灌区输水骨干工程设计流量计算方法的研究与思考

岳金隆 邢小燕 路豪杰

1 灌区输水骨干工程与设计流量

灌区输水骨干工程一般指灌区的干渠级工程和支渠级输水工程。从工程位置来看，输水骨干工程处于输水过程的中游，上接蓄水、引水或提水的水源工程，下连斗渠、农渠的田间工程，其主要任务是将水源工程所取之水顺利输送至田间工程，因此，输水骨干工程在灌区中承担着承上启下的作用，是灌区中十分关键、重要的工程。在灌区工程投资中，输水骨干工程投资经常占到灌区工程投资的一半以上。输水骨干工程的设计流量是决定其投资的主要因素之一。

输水骨干工程设计流量是在设计标准条件下，为满足供水对象用水要求，需要工程正常输水的最大流量。设计流量通常是在灌区范围、灌区规模、工程布置基本确定后进行计算的，常用“典型年法”、“长系列法”等方法。

2 “典型年法”

“典型年法”主要根据灌水率、灌溉面积及种植结构、灌溉水利用系数等参数、分区进行计算，也称“代表年法”，计算步骤主要分6 步。

2.1 计算灌溉制度

采用时历年法（系列长度不少于30 年），根据彭曼公式、水量平衡公式计算作物灌溉制度。灌区的主要作物均应计算灌溉制度，计算成果应与当地的用水定额等规定进行比对，进行合理性检查。

2.2 选定典型年和设计灌溉制度

根据年灌溉定额进行频率分析，选出2～3 个符合设计保证率的年份，以灌水分配不利的一年作为典型年，典型年的灌溉制度作为设计灌溉制度。

2.3 制定初步灌水率图

根据分区的作物组成，各作物的设计灌溉制度，依次计算每种作物每次灌水的灌水率，绘制各种作物灌水率过程线，将同时期各种作物的灌水率相加，绘成分区的典型年灌水率图。作物单次灌水的灌水率计算公式如下：

qik= aimik/0.36tikTik

式中 qik——第i 种作物第k 次灌水的灌水率， m³/（s·万亩）；

ai——第i 种作物的种植比，%；

mik——第i种作物第k次灌水的灌水定额，m³/亩；

tik——第i 种作物第k 次灌水1 d 的延续时间，h，自流灌溉取24 h，提水灌溉取18～22 h。

Tik——第i 种作物第k 次灌水的延续天数，d。

2.4 对灌水率图进行修正

由于各时期的灌水率大小相差悬殊，导致输水过程忽大忽小、断断续续，不利于管理，若以最大的灌水率计算渠道灌溉流量，势必偏大，不经济且不合理。因此，应以消除灌溉高峰和短期停水的影响为目的，对初步绘制的灌水率图进行修正。

灌水率图修正按以下原则进行：与水源的供水条件相适应；尽量使各次灌水的灌水率均匀连续，短期的灌水率峰值不应大于设计灌水率的120%，最小灌水率不应小于设计灌水率的30%。当改变作物灌水日期时，应不改变主要作物关键需水期的灌水日期，比如孕穗期、抽穗开花期；灌水日期必须调整时，以前移为主，且前后移动不超过3 d；若连续两次改变同一作物的灌水日期，不能一次提前、一次推后。延长或缩短灌水时间不超过原定时间的20%。

2.5 确定设计灌水率

设计灌水率是典型年灌溉过程中经常出现（多见于北方或种植结构相对简单的地区）或延续时间较长（多见于南方或种植作物相对较多的地区）的灌水率。灌水率决定着工程的设计流量，应根据灌区实际情况，合理确定。北方或种植结构相对简单的地区较多采用累计天数的最大灌水率，以累计30 d 以上的最大灌水率作为设计灌水率；南方或种植作物相对较多的地区多采用连续20 d 以上的最大灌水率作为设计灌水率。

2.6 计算设计流量

灌区输水骨干工程的灌溉设计流量按“灌溉设计流量=设计灌溉面积×设计灌水率÷灌溉水利用系数”得出。工程若有供水、充蓄补水等任务，且供水、补水过程也在灌溉高峰期，则输水骨干工程设计流量需要在灌溉设计流量的基础上，叠加供水、充蓄补水流量所得。

3 “长系列法”

“长系列法”主要根据作物灌溉制度、灌溉面积及种植结构、灌溉水利用系数进行计算，计算步骤主要分4步。

3.1 计算灌溉制度

计算方法同“典型年法”，不再赘述。

3.2 计算历年灌溉需水流量过程

根据灌溉制度、灌溉面积、种植结构、灌溉水利用系数、灌溉时段历时求得灌溉需水流量过程。灌溉时段一般为旬或候。

3.3 修正灌溉过程

考虑到灌溉需水流量的大小悬殊、不太均匀和连续性不强等原因，参考SL 104—2015《水利工程水利计算规范》等相关规范，取连续20～30 d 的平均灌溉水量对灌溉需水过程进行修正。

3.4 选定设计流量

将每年的灌溉最大流量进行频率分析，选取相应灌溉保证率的流量，作为输水骨干工程设计流量。按照确定的设计流量和水源工程供水条件，进一步复核水资源供需分析成果和灌区规模。

灌区的实际规划设计中，由于灌区范围内一般会有县城、乡镇，因此，输水骨干工程常常不是单一的灌溉功能，往往兼城乡供水任务；同时灌区常与当地的水库连通，形成长藤结瓜的灌溉布局，因此，输水骨干工程往往还有向低位水库充蓄、同时接受高位水库的补偿的功能，总之，输水骨干工程常常同时具有灌溉、供水、充蓄等综合利用功能。对于综合利用输水骨干工程，则在历年灌溉需水量计算过程中，相应叠加城乡生活和工业需水过程、充蓄水库的缺水过程，形成综合流量过程；选定设计流量时，需按不同供水对象的设计保证率综合选定设计流量。因此“长系列法”不仅适用于功能单一的灌溉工程，而且适用于功能为灌溉、供水、充蓄等综合利用工程。

4 实际案例

琼西北供水工程以城乡供水及灌溉为主，城乡供水范围涉及滨海新城以及儋州和白沙的10 个乡镇和3 个农场，规划供水总人口63 万人，设计灌溉面积4.8 万hm2（72 万亩），总供水量4.42 亿m³，主要建设内容为新（扩）建输水骨干工程280 km。

琼西北供水工程的输水骨干工程共41 条，其中干渠1 条、分干渠5 条、支渠35 条。由于干渠供水对象多、且沿线充蓄水库多，用水过程比较复杂，因此，采用了“长系列法”计算确定其设计流量；分干渠和支渠的任务相对简单，设计流量分别采用“典型年法”、“长系列法”两种方法进行了计算。“典型年法”的设计灌水率取连续天数30 d 以上的最大灌水率，“长系列法”采用连续30 d 的平均灌溉水量对灌溉需水过程进行了修正。

琼西北供水工程部分输水骨干工程设计流量成果见表1。

表1 琼西北供水工程部分输水骨干工程设计流量计算成果表

从计算成果来看，与“长系列法”成果相比，“典型年法”计算的结果偏大，偏大2%～15%不等。分干渠由于供水对象多、灌溉面积大、充蓄情况复杂，“典型年法”偏大更多一些；支渠一般供水对象单一，且灌溉面积相对较小，“典型年”与“长系列法”计算的成果比较接近，计算结果主要受典型年选择、工程任务、供水对象、充蓄条件、灌溉面积等多方面因素影响。

5 结 语

通过上述比较，“典型年法”特点是考虑的边界条件简单，计算工作量相对较小，计算结果总体偏保守，适合于小型灌区工程，特别是功能比较单一的输水骨干工程（比如工程任务仅为灌溉）。

“长系列法”的特点是考虑了历年流量的实际变化过程，能较好地反映灌区多年水量平衡情况和设计保证率，其成果一般比较可靠，但计算工作量较大，适合于大型灌区工程，特别是综合利用的输水骨干工程。

琼西北供水工程规划设计过程中，对于任务仅为灌溉，且灌溉面积小、没有充蓄的支渠工程，计算边界条件简单，采用“典型年法”高效计算选定了设计流量；对于供水对象多、灌溉面积大、充蓄情况复杂的分干渠和支渠工程，“长系列法”可科学计算其用水过程和符合设计保证率的工程规模。