娘子关泉水流量监测的数据分析

2018-09-23高列波

陕西水利 2018年5期

高列波

（山西省阳泉市娘子关泉域管理处，山西阳泉 045000）

娘子关泉是我国北方地区最大的岩溶大泉，泉口位于阳泉市平定县娘子关镇附近，以泉群形式出露于绵河河谷地段，主要由11个大泉组成，分布在7公里的河漫滩及阶地上，泉域面积7217 km2。自1956年开始有连续的流量观测记录以来，娘子关泉的最大流量为15.75 m3/s（1964年），最小流量为 5.73 m3/s（1995年），泉水多年（1956年～2016年）平均流量为9.57 m3/s。

娘子关提水工程位于娘子关泉口，包含阳泉和平定两大提水工程，阳泉娘子关提水工程设计取水量为2.09 m3/s，2017年提水1606万m3，合0.4496 m3/s。平定县娘子关提水工程设计提水能力 3.0 m3/s，2017年供水量 3300万 m3，合0.92 m3/s。

受提水工程提水过程的影响，泉口的水位及泉水流量在动态监测中出现了较大波动，造成监测数据失真。

1 泉水流量监测方案

娘子关泉水总流量是由绵右渠流量和绵河流量的总量减去桃河流量和温河流量的差值；在提水工程建成运行后，就需将提水量还原回去推算泉水流量。娘子关泉水监测始于1956年，持续到1982年泉水流量还原仅受上游河道河水流量的影响；1982年在绵右渠监测断面上游4 km处修建了阳泉提水工程；1985年又修建了平定提水工程后，绵右渠渠道水位、流量在动态监测中出现了较大波动，导致推算出的泉口水位及泉水流量监测数据失真。为了提高泉水流量监测精度、准确性，减少测量误差，通过对娘子关泉进行加密监测，来分析对泉水监测断面流量、水位产生影响的原因。

1.1 测流时机选择

近20年的阳泉气象资料统计显示，阳泉雨量集中在7、8、9月，其它月份雨量次之，且5月～6月蒸发量最高，常年蒸发量大于降水量。为减少雨水对泉水流量影响，选择枯水期进行。六月份是河流的枯水期，河水流量小且较稳定，对泉水监测的影响很小，是精确监测泉水流量的最佳时期。

1.2 测流仪器

此次测流选用LS10型旋浆式流速仪，旋桨式流速仪的工作原理是：当水流作用到仪器的感应元件旋桨时，旋桨即产生回转运动，其回转率“n”与流速“V”之间存在着一定的函数关系：V＝f（n）；仪器检定公式：V＝bn+a（对应于原标准的V＝Kn+C）。式中：V为流速（m/s）；n为旋桨回转率，等于旋桨总转数N（N＝20倍信号数）与相应的测速历时T之比，即n=N/T(1/s)；b为水力螺距（m）（对应于原标准的 K）；a为仪器常数（m/s）（对应于原标准的C）。测速历时T按规定选用100 s。

1.3 监测断面布设

上游监测断面：在泉水出露区上游的桃河、温河各布设一个测流断面，桃河断面位于城西泉上游180 m处，温河位于坡底泉上游170 m处。

下游监测断面：在泉水出露区下游的绵河、绵右渠各布设一个测流断面，两个断面均位于绵右渠入口360 m处。

上下游断面间河道状况：上下游监测断面之间河谷为U型，河道长约7 km，河道平均坡降7.8‰。其中在提水工程和下游监测断面之间建有一平阳湖,湖面长1.2 km,最宽处70 m,水面面积8000 m2，拦水坝为橡胶坝；另有绵右渠拦水坝一座。

断面检测分布情况见图1。

图1 监测断面分布图

1.4 监测频次

监测时间为一天24 h，间隔时间1 h，四个小组在四个断面同时进行监测，以保证监测数据的精确有效。

1.5 提水工程运行时间与提水量

阳泉、平定提水工程的提水泵站处于上下游监测断面之间，阳泉提水泵站距离下游绵河、绵右渠监测断面4 km，平定提水一泵站距离下游绵河、绵右渠监测断面3.1 km，平定提水二泵站距离下游绵河、绵右渠监测断1.9 km，且位于平阳湖下游。

为了更好地节约成本，两个供水公司均实行错峰运行。阳泉提水泵站运行时段为早8时至11时，流量为1.0 m3/s；11时至18时，流量为1.5 m3/s；18时至23时，流量为0.5 m3/s；23时至次日早8时，流量为1.5 m3/s；平定提水泵站运行时段为早7时至18时，流量为0.0 m3/s；23时至次日早7时，流量为1.46 m3/s。

2 提水工程取水量与监测断面流量的数据分析

分别在2018年6月5日、15日、25日进行了三次24小时加密监测，取三次数据的平均值进行分析。根据监测数据表1及图1分析。

2.1 上游监测断面水位、流量的分析

桃河、温河的一天平均流量分别为0.081 m3/s，0.136 m3/s，它们的Q—T曲线均接近直线，流量变化不大，原因是监测时段内桃河、温河的上游来水量不变，且均位于提水工程上游，监测流量不受提水影响，对泉水流量计算影响可以忽略不计。

2.2 下游监测断面水位、流量的分析

绵河一天平均流量0.499 m3/s，它的Q—T曲线也接近直线，流量变化不大，因为绵河水主要为距监测断面1 km左右的拦河坝泄水闸门及大坝坝底地层渗流产生，流量基本稳定，对泉水流量计算影响可以忽略不计。

绵右渠一天平均流量为5.159 m3/s，最大瞬时流量为6.055 m3/s，最小为4.417 m3/s，它的Q—T曲线波动较大。提水工程分时段开停泵对绵右渠的水位、水量造成明显影响。平定一泵站离绵右渠监测断面近，只有开停泵时，25分钟后就会引起绵右渠渠道水位上涨和降落；而再增加阳泉提水泵站和平定二泵站同时开停泵时，1小时后绵右渠渠道水位才出现涨落，并且涨落过程缓慢，持续时间长。提水量改变后，河道泉水流量随之改变，但由于河道、平阳湖水流调节作用，使泉水流到绵右渠断面时间滞后，绵右渠断面流量监测数据相应会产生较大波动，故监测流量与实际流量不一致。

表1 娘子关泉各断面监测数据汇总表

2.3 泉水流量的数据分析

泉水流量是由上下游监测断面测量数据差加上提水工程提水量计算得。也就是说绵右渠、绵河监测流量合计减去桃河和温河监测流量再加上两个提水工程提水量即为泉水总流量。即：

式中：Q泉为娘子关泉流量；Q渠为绵右渠流量；Q绵为绵河流量；Q桃为桃河流量；Q温为温河流量；Q阳提为阳泉提水量；Q平提为平定提水量。

图2 泉水Q—T曲线图

由图2可知娘子关泉水一天的平均流量为7.157 m3/s，是各监测断面及提水泵站全天平均流量还原计算的结果，它的Q—T曲线是一条直线。泉水的最大瞬时流量为8.710 m3/s，最小为5.693 m3/s，它的Q—T曲线是一条波浪线，流量变化大。在早7点至11点时段，监测流量计算还原后求得的流量值偏小；在上午11点至15点时段，监测流量计算还原后求得的流量值偏大；在下午16至晚上23点时段，监测流量计算还原后求得的流量值偏小；在晚上23点至次日早6点时段，监测流量计算还原后求得的流量值偏大。

提水泵站开停泵使泉水流量变化受河道、湖泊等调节影响而产生滞后叠加和提前叠加量，不能及时在绵右渠断面流量监测数据上反映出来。而在计算泉水流量时是按提水工程开停泵的瞬时流量来还原计算，因此会出现计算后结果与实际结果不一致，最终导致对泉水流量的监测的精确度造成很大影响，而全天总流量的平均流量才是最接近实际泉水流量值的。根据泉水Q—T曲线，泉水的瞬时流量与平均流量有四个交集，在这个交集时间点测量的泉水流量精准度高，接近泉水的实际流量值。