娘子關泉水流量監測的數據分析

高列波

（山西省陽泉市娘子關泉域管理處，山西 陽泉 045000）

娘子關泉是我國北方地區最大的巖溶大泉，泉口位于陽泉市平定縣娘子關鎮附近，以泉群形式出露于綿河河谷地段，主要由11個大泉組成，分布在7公里的河漫灘及階地上，泉域面積7217 km2。自1956年開始有連續的流量觀測記錄以來，娘子關泉的最大流量為15.75 m3/s（1964年），最小流量為 5.73 m3/s（1995年），泉水多年（1956年～2016年）平均流量為9.57 m3/s。

娘子關提水工程位于娘子關泉口，包含陽泉和平定兩大提水工程，陽泉娘子關提水工程設計取水量為2.09 m3/s，2017年提水1606萬m3，合0.4496 m3/s。平定縣娘子關提水工程設計提水能力 3.0 m3/s，2017年供水量 3300萬 m3，合0.92 m3/s。

受提水工程提水過程的影響，泉口的水位及泉水流量在動態監測中出現了較大波動，造成監測數據失真。

1 泉水流量監測方案

娘子關泉水總流量是由綿右渠流量和綿河流量的總量減去桃河流量和溫河流量的差值；在提水工程建成運行后，就需將提水量還原回去推算泉水流量。娘子關泉水監測始于1956年，持續到1982年泉水流量還原僅受上游河道河水流量的影響；1982年在綿右渠監測斷面上游4 km處修建了陽泉提水工程；1985年又修建了平定提水工程后，綿右渠渠道水位、流量在動態監測中出現了較大波動，導致推算出的泉口水位及泉水流量監測數據失真。為了提高泉水流量監測精度、準確性，減少測量誤差，通過對娘子關泉進行加密監測，來分析對泉水監測斷面流量、水位產生影響的原因。

1.1 測流時機選擇

近20年的陽泉氣象資料統計顯示，陽泉雨量集中在7、8、9月，其它月份雨量次之，且5月～6月蒸發量最高，常年蒸發量大于降水量。為減少雨水對泉水流量影響，選擇枯水期進行。六月份是河流的枯水期，河水流量小且較穩定，對泉水監測的影響很小，是精確監測泉水流量的最佳時期。

1.2 測流儀器

此次測流選用LS10型旋漿式流速儀，旋槳式流速儀的工作原理是：當水流作用到儀器的感應元件旋槳時，旋槳即產生回轉運動，其回轉率“n”與流速“V”之間存在著一定的函數關系：V＝f（n）；儀器檢定公式：V＝bn+a（對應于原標準的V＝Kn+C）。式中：V為流速（m/s）；n為旋槳回轉率，等于旋槳總轉數N（N＝20倍信號數）與相應的測速歷時T之比，即n=N/T(1/s)；b為水力螺距（m）（對應于原標準的 K）；a為儀器常數（m/s）（對應于原標準的C）。測速歷時T按規定選用100 s。

1.3 監測斷面布設

上游監測斷面：在泉水出露區上游的桃河、溫河各布設一個測流斷面，桃河斷面位于城西泉上游180 m處，溫河位于坡底泉上游170 m處。

下游監測斷面：在泉水出露區下游的綿河、綿右渠各布設一個測流斷面，兩個斷面均位于綿右渠入口360 m處。

上下游斷面間河道狀況：上下游監測斷面之間河谷為U型，河道長約7 km，河道平均坡降7.8‰。其中在提水工程和下游監測斷面之間建有一平陽湖,湖面長1.2 km,最寬處70 m,水面面積8000 m2，攔水壩為橡膠壩；另有綿右渠攔水壩一座。

斷面檢測分布情況見圖1。

圖1 監測斷面分布圖

1.4 監測頻次

監測時間為一天24 h，間隔時間1 h，四個小組在四個斷面同時進行監測，以保證監測數據的精確有效。

1.5 提水工程運行時間與提水量

陽泉、平定提水工程的提水泵站處于上下游監測斷面之間，陽泉提水泵站距離下游綿河、綿右渠監測斷面4 km，平定提水一泵站距離下游綿河、綿右渠監測斷面3.1 km，平定提水二泵站距離下游綿河、綿右渠監測斷1.9 km，且位于平陽湖下游。

為了更好地節約成本，兩個供水公司均實行錯峰運行。陽泉提水泵站運行時段為早8時至11時，流量為1.0 m3/s；11時至18時，流量為1.5 m3/s；18時至23時，流量為0.5 m3/s；23時至次日早8時，流量為1.5 m3/s；平定提水泵站運行時段為早7時至18時，流量為0.0 m3/s；23時至次日早7時，流量為1.46 m3/s。

2 提水工程取水量與監測斷面流量的數據分析

分別在2018年6月5日、15日、25日進行了三次24小時加密監測，取三次數據的平均值進行分析。根據監測數據表1及圖1分析。

2.1 上游監測斷面水位、流量的分析

桃河、溫河的一天平均流量分別為0.081 m3/s，0.136 m3/s，它們的Q—T曲線均接近直線，流量變化不大，原因是監測時段內桃河、溫河的上游來水量不變，且均位于提水工程上游，監測流量不受提水影響，對泉水流量計算影響可以忽略不計。

2.2 下游監測斷面水位、流量的分析

綿河一天平均流量0.499 m3/s，它的Q—T曲線也接近直線，流量變化不大，因為綿河水主要為距監測斷面1 km左右的攔河壩泄水閘門及大壩壩底地層滲流產生，流量基本穩定，對泉水流量計算影響可以忽略不計。

綿右渠一天平均流量為5.159 m3/s，最大瞬時流量為6.055 m3/s，最小為4.417 m3/s，它的Q—T曲線波動較大。提水工程分時段開停泵對綿右渠的水位、水量造成明顯影響。平定一泵站離綿右渠監測斷面近，只有開停泵時，25分鐘后就會引起綿右渠渠道水位上漲和降落；而再增加陽泉提水泵站和平定二泵站同時開停泵時，1小時后綿右渠渠道水位才出現漲落，并且漲落過程緩慢，持續時間長。提水量改變后，河道泉水流量隨之改變，但由于河道、平陽湖水流調節作用，使泉水流到綿右渠斷面時間滯后，綿右渠斷面流量監測數據相應會產生較大波動，故監測流量與實際流量不一致。

表1 娘子關泉各斷面監測數據匯總表

2.3 泉水流量的數據分析

泉水流量是由上下游監測斷面測量數據差加上提水工程提水量計算得。也就是說綿右渠、綿河監測流量合計減去桃河和溫河監測流量再加上兩個提水工程提水量即為泉水總流量。即：

式中：Q泉為娘子關泉流量；Q渠為綿右渠流量；Q綿為綿河流量；Q桃為桃河流量；Q溫為溫河流量；Q陽提為陽泉提水量；Q平提為平定提水量。

圖2 泉水Q—T曲線圖

由圖2可知娘子關泉水一天的平均流量為7.157 m3/s，是各監測斷面及提水泵站全天平均流量還原計算的結果，它的Q—T曲線是一條直線。泉水的最大瞬時流量為8.710 m3/s，最小為5.693 m3/s，它的Q—T曲線是一條波浪線，流量變化大。在早7點至11點時段，監測流量計算還原后求得的流量值偏小；在上午11點至15點時段，監測流量計算還原后求得的流量值偏大；在下午16至晚上23點時段，監測流量計算還原后求得的流量值偏小；在晚上23點至次日早6點時段，監測流量計算還原后求得的流量值偏大。

提水泵站開停泵使泉水流量變化受河道、湖泊等調節影響而產生滯后疊加和提前疊加量，不能及時在綿右渠斷面流量監測數據上反映出來。而在計算泉水流量時是按提水工程開停泵的瞬時流量來還原計算，因此會出現計算后結果與實際結果不一致，最終導致對泉水流量的監測的精確度造成很大影響，而全天總流量的平均流量才是最接近實際泉水流量值的。根據泉水Q—T曲線，泉水的瞬時流量與平均流量有四個交集，在這個交集時間點測量的泉水流量精準度高，接近泉水的實際流量值。

3 結語

提水工程錯峰運行下泉水流量變化由于河道和平陽湖蓄水調節作用不能同步在綿右渠斷面流量監測數據上反映出來，造成下游綿右渠斷面監測數據失真，導致娘子關泉水流量還原推算值出現波動，產生誤差，降低了泉水測量精度。

全天中有四個監測值精確穩定的不同時段，在這個時段測量的泉水流量數據，能最大程度地反映泉水的實際流量值。建議在上午10:20和下午3:00這兩個時間點對娘子關泉水進行監測測量，并取其平均值，最終數據作為資料整編和開發利用水資源的科學依據。