第四节 灌水率及灌溉用水量

灌溉用水量（或流量）是指某一灌溉面积需从水源取用的水量（或流量）而言，它是根据灌溉面积、作物种植情况、土壤、水文地质、气象条件以及渠系输水和田间灌水的水量损失等因素而定。灌溉用水量的大小直接影响着灌溉工程的规模。在进行灌溉工程规划设计管理时，首先要确定灌溉用水量及其用水过程，目的是为了进行供水和用水的平衡分析计算：如果供水量满足用水需要，则可按照原规划进行；如果供水量不能满足用水需要，应提出所要采取的办法措施；其次，以供水能力确定可能开发的灌溉面积及相应的工程规模；最后是为了进行供水和用水的平衡计算，当供水不能满足用水要求时，应提出所要采取的措施。

一、设计典型年的选择

从灌溉制度的分析中可知，农作物需要消耗的水量主要来自灌溉、降雨和地下水补给，而灌溉是在充分利用降水的基础，针对作物需水需要进行人工补充用水的措施。对于绝大多数的灌区来说，地下水补给量是相对稳定的，而不同水文年份降水不同，降雨量在年际之间变化很大，各年的灌溉用水量就有很大的差异。因此，灌溉用水量主要受降水量的制约。设计灌溉工程时应首先确定灌溉设计保证率，南方小型水稻灌区的灌溉工程也可按抗旱天数进行设计，灌溉设计保证率可根据水文气象、水土资源、作物组成、灌区规模、灌水方法及经济效益等因素，按照表2-36确定。根据灌溉设计保证率确定一个特定的水文年份，作为规划设计的依据。通常把这个特定的水文年份称为“设计典型年”。根据设计典型年的气象资料计算出来的灌溉制度被称为“设计典型年的灌溉制度”，简称为“设计灌溉制度”，相应的灌溉用水量称为“设计灌溉用水量”。

根据历年降雨量资料，可以用频率方法进行统计分析，确定几种不同干旱程度的典型年份，如中等年（降雨量频率为50%）、中等干旱年（降雨量频率为75%）以及干旱年（降雨量频率为85%～90%）等，以这些典型年的降雨量资料作为计算设计灌溉制度和灌溉用水量的依据。若为已建工程的管理运用而确定灌溉用水量，如制定水库调度计划、渠系配水计划等，则需要以该运用年份内各种作物灌溉的基本资料，如灌溉制度、灌溉面积和水量损失等情况为依据。

用设计代表年的降水量资料确定好了灌溉制度后，即可计算设计灌溉用水流量和灌溉用水量，为灌溉工程规划设计提供依据。

二、灌水率

灌水率是指灌区单位面积（例如以万亩计）上所需灌溉的净流量q_净，又称灌水模数，以（m³/s）/万亩计。它是根据灌溉制度确定的，利用它可以计算灌区渠首的引水流量和灌溉渠道的设计流量。

（一）灌水率计算

灌水率q_净应分别根据灌区各种作物每次的灌水定额，逐一进行计算，如某灌区的面积为A（亩），种有1、2、3、…、k等各种作物，面积各为α₁A、α₂A、α₃A、…、α_kA、…；α₁、α₂、α₃、…、α_k、…分别为各种作物种植面积占灌区面积的百分数，即种植比例。如第k种作物的各次灌水定额分别为m₁、m₂、…、m_i、…（m³/亩），要求各次灌水在T₁、T₂、T₃、…、T_i、…昼夜内完成，则对于这一作物，第k种作物的第i次灌水的灌水率为：

对于自流灌区，每天灌水延续时间一般以24h计；对于抽水灌区，则每天抽灌时间以20～22h计，式（2-62）中系数8.64应相应改为7.2～7.92。

同理，可求出灌区各种作物每次灌水的灌水率，见表2-37。

由式（2-62）可见，灌水延续时间直接影响着灌水率的大小，从而在设计渠道时，也影响着渠道的设计流量以及渠道和渠系建筑物的造价，因此必须慎重选定。灌水延续时间与作物种类，灌区面积大小及农业生产劳动计划等有关。灌水延续时间愈短，作物对水分的要求愈容易得到及时满足，但这将加大渠道的设计流量，并造成灌水时劳动力的过分紧张。不同作物允许的灌水延续时间也不同。对主要作物的关键性的灌水，灌水延续时间不宜过长；次要作物可以延长一些。如灌区面积较大，劳动条件较差，则灌水时间亦可较长。但延长灌水时间应在农业技术条件许可和不降低作物产量的条件下进行。

对于灌溉面积较小的灌区，灌水延续时间要相应减小。例如，一条农渠的灌水延续时间一般约为12～24h。作物灌水延续时间应根据当地作物品种、灌水条件、灌区规模与水源以及前茬作物收割等因素确定。万亩以上灌区主要作物可按表2-38选用，万亩及万亩以下灌区可按表列数值适当减小。

（二）灌水率图

1.初始灌水率图

为了确定设计灌水率、推算渠首引水流量或灌溉渠道设计流量，通常可先对某一设计代表年计算出灌区各种作物每次灌水的灌水率（见表2-37）。并将所得灌水率绘成直方图，如图2-11所示，称为灌水率图。从图可见，各时期的灌水率大小相差悬殊，渠道输水断断续续，不利于管理。如以其中最大的灌水率计算渠道流量，势必偏大，不经济。因此，必须对初步算得的灌水率图进行必要的修正，尽可能消除灌水率高峰和短期停水现象。

2.灌水率图修正

对初步灌水率图进行修正应使修正后的灌水率图符合下列要求。

（1）应与水源供水条件相适应。

（2）调整灌水率时，要以不影响作物需水要求为原则，尽量不要改变灌区内主要作物关键用水期的各次灌水时间。若必须调整移动，应以往前移动为主，且前后移动的总天数不超过3d。

（3）若同一种作物连续两次灌水均需变动灌水日期，不应一次提前一次推后，延长或缩短灌水时间与原定时间相差不应超过20%。

（4）为了减少输水损失，并使渠道工作制度比较平稳，在调整时不应使灌水率数值相差悬殊。全年各次灌水率大小应比较均匀、连续，短期的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%。

（5）为便于灌区的管理、养护，宜避免经常停水，特别应避免小于5d的短期停水。

（6）由于调整灌水率而引起灌溉定额的变化时，灌水定额的调整值不应超过原定额的10%，同一种作物不应连续两次减小灌水定额。

（7）当上述要求不能满足时可适当调整作物组成。

修正后的灌水率图如图2-12所示。用调整后的灌水率图可求得灌区设计年引水流量过程线，此过程线应尽量和水源来水过程线相适应。

随着城乡企业的发展和农村人民生活水平的提高，每个灌区都应考虑城乡工业和人民生活用水的需要。为此，在修正后的灌水率图上还应加上乡镇和其他供水量，以满足实际需要。

（三）设计灌水率

作为设计渠道用的设计灌水率，应以图2-12为依据，以累积30d以上的或出现次数多、累积时间较长的最大灌水率值为设计灌水率。如图2-12中所示q值，不要选取短暂的高峰值，这样不致使设计的渠道断面过大，增加渠道工程量。在渠道运用过程中，对短暂的大流量，以加大流量供水，由渠堤超高部分的断面去满足。

根据我国各灌区目前的管理经验，大面积水稻灌区（万亩以上）的设计净灌水率（q_净）一般为0.45～0.6［（m³/s）/万亩］；大面积旱作灌区的设计净灌水率一般为0.2～0.35［m³／（s·万亩）］。如果灌区范围内自然条件差异较大，则应划分成不同的类型区，分区分别确定设计灌溉制度。然后根据各分区的作物组成，分别制定分区的灌水率图。然后采用加权平均法，制定成全灌区的灌水率，经调整后供设计使用。如水旱田均有的大中型灌区，其综合净灌水率可按水旱面积比例加权平均求得。对于控制灌溉面积较小的斗、农渠（灌溉面积为几十亩到上千亩），常要在短期内集中灌水，故其设计净灌水率远较上述经验数字为大。

三、灌溉用水量及用水过程线

灌溉用水量及用水过程线计算可用下面三种方法进行。

1.用灌水定额和灌溉面积直接计算（直接推算法）

根据已拟定的设计典型年灌溉制度，各种作物的各次灌水定额均为已知，对于任何一种作物的某一次灌水，须供水到田间的灌水量（称净灌溉用水量）W_净可用下式求得：

式中 m——该作物某次灌水的灌水定额，m³/亩；

A——该作物的灌溉面积，亩。

对于任何一种作物，在典型年内的灌溉面积、灌溉制度确定后［如表2-39中（1）～（6）项］，并可用式（2-63）推算出各次灌水的净灌溉用水量［表2-39中（7）～（11）项］。由于灌溉制度本身已确定了各次灌水的时期，故在计算各种作物每次灌水的净灌溉用水量的同时，也就确定了某年内各种作物的灌溉用水量过程线［把表2-39中（1）项与（7）～（11）项联系起来］。

全灌区任何一个时段内的净灌溉用水量是该时段内各种作物净灌溉用水量之和，按此可求得典型年全灌区净灌溉用水量过程［见表2-39中的（12）项］。

灌溉水由水源经各级渠道、渠系建筑物输送到田间。由于有部分水量损失掉了（主要是渠道渗漏损失），故要求水源供给的灌溉水量（称毛灌溉用水量）为净灌溉用水量与损失水量之和，这样才能满足田间得到净灌溉水量之要求。净灌溉用水量W_净与毛灌溉用水量W_毛之比，称为灌溉水利用系数，用η_水表示。将灌溉水利用系数作为衡量灌溉水量利用情况的指标。

已知净灌溉用水量W_净后，可用公式求得毛灌溉用水量［表2-39中第（13）项］。

η_水的大小与各级渠道的长度、流量、沿渠土壤、水文地质条件、渠道工程状况和灌溉管理水平等有关。在管理运用过程中，可实测决定。在规划设计时，应使其设计值不低于表2-40所列数值。

2.用综合灌水定额推算（间接推算法）

某年灌溉用水量过程线还可用综合灌水定额m_综求得，任何时段内全灌区的综合灌水定额，是指该时段内各种作物灌水定额的面积加权平均值。即：

式中 m_综，净——某时段内综合净灌水定额，m³/亩；

m₁、m₂、m₃…——第1种、第2种、第3种……作物在该时段内灌水定额，m³/亩；

a₁、a₂、a₃…——各种作物灌溉面积占全灌区的灌溉面积的比值。

全灌区某时段内的净灌溉用水量W_净，可用下式求得。

式中 A——全灌区的灌溉面积，亩。

计入水量损失，则综合毛灌水定额

全灌区任何时段毛灌溉用水量

通过综合灌水定额推算灌溉用水量，与公式（2-63）直接推算方法相比，其繁简程度类似，但求得综合灌水定额有以下作用：

（1）它是衡量全灌区灌溉用水是否合适的一项重要指标，与自然条件及作物种植面积比例类似的灌区进行对比，便于发现m_综是否偏大或偏小，从而进行调整、修改。

（2）若一个较大灌区的局部范围（如一些支渠控制范围）内，其各种作物种植面积比例与全灌区的情况类似，则求得m_综后，不仅便于推算全灌区灌溉用水量，同时可利用它推算局部范围内的灌溉用水量。

（3）有时，灌区的作物种植面积比例已根据当地的农业发展计划决定好了，但灌区总的灌溉面积还须根据水源等条件决定。此时，须利用综合毛灌溉定额推求全灌区应发展的灌溉面积，即：

式中 W_源——水源每年能供给的灌溉水量，m³；

M_综，毛——综合毛灌溉定额，m³/亩。

必须指出，对于一些大型灌区，灌区内不同地区的气候、土壤、作物品种等条件有明显差异，因而同种作物的灌溉制度也有明显的不同。此时，须先分区求出各区的灌溉用水量，而后再汇总成为全灌区的灌溉用水量。

3.利用灌水率图推算（灌水率法）

调整后的灌水率图可以作为推算灌溉用水量及用水过程线的依据。图中各时段的柱状面积为各时段的净灌溉用水量。其计算式为：

式中 q_净——某时段的灌水率，（m³/s）/万亩；

A——灌区总灌溉面积，万亩；

T——相应的时段，d。

各时段毛灌溉用水量用式（2-71）计算，即：

式中符号同前。

各时段毛灌溉用水量之和，即为全灌区各种作物一年内的灌溉用水量。

对于小型灌区或没有以上这些要求的情况，一般可用直接推算法计算。

必须指出，对于一些大型灌区，灌区内不同地区的气候、土壤、作物品种等条件有明显差异，因而同种作物的灌溉制度也有明显的不同。此时，须先分区求出各区的灌溉用水量，而后再汇总成为全灌区的灌溉用水量。

四、多年灌溉用水量的确定和灌溉用水频率曲线

以上是某一具体年份灌溉用水量及年灌溉用水过程的计算方法。在用长系列法进行大、中型水库的规划设计或作多年调节水库的规划及控制运用计划时，常须求得多年的灌溉用水量系列。多年灌溉用水量可按照以上方法逐年推求。

有了多年的灌溉用水量系列，与年径流频率曲线一样，也可以应用数理统计原理求得年灌溉用水量的理论频率曲线。根据对我国23个大型水库灌区的分析，初步证实灌溉用水量频率曲线也可采用皮重型曲线，经验点据与理论频率曲线配合尚好，其统计参数亦有一定的规律性，一般C_v为0.15～0.45，C_s为C_v的1～3倍。在一定条件下，灌溉用水量频率曲线的统计参数应能进行地区综合，做出等值线图或分区图，这样应用起来就方便了。但是，由于影响灌溉用水量的因素十分复杂，而且随着国民经济的发展、灌溉技术及农业技术措施的改革，使得灌溉用水量的变化规律更不确定，这些问题都有待进一步深入研究。

灌溉用水量频率曲线可用于推求代表年灌溉用水量。在采用数理统计法进行多年调节计算时，可用它与来水频率曲线进行组合去推求多年调节兴利库容或用于其他水文水利计算问题。