引黃灌區(qū)自然河道水沙監(jiān)測分析

1.水沙監(jiān)測數(shù)據(jù)河南省建立了黃河流退砂源保護(hù)工作始于20世紀(jì)80年代。當(dāng)時(shí)，由于黃河灌流區(qū)大部分采用高洪水，河流中的沉積物減少。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)測站,監(jiān)測的內(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)測數(shù)據(jù)。河南省豫北水利工程管理局退水退沙監(jiān)測站是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)測站,主要監(jiān)測人民勝利渠灌區(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流量分析及水沙東孟監(jiān)測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66.00m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?；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(yè)和生活廢水。1.2氣溫、蒸發(fā)量衛(wèi)輝市地處太行山南麓,西依太行,東攬衛(wèi)水,總面積882km2,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210d,最長可達(dá)260d,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水文測量及測量條件監(jiān)測站嚴(yán)格按照《水文測驗(yàn)手冊》及國家水文站的有關(guān)規(guī)則和要求進(jìn)行工作,其中基本水尺水位的觀測在水位平穩(wěn)時(shí)每日8時(shí)、20時(shí)觀測,水位變化較大時(shí)根據(jù)具體情況實(shí)施加測;流速采用旋槳式流速儀測量;懸移質(zhì)單位含沙量測驗(yàn)采用置換法進(jìn)行;整編依據(jù)水利部水利司主編的《水文測驗(yàn)手冊》,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。2.計(jì)算和分析2.1退水時(shí)分時(shí)程計(jì)算目前采用的計(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。2.2基流和退水天數(shù)的計(jì)算通過上述公式計(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:計(jì)算結(jié)果為負(fù),不符合實(shí)際情況。2.3基流平均的計(jì)算方法的不適用上述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次波動且退水伴隨河道的自然波動,那么采用2.1中的公式計(jì)算,很顯然會在基流平均的計(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.退水監(jiān)測數(shù)據(jù)分析作為引黃監(jiān)測工作中退水的計(jì)算是整個(gè)引黃監(jiān)測工作的關(guān)鍵,退水計(jì)算的精確度直接影響監(jiān)測成果,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退水期次的日平均流量增加的出現(xiàn)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基流平均計(jì)算這種情況下,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。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)-水位波動天數(shù)-退水天數(shù),然后再進(jìn)行退水計(jì)算。3.3退水情況的修正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,26日退水結(jié)束。在這個(gè)過程中,對于該月的退水計(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時(shí)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。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.