无坝引水工程的水利计算
无坝引水工程水利计算的任务，主要是根据河流天然来水情况，确定经济合理的灌溉面积以及进水建筑物的相应尺寸。有时是在灌区面积已定的情况下，依灌溉设计保证率要求，确定进水建筑物尺寸；有时是进水建筑物的尺寸已定，根据河流来水情况，确定满足既定灌溉设计保证率下的灌溉面积；有些情况下，则是根据灌溉设计保证率的要求，同时确定灌溉面积和进水建筑物尺寸。各种情况下的具体计算内容主要包括确定设计引水流量，闸前设计水位、闸后设计水位和进水闸尺寸等。
（一）设计引水流量的确定
当河流流量及水位对灌溉用水有保证的情况下（例如在大江大河上引水，引水流量占河流流量比重显然甚小），无坝引水枢纽的设计引水流量可采用以下方法计算。
1.长系列法
所谓长系列法，就是根据灌溉面积，历年的灌水率图以及灌溉水利用系数，求得灌区历年灌溉用水流量过程线，并选择各年灌溉引水和用水紧张时期（即灌溉临界期）内，灌水延续时间大于或等于20d的最大灌水流量，作为该年的灌溉最大引水流量；然后以此进行频率分析，选择其中符合灌溉设计保证率的流量作为设计引水流量。
长系列法由于考虑了历年灌溉用水流量的实际变化情况，所以，如选取的系列年组具有足够的代表性，其成果是可靠的。对于比较重要的大、中型工程，宜采用此法，其缺点是计算工作量较大。
2.设计代表年法
此法是根据灌区历年灌溉定额或灌溉期降雨量进行频率分析，选择2～3个相当于灌溉设计保证率的年份作为设计代表年，然后作各设计代表年的灌溉用水过程线，以确定各设计代表年的灌溉最大引水流量（方法与长系列法相同），再从中选择一个最大的灌溉引水流量作为设计引水流量。由于设计代表年法是按选定的年份进行分析，故计算工作量显然较长系列法为小，如选取的设计代表年具有较好的代表性，则成果还是可靠的。
按照前述方法选定的设计引水流量，如河流在灌溉临界期内相应频率的流量能够予以满足，即设计引水流量小于或等于频率与设计保证率相同的河流流量的30%，则原定设计灌溉面积即可落实；如河流流量不能予以满足，则可将历年灌溉临界期河流的最低旬（或月）平均流量进行频率分析，选取相当于灌溉设计保证率的流量的1/4～1/3作为设计引水流量，并以此确定设计灌溉面积。
（二）闸前设计水位的确定
图6-15 闸前设计水位示意图
为了确定闸前设计水位x（图6-15），首先应确定外河设计水位x1。外河设计水位一般可以按设计引水流量的相应水位确定。对于大江大河的引水工程，则可根据历年灌溉临界期的最低旬（或月）平均水位进行频率分析，选取相当于灌溉设计保证率的水位作为外河设计水位。如果大江大河枯水位比较稳定，也可以选取历年灌溉临界期的最低水位加以平均，作为外河设计水位。
在外河设计水位确定之后，便可根据与外河设计水位相应的河流平均流量Q1，减去设计引水流量Q引得到引水后的河流流量Q2，并根据Q2查河流水位流量关系曲线得引水后河流相应的水位x2。此外，还应考虑引水时闸前有一定流速引起的水面降落z（图6-15），则闸前设计水位为
式中 x——闸前设计水位，m；
x2——与Q2相对应的外河水位，由水位流量关系曲线查得，m；
z——引水时部分位能转化为动能后所形成的闸前水位降落。
z值可按下述经验公式计算：
①平原地区水闸设计参考手册，长江水利委员会编，水利出版社，1957年。
式中 K——取水系数，为引水流量Q引与引水前河流流量Q1之比值，即K=Q引/Q1；
v2——与x2相应的河流平均流速，m/s；(https://www.daowen.com)
A2——相应于水位x2时下游河道的过水断面面积，m2。
由式（6-12）可以看出，z值的大小与取水系数K直接有关。南方山区丘陵地区中，小河流上的无坝引水工程，其取水系数一般在30%以下，若取K=0.3，v2=1.0（m/s），则z≈0.03m，设计时可取此值进行估算；而自大江大河引水时，取水系数K往往很小，由式（6-12）计算的z甚微，设计时一般可以忽略不计，即取闸前设计水位为x≈x2。
若闸前引水渠较长，则闸前设计水位还应减去引水渠中的水头损失。
（三）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确定的干渠渠道水位，但这一水位还应根据闸前设计水位扣除过闸水头损失加以校核。如果不足，则应以闸前水位扣除过闸水头损失作为闸后设计水位，而将灌区范围适当缩小，或者向上游重新选择新的取水地点。
（四）进水闸闸孔尺寸的确定及校核
进水闸闸孔尺寸，主要指闸底板高程和闸孔的净宽，在确定这些尺寸时，它们之间是互为前提、互相影响的，在满足灌区高程控制要求的前提下，对于同一设计流量，闸底板高程定得低些，闸孔净宽可小一些；相反，闸底板高程定得高些，闸孔净宽就需要大些。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。
如闸底板高程已经确定，根据过闸设计流量、闸前及闸后设计水位，即可按水力学的方法判别过闸水流状态并采用相应的计算公式计算闸孔净宽，如果过闸水流状态为宽顶堰淹没出流，则闸孔宽度可按式（6-13）计算。
式中 B——闸孔净宽，m，若分孔，则为nb（n为孔数，b为每孔净宽）；
Q设引——过闸设计流量，相当于某一灌溉设计保证率的灌溉临界期最大引水流量，m3/s；
σs——淹没系数，与闸前及闸后水位有关，可查水力学中有关表确定；
ε——侧收缩系数，与边墩及中墩形状、个数及闸孔净宽有关，可参阅水力学中有关公式计算或查表确定；
m——宽顶堰流量系数，与进口是否设置底坎的形状有关，可查水力学中有关表确定；
H0——行近流速水头的闸前堰顶总水头，m。
在进行闸孔净宽计算时，由于侧收缩与闸孔净宽有关，故存在一个试算过程。可以先不考虑侧收缩影响，计算闸孔总净宽B，再结合分孔情况，计入侧收缩影响，检验闸孔的过水能力。
大型工程在设计计算后，必要时还应通过模型试验，加以验证。
在实际工程设计中，设计条件有时比较复杂，灌溉临界期往往不止一个，如按某一灌溉临界期设计进水闸尺寸，还应按另一个灌溉临界期的引水流量进行校核，以满足保证年份内各个时期的灌溉用水要求。
如某引水闸确定的灌溉临界期有春灌和夏灌两个季节，其灌溉流量及河流水位资料分别为：
春灌季节：河流水位（频率p=75%） 33.88m
灌溉流量169.3m3/s
夏灌季节：河流水位（频率p=75%）36.05m
灌溉流量350.0m3/s
由此可以看出，春灌季节河流水位虽然较低，但灌溉流量远较夏灌季节为小，若按春灌季节的水位，流量作为设计标准，则夏灌季节能否引入需要的灌溉流量，必须进行校核才行。