有坝引水工程的水利计算
有坝引水工程的水利计算与无坝引水工程类似，不同之处在于增加了壅水建筑物的影响，即有坝引水可能引取的流量，不但与河流天然来水流量有关，而且与壅水建筑物抬高后的河流水位有关。有坝引水工程水利计算的内容主要是在已给灌区面积情况下，确定设计引水流量、拦河坝高度、拦河坝上游防护设施及进水闸尺寸等。若需对灌区范围进行选定，则由于设计引水流量与灌区面积、作物组成以及灌溉设计标准是相互联系的，在具体计算中，常先假定灌溉面积和作物组成以及灌溉设计保证率，然后计算灌溉设计引水流量；如果河道的流量不能满足灌溉引水的要求，则应适当调整灌溉面积或降低设计标准等，并重新进行计算，最后通过方案比较，合理确定设计引水流量和灌区的范围。
（一）设计引水流量的确定
1.长系列法
所谓长系列法，就是首先计算历年（或历年灌溉临界期）的渠首河流来水过程线和已定灌区的灌溉用水过程线，再逐年比较这两个过程，统计出河流来水满足灌溉用水的保证年数，如n年系列中，保证供水的年数为m，则该灌区的灌溉保证率p=m×100%。n+1如果计算得到的灌溉保证率与该灌区要求的灌溉设计保证率相一致，则系列年中的最大引水流量即为所求的设计引水流量；如果计算得到的灌溉保证率与灌区要求的灌溉设计保证率不一致，则需调整灌溉面积或改变作物种植比例等，重复以上计算，使两者一致起来，最后定出设计引水流量。
其具体步骤如下：
1）选择有代表性的系列年组。
2）计算历年（或历年灌溉临界期）的河流来水和灌区用水过程。在计算河流来水和灌区用水过程中，一般可采用5日或旬作为计算时段。
3）逐年进行引水水量平衡计算（可采用表格形式计算，见表6-6），将表中同一段时间的可以引取的河流来水量与灌溉用水量进行比较，取两者中较小的数字作为实际引水量，填入该栏。当同一时段的实际引水量小于灌溉用水量时，即表示该时段的灌溉引水量不能保证需要，就出现灌溉遭到破坏的情况。
表6-6 ××灌区历年引水量平衡计算表
4）统计系列年组n中河流来水满足灌溉用水的保证年数m，按式p=
×100%计算灌溉保证率。
5）如按上式计算得到的灌溉保证率与灌区设计所要求的灌溉设计保证率相一致，则可在引水量平衡计算表内实际引水量一栏中，选取其中最大的实际引水量W（m3），按下式计算设计引水流量：
式中 t——采用的计算时段，d。
长系列法考虑了历年的引水流量与灌溉用水量的实际变化及配合，只要所选取的系列年组有足够的代表性，其成果一般比较可靠，但工作量比较大。
2.设计代表年法
设计代表年法是选择某几个代表年份，进行引水量平衡计算，其计算方法与长系列法相同，但该法仅就选定的代表年份进行计算，故计算工作量较小，在选取的设计代表年具有一定代表性时，成果还是可靠的。
具体计算步骤如下：
1）选择设计代表年，由于仅选择一个年份作为代表，具有很大的偶然性，故可按下述方式选择一个代表年组：①对渠首河流历年（或历年灌溉临界期）的来水量进行频率分析，按灌区所要求的灌溉设计保证率，选出2～3年，作为设计代表年，并求出相应年份灌溉用水过程；②对灌区历年作物生长期降雨量或灌溉定额进行频率分析，选择频率接近灌区所要求的灌溉设计保证率的年份2～3年，作为设计代表年，并根据水文资料，查得相应年份渠首河流的来水过程；③由上述一种或两种方法所选得的设计代表年中，选出2～6年，组成一个设计代表年组。
2）对设计代表年组中的每一年，进行引水量平衡计算与分析（具体计算方法同长系列法），如在引水量平衡计算中，发生破坏情况，则应采取缩小灌溉面积，改变作物组成或降低设计标准等措施，并重新计算。
3）选择设计代表年组中实际引水流量最大的年份，作为设计代表年，并以该年最大引水流量作为设计流量。
3.设计灌水率法
此法首先根据灌区所处位置及水旱田面积比例等，参考附近灌区的灌水经验，选定设计灌水率值q净[m3/（s·万亩）]，并按下式确定渠首设计引水流量。
式中 Q引——渠首设计引水流量，m3/s；
q净——设计灌水率值；
A——灌溉面积，万亩；
η水——灌溉水的利用系数。
然后统计历年作物生长期或灌溉临界期中渠首河段最小五日（或旬）平均流量，并绘制频率曲线，根据渠首设计引水流量Q引，在频率曲线上查得相应频率p，此值就是灌溉保证率，如p小于灌溉设计保证率p设，则应减小灌溉面积或改变作物组成以减小灌水率值。此法将灌溉用水视为固定不变的，这与实际情况有出入，故仅适用于初步规划阶段。
（二）拦河坝高度的确定
根据一般规划设计经验，拦河坝的高度应满足下述三方面的要求：
1）应满足灌区要求的引水高程。
2）在满足灌溉引水要求的前提下，使筑坝后上游淹没损失尽可能小，亦即在宣泄一定设计频率洪水的条件下，使溢流坝（或闸）的壅水高度最小。
3）适当考虑综合利用的要求，如发电、通航、过鱼等。
这些要求事实上是既统一又矛盾的，如对灌溉和发电效益而言，拦河坝高些为好；但拦河坝越高，上游淹没损失越大，防洪工程造价也越高，因此，必须通过多方面的调查研究，反复比较才行。
一般地说，坝顶高程常先根据灌溉引水高程初步拟定，然后结合河床地形地质条件、坝型和建材以及溢流坝段工程量和坝上游防洪工程的大小等进行综合比较确定。
1.溢洪坝段的坝顶高程z溢的计算
坝顶高程（图6-16）可按下式计算：(https://www.daowen.com)
式中 z溢——拦河坝溢流段坝顶高程，m；
z设计——相应于设计引水流量的干渠渠首水位，m；
Δz——渠首进水闸过闸水头损失，一般为0.15～0.3m；
ΔD1——安全超高，一般中、小型工程取0.2～0.3m。
由推算得的坝顶高程z溢，减去坝基高程z基，即得溢流坝的高度H1为
图6-16 拦河坝坝顶高程计算示意图
2.非溢流段的坝顶高程z坝的计算
式中 ΔD2——安全超高，按坝的级别、坝型及运用情况确定，一般可取0.4～1.0m；
H0——溢流坝段溢洪时的壅水高度，m；
QM——相应于某一设计标准的洪峰流量，m3/s；
B——拦河坝溢流段宽度，m，若是分孔，应为净宽nb（n为孔数，b为每孔宽）；
m——溢流坝流量系数；
ε——侧收缩系数；
其余符号意义同前。
此时，非溢流段的坝高H2为
（三）拦河坝的防洪校核及上游防护设施的确定
进行防洪校核，首先要确定设计标准，中小型引水工程的防洪设计标准，一般采用10～20年一遇洪水设计，100～200年一遇洪水校核。根据一定标准的设计洪水和初步拟定的坝高，便可根据河床情况，选取一个溢流宽度，计算坝上的壅水高度H0如式（6-19）。此项计算往往与溢流段坝高的计算交叉进行。
坝上壅水高度求出后，可按稳定非均匀流推求出上游回水曲线，计算方法详见水力学教材，根据回水范围，可调查统计筑坝后的淹没情况（淹没面积及搬迁等）。对于一些重要的城镇和交通要道则应增设防洪堤和抽水排涝工程等进行防护。防洪堤的长度按防护范围而定，堤顶高程则根据设计洪水回水水位加超高（一般为0.5m）来决定。若坝上游的淹没情况严重，且所需防护工程的工程量过大，则必须考虑改变拦河坝的结构型式，如增长溢流坝段的宽度，降低固定坝高，加设泄洪闸或活动坝等，以降低回水高度，减少上游回水淹没，如某灌溉引水工程，将3m高固定坝改为2m高，上设1m高的活动坝，设计洪水期的回水长度由2560m减小到1160m，大大减小了上游的淹没损失。
可见，拦河坝的尺寸，形式及上游防护工程受多方面的影响。在规划设计时，应根据具体情况，对各种可能采取的坝高和坝型及其造成的淹没损失和需要的防护工程做多方案比较，从中选取最优方案。
（四）进水闸尺寸的确定
进水闸的尺寸取决于过闸水流状态，设计引水流量、闸前及闸后设计水位等，而闸前设计水位z前又与设计时段河流来水流量有关（图6-17）。
图6-17 有坝引水闸前设计水位计算示意图
1）当设计时段河流来水流量等于引水流量（Q1=Q引）时：
式中符号意义同前。
2）当设计时段来水流量大于引水流量（Q1＞Q引）时：式中 h2——相应于设计年份灌溉临界期河流流量Q1减去引水流量Q引后的河流流量Q2
的溢流水深，可按式（6-19）计算。当h2很小时，可略去不计。
如有引水渠，式（6-21）和式（6-22）中还需考虑引水渠中水头损失。
闸后设计水位的确定和闸孔尺寸的具体计算方法，与无坝引水工程中有关部分相同，这里不再赘述。