淺析引黃退水退沙監測中的退水計算

□曹宏斌（河南省豫北水利工程管理局）

1.引黃退水退沙監測工作概況

河南省引黃退水退沙監測工作始于20世紀八十年代，由于當時引黃灌區灌溉多采用大水漫灌，致使退入河道的泥沙淤積河道。為解決河道淤積糾紛，科學用水，河南省設立了水沙監測站，監測的內容為水位、流量、含沙量、輸沙率等項目。通過這些年的運行，記錄了大量連續詳實的監測數據。河南省豫北水利工程管理局退水退沙監測站是1982年底開始建設，于1985年開始運轉。目前有水沙監測站5處，分別為圪當店站、彥當站、西孟站、東孟站及飲馬口監測站，主要監測人民勝利渠灌區及武嘉灌區退入衛河的水沙情況。由于監測數據數量巨大，采用東孟站2010年數據進行分析。

1.1 監測站概況

東孟監測站位于東孟姜女河下游衛輝市南辛莊村附近，距離渠首約35km，主要監測人民勝利渠總干渠以東灌區退入衛河的水沙及沿渠排放的污水。測驗河段基本順直，河床系泥沙組成，主河槽為規則的梯形，為窄深河道，高程66.00 m以上為復式斷面，斷面較規則，水位～流量關系曲線成單一曲線?；舅邤嗝嫔嫌?80m處、下游200m各有一座三跨公路橋。該河道水流速大，多為污水。水源主要有洪澇水、人民勝利渠退水以及沿途工業和生活廢水。

1.2 監測站水文氣象

衛輝市地處太行山南麓，西依太行，東攬衛水，總面積882 km2，西北高，東南低，境內地形自西北向東南分為山丘區、山前平原和沖積平原。屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季干燥少雨，冷暖多變，多春旱；夏季炎熱高溫，降水集中；秋季天高氣爽，氣候宜人；冬季寒冷寡照，較少雨雪。冬春季多東北風，夏季多西南風。年平均日照時數為2446.9h，日照百分率為58%，全年平均氣溫為13.8℃。7月份最熱，月平均為27.2℃，極端最高氣溫42.5℃；1月份最冷，月平均為-1.1℃，極端最低氣溫-18.4℃，年平均無霜期210 d，最長可達260 d，最短僅有190d，水面蒸發量1550mm。全市年平均降水量574.3mm，降水年際變化大，年內分配不均，主要集中在6-9月份，占年降水量的70%。

1.3 監測工作依據及內容

監測站嚴格按照《水文測驗手冊》及國家水文站的有關規則和要求進行工作，其中基本水尺水位的觀測在水位平穩時每日8時、20時觀測，水位變化較大時根據具體情況實施加測；流速采用旋槳式流速儀測量；懸移質單位含沙量測驗采用置換法進行；整編依據水利部水利司主編的《水文測驗手冊》，整編的內容為水位、流量、含沙量、輸沙率等項目。2010年東孟站特征值見表1。

表1 東孟站2010年特征值表

2.退水計算分析

2.1 計算公式及數據

目前采用的計算方法為：

退水天數流量合計=逐日退水時流量之和

基流平均=（當月總流量-退水天數流量合計）÷非退水天數

基流合計=基流×退水天數

時間=24h×60min×60s

退水量=（退水天數流量合計-基流合計）×時間

注釋：如不符合上列公式直接用：退水量=(逐日退水時流量之和-當月平均流量×退水天數)×8.64

該計算方法在大多數情況下計算結果比較準確，但是在水位短期波動頻繁的情況下計算結果偏差較大，往往計算出的退水量為負值。下面選用2010年為基準年，經過統計2010年東孟站只有6、7、8、10月份有退水產生，由于河南省汛期時間為5月15日至9月30日，且根據衛輝市氣象水文特征，計算中選取6月的日平均流量計算對象,6月的平均流量為4.04m3。其中6月21日至6月26日產生退水。2010年東孟站6月逐日平均流量見表2。

表2 2010年東孟站6月逐日平均流量統計表 m3/s

2.2 計算結果

通過上述公式計算，退水天數流量合計=22.45m3/s

基流平均=4.11m3/s

基流合計=4.11×6=24.66m3/s

退水量=（退水天數流量合計-基流合計）×8.64=-19.09萬m3

計算結果為負很顯然與實際不符。

采用公式：

退水量=(逐日退水時流量之和-當月平均流量×退水天數)×8.64

=（22.45-4.04×6）×8.64

=-15.47萬m3

計算結果為負，不符合實際情況。

2.3 計算成果分析

上述2種計算方法計算的實際退水量均為負數，與實際情況明顯不符，從計算過程中可知2010年東孟站6月日平均流量為4.04m3/s，計算中的基流日平均流量為4.11m3/s，而退水期間日平均流量為3.75m3/s，從這3個數據中可知基流已經大于退水期間的日平均流量，很顯然基流平均的計算是錯誤的，那么影響退水量計算結果準確程度的是基流平均的計算。

通過上述分析不難發現，常用的計算方法已不適用在該月進行退水計算，必須進行修改。為什么會產生這種結果，從2010年東孟站6月的逐日平均流量序列中可發現，該月有2次日平均流量增加過程，第一次從1日至9日，第二次從18日到7月1日，退水時間為21-26日，與第二次日平均流量增加過程重疊，且退水時間為日平均流量增加過程的初期，在26日退水結束后，日平均流量增加的過程并沒有結束并且持續到7月1日。從該月的逐日平均流量上可看出該月河道有2次波動且退水伴隨河道的自然波動，那么采用2.1中的公式計算，很顯然會在基流平均的計算上出現明顯錯誤，從而影響最終的退水量計算結果。而基流平均的準確計算選擇應剔除河道短期劇烈波動的影響，應選擇日平均流量穩定的時段作為基流計算的時段，而不是籠統地采用整月數據進行程序化計算。

3.結論

作為引黃監測工作中退水的計算是整個引黃監測工作的關鍵，退水計算的精確度直接影響監測成果，通過2.3中的數據分析得出發生如下3種情況時基流平均計算中時段的選擇及退水計算。

3.1 該月有一次或幾次明顯的退水過程，且河道水位無自然波動。

出現這種情況，是因河道無突然的外來水源，這一次的日平均流量增加是由退水引起，這種情況在非汛期及枯水期見到較多，基流的選擇是該月非退水天數的流量平均。然后采用2.1中的公式進行退水計算。

3.2 該月有一次或幾次明顯的退水過程，且也有明顯的水位自然波動，退水與河道自然波動在時間上不重疊。

這種情況下，拿上述的2010年東孟站6月份流量，假設1日至9日是河道的一次日平均流量增加過程，那么21日至7月1日作為一次明顯的退水且不伴隨河道的自然波動。

作為上述假設情況下，該次退水計算的基流如果選擇非退水天數的月平均顯然不合適。從該月的流量統計數據可看出，1日至9日的日平均流量上漲過程至16日水位才趨于平穩。那么在該月基流平均的計算上，由于退水過程與水位的自然波動過程在時間上不重疊，應扣除水位自然上漲過程天數的流量，基流平均計算應將2.1中的公式修改為：

基流平均=（當月總流量-退水天數流量合計-水位自然上漲過程天數流量合計）÷非退水天數

同理，非退水天數的選擇應扣除水位波動的影響。在運用2.1中的公式進行計算時，非退水天數的公式修改為：非退水天數=月天數-水位波動天數-退水天數，然后再進行退水計算。

3.3 該月有一次或幾次明顯的退水和水位自然波動，且退水與水位自然波動在時間上有重疊。

2010年東孟站6月數據就屬于這種情況，那么在該月計算退水的計算中，基流平均的計算是很關鍵的，在2.1中基流平均的計算中，非退水天數的選擇應先利用3.2中的方法，扣除掉時間上不重疊的自然水位波動過程，然后再分析退水與漲水重疊的情況。從表中流量數據可看出從1日至16日是一次明顯的流量上下的過程，從17日開始流量趨于穩定，23日流量開始加大，至28-29日流量有小幅的回落，30日流量再次上升。據監測，26日退水結束。在這個過程中，對于該月的退水計算筆者認為非退水天數應為扣除1-16日的自然漲水過程天數及退水結束后河道的自然漲水過程天數。在利用2.1中的公式進行基流平均的計算：基流平均的公式應修改為：

基流平均=【當月總流量-退水天數流量合計-水位波動過程天數流量合計（與退水過程在時間上不重疊，如重疊應扣除退水天數流量）】÷非退水天數=2.88

其中：非退水天數=月天數-水位波動天數（與退水過程在時間上不重疊，如重疊應扣除退水天數）-退水天數

由于退水與河道的自然波動時間上有重疊，采用直線插入法扣除自然水位波動增加的流量還原退水流量可得表3。

表3 修正后退水逐日平均流量表 m3/s

退水量=（退水天數流量合計-基流合計）×8.64=37.41萬m3

通過計算可知2010年東孟站6月份的實際退水量為37.41萬m3。

目前，在成果的計算中使用電腦進行程序化計算，這在很大程度上減少了很大的工作量，但也就是因為程序化設置，使對退水的計算產生了很大的誤差，與灌區的實際退水量偏差較大。建議在退水量的計算中采用人機結合的模式進行計算，減小誤差。通過上述3種情況下的區分計算，可以大大地減少在計算退水量上的偏差，為灌區的科學調度提供更為精確的數字依據。