淺析引黃退水退沙監(jiān)測(cè)中的退水計(jì)算

□曹宏斌（河南省豫北水利工程管理局）

1.引黃退水退沙監(jiān)測(cè)工作概況

河南省引黃退水退沙監(jiān)測(cè)工作始于20世紀(jì)八十年代，由于當(dāng)時(shí)引黃灌區(qū)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(xué)用水，河南省設(shè)立了水沙監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容為水位、流量、含沙量、輸沙率等項(xiàng)目。通過這些年的運(yùn)行，記錄了大量連續(xù)詳實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。河南省豫北水利工程管理局退水退沙監(jiān)測(cè)站是1982年底開始建設(shè)，于1985年開始運(yùn)轉(zhuǎn)。目前有水沙監(jiān)測(cè)站5處，分別為圪當(dāng)?shù)暾尽┊?dāng)站、西孟站、東孟站及飲馬口監(jiān)測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)人民勝利渠灌區(qū)及武嘉灌區(qū)退入衛(wèi)河的水沙情況。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量巨大，采用東孟站2010年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.1 監(jiān)測(cè)站概況

東孟監(jiān)測(cè)站位于東孟姜女河下游衛(wèi)輝市南辛莊村附近，距離渠首約35km，主要監(jiān)測(cè)人民勝利渠總干渠以東灌區(qū)退入衛(wèi)河的水沙及沿渠排放的污水。測(cè)驗(yàn)河段基本順直，河床系泥沙組成，主河槽為規(guī)則的梯形，為窄深河道，高程66.00 m以上為復(fù)式斷面，斷面較規(guī)則，水位～流量關(guān)系曲線成單一曲線。基本水尺斷面上游680m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(yè)和生活廢水。

1.2 監(jiān)測(cè)站水文氣象

衛(wèi)輝市地處太行山南麓，西依太行，東攬衛(wèi)水，總面積882 km2，西北高，東南低，境內(nèi)地形自西北向東南分為山丘區(qū)、山前平原和沖積平原。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)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(fēng)，夏季多西南風(fēng)。年平均日照時(shí)數(shù)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(zhǎng)可達(dá)260 d，最短僅有190d，水面蒸發(fā)量1550mm。全市年平均降水量574.3mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在6-9月份，占年降水量的70%。

1.3 監(jiān)測(cè)工作依據(jù)及內(nèi)容

監(jiān)測(cè)站嚴(yán)格按照《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》及國(guó)家水文站的有關(guān)規(guī)則和要求進(jìn)行工作，其中基本水尺水位的觀測(cè)在水位平穩(wěn)時(shí)每日8時(shí)、20時(shí)觀測(cè)，水位變化較大時(shí)根據(jù)具體情況實(shí)施加測(cè)；流速采用旋槳式流速儀測(cè)量；懸移質(zhì)單位含沙量測(cè)驗(yàn)采用置換法進(jìn)行；整編依據(jù)水利部水利司主編的《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》，整編的內(nèi)容為水位、流量、含沙量、輸沙率等項(xiàng)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(jì)算分析

2.1 計(jì)算公式及數(shù)據(jù)

目前采用的計(jì)算方法為：

退水天數(shù)流量合計(jì)=逐日退水時(shí)流量之和

基流平均=（當(dāng)月總流量-退水天數(shù)流量合計(jì)）÷非退水天數(shù)

基流合計(jì)=基流×退水天數(shù)

時(shí)間=24h×60min×60s

退水量=（退水天數(shù)流量合計(jì)-基流合計(jì)）×?xí)r間

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

該計(jì)算方法在大多數(shù)情況下計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是在水位短期波動(dòng)頻繁的情況下計(jì)算結(jié)果偏差較大，往往計(jì)算出的退水量為負(fù)值。下面選用2010年為基準(zhǔn)年，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)2010年東孟站只有6、7、8、10月份有退水產(chǎn)生，由于河南省汛期時(shí)間為5月15日至9月30日，且根據(jù)衛(wèi)輝市氣象水文特征，計(jì)算中選取6月的日平均流量計(jì)算對(duì)象,6月的平均流量為4.04m3。其中6月21日至6月26日產(chǎn)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(tǒng)計(jì)表 m3/s

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過上述公式計(jì)算，退水天數(shù)流量合計(jì)=22.45m3/s

基流平均=4.11m3/s

基流合計(jì)=4.11×6=24.66m3/s

退水量=（退水天數(shù)流量合計(jì)-基流合計(jì)）×8.64=-19.09萬m3

計(jì)算結(jié)果為負(fù)很顯然與實(shí)際不符。

采用公式：

退水量=(逐日退水時(shí)流量之和-當(dāng)月平均流量×退水天數(shù))×8.64

=（22.45-4.04×6）×8.64

=-15.47萬m3

計(jì)算結(jié)果為負(fù)，不符合實(shí)際情況。

2.3 計(jì)算成果分析

上述2種計(jì)算方法計(jì)算的實(shí)際退水量均為負(fù)數(shù)，與實(shí)際情況明顯不符，從計(jì)算過程中可知2010年東孟站6月日平均流量為4.04m3/s，計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)中可知基流已經(jīng)大于退水期間的日平均流量，很顯然基流平均的計(jì)算是錯(cuò)誤的，那么影響退水量計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的是基流平均的計(jì)算。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，常用的計(jì)算方法已不適用在該月進(jìn)行退水計(jì)算，必須進(jìn)行修改。為什么會(huì)產(chǎn)生這種結(jié)果，從2010年東孟站6月的逐日平均流量序列中可發(fā)現(xiàn)，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(shí)間為21-26日，與第二次日平均流量增加過程重疊，且退水時(shí)間為日平均流量增加過程的初期，在26日退水結(jié)束后，日平均流量增加的過程并沒有結(jié)束并且持續(xù)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(dòng)且退水伴隨河道的自然波動(dòng)，那么采用2.1中的公式計(jì)算，很顯然會(huì)在基流平均的計(jì)算上出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，從而影響最終的退水量計(jì)算結(jié)果。而基流平均的準(zhǔn)確計(jì)算選擇應(yīng)剔除河道短期劇烈波動(dòng)的影響，應(yīng)選擇日平均流量穩(wěn)定的時(shí)段作為基流計(jì)算的時(shí)段，而不是籠統(tǒng)地采用整月數(shù)據(jù)進(jìn)行程序化計(jì)算。

3.結(jié)論

作為引黃監(jiān)測(cè)工作中退水的計(jì)算是整個(gè)引黃監(jiān)測(cè)工作的關(guān)鍵，退水計(jì)算的精確度直接影響監(jiān)測(cè)成果，通過2.3中的數(shù)據(jù)分析得出發(fā)生如下3種情況時(shí)基流平均計(jì)算中時(shí)段的選擇及退水計(jì)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(dòng)。

出現(xiàn)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(shù)的流量平均。然后采用2.1中的公式進(jìn)行退水計(jì)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(dòng)，退水與河道自然波動(dòng)在時(shí)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(shè)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(dòng)。

作為上述假設(shè)情況下，該次退水計(jì)算的基流如果選擇非退水天數(shù)的月平均顯然不合適。從該月的流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(wěn)。那么在該月基流平均的計(jì)算上，由于退水過程與水位的自然波動(dòng)過程在時(shí)間上不重疊，應(yīng)扣除水位自然上漲過程天數(shù)的流量，基流平均計(jì)算應(yīng)將2.1中的公式修改為：

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

同理，非退水天數(shù)的選擇應(yīng)扣除水位波動(dòng)的影響。在運(yùn)用2.1中的公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，非退水天數(shù)的公式修改為：非退水天數(shù)=月天數(shù)-水位波動(dòng)天數(shù)-退水天數(shù)，然后再進(jìn)行退水計(jì)算。

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

2010年東孟站6月數(shù)據(jù)就屬于這種情況，那么在該月計(jì)算退水的計(jì)算中，基流平均的計(jì)算是很關(guān)鍵的，在2.1中基流平均的計(jì)算中，非退水天數(shù)的選擇應(yīng)先利用3.2中的方法，扣除掉時(shí)間上不重疊的自然水位波動(dòng)過程，然后再分析退水與漲水重疊的情況。從表中流量數(shù)據(jù)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(wěn)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(jù)監(jiān)測(cè)，26日退水結(jié)束。在這個(gè)過程中，對(duì)于該月的退水計(jì)算筆者認(rèn)為非退水天數(shù)應(yīng)為扣除1-16日的自然漲水過程天數(shù)及退水結(jié)束后河道的自然漲水過程天數(shù)。在利用2.1中的公式進(jìn)行基流平均的計(jì)算：基流平均的公式應(yīng)修改為：

基流平均=【當(dāng)月總流量-退水天數(shù)流量合計(jì)-水位波動(dòng)過程天數(shù)流量合計(jì)（與退水過程在時(shí)間上不重疊，如重疊應(yīng)扣除退水天數(shù)流量）】÷非退水天數(shù)=2.88

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

由于退水與河道的自然波動(dòng)時(shí)間上有重疊，采用直線插入法扣除自然水位波動(dòng)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(shù)流量合計(jì)-基流合計(jì)）×8.64=37.41萬m3

通過計(jì)算可知2010年東孟站6月份的實(shí)際退水量為37.41萬m3。

目前，在成果的計(jì)算中使用電腦進(jìn)行程序化計(jì)算，這在很大程度上減少了很大的工作量，但也就是因?yàn)槌绦蚧O(shè)置，使對(duì)退水的計(jì)算產(chǎn)生了很大的誤差，與灌區(qū)的實(shí)際退水量偏差較大。建議在退水量的計(jì)算中采用人機(jī)結(jié)合的模式進(jìn)行計(jì)算，減小誤差。通過上述3種情況下的區(qū)分計(jì)算，可以大大地減少在計(jì)算退水量上的偏差，為灌區(qū)的科學(xué)調(diào)度提供更為精確的數(shù)字依據(jù)。