第二節　水量平衡計算

噴微灌系統水量平衡計算分為工程設計中，水量平衡計算和工程建成運行管理期間的水量平衡計算。前者是針對符合設計標準的“設計年”，后者是針對具體年，計算原理和方法相同。

一、計算年的確定

（一）計算年降水量

1.年降水量頻率計算

將灌區或灌區所在地歷年降水量按大小順序排列，按式（3-1）進行頻率計算：

2.確定不同頻率年降水量

采用水文計算“適線法”確定不同頻率年（或灌溉期）降水量。具體方法參考相關文獻，例如本書參考文獻［30］。

3.確定計算典型年

在降水頻率系列中選擇降水量等于或接近計算頻率降水量，且偏于不利的年份（通常是灌溉季節降水量偏少年份）作為計算代表年（典型年），以該年的水文、氣象因素作為計算年水文、氣象條件。噴微灌系統設計以設計保證率年為計算年，運行管理一般用頻率75%（中等干旱年）、50%（平水年）、25%（豐水年）為計算年。

4.確定典型年降水量年內分配

以計算實際代表年月降水量占全年（或灌溉期）降水總量百分數作為計算頻率年年內月降水量分配系數，將其與設計頻率年降水量相乘得到設計年月降水量。

（二）灌溉臨界期

灌溉臨界期是指灌溉供水最緊張的時期，通常出現于水源來水量小，作物耗水量大的干旱季節。在噴微灌設計水量平衡計算中，一般取干旱期為灌溉臨界期。

設計灌溉臨界期降水量可以從設計年月降水量系列中選定，也可由歷年灌溉臨界期降雨資料，經頻率計算確定。

二、可用水量分析

噴微灌可用水量是指水源可能供給噴微灌使用的水量或流量。各種類型水源特點不同，可用水量不同。

（一）可用水量不受氣候影響的水源

來水量不受氣候影響或基本不受氣候影響的水源主要有采用深層地下水的井水、市政管網自來水以及再生水等。這些類型水源可為噴微灌系統提供穩定的水量和流量。其中，市政管網自來水可能存在白天用水高峰期灌溉取水影響生活和工業等主要用水戶的用水，對于這種情況，噴微灌系統可錯開用水高峰運行，以保證主要用水戶的用水。

當噴微灌以現成井水為水源時，應以打井抽水試驗確定的出水流量和相應動水位，確定可供流量；當噴微灌以計劃的井水為水源時，應以水文地質資料為依據確定打井深度和出水流量。對于多用戶井水，還應協調各用水戶的用水需求，確定噴微灌可用水量和流量，以及用水時段。

（二）可供水量只占來水量很小比例的水源

以江河、湖泊、水庫為噴微灌水源時，通常噴微灌系統取水量只為來水量很小一部分，可根據噴微灌的需要供水，是可供水量不受氣候影響的另一種情況。

（三）可用水量受氣候和蓄水設施調蓄影響的水源

對利用河溪塘壩和窯窖蓄水為噴微灌水源的噴微灌系統，可供水量受集雨區特點、當年降水量大小和塘壩、窯窖蓄水能力，以及集雨條件的影響，塘壩和窯窖的調蓄容積和可供水量需通過水量平衡計算確定。

三、用水量計算

（一）噴微灌耗水強度的確定

噴微灌耗水強度是指灌溉季節某一階段噴微灌消耗于單位面積單位時間的水量。在地下水埋深較大，且無外水流入的條件下，它等于作物耗水強度與同期有效降雨強度之差，故又稱之為噴微灌“補充強度”。在干旱區或干旱期，有效雨量很小，或無降雨時段噴微灌耗水強度等于作物耗水強度。

1.單一植物噴微灌耗水強度

當噴微灌系統為一種植物供水時，按式（3-2）計算噴微灌耗水強度。

2.多種作物噴微灌耗水強度

當噴微灌系統對n種植物供水時，按式（3-3）計算噴微灌耗水強度。

其余符號意義同前。

（二）噴微灌系統需水流量

噴微灌系統需水流量按式（3-4）計算。

四、水量供需平衡計算

（一）噴微灌系統設計的水量平衡計算

1.設計年灌溉臨界期水源可供流量能滿足噴微灌需水流量的要求

當設計臨界期水源可供流量Q供不小于噴微灌系統需水流量Q需時，以計劃面積為噴微灌工程設計面積。

2.設計年灌溉臨界期水源可供流量不能滿足噴微灌需水流量的要求

（1）無調節條件的情況。若設計年灌溉臨界期水源可供流量Qd供小于噴微灌需水流量Q需，且無調蓄條件，則以設計臨界期水源可供流量為基礎按式（3-5）計算噴微灌面積。

如果經過論證，允許減小Ed的情況下，可保持原計劃噴微灌面積，或對原計劃噴微灌面積和Ed值兩者作適當調整。

（2）有調節條件的情況。若設計年灌溉臨界期水源可供流量Qd供小于噴微灌需水流量Qd，但全年（或灌溉季節）可供水量能滿足全年（或灌溉季節）噴微灌需水量，且有調蓄條件，則水量平衡計算的任務是確定調蓄工程設施的容積。

設計調蓄工程的容積應通過水源可供水量與噴微灌需水量平衡演算確定，方法詳見【計算示例3-1】之（3）。當缺乏資料時可按式（3-6）估算調蓄容積：

（二）噴微灌系統運行期間水量平衡計算

（1）若任一時段水源可供流量Q供不小于噴微灌系統需水流量Q需時，則按計劃取水運行。

（2）當某一時段水源可供流量Q供小于噴微灌系統需水流量Q需時，則應調整灌溉制度和取水計劃，例如，增長灌水延續時間，減小灌水定額，采用錯峰取水等。

【計算示例3-1】

1.蔬菜滴灌系統水量平衡計算

蔬菜滴灌系統控制面積20hm2，以一口井為水源，經測定，井出水量為70m3/h，每年蔬菜生長期4～10月，平水年生長期月平均耗水強度和月降水量，以及降水有效利用系數列于算例表3-1-1，試核定該滴灌系統平水年能否按計劃供水。

解：

（1）確定計算時段。根據資料決定以月為計算時段。

（2）計算滴灌耗水率。按式（3-1）計算滴灌耗水率Ei如算例表3-1-2。

（3）滴灌系統需水量平衡計算。按式（3-3）計算滴灌系統需水流量。其中，取滴灌系統日工作小時數C＝20h，灌溉水利用系數η＝0.9，滴灌面積A＝20hm2。計算過程見算例表3-1-2。

（4）水源可供水量與滴灌系統需水量平衡計算。根據資料，水源可供穩定流量70m3/h，而上面計算結果滴灌系統需水流量不超過可供流量，表明本年滴灌用水能得到保證。

2.綠地噴灌系統水量平衡計算

某綠地面積3.5hm2，包括草坪1.0hm2，灌木林0.5hm2，喬木林2.0hm2，計劃采用噴灌。設計植物耗水強度，草坪6.5mm/d，灌木5.0mm/d，喬木4.0mm/d。該噴灌系統以雨水為水源，設計年植物耗水強度和降水量列于算例表3-1-3。試計算雨水調蓄容積。

解：

（1）已知綠地面積A＝3.5hm2。其中，草坪面積A1＝1.0hm2，灌木林面積A2＝5.0hm2；喬木林面積A3＝2.0hm2。各種面積占總面積比例：

（2）計算設計噴灌耗水強度。按式（3-3）計算設計噴灌耗水強度：

計算過程見算例表3-1-4。

（3）計算雨水調蓄容積。雨水調蓄容積按式（3-6）計算。其中灌溉水利用系數取η＝0.9，蓄水利用系數η0＝0.8，復蓄系數K0＝1.5，Qi＝0。

3.糧食作物噴灌系統水量平衡計算

某噴灌系統以當地河溪為水源，該噴灌系統灌溉面積200hm2，灌區土壤為沙壤土，種植小麥、玉米，每年冬小麥和玉米兩茬種植，設計灌溉制度如算例表3-1-5，設計保證率年水源來水量過程如算例表3-1-6。要求進行噴灌系統水量平衡計算。

解：

（1）用水量計算與來水量配合分析。本噴灌系統為固定管道式，根據實際經驗，取灌溉水利用系數η＝0.85。毛灌溉用水量計算如算例表3-1-7。

由表3-7可看出，設計年來水總量大于毛灌溉用水總量，但是灌溉期內一些月份來水量小于灌溉用水量，需要修建小水庫進行年內調節，以滿足全年灌溉用水的需求。

（2）水量平衡調節計算。該噴灌系統水量平衡調節計算的目的是確定蓄水工程的容積。算例表3-1-8是水量平衡調節計算的過程。

①確定水庫調節周期。由算例表3-1-8知，11月至下一年6月為水庫供水期，7月至10月為水庫蓄水期。

②確定供水期所需水庫容積。計算過程詳見算例表3-1-8，從調節期末，即6月末水庫蓄水正好用完，蓄水量為0開始，逆時序計算6月初（5月末）水庫蓄水量，其數量等于6月末蓄水量0＋6月供水量缺額1.559×103　m3＝1.559萬m3，5月初（4月末）蓄水量＝6月初（5月末）蓄水量1.559萬m3＋5月供水量16.824萬m3＝5月供水量缺額15.824萬m3＝18.383萬m3，其他月份依次類推，至12月來水量富余4.000萬m3，故12月初（11月末）蓄水量＝1月末蓄水量33.054萬m3-12月來水量富余4.000萬m3＝29.054萬m3。11月初（10月末）蓄水量＝12月初蓄水量29.054萬m3＋11月供水量6.265萬m3＝35.319萬m3。此數值便是水庫的最大蓄水容積。

③棄水量計算。從蓄水期7月初開始，順時序計算蓄水期棄水量。因為6月末需水量為0，7月來水富余15.441萬m3，故7月末需水量15.441萬m3，8月棄水量＝7月末需水量15.441萬m3＋8月富余水量27.088-水庫最大需水量35.319＝棄水量7.210萬m3。

④平衡計算校核。算例表3-1-7計算結果表明，總來水量121.300萬m3-總用水量101.178萬m3＝總棄水量20.122萬m3，說明計算無誤。

（3）確定蓄水工程規模。因為本水庫沒有防洪任務，故水庫總庫容等于灌溉庫容與死庫容之和，根據分析確定本水庫死庫容為2.500萬m3，因而水庫總庫容：

V總＝35.319萬m3＋2.500萬m3＝37.819萬m3