工程水文学第3章课件

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1、第三章 水文测验及水文资料收集,3.1 水文测站 3.2 水位观测 3.3 流量观测 3.4 流量资料整编 3.5 泥沙测验及计算 3.6 水文调查 3.7 水文测验资料的收集,3.1 水文测站,水文测验学是研究水资源中各种水文要素的测量、计算与资料整编的原理和方法的一门科学，即研究水文资料信息的搜集、处理、存贮和检索的一门科学。 水文测验的根本任务是根据国民经济发展的需要，进行水文站网的规划，布设水文站；采用定位观测、巡回测验、水文调查等方法测定各种水文要素，包括水位、流量、水温、降水、蒸发、泥沙的观测以及泥沙颗粒分析，水质监测和分析；经分析整编，刊印成为系统的水文资料，如水文年鉴等。因此，

2、水文测验工作也可称水文资料搜集系统。,3.1.1 水文测站 在流域内一定地点(或断面)按统一标准对所需要的水文要素作系统观测以获取信息并进行处理为即时观测信息，这些指定的地点称为水文测站 水文测站所观测的项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等。只观测上述项目中的一项或少数几项的测站,则按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。 根据测站的性质,河流水文测站又可分为： - 基本站：是水文主管部门为全国各地的水文情况而设立的,是为国民经济各方面的需要服务的。 - 专用站：是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。 这两类测站相辅相成，专用

3、站在面上辅助基本站，而基本站在时间系列上辅助了专用站。,- 实验站：对某种水文现象的变化规律或对某些水体作深入研究，由有关科研单位设立。 3.1.2 水文站网 因为单个测站观测到的水文要素其信息只代表了站址处的水文情况，而流域上的水文情况则须在流域内的一些适当地点布站观测，这些测站在地理上的分布网称为水文站网（如图）。广义的站网是指测站及其管理机构所组成的信息采集与处理体系。 水文站网布站的原则是：通过所设站网采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征值，这也就是水文站网的作用。 水文站网规划的任务：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题。,(1)

4、基线：通常与测流断面垂直，起点在测流断面线上。其用途是用经纬仪或六分仪测角交会法推求垂线在断面上的位置。基线的长度视河宽B而定,一般应为0.6B。 (2)水准点: 分为基本水准点和校核水准点，基本水准点是测定测站上各种高程的基本依据，校核水准点是经常用来校核水尺零点的高程。 (3)基本水尺断面上设立基本水尺。 用来进行经常的水位观测。 (4)测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。 (5)浮标测流断面有上、中、下三个断面。 一般中断面应与流速仪测流断面重合，上、下断面之间的间距不宜太短，其距篱应为断面最大流速的5080倍。 (6)比降断面设立比降水尺。用来观测河流的水面比降和分析河

5、床的糙率。,3.1.4 收集水文信息的基本途径 收集水文信息的基本途径可分为： - 驻测： 在河流或流域内的固定点上对水文要素所进行的观测称驻测。这是我国收集水文信息的最基本方式，但存在着用人多、站点不足、效益低等缺点。 - 巡测： 观测人员以巡回流动的方式定期或不定期地对一地区或流域内各观测点进行流量等水文要素的观测。 - 间测: 中小河流水文站有10年以上资料分析证明其历年水位流量关系稳定，或其变化在允许误差范围内，对其中一要素(如流量)停测一时期再施测的测停相间的测验方式。 - 水文调查： 为弥补水文基本站网定位观测的不足或其他特定目的,采用勘测、调查、考证等手段进行收集水文信息的工作。

6、,3.2 水位观测 3.2.1 水位观测基面 水位是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程，以m 计。水位与高程数值一样，要有一个标准基面作为起点，水文测验中采用的 标准基面有下列4种： - 绝对基面：将某一海滨地点平均海面的高程定为0m，作为水准基面。我国曾沿用过大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面，现在统一规定的基面为青岛黄海基面。 - 假定基面： 这是在水文测站附近没有国家水准点或还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面。,- 测站基面： 某些水文测站专用的一种假定基面，一般选择在河床最低点或历年最低水位以下0.51.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。 - 冻结基面：

7、 将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的种基面，也属水文测站专用的另一种假定基面。使用冻结基面可保持测站水位资料的历史连续性。 全河上下游或相邻测站应尽可能采用一致的固定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。,3.2.2水位观测 （一）观测设备 水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。 1.水尺 按水尺的构造形式不同可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式4种。其中应用最广泛的是直立式水尺。观测时记录水尺读数，水位按下式计算： 水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数 水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以预先测量出来。 2.自记水位计 自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，

8、不遗漏任何突然的变化和转折，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化。,（三）水位观测资料的整理 计算日 / 月 / 年平均水位 水位过程线 日平均水位的计算： 算术平均法:该法适合于水位变化缓慢或变化大但等时距观测的情况。,面积包围法：该法适合于水位变化大且不等时距观测的情况。,3.3 流量测验,3.3.1 概述 流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量，以m3/s计。 测量流量的方法很多，常用的方法为流速面积法，其中包括流速仪 测流法、浮标测流法、比降面积法等，这是我国目前使用的基本方法。 此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等。 本节主要介绍

9、流速 仪法测流。,(一)流速仪测速 - 流速仪 流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出讯号，便可知道在一定时间内的旋转次数，流速愈大，转轴转得愈快，流速与转速之间有一定的关系，这种关系是由厂家在仪器出厂之前，把流速仪放在特定的检定水槽里，通过实验方法来确定流速与转速间的函数关系。关系式如下： K仪器率定常数，每台仪器不一样，要定期率定 C摩阻系数；N总转数；T测速时间,感应流速的旋转器又分为以下二种： 旋杯式流速仪：转轴垂直于水面，测速范围：0.23.5 m/s，适合于含沙量较少的河流。 旋浆式流速仪：转轴是水平的，测速范围：0.04 10 m

10、/s ，适合于多沙的河流。,- 流速测量 流速仪只能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线（一般在测深垂线中选择若干条同时兼作测速垂线），在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。 测速垂线数目，根据河宽、水深来确定。测速垂线上的测点数，根据垂线的水深，流速仪的悬吊方式和测量精度的要求来确定。 当水面宽度 5m, 测速垂线的数目5 测速垂线上测速点的布置，常有一点式，二点式 ，三点式和五点式。,(二)断面测量 断面测量工作包括水道断面测量和大断面测量两种，水道断面

11、是指自由水面线与河床线之间的范围，大断面为历年最高洪水位以上0.51.0m的水面线与岸线、河床线之间的范围。,1）水道断面测量 水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点（断面的起点桩，一般设在左岸）的水平距离（称为起点距），并同时观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。 水深测量 测量水深的方法通常用测深杆、测深锤直接测出每根测深垂线的水深。当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。,起点距的测定 断面索法 断面索法是在断面上架设钢丝缆索，每隔适当距离做上标记，并事先测量好它们的位置，测量水深的同时，直

12、接在断面索上读出起点距。这种方法适合于河宽较小、水上交通不多、有条件架设断面索的河道测站，精度较高。,交会法 )经纬仪岸上交会法：水文站在布设测流断面时，同时布设基线(AC)，并用精确方法量出基线的长度L，测角时，将经纬仪安放在基线的终点，测出角度，则可计算起点距。 )六分仪船上交会法：当河道较宽时，岸上与船上联络困难，风浪较大时用经纬仪瞄准河中活动的目标，施测有些困难，此时可使用六分仪交会法，它的主要优点是测量时施测人员全部上船，不用支架，只需手握仪器即可测出角，也能在摇动的船上使用，因此水文勘测中经常使用。 2）大断面测量 大断面测量是单独进行的，一般在汛前、汛后或较大洪水过后施测，包括水

13、上及水下两部分，水下部分同上述水道断面的施测方法，水上部分采用水准测量方法进行。,过水断面面积的总流量,测点流速,求垂线平均流速,相邻二垂线间面积的平均流速,部分面积上的流量,1 求垂线平均流速,H1 H2 H3 H4 H5,W2 W3 W4 W5,W1,W6,b1 b2 b3 b4 b5 b6,断面流量计算示意图,已知各垂线平均流速，则可绘出流速分布图:,2 部分面积计算, 中间部分面积按梯形面积公式计算：, 岸边的部分面积按三角形面积计算：, 中间部分面积上的平均流速计算：, 靠岸边部分面积上的平均流速计算：,式中， Vm1 靠岸边第一条测线的平均流速, 岸边系数:,斜坡岸 =0.7 陡坡

14、岸 =0.8 光滑坡岸 =0.9 死水边 =0.6,3 求部分面积上的平均流速,H1 H2 H3 H4 H5,W2 W3 W4 W5,W1,W6,b1 b2 b3 b4 b5 b6,断面流量计算示意图,已知各垂线平均流速，则可绘出流速分布图:,式中， Wi 断面上的部分面积(m2),5 过水断面平均流速的计算,式中， W 过水断面总面积(m2),4 过水断面流量的计算, 部分面积上的平均流速(m/s),3.3.3 浮标法测流 浮标测流法是一种简便的测流方法。在洪水较大或水面漂浮物较多，特别是在使用流速仪测流有困难的情况下，浮标法测流是一种切实可行的办法。浮标测流的主要工作是观测浮标漂移速度，测

15、量水道横断面，以此来推估断面流量。 凡能漂浮在水面上的物体都可以制成浮标。用水面浮标法测流时，测得的是浮标在水面的漂移速度，这种 流速称浮标虚流速，它不能代表断 面平均流速，将它与过水断面相配合 ，计算出断面虚流量，然后乘上浮标 系数才能得到断面实际的流量。,Wi,V,x,1 绘制虚流速分布图,Vf,j,Vf,j-1, 根据虚流速分布图，求部分面积的虚流量：, 求断面总面积的虚流量：,2 计算断面流量,Kf 浮标系数(Kf =0.85-0.95),浮标系数与浮标类型、风力风向及河流状况等因素有关。可通过流速仪与浮标测流的比测实验来确定，即利用同期二种方法测流的资料进行对比，从而求出Kf。, 计算过水断面的平均流量,3.4 流量资料整编,水文资料整编就是将水文测站测得的原始资料，按照统一格式进行整理、分析和统计，提炼成系统、完整、具有一定精度的整编成果，供国民经济各部门使用。 流量资料整编工作主要是根据实测水位、流量资料，建立水位流量关系曲线。,一、水位Z流量Q关系,一个测站的水位流量关系是基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系。水位流量关系可分为稳定的和不稳定的两类。, 稳定的水位流量关系曲线,要使水位流量关系稳定，必须在同一水位下，A、R、I、n等因素均保持不变，或虽有变化，但对流量的影响能相互补偿。,在天然