第三节 灌溉取水工程的水利计算
灌溉工程的水利计算是灌区规划的主要组成部分。通过水利计算,可以揭示灌区来水与用水之间的矛盾,并确定协调这些矛盾的工程措施及其规模。在确定引水灌溉工程的规模及尺寸之前,需先进行灌区水量平衡计算。灌区水量平衡计算是根据水源来水过程和灌区用水过程进行的。所以,必须首先确定水源的来水过程和灌区的用水过程。这两个过程都是逐年变化的,年年各不相同。因此,在灌溉工程规划设计时,必须确定用哪个年份的来水过程和用水过程作为设计的依据。在工程实践中,中小型灌溉工程多用一个特定水文年份的来水过程和用水过程进行平衡计算,这个特定的水文年份称为典型年,又称设计年,而设计年又是根据灌溉标准确定的。
一、设计标准与设计年的选择
(一)设计标准
进行灌溉工程的水利计算以前,必须首先确定灌溉工程的设计标准。我国表示灌溉设计标准的指标有两种:一种是灌溉设计保证率,另一种是抗旱天数。
1.灌溉设计保证率
灌溉设计保证率是指一个灌溉工程的灌溉用水量在多年期间能够得到保证的概率,以正常供水的年数占总年数的百分数表示,通常用符号P表示。例如P=80%,表示一个灌区在长期运用中,平均100年中有80年的灌溉用水量可以得到水源供水的保证,其余20年则供水不足,作物生长受到影响。可用下式计算:
灌溉设计保证率的选定,不仅要考虑水源供水的可能性,还要考虑作物的需水要求。在水源一定的条件下,灌溉设计保证率定得高,灌溉用水量得到保证的年数多,灌区作物因缺水而造成的损失小,但可发展的灌溉面积小,水资源利用程度低;定得低时则相反。在灌溉面积一定时,灌溉设计保证率越高,灌区作物因供水保证程度高而增产的可能性越大,但工程投资及年运行费用越大;反之,虽可减小工程投资及年运行费用,但作物因供水不足而减产的概率将会增加。因此,灌溉设计保证率定得过高或过低都是不经济的。
灌溉设计保证率选定时,应根据水源和灌区条件,全面考虑工程技术、经济等各种因素,拟订几种方案,计算几种保证率的工程净效益,从中选择一个经济上合理、技术上可行的灌溉设计保证率,以便充分开发利用地区水土资源,获得最大的经济效益和社会效益。具体可参照《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)所规定的数值,见表3-2。
表3-2 灌溉设计保证率
注 1.作物经济价值较高的地区,宜选用表中较大值;作物经济价值不高的地区,可选用表中较小值。
2.引洪淤灌系统的灌溉设计保证率可取30%～50%。
2.抗旱天数
抗旱天数是指在作物生长期间遇到连续干旱时,灌溉设施的供水能够保证灌区作物用水要求的天数。例如,某灌溉设施的供水能够满足连续50d干旱所灌面积上的作物灌溉用水,则该灌溉设施的抗旱天数为50d。用抗旱天数作为灌溉设计标准,概念明确具体,易于被群众理解接受,适用于以当地水源为主的小型灌区,在我国南方丘陵地区使用较多。
选定抗旱天数时也应进行经济分析,抗旱天数定得越高,作物缺水受旱的可能性越小,但工程规模大,投资多,水资源利用不充分,不一定是经济的;反之,定得过低,工程规模小,投资少,水资源利用较充分,但作物遭受旱灾的可能性也大,也不一定经济。
应根据当地水资源条件、作物种类及经济状况等,全面考虑,分析论证,以选取切合实际的抗旱天数。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)规定:以抗旱天数为标准设计灌溉工程时,单季稻灌区可用30～50d,双季稻灌区可用50～70d。经济发达地区,可按上述标准提高10～20d。
(二)设计年选择
1.灌溉用水设计年的选择
灌溉设计标准确定后,就可根据这个标准对某一水文气象要素进行分析计算来选择灌溉用水设计年。常用的选择方法有以下几种:
(1)按年雨量选择。把灌区多年降雨量资料组成系列,进行频率计算,选择降雨频率与灌溉设计保证率相同或相近的年份,作为灌溉用水设计典型年。这种方法只考虑了年降雨量的大小,而没有考虑年雨量的年内分配情况及其对作物灌溉用水的影响,按此年份计算出来的灌溉用水量和作物实际要求的灌溉用水量往往差别较大。
(2)按干旱年份的雨型分配选择。对历史上曾经出现的、旱情较严重的一些年份的降雨量年内分配情况进行分析研究,首先选择对作物生长最不利的雨量分配作为设计雨型;然后按第一种方法确定设计年的降雨量;最后把设计年雨量按设计雨型进行分配,以此作为设计年的降雨过程。这种方法采用了真实干旱年的雨量分配和符合灌溉设计保证率的年雨量,是一种比较好的方法。
灌溉用水设计年确定后,即可根据该年的降雨量、蒸发量等气象资料制定作物灌溉制度,绘制灌水率图和灌溉用水流量过程线,计算灌溉用水量。这样,设计年的灌溉用水过程就完全确定了。
2.水源来水设计年的选择
与确定灌溉用水设计年的方法一样,把历年灌溉用水期的河流平均流量(或水位)从大到小排列,进行频率计算,选择与灌溉设计保证率相等或相近的年份作为河流来水设计年,以这一年的河流流量、水位过程作为设计年的来水过程。
二、无坝引水工程水利计算
无坝引水工程水利计算的主要任务是:确定经济合理的灌溉面积,计算设计引水流量,确定引水枢纽规模与尺寸等。
(一)设计灌溉面积的确定
首先根据实际需要,初步拟订一个灌溉面积,用此面积分别乘以设计灌水率图上各灌水率值,求出设计年流量过程线。由于无坝引水灌溉流量不得大于河道枯水流量的30%,所以应把设计年的河道流量过程线乘以30%,作为设计年的河道供水流量过程线。然后进行供水平衡计算,可能出现三种情况:①供水过程远大于用水过程,说明初定的灌溉面积小了,尚可扩大灌溉面积;②供水过程能够满足用水过程,且两个过程比较接近,说明初定的灌溉面积比较合适,就以它作为灌溉面积;③供水过程不能满足用水过程,说明初定的灌溉面积大了,应减少灌溉面积,并按河道供水过程确定设计灌溉面积,方法是依据设计年供水流量过程线和灌水率图,找出供水流量与灌水率商值最小的时段,以此时段的供水Q供除以毛灌水率q毛,即为设计灌溉面积A设。这种方法也可直接用来计算设计灌溉面积。计算公式为
(二)设计引水流量的确定
无坝引水渠首进水闸设计流量,应取历年灌溉期最大灌溉流量进行频率分析,选取相应于灌溉设计保证率的流量作为进水闸设计流量,也可取设计代表年的最大灌溉流量作为进水闸设计流量。下面介绍设计代表年法确定设计引水流量的方法。
(1)选择设计代表年。由于仅选择一个年份作为代表年具有很大的偶然性,故可按下述方式选择一个代表年组:①对渠首河流历年(或历年灌溉临界期)的来水量进行频率分析,按灌区所要求的灌溉设计保证率,选出2～3年,作为设计代表年,并求出相应年份的灌溉用水量过程;②对灌区历年作物生长期降雨量或灌溉定额进行频率分析,选择频率接近灌区所要求的灌溉设计保证率的年份2～3年,作为设计代表年,并根据水文资料,查得相应年份渠首河流来水过程;③从上述一种或两种方法所选得的设计代表年中,选出2～6年组成一个设计代表年组。
(2)对设计代表年组中的每一年,进行引、用水量平衡分析计算,若在引、用水量平衡计算中,发生破坏情况,则应采取缩小灌溉面积、改变作物组成或降低设计标准等措施,并重新计算。
(3)选择设计代表年组中实际引水流量最大的年份作为设计代表年,并以该年最大引水流量作为设计流量。
对于小型灌区,由于缺乏资料,没有绘制灌水率图时,可根据已成灌区的灌水率经验值和水源供水流量来计算设计灌溉面积和设计引水流量,也可根据作物需水高峰期的最大灌水定额和灌水延续时间来确定设计引水流量。
(三)闸前设计水位的确定
无坝引水渠首进水闸闸前设计水位,应取河、湖历年灌溉期旬或月平均水位进行频率分析,选取相应于灌溉设计保证率的水位作为闸前设计水位,也可取河、湖多年灌溉期枯水位的平均值作为闸前设计水位。
(四)闸后设计水位的确定
闸后设计水位一般是根据灌区高程控制要求而确定的干渠渠首水位。干渠渠首水位推算出来以后,还应与闸前设计水位减去过闸水头损失后的水位相比较,如果推算出的干渠渠首水位偏高,则应以闸前设计水位扣除过闸水头损失作为闸后设计水位。这时灌区控制高程要降低,灌区范围应适当缩小,或者向上游重新选择新的取水地点。
(五)进水闸闸孔尺寸的拟定及校核
进水闸闸孔尺寸主要指闸底板高程和闸孔净宽。在确定这些尺寸时,应将底板高程与闸孔宽度联系起来,统一考虑。因为同一个设计流量,闸底板定得高些,闸孔宽度就要大些;闸底板定得低些,闸孔净宽就可小些。设计时必须根据建闸处地形、地质条件、河流挟沙情况等综合考虑,反复比较,以求得经济合理的闸孔尺寸。
闸底板高程确定后,即可根据过闸设计流量、闸前及闸后设计水位、过闸水流流态,按相应的水力学公式计算出闸孔净宽。具体计算方法详见《水力学》教材。大型工程在设计计算后,还应通过模型试验予以验证。
三、有坝引水工程的水利计算
有坝引水工程水利计算的任务,是根据设计引水要求和设计供水情况,确定拦河坝高度、上游防护范围及进水闸尺寸等。
(一)拦河坝高度的确定
确定拦河坝高度应考虑:①应满足灌溉引水对水源水位的要求;②在满足灌溉引水的前提下,使筑坝后上游淹没损失尽可能小;③适当考虑发电、航运、过鱼等综合利用的要求。设计时常先根据灌溉引水高程初步拟定坝顶高程,然后结合河床地形、地质、坝型以及坝体工程量和坝上游防洪工程量的大小等因素,进行综合比较后加以确定。
1.溢流坝顶高程的计算
溢流坝顶高程可按下式计算(图3-4):
推算出来的坝顶高程Z溢减去坝基高程Z基(图3-4),即得溢流坝的高度H1。
2.非溢流段坝顶高程的计算
图3-4 拦河坝坝顶高程示意图
其余符号意义同前。
非溢流段坝高H2为
(二)拦河坝的防洪校核及上游防护设施的确定
河道中修筑拦河坝后,抬高了上游水位,扩大了淹没范围,必须采取防护措施,确保上游城镇、交通和农田的安全。为了进行防洪校核,首先要确定防洪设计标准。中小型引水工程的防洪设计标准,一般采用10～20年一遇洪水设计,100～200年一遇洪水校核。根据设计标准的洪峰流量与初拟的溢流坝坝高和坝长,即可用式(3-6)计算出坝顶溢流水深H0。这项计算往往与溢流坝坝高的计算交叉进行。
H0确定后,可按稳定非均匀流推求出上游回水曲线,计算方法详见《水力学》教材,回水曲线确定后,根据回水曲线各点的高程就可确定淹没范围。对于重要的城镇和交通要道,应修建防洪堤进行防护。防洪堤的长度应根据防护范围确定,堤顶高程则按设计洪水回水水位加超高来确定,超高一般采用0.5m。如果坝上游淹没情况严重,所需防护工程投资很大,则应考虑改变拦河坝设计方案,如增加溢流坝段的宽度,在坝顶设置泄洪闸或活动坝等,以降低壅水高度,减少上游淹没损失。
(三)进水闸尺寸的确定
进水闸的尺寸取决于过闸水流状态、设计引水流量、闸前及闸后设计水位,而闸前设计水位Z前与设计时段河流来水流量有关(图3-5)。
当设计时段河流来水流量等于引水流量(Q1=Q引)时,闸前设计水位为:
当设计时段来水流量大于引水流量(Q1>Q引)时,闸前设计水位为:
图3-5 有坝引水闸前设计水位计算示意图
如有引渠,式(3-8)和式(3-9)中还应考虑引水渠中的水头损失。
闸后设计水位和闸孔尺寸的计算,与无坝引水工程计算方法相同。