第三节 灌溉用水量
灌溉用水量是指灌区需要从水源引取的水量，其大小及其在多年和年内的变化情况，与该灌区作物种植结构、各种作物的灌溉制度、灌溉面积、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有关。因此，确定灌溉用水量，须先取得以上基本资料。
灌溉用水量的大小直接影响着灌溉工程的规模。若为已建灌区的运行管理，如制定水库调度计划、渠系配水计划等，则需要以该运行年份内各种作物灌溉基本资料，如灌溉制度、灌溉面积和水量损失等情况作为依据，确定灌溉用水量。若为新建灌区的规划设计，则需要多年系列或设计年份内的上述资料，来确定灌溉用水量。
一、灌溉设计保证率
灌溉设计保证率能综合反映水源供水和灌区需水两个方面的情况。灌溉设计保证率是指灌区灌溉用水量在多年期间能够得到充分满足的几率，一般用设计灌溉用水量全部获得满足的年数占计算总年数的百分率表示。即
对于具体灌区，灌溉设计保证率采用式（2-22）计算得到。
式中：P为灌溉设计保证率；m为计算年数内水源供水大于或等于灌区需水的年数；n为计算系列总年数，对于大中型灌区，时历年系列不应少于30年。
在灌区规划设计中，灌溉设计保证率的数值将直接影响工程规模（如坝高、库容、渠系建筑物的尺寸等）和灌溉面积大小。灌溉设计保证率取值太大或过低都是不经济的，应根据当地水源条件、灌区面积并结合经济效益综合确定。一般灌溉设计保证率是根据当地水文气象、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2-7确定。
表2-7 灌溉设计保证率标准参考表
二、设计典型年的选择
农作物生长发育过程中消耗的水量主要来自于降雨、灌溉及地下水补给。由于降雨量年际及年内分配差异，各年灌溉用水量差异也很大。在灌溉工程规划设计时，首先要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的灌溉制度被称为设计典型年的灌溉制度，相应的灌溉用水量称为设计灌溉用水量。
由于各年的气象条件不同（主要为降雨不同），要求的灌溉用水量不同。为了合理地确定灌溉工程的规模，首先需要正确地选择设计典型年。选择设计典型年的方法有3种：
（1）按年降水量的频率选择典型年。根据历年的降水量从大到小排序进行频率计算，选择2～3个降水量与灌溉设计保证率相同或相近的年份，以其中降雨分配过程最不利于作物生长的一年为典型年，以该年的气象资料作为计算灌溉用水量和用水过程线的依据。
（2）按作物生长期降水量的频率分析选择典型年。统计历年主要作物生长期的降水量，进行频率计算，选择降水量频率与设计灌溉保证率相同或相近，雨量分配不利于作物生长的年份作为设计典型年。
（3）按年降水的变化特征分阶段选择典型年。对历史上曾经出现过的、旱情较重的一些年份进行分析，选择对作物生长最不利的雨型分配作为设计雨型。然后根据历年的降水量进行频率计算，选择年降水量频率与灌溉设计保证率相同的降水量作为设计降水量。按照设计雨型把设计降雨加以分配，作为灌溉用水量计算的依据。
生产实际中一般选中等年（降雨频率50%）、中等干旱年（75%）和干旱年（90%）进行计算，而以中等干旱年作为设计标准。
三、典型年灌溉用水量及用水过程线
灌溉用水量推算有直接推算法和间接推算法两种。当已知各种作物种植面积及灌溉制度时，可采用直接推算法。当已知灌区总面积、作物种植比例及灌溉制度时，可采用间接计算。
（一）直接计算
直接利用各种作物的灌溉制度来计算。一般以旬为时段来计算。
对于所研究灌区而言，某种作物某次灌水的田间净灌溉用水量W净，i，可用下式计算：
式中：Ai为第i种作物的灌溉面积，hm2；mi 为第i种作物某次灌水的灌水定额，m3/hm2。
全灌区任何一个时段内的净灌溉用水量（W净），是该时段内各种作物净灌溉用水量之和，即：
灌溉水由水源经各级渠道输送至田间，会产生水量损失（主要是渠道渗漏损失和水面蒸发损失）。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量之和，这样才能满足田间得到净灌溉水量的要求。通常把净灌溉用水量W净与毛灌溉用水量W毛之比称灌溉水利用系数，用η水表示。灌溉水利用系数是衡量灌溉水利用率或反映灌溉工程好坏及灌溉管理水平的重要指标。
全灌区任何一个时段内的毛灌溉用水量（W毛），是该时段内各种作物净灌溉用水量与灌溉水利用系数之比，即：
（二）间接计算
已知灌区总面积、作物种植比例及灌溉制度时，先确定灌区综合净灌水定额。灌区某时段综合净灌水定额，可用下式计算：
式中：m综，净为某时段内综合净灌水定额，m3/hm2；mi 为第i种作物在该时段内灌水定额，m3/hm2；αi为第i种作物灌溉面积占全灌区灌溉面积的比值。
同理，计入水量损失情况，灌区某时段综合毛灌水定额为：
式中：m综，毛为某时段内综合毛灌水定额，m3/hm2；m综，净为某时段内综合净灌水定额，m3/hm2。
全灌区任何一个时段内的净灌溉用水量（W净），是该时段内综合净灌水定额与灌区总面积的乘积，即：
式中：A为灌区总面积，hm2；其余符号意义同前。
间接推算法的优点：计算综合灌水定额 m综，毛有利于与自然条件及作物种植比例类似灌区进行对比，便于发现m综，毛是否合理；可利用m综，毛推算自然条件及作物种植比例类似的局部灌区的灌溉用水量；新建灌区当已知水源供水量时可借助综合灌水定额m综，毛确定灌区面积。
当由以上两种方法得到典型年各个时段的灌溉用水量后，以横坐标表示时间，纵坐标表示灌溉用水量，即可绘出典型年灌溉用水过程线。
四、多年灌溉用水量及灌溉用水频率曲线
以上是某一具体年份（如典型年）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、中型灌区灌溉水源工程规划设计或多年调节水库的控制运行时，必须求得多年灌溉用水量系列。多年灌溉用水量可按照以上方法逐年推求。
当多年灌溉用水量系列确定之后，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。大量试验资料分析表明，灌溉用水量频率曲线也可采用皮Ⅲ型曲线，其统计参数亦有一定的规律性，一般Cv为0.15～0.45，Cs为Cv的1～3倍。
灌溉用水量频率曲线可以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推求多年调节兴利库容或用于其他水文水利计算问题。
五、城镇生活及工业用水
随着国民经济的快速增长，城镇化速度的不断加快，城镇用水量越来越大，农业用水的比例逐渐降低，有条件的灌区向城镇提供一定的水量，已经成为一种趋势。为此，在新建灌区设计渠道和建筑物时，必须考虑城镇供水问题。对于已建灌区，过去一般都没有考虑城镇供水问题，或者是考虑不够，灌区渠道都是按灌溉用水量要求设计，为了满足城镇供水的要求，通常采用两种方式：一是在工程许可条件下，扩大渠道的供水能力；二是减小农业用水的比例，增加城镇供水量。如有的灌区是开展农业节水灌溉，或是调整作物结构，即减少需水量大的作物种植面积，改种需水量少的作物等，节约的水量供给城镇用水。
城镇用水主要包括农村生活用水和生产用水、乡镇企业和工业用水等。因此，在城镇需水预测中要高度重视现状用水情况和用水定额的调查。在科学制定用水定额的基础上，估算城镇供水总量。
1.农村生活用水预测
农村生活用水预测采用如下公式计算：
式中：WC为某一水平年年城镇生活需水总量；P0为现状人口数；ε为城镇人口年增长率；K为某一水平年拟定的城镇生活需水综合定额；n为预测年数。
农村牲畜需水按大小牲畜的数量与需水定额进行计算或折算成标准羊后进行计算。
2.乡镇企业和工业用水预测
乡镇企业和工业用水一般按行业万元产值用水量和重复利用率估算。
式中：WI为工业需水量；X为工业产值；η1、η2分别表示预测始末年份的重复利用率；q1、q2分别表示预测始末年份的万元产值需水量；α为工业技术进步系数（各行业不同，目前一般取值范围为0.02～0.05）。
随着农村经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，城镇供水内容也相应扩大，不仅包括生活用水和工业用水，而且还应考虑美化环境、娱乐和消防用水等。
六、生态用水
在我国干旱、半干旱地区，经过多年工农业建设和水资源开发利用的实践，充分认识到，在水资源的配置中仅仅考虑工农业生产本身的需水要求而忽略对环境的涵养时，就会造成河流断流、绿洲退化、沙漠发展等环境灾害。因此，在进行灌区的规划设计时，必须同时考虑生态环境的改善和保护，为维持地区生态平衡留置足够的水资源量。生态用水是指某一个特定区域内为维持生态环境处于良性状态所需用的水量，它包括为维持植被生态（含自然和人工生态建设）系统的稳定所消耗的水量和不以植被作为第一性生产力的系统，如河流冲砂、稀释污染物、控制地面沉降等所需的水，后者称为环境需水。以下仅介绍植被生态系统需水量的有关计算问题。
植被生态系统需水量的计算有多种方法，如直接计算法、间接计算法和基于遥感的生态需水量计算方法。这里仅介绍直接计算法和间接计算法两种方法。其中直接计算法是以计算区某一种类型植被的面积乘以其耗水定额，该法适用于对耗水规律研究有良好工作基础的植被和地区使用，如防风固沙林、人工绿洲等生态需水的计算。间接计算法适应于在自然条件下，植被生长依靠天然降雨和地下水补给的情况，在干旱、半干旱地区，降雨量很少，植被的生存主要依靠地下水的补给（潜水蒸发），因此，测得天然状态下的潜水蒸发量，就可以估算测定区域植被类型和该覆盖率状况下的生态耗水量。