工程水文及水利计算-第3章

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1、工程水文及水利计算王俊奇可再生能源学院水利水电工程教研室提 纲第一章 绪论 第二章 气象与水文 第三章 水文观测及其资料收集 第四章 水文统计基本原理与方法 第五章 年径流分析与计算 第六章 水文过程随机模拟 第七章 由流量资料推求洪水 第八章 流域产汇流计算 第九章 由暴雨资料推求设计洪水 第十章 河流泥沙计算 第十一章 水文预报 第十二章 水库兴利调节计算 第十三章 水库防洪计算 第十四章 水库调度 第四讲：水文观测及其资料收集主要内容 3-1 水文测站与站网3-2 水位观测3-3 流量测验3-4 流量资料整编3-5 泥沙测验及计算3-6 水下地形测量3-7 水文资料收集3-1 水文测站与

2、站网 1、水文测站、站网 测站测站：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、专用站两大类 。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 测站是相辅相成的,专用站在面上

3、辅助基本站,而基本站在时间 系列上辅助了专用站。 3-1 水文测站与站网 1、水文测站、站网 测站测站在地理上的分布网称为站网。理由：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。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。 3-1 水文测站与站网 1、水文测站、站网 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。按站网规划的原则布设测站,例如：

4、河道流量站的布设，当流域 面积超过30005000km2，应考虑能够利用设站地点的资料， 把干流上没有测站地点的径流特性插补出来。 3-1 水文测站与站网 1、水文测站、站网 站网在站网规划规定的范围内，具体选择测验河段时，主要考虑在 满足设站目的要求的前提下，保证工作安全和测验精度，并有 利于简化水文要素的观测和信息的整理分析工作。具体地说，就是测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系(单一 关系)。该关系往往受一断面或一个河段的水力因素控制，前者 称为断面控制，后者称为河槽控制。3-1 水文测站与站网 选择测验河段断面控制的原理是在天然河道中，由于地质或人工的原因，造 成河段中局部地形突起，如

5、石梁、卡口等，使得水面曲线发生 明显转折，形成临界流，出现临界水深，从而构成断面控制。河槽控制：当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来 控制，如该河段的底坡、断面形状、糙率等因素比较稳定，则 水位流量关系也比较稳定。这就属于河槽控制。2、水文测站的布设水文测站一般应布设基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测 流断面、比降断面。基本水尺断面上设立基本水尺，用来进行经常的水位观测。测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。若 不能重合时，亦不能相距过远。 3-1 水文测站与站网 布设断面浮标测流断面有上、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

6、，其距篱应为 断面最大流速的5080倍。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床 的糙率。2、水文测站的布设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。当受地形限制的情况下,基 线长度最短也应为0.3B。基线长度 的丈量误差不得大于1/1000，见图3 -1所示。3-1 水文测站与站网 2、水文测站的布设 布设基线 驻测驻测：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。巡测是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

7、。 巡测间测是中小河流水文站有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。 间测3-1 水文测站与站网 3、收集水文资料的基本途径水位，是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固 定基面的高程，以m计。3-2 水位观测 1、水位基面：目前全国统一采用黄海基面,但各流域由于历史的原因， 多沿用以往使用的大沽基面、吴淞基面、珠江基面，也有使用 假定基面、测站基面或冻结基面的。使用水位资料时一定要查 清其基面。3-2 水位观测 1、水位一是直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的 资料,如堤防

8、、坝高、桥梁及涵洞、公路路面标高的确定；二是为推求其他水文数据而提供间接运用资料。如Q=f(Z)， J=(Z2-Z1)/L，水资源计算，水文预报中的上、下游水位相关法等 。 其中Q为流量,以m3/s计；J为比降，以千分率或万分率表示;Z2、Zl分别 为上、下比降断面的水位；L为上、下比降断面的间距，单位均以m计。 3-2 水位观测 1、水位 水位观测的作用水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类 。按水尺的构造形式不同 ，可分为直立式、倾斜 式、矮桩式与悬锤式等 。 3-2 水位观测 2、水位观测的方法自记水位计能将水位变化的连续过程自动 记录下来，有的还能将所观测的数据以数 字或图像的形式远

9、传室内，使水位观测工 作趋于自动化和远传化。3-2 水位观测 2、水位观测的方法算术平均法水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平均水位、 年平均水位的计算。若一日内水位变化缓慢，或水位变化较大，但系等时距人工观 测或从自记水位计上摘录，采用算术平均法计算。 日平均水位的计算3-2 水位观测 3、水位资料的整理面积包围法若一日内水位变化较大、且系 不等时距观测或摘录,则采用 面积包围法,即将当日024小 时内水位过程线所包围的面积 ,除以一日时间求得(见图3- 2),其计算公式为： 日平均水位的计算3-2 水位观测 3、水位资料的整理3-2 水位观测 3、水位资料的整理通天河直门达站19

10、57年逐日平均水位流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量，以m3/s计 。它是反映水资源和江河、湖泊、水库等水体水量变化 的基本数据，也是河流最重要的水文特征值。 测流方法很多，在天然河道中测流一般采用流速仪法、 浮标法（按浮标的形式可分为水面浮标法、小浮标法、 深水浮标法）等。 3-3 流量测验 1、概述由于河流过水断面的形态、河床表面特性、河底纵坡、河道 弯曲情况以及冰情等，都对断面内各点流速产生影响，因此 在过水断面上,流速随水平及垂直方向不同而变化，即 v=f(b,h)。其中v为断面上某一点的流速，b为该点至水边的水 平距离，h为该点至水面的垂直距离。因此，通过全断面的 流量Q为：

11、测流原理3-3 流量测验 2、流速仪法测流及流量计算 测流原理3-3 流量测验 2、流速仪法测流及流量计算流速仪法测流,就是将水道断面划分为若干部分,用普通测量 方法测算出各部分断面的面积 ,用流速仪施测流速并计算 出各部分面积上的平均流速 ,两者的乘积,称为部分流量, 各部分流量的和为全断面的流量,即 ： 测流工作实质上是测量横断面及流速测验两部分工作。 测流原理3-3 流量测验 2、流速仪法测流及流量计算河道水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂 线，施测各条测深垂线的起点距和水深并观测水位。 断面测量3-3 流量测验 2、流速仪法测流及流量计算大断面：河道水道断面扩 展至历年最高

12、洪水位以上 0.51.0m的断面称为大断 面。它是用于研究测站断 面变化的情况以及在测流 时不施测断面可供借用断 面。道孚站大断面图 断面测量3-3 流量测验 2、流速仪法测流及流量计算河道中一般采用流速仪法测定 水流的流速。它是国内外广泛 使用的测流速方法，是评定各 种测流新方法精度的衡量标准 。 旋杯式流速仪 流速测量2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 河道中一般采用流速仪法测定 水流的流速。它是国内外广泛 使用的测流速方法，是评定各 种测流新方法精度的衡量标准 。 旋桨式流速仪 流速测量2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 流速测量时，要根据河流宽度、水深以及精度要求，在测

13、流 断面上布设足够数量的测速垂线，为求得垂线平均流速，要 在各条测速垂线上，将流速仪放置在不同的水深点测速。 测速垂线及测点点流速测算 流速测量2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 流量的计算方法有图解法、流速等值线法和分析法。前两种 方法在理论上比较严格,但比较繁琐,这里主要介绍常用的分 析法。 垂线平均流速的计算一点法 或 二点法 vm =0.5*(v0.2+v0.8) 三点法 vm =0.33*(v0.2+v0.8+v0.6) 五点法 vm=0.1*(v0.0+3v0.2+3v0.6+2v0.8+v1.0) 流速计算2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 部分面积平均流速的计算

14、岸边部分:由距岸第一条测速垂 线所构成的岸边部分(两个,左 岸和右岸，多为三角形，按下 列公式计算：vl=vml vn+1=vmn 流速计算2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 岸边系数，斜岸边 =0.670.75，陡岸边 =0.80.9，死水边 =0.5 0.67部分面积平均流速的计算中间部分:由相邻两条测速垂线 与河底及水面所组成的部分， 部分平均流速为相邻两垂线平 均流速的平均值，按下式计算 ：vi=0.5*(vmi-l+vmi) 流速计算2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 部分面积计算因为断面上布设的测深垂线数目比 测速垂线的数目多，故首先计算测 深垂线间的断面面积。计算

15、方法是 距岸边第一条测深垂线与岸边构成 三角形，按三角形面积公式计算( 左右岸各一个）;其余相邻两条测 深垂线间的断面面积按梯形面积公 式计算。其次以测速垂线划分部分，将各个 部分内的测深垂线间的断面积相加 得出各个部分的部分面积。 流速计算2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 部分流量的计算由各部分的部分平均流速与部分面积之积得到部分流量。qi=viAi 断面流量及其他水力要素的计算断面流量 断面平均流速 断面平均水深 流速计算2、流速仪法测流及流量计算3-3 流量测验 当使用流速仪有困难时（如发生大洪水），可采用浮标法测 流。 水面浮标常用木板、稻草等材料做成十字形、井字形，上插 小旗以便观测。用秒表测定浮标流经上、下断面之间的运行时间，用经纬仪 测定上下浮标断面之间的距离，用距离除以时间，即得浮标 水面流速。3、浮标法测流3-3 流量测验 3-3 流量测验 通天河直门达站1957年实测流量成果各种水文测站测得的原始数据,都要按科学的方法和统一的 格式整理、分析、统计、提炼成为系统、完整，有一定精度 的水文资料，供水文水资源计算、科学和有关国民经济部门 应用。这个水文数据的加工、处理过程,称为水文数据处理 。水文数据处理的工作内容包括：收集校核原始数据；编制实 测成果表；确定关系曲线，推求逐时、逐日值；编制逐日表 及洪水水文要素摘录表；合理性检