浅析引黄退水退沙监测中的退水计算

□曹宏斌（河南省豫北水利工程管理局）

1.引黄退水退沙监测工作概况

河南省引黄退水退沙监测工作始于20世纪八十年代，由于当时引黄灌区灌溉多采用大水漫灌，致使退入河道的泥沙淤积河道。为解决河道淤积纠纷，科学用水，河南省设立了水沙监测站，监测的内容为水位、流量、含沙量、输沙率等项目。通过这些年的运行，记录了大量连续详实的监测数据。河南省豫北水利工程管理局退水退沙监测站是1982年底开始建设，于1985年开始运转。目前有水沙监测站5处，分别为圪当店站、彦当站、西孟站、东孟站及饮马口监测站，主要监测人民胜利渠灌区及武嘉灌区退入卫河的水沙情况。由于监测数据数量巨大，采用东孟站2010年数据进行分析。

1.1 监测站概况

东孟监测站位于东孟姜女河下游卫辉市南辛庄村附近，距离渠首约35km，主要监测人民胜利渠总干渠以东灌区退入卫河的水沙及沿渠排放的污水。测验河段基本顺直，河床系泥沙组成，主河槽为规则的梯形，为窄深河道，高程66.00 m以上为复式断面，断面较规则，水位～流量关系曲线成单一曲线。基本水尺断面上游680m处、下游200m各有一座三跨公路桥。该河道水流速大，多为污水。水源主要有洪涝水、人民胜利渠退水以及沿途工业和生活废水。

1.2 监测站水文气象

卫辉市地处太行山南麓，西依太行，东揽卫水，总面积882 km2，西北高，东南低，境内地形自西北向东南分为山丘区、山前平原和冲积平原。属暖温带大陆性季风气候，四季分明，春季干燥少雨，冷暖多变，多春旱；夏季炎热高温，降水集中；秋季天高气爽，气候宜人；冬季寒冷寡照，较少雨雪。冬春季多东北风，夏季多西南风。年平均日照时数为2446.9h，日照百分率为58%，全年平均气温为13.8℃。7月份最热，月平均为27.2℃，极端最高气温42.5℃；1月份最冷，月平均为-1.1℃，极端最低气温-18.4℃，年平均无霜期210 d，最长可达260 d，最短仅有190d，水面蒸发量1550mm。全市年平均降水量574.3mm，降水年际变化大，年内分配不均，主要集中在6-9月份，占年降水量的70%。

1.3 监测工作依据及内容

监测站严格按照《水文测验手册》及国家水文站的有关规则和要求进行工作，其中基本水尺水位的观测在水位平稳时每日8时、20时观测，水位变化较大时根据具体情况实施加测；流速采用旋桨式流速仪测量；悬移质单位含沙量测验采用置换法进行；整编依据水利部水利司主编的《水文测验手册》，整编的内容为水位、流量、含沙量、输沙率等项目。2010年东孟站特征值见表1。

表1 东孟站2010年特征值表

2.退水计算分析

2.1 计算公式及数据

目前采用的计算方法为：

退水天数流量合计=逐日退水时流量之和

基流平均=（当月总流量-退水天数流量合计）÷非退水天数

基流合计=基流×退水天数

时间=24h×60min×60s

退水量=（退水天数流量合计-基流合计）×时间

注释：如不符合上列公式直接用：退水量=(逐日退水时流量之和-当月平均流量×退水天数)×8.64

该计算方法在大多数情况下计算结果比较准确，但是在水位短期波动频繁的情况下计算结果偏差较大，往往计算出的退水量为负值。下面选用2010年为基准年，经过统计2010年东孟站只有6、7、8、10月份有退水产生，由于河南省汛期时间为5月15日至9月30日，且根据卫辉市气象水文特征，计算中选取6月的日平均流量计算对象,6月的平均流量为4.04m3。其中6月21日至6月26日产生退水。2010年东孟站6月逐日平均流量见表2。

表2 2010年东孟站6月逐日平均流量统计表 m3/s

2.2 计算结果

通过上述公式计算，退水天数流量合计=22.45m3/s

基流平均=4.11m3/s

基流合计=4.11×6=24.66m3/s

退水量=（退水天数流量合计-基流合计）×8.64=-19.09万m3

计算结果为负很显然与实际不符。

采用公式：

退水量=(逐日退水时流量之和-当月平均流量×退水天数)×8.64

=（22.45-4.04×6）×8.64

=-15.47万m3

计算结果为负，不符合实际情况。

2.3 计算成果分析

上述2种计算方法计算的实际退水量均为负数，与实际情况明显不符，从计算过程中可知2010年东孟站6月日平均流量为4.04m3/s，计算中的基流日平均流量为4.11m3/s，而退水期间日平均流量为3.75m3/s，从这3个数据中可知基流已经大于退水期间的日平均流量，很显然基流平均的计算是错误的，那么影响退水量计算结果准确程度的是基流平均的计算。

通过上述分析不难发现，常用的计算方法已不适用在该月进行退水计算，必须进行修改。为什么会产生这种结果，从2010年东孟站6月的逐日平均流量序列中可发现，该月有2次日平均流量增加过程，第一次从1日至9日，第二次从18日到7月1日，退水时间为21-26日，与第二次日平均流量增加过程重叠，且退水时间为日平均流量增加过程的初期，在26日退水结束后，日平均流量增加的过程并没有结束并且持续到7月1日。从该月的逐日平均流量上可看出该月河道有2次波动且退水伴随河道的自然波动，那么采用2.1中的公式计算，很显然会在基流平均的计算上出现明显错误，从而影响最终的退水量计算结果。而基流平均的准确计算选择应剔除河道短期剧烈波动的影响，应选择日平均流量稳定的时段作为基流计算的时段，而不是笼统地采用整月数据进行程序化计算。

3.结论

作为引黄监测工作中退水的计算是整个引黄监测工作的关键，退水计算的精确度直接影响监测成果，通过2.3中的数据分析得出发生如下3种情况时基流平均计算中时段的选择及退水计算。

3.1 该月有一次或几次明显的退水过程，且河道水位无自然波动。

出现这种情况，是因河道无突然的外来水源，这一次的日平均流量增加是由退水引起，这种情况在非汛期及枯水期见到较多，基流的选择是该月非退水天数的流量平均。然后采用2.1中的公式进行退水计算。

3.2 该月有一次或几次明显的退水过程，且也有明显的水位自然波动，退水与河道自然波动在时间上不重叠。

这种情况下，拿上述的2010年东孟站6月份流量，假设1日至9日是河道的一次日平均流量增加过程，那么21日至7月1日作为一次明显的退水且不伴随河道的自然波动。

作为上述假设情况下，该次退水计算的基流如果选择非退水天数的月平均显然不合适。从该月的流量统计数据可看出，1日至9日的日平均流量上涨过程至16日水位才趋于平稳。那么在该月基流平均的计算上，由于退水过程与水位的自然波动过程在时间上不重叠，应扣除水位自然上涨过程天数的流量，基流平均计算应将2.1中的公式修改为：

基流平均=（当月总流量-退水天数流量合计-水位自然上涨过程天数流量合计）÷非退水天数

同理，非退水天数的选择应扣除水位波动的影响。在运用2.1中的公式进行计算时，非退水天数的公式修改为：非退水天数=月天数-水位波动天数-退水天数，然后再进行退水计算。

3.3 该月有一次或几次明显的退水和水位自然波动，且退水与水位自然波动在时间上有重叠。

2010年东孟站6月数据就属于这种情况，那么在该月计算退水的计算中，基流平均的计算是很关键的，在2.1中基流平均的计算中，非退水天数的选择应先利用3.2中的方法，扣除掉时间上不重叠的自然水位波动过程，然后再分析退水与涨水重叠的情况。从表中流量数据可看出从1日至16日是一次明显的流量上下的过程，从17日开始流量趋于稳定，23日流量开始加大，至28-29日流量有小幅的回落，30日流量再次上升。据监测，26日退水结束。在这个过程中，对于该月的退水计算笔者认为非退水天数应为扣除1-16日的自然涨水过程天数及退水结束后河道的自然涨水过程天数。在利用2.1中的公式进行基流平均的计算：基流平均的公式应修改为：

基流平均=【当月总流量-退水天数流量合计-水位波动过程天数流量合计（与退水过程在时间上不重叠，如重叠应扣除退水天数流量）】÷非退水天数=2.88

其中：非退水天数=月天数-水位波动天数（与退水过程在时间上不重叠，如重叠应扣除退水天数）-退水天数

由于退水与河道的自然波动时间上有重叠，采用直线插入法扣除自然水位波动增加的流量还原退水流量可得表3。

表3 修正后退水逐日平均流量表 m3/s

退水量=（退水天数流量合计-基流合计）×8.64=37.41万m3

通过计算可知2010年东孟站6月份的实际退水量为37.41万m3。

目前，在成果的计算中使用电脑进行程序化计算，这在很大程度上减少了很大的工作量，但也就是因为程序化设置，使对退水的计算产生了很大的误差，与灌区的实际退水量偏差较大。建议在退水量的计算中采用人机结合的模式进行计算，减小误差。通过上述3种情况下的区分计算，可以大大地减少在计算退水量上的偏差，为灌区的科学调度提供更为精确的数字依据。