第二节　水量平衡计算

喷微灌系统水量平衡计算分为工程设计中，水量平衡计算和工程建成运行管理期间的水量平衡计算。前者是针对符合设计标准的“设计年”，后者是针对具体年，计算原理和方法相同。

一、计算年的确定

（一）计算年降水量

1.年降水量频率计算

将灌区或灌区所在地历年降水量按大小顺序排列，按式（3-1）进行频率计算：

2.确定不同频率年降水量

采用水文计算“适线法”确定不同频率年（或灌溉期）降水量。具体方法参考相关文献，例如本书参考文献［30］。

3.确定计算典型年

在降水频率系列中选择降水量等于或接近计算频率降水量，且偏于不利的年份（通常是灌溉季节降水量偏少年份）作为计算代表年（典型年），以该年的水文、气象因素作为计算年水文、气象条件。喷微灌系统设计以设计保证率年为计算年，运行管理一般用频率75%（中等干旱年）、50%（平水年）、25%（丰水年）为计算年。

4.确定典型年降水量年内分配

以计算实际代表年月降水量占全年（或灌溉期）降水总量百分数作为计算频率年年内月降水量分配系数，将其与设计频率年降水量相乘得到设计年月降水量。

（二）灌溉临界期

灌溉临界期是指灌溉供水最紧张的时期，通常出现于水源来水量小，作物耗水量大的干旱季节。在喷微灌设计水量平衡计算中，一般取干旱期为灌溉临界期。

设计灌溉临界期降水量可以从设计年月降水量系列中选定，也可由历年灌溉临界期降雨资料，经频率计算确定。

二、可用水量分析

喷微灌可用水量是指水源可能供给喷微灌使用的水量或流量。各种类型水源特点不同，可用水量不同。

（一）可用水量不受气候影响的水源

来水量不受气候影响或基本不受气候影响的水源主要有采用深层地下水的井水、市政管网自来水以及再生水等。这些类型水源可为喷微灌系统提供稳定的水量和流量。其中，市政管网自来水可能存在白天用水高峰期灌溉取水影响生活和工业等主要用水户的用水，对于这种情况，喷微灌系统可错开用水高峰运行，以保证主要用水户的用水。

当喷微灌以现成井水为水源时，应以打井抽水试验确定的出水流量和相应动水位，确定可供流量；当喷微灌以计划的井水为水源时，应以水文地质资料为依据确定打井深度和出水流量。对于多用户井水，还应协调各用水户的用水需求，确定喷微灌可用水量和流量，以及用水时段。

（二）可供水量只占来水量很小比例的水源

以江河、湖泊、水库为喷微灌水源时，通常喷微灌系统取水量只为来水量很小一部分，可根据喷微灌的需要供水，是可供水量不受气候影响的另一种情况。

（三）可用水量受气候和蓄水设施调蓄影响的水源

对利用河溪塘坝和窑窖蓄水为喷微灌水源的喷微灌系统，可供水量受集雨区特点、当年降水量大小和塘坝、窑窖蓄水能力，以及集雨条件的影响，塘坝和窑窖的调蓄容积和可供水量需通过水量平衡计算确定。

三、用水量计算

（一）喷微灌耗水强度的确定

喷微灌耗水强度是指灌溉季节某一阶段喷微灌消耗于单位面积单位时间的水量。在地下水埋深较大，且无外水流入的条件下，它等于作物耗水强度与同期有效降雨强度之差，故又称之为喷微灌“补充强度”。在干旱区或干旱期，有效雨量很小，或无降雨时段喷微灌耗水强度等于作物耗水强度。

1.单一植物喷微灌耗水强度

当喷微灌系统为一种植物供水时，按式（3-2）计算喷微灌耗水强度。

2.多种作物喷微灌耗水强度

当喷微灌系统对n种植物供水时，按式（3-3）计算喷微灌耗水强度。

其余符号意义同前。

（二）喷微灌系统需水流量

喷微灌系统需水流量按式（3-4）计算。

四、水量供需平衡计算

（一）喷微灌系统设计的水量平衡计算

1.设计年灌溉临界期水源可供流量能满足喷微灌需水流量的要求

当设计临界期水源可供流量Q供不小于喷微灌系统需水流量Q需时，以计划面积为喷微灌工程设计面积。

2.设计年灌溉临界期水源可供流量不能满足喷微灌需水流量的要求

（1）无调节条件的情况。若设计年灌溉临界期水源可供流量Qd供小于喷微灌需水流量Q需，且无调蓄条件，则以设计临界期水源可供流量为基础按式（3-5）计算喷微灌面积。

如果经过论证，允许减小Ed的情况下，可保持原计划喷微灌面积，或对原计划喷微灌面积和Ed值两者作适当调整。

（2）有调节条件的情况。若设计年灌溉临界期水源可供流量Qd供小于喷微灌需水流量Qd，但全年（或灌溉季节）可供水量能满足全年（或灌溉季节）喷微灌需水量，且有调蓄条件，则水量平衡计算的任务是确定调蓄工程设施的容积。

设计调蓄工程的容积应通过水源可供水量与喷微灌需水量平衡演算确定，方法详见【计算示例3-1】之（3）。当缺乏资料时可按式（3-6）估算调蓄容积：

（二）喷微灌系统运行期间水量平衡计算

（1）若任一时段水源可供流量Q供不小于喷微灌系统需水流量Q需时，则按计划取水运行。

（2）当某一时段水源可供流量Q供小于喷微灌系统需水流量Q需时，则应调整灌溉制度和取水计划，例如，增长灌水延续时间，减小灌水定额，采用错峰取水等。

【计算示例3-1】

1.蔬菜滴灌系统水量平衡计算

蔬菜滴灌系统控制面积20hm2，以一口井为水源，经测定，井出水量为70m3/h，每年蔬菜生长期4～10月，平水年生长期月平均耗水强度和月降水量，以及降水有效利用系数列于算例表3-1-1，试核定该滴灌系统平水年能否按计划供水。

解：

（1）确定计算时段。根据资料决定以月为计算时段。

（2）计算滴灌耗水率。按式（3-1）计算滴灌耗水率Ei如算例表3-1-2。

（3）滴灌系统需水量平衡计算。按式（3-3）计算滴灌系统需水流量。其中，取滴灌系统日工作小时数C＝20h，灌溉水利用系数η＝0.9，滴灌面积A＝20hm2。计算过程见算例表3-1-2。

（4）水源可供水量与滴灌系统需水量平衡计算。根据资料，水源可供稳定流量70m3/h，而上面计算结果滴灌系统需水流量不超过可供流量，表明本年滴灌用水能得到保证。

2.绿地喷灌系统水量平衡计算

某绿地面积3.5hm2，包括草坪1.0hm2，灌木林0.5hm2，乔木林2.0hm2，计划采用喷灌。设计植物耗水强度，草坪6.5mm/d，灌木5.0mm/d，乔木4.0mm/d。该喷灌系统以雨水为水源，设计年植物耗水强度和降水量列于算例表3-1-3。试计算雨水调蓄容积。

解：

（1）已知绿地面积A＝3.5hm2。其中，草坪面积A1＝1.0hm2，灌木林面积A2＝5.0hm2；乔木林面积A3＝2.0hm2。各种面积占总面积比例：

（2）计算设计喷灌耗水强度。按式（3-3）计算设计喷灌耗水强度：

计算过程见算例表3-1-4。

（3）计算雨水调蓄容积。雨水调蓄容积按式（3-6）计算。其中灌溉水利用系数取η＝0.9，蓄水利用系数η0＝0.8，复蓄系数K0＝1.5，Qi＝0。

3.粮食作物喷灌系统水量平衡计算

某喷灌系统以当地河溪为水源，该喷灌系统灌溉面积200hm2，灌区土壤为沙壤土，种植小麦、玉米，每年冬小麦和玉米两茬种植，设计灌溉制度如算例表3-1-5，设计保证率年水源来水量过程如算例表3-1-6。要求进行喷灌系统水量平衡计算。

解：

（1）用水量计算与来水量配合分析。本喷灌系统为固定管道式，根据实际经验，取灌溉水利用系数η＝0.85。毛灌溉用水量计算如算例表3-1-7。

由表3-7可看出，设计年来水总量大于毛灌溉用水总量，但是灌溉期内一些月份来水量小于灌溉用水量，需要修建小水库进行年内调节，以满足全年灌溉用水的需求。

（2）水量平衡调节计算。该喷灌系统水量平衡调节计算的目的是确定蓄水工程的容积。算例表3-1-8是水量平衡调节计算的过程。

①确定水库调节周期。由算例表3-1-8知，11月至下一年6月为水库供水期，7月至10月为水库蓄水期。

②确定供水期所需水库容积。计算过程详见算例表3-1-8，从调节期末，即6月末水库蓄水正好用完，蓄水量为0开始，逆时序计算6月初（5月末）水库蓄水量，其数量等于6月末蓄水量0＋6月供水量缺额1.559×103　m3＝1.559万m3，5月初（4月末）蓄水量＝6月初（5月末）蓄水量1.559万m3＋5月供水量16.824万m3＝5月供水量缺额15.824万m3＝18.383万m3，其他月份依次类推，至12月来水量富余4.000万m3，故12月初（11月末）蓄水量＝1月末蓄水量33.054万m3-12月来水量富余4.000万m3＝29.054万m3。11月初（10月末）蓄水量＝12月初蓄水量29.054万m3＋11月供水量6.265万m3＝35.319万m3。此数值便是水库的最大蓄水容积。

③弃水量计算。从蓄水期7月初开始，顺时序计算蓄水期弃水量。因为6月末需水量为0，7月来水富余15.441万m3，故7月末需水量15.441万m3，8月弃水量＝7月末需水量15.441万m3＋8月富余水量27.088-水库最大需水量35.319＝弃水量7.210万m3。

④平衡计算校核。算例表3-1-7计算结果表明，总来水量121.300万m3-总用水量101.178万m3＝总弃水量20.122万m3，说明计算无误。

（3）确定蓄水工程规模。因为本水库没有防洪任务，故水库总库容等于灌溉库容与死库容之和，根据分析确定本水库死库容为2.500万m3，因而水库总库容：

V总＝35.319万m3＋2.500万m3＝37.819万m3