系列法”成果相比，“典型年法”計算的結果偏大，偏大2%～15%不等。分干渠由于供水對象多、灌溉面積大、充蓄情況復雜，“典型年法”偏大更多一些；支渠一般供水對象單一，且灌溉面積相對較小，“典型年”與“長系列法”計算的成果比較接近，計算結果主要受典型年選擇、工程任務、供水對象、充蓄條件、灌溉面積等多方面因素影響。

5 結 語

通過上述比較，“典型年法”特點是考慮的邊界條件簡單，計算工作量相對較小，計算結果總體偏保守，適合于小型灌區(qū)工程，特別是功能比較單一的輸水骨干工程（比如工程任務僅為灌溉）。

“長系列法”的特點是考慮了歷年流量的實際變化過程，能較好地反映灌區(qū)多年水量平衡情況和設計保證率，其成果一般比較可靠，但計算工作量較大，適合于大型灌區(qū)工程，特別是綜合利用的輸水骨干工程。

瓊西北供水工程規(guī)劃設計過程中，對于任務僅為灌溉，且灌溉面積小、沒有充蓄的支渠工程，計算邊界條件簡單，采用“典型年法”高效計算選定了設計流量；對于供水對象多、灌溉面積大、充蓄情況復雜的分干渠和支渠工程，“長系列法”可科學計算其用水過程和符合設計保證率的工程規(guī)模。