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1、第三节、河流的水情要素,河流水情主要指河川径流的分布与变化，洪水、枯水等特征。描述这些特征的指标或参数称水情要素。 水情要素是反映河流水文情势及其变化的参数。它主要包括水位、流速、流量、泥沙、水化学、水温和冰情等。通过这些因素反映河流在地理环境中的作用，及其与自然地理环境各组成要素之间的相互关系，也是研究水文规律的基础。,一、水情要素 1、水位 (water level、stage),（1）、水位的定义与基面： 水位即水面位置或水面高程，河流水位是指河流某处的水面相对于某一基面的高度。 基面又叫基准面，是高程的起算面，指高程起算的固定零点。基面可分绝对基面和相对基面。绝对基面(也称标准基面)是
2、以某一入海河口的平均海平面为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口）、黄海基面等，我国规定统一采用青岛基面。相对基面（也称测站基面），是以观测点最枯水位以下05lm处作为零点的基面。相对基面可减少记录和计算工作量，但它与其他水文站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。 观测水位最简便、常用的方法是在河岸设置水尺，定时读数。,（2）、影响水位变化的因素,水位与流量有直接关系，水位高低是流量大小的主要标志。水量增加，河水位上涨；水量减少，河水位下降。而流量大小取决于补给水源。流域内的降水、冰雪消融状况影响流量和水位变化的主要因素。 河道冲淤变化、风、
3、潮汐、结冰、植物、支流的汇入、人工建筑物、地壳升降等均可引起水位的变化。如河道冲刷，水位下降；河道淤积，水位上涨。顺风，流速加快，水位下降；逆风则水位上升等。 总之，影响水位变化的因素众多复杂，水位变化是各种影响因素综合作用的结果，因此河流水位情势是非常复杂的。,（3）、水位变化及水位过程线,河流水位有年内变化和年际变化，山区冰雪融水补给河流和感潮河段，水位日变化明显。 河流水位随气候的季节变化和年际变化而变化。例如由雨水补给的河流，其水位随降雨的变化而变化，雨季水位高，旱季水位低。由冰雪融水补给的河流，其水位随气温的变化而变化，气温高，冰雪融水量多，则河流水位高；气温低，冰雪融水量少，则河流
4、水位下降。 为了帮助分析研究水位变化规律、断面以上流域内自然地理各因素（特别是气候因素）对该流域水文过程的影响，以及提供各方面的参考使用，常将水位观测资料进行整理，主要有水位过程线、水位历时曲线、相应水位关系曲线。,水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。 其绘制方法，是以纵坐标为水位，横坐标为时间，将水位变化按时间顺序排列起来所点绘的曲线，便为水位过程线。 主要作用是：可分析水位的变化规律，能直接看出特征水位（如最高水位和最低水位）的高度和出现的日期；可研究各补给源的特征；可用来分析洪水波在河道中沿河传播的情形，以及做洪水的短期预报；水位过程线也能反映流域内自然地理因素对该流域水文过程的综合影
5、响。 可根据需要，绘制不同时段的水位过程线。逐日水位过程线是以日平均水位为纵坐标，横坐标表示日期，反映水位在一年内的变化。在洪水期间或感潮河段，常需要绘制逐时水位过程线。,水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。,水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线。 其绘制方法，是先将一年内之日平均水位按从大到小递减排列，并对水位变化幅度分为若干相等组距（如以0.5m为一组），再将每一组距水位出现的日数依次累加为累积天数（即历时），然后以水位为纵坐标，以累积天数为横坐标点绘的曲线，则得日平均水位历时曲线。 水位历时曲线的作用：主要是可从图上看出一年内
6、超过某一水位高度出现的总天数，这对航运、灌溉、防汛都有重要的意义。,水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线。,历时曲线的做法,（4）、特征水位,在河流水文研究中，通常用到各种特征水位值。 最高水位与最低水位：最高水位指研究时段内水位最高值，有日最高、月最高、历年最高值等。主要用于防洪。 平均水位：指研究时段内的水位平均值，有日、月、年、多年平均水位。 平均最高水位与平均最低水位：指历年最高水位的平均值和历年最低水位的平均值。 中水位：指研究时段内，水位历时曲线上历时为50%的水位。如一年逐日水位中的中水位，是指有半数日期高于此值，又有半
7、数日期低于此值的水位。 此外，在防汛工作中，水利部门常根据防洪防汛工作需要，设有防汛水位、警戒水位与保证水位等。,（5）、相应水位,指同一次水位涨落过程中，河流上、下游站位相相同的水位叫相应水位。 相应水位关系曲线的绘制方法是：以纵轴为上下游站的水位, 以横轴为下游站的水位，把上下游站相应的水位点绘在坐标纸上，过点 群中心连成的圆滑曲线便成（如图）。其作用：可用它做短期水文预报；校验上、下游水位观测成果；用已知站水位插补缺测站水位记录；推求邻近断面未设站的水位变化。,2、 流速(current velocity),1、流速：是指河流中水质点在单位时间内移动的距离。单位是m/s。可用下式表示：
8、v=L/t 式中：v为流速（m/s）；L为距离（m）；t为时间（s）。,流速的脉动现象：是指在紊流的水流中，水质点运动的速度和方向不断地变化，而且围绕某一平均值上下跳动的现象。脉动流速的数值以在水流动力轴附近为最小，而以在糙度较大的河底和岸边为最大。流速脉动能使泥沙悬浮在水中，故它对泥沙运动具有重要意义。流速脉动在较长时段中，脉动的时间平均值为零，故给测流提供了条件。 据研究，每点测流时间至少应大于100120s，才能避免脉动的影响，测得较准确的数值。,（2）、天然河道中平均流速的计算,天然河道中平均流速的计算：在有实测资料时，可根据实测资料求得。在没有实测资料时，可用水力学公式谢才公式计算，
9、即： v= 式中：v为河道断面平均流速； R为水力半径； i为水面比降；c为谢才系数，它与糙率等因素有关，其数值可用经验公式求得我国多采用满宁公式， （n为糙率系数） 谢才公式是根据水流作匀速运动的理论推导而得的。,（3）、河道中流速的分布,由于河床的地势倾斜和粗糙程度，以及断面水力条件的不同，天然河道中的流速分布十分复杂。一般地说，河流纵断面流速分布为：上游河段流速最大，中游河段流速较小，下游河段流速最小。河流过水断面的流速从水面向河底减小，从两岸向最大水深方向增大。在垂线上，绝对最大流速出现在水面以下水深的0.10.3水深处；平均流速出现于水深的0.6米处；在水面,由于空气的摩擦阻力,流速
10、较小；在河底，流速趋于零。垂线流速分布往往受冰冻、风、河槽糙率、河底地形、水面比降、水深等影响。,3、流 量(discharge),（1）、流量：流量是指单位时间内通过某过水断面的水量体积。过水断面：某一研究时刻的水面线所围成的河槽横断面。 常用Q表示，单位是m3/s。它可用下式表示： Q= Fv 式中：Q为流量（m3/s）；F为过水断面积（m2）；v为流速（ms）。 流量是河流的最重要特征。为了便于进行水文分析，常把测得的流量资料绘成曲线图。常用的有流量过程线和水位流量关系曲线。,W,Q,t,t,t1,t2,m3/s,（2）、流量过程线 和流量历时曲线 流量过程线：是流量随时间变化过程的曲线
11、。其绘制方法，是以纵坐标为流量Q，以横坐标为时间t，按实测资料和时间顺序点绘而成的曲线，便是流量过程线。流量过程线的主要作用是：可反映测站以上流域的径流变化规律；分析流量过程线，相当于对一个流域特征的综合分析研究；根据流量过程线计算某一时段的径流总量和平均流量。,根据需要，可以绘制逐时流量过程线和逐日流量过程线。,逐时流量过程线主要用于分析洪水变化过程。逐日流量过程线是用来研究河流在一年内流量的变化过程，以日期(时间)为横坐标，日平均流量为纵坐标。 某一时段(t1t2)内的流量过程线与坐标轴所包围的面积为相应期间的径流总量W，进而可求得该时段内的平均流量。,流量历时曲线：绘制方法与水位历史曲线
12、类似,（3）、水位-流量关系曲线,水位与流量的关系： 河流水位的变化，从本质上看是河流流量的变化，流量增大，水位升高；流量减小，水位降低。因此，水位变化实质上是流量变化的外部反映和表现；另一方面，流量大小可以通过水位高低反映出来，即二者呈某种函数关系Q=F(H)，水位升高，流量增大。即Q=F(H)呈单调递增函数。,水位流量关系曲线的绘制 其绘制方法是：以水位为纵坐标，流量为横坐标，将各次实测的流量与相应的水位点绘在坐标纸上，连接通过点群中心的曲线，便是水位流量关系曲线。一般是下凹上凸曲线。,由于Q=FV，为了便于校核流量资料，通常将水位流量关系曲线Q=f1(H)、水位过水断面面积关系曲线F=f
13、2(H)和水位流速关系曲线V=f3(H)绘在一起，纵坐标表示水位H，横坐标分别表示流量Q、过水断面面积F和流速V。 水位面积关系曲线F=f2(H)，由于面积A是随水位H的增高而增大，H越高，A增加越快(即A相对于H的变化率越大)，故曲线是上凸下凹的。 流速曲线V=f3(H)，随着水位增高，起初流速V随水位增高而增加很快，后来流速随水位增高而增加缓慢，即流速曲线V=f3(H)呈向上凹形。 (3)水位流量关系曲线的用途 由于流量施测非常复杂，步骤繁多，则不可能每天连续地施测；另一方面，在水文站的日常工作中，水位是逐日观测的。因此，可通过水位资料利用水位流量关系曲线推求流量。,二、年径流的有关概念,
14、年径流量:一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。 多年平均径流量：实测各年径流量的平均值，称为多年平均径流量。 正常年径流量：如果统计的实测资料年数增加到无限大时，多年平均流量将趋于一个稳定的数值，此称为正常年径流量。 正常年径流量是年径流量总体的平均值，也是多年平均流量的代表值。它可以用年平均流量Q（米3/秒）或年径流总量W（米3）表示，也可以用年径流深R（毫米）及径流模数M（公升/秒公里2）表示。正常径流量反映了在天然情况下河流（流域）蕴藏的水资源理论数量，代表能开发利用的地面水资源的最大程度，是水文、水利计算中的一个重要特征值。,由于河川径流量的总体是无限的，人们
15、非常难以取得总体的全部河川年径流量的资料。一般情况下，只要有一定长度的系列资料，则可采用多年平均径流量代替正常年径流量。 多年平均径流量的影响因素有气候因素、流域下垫面因素（尤其间接作用影响大）。 如台湾省的大屯山区，年径流深可达4000 毫米，为全国最高的产流区，而其西侧的沿海平原仅700800毫米。此外，同一山地区，潮湿空气的迎风坡径流深也可为背风坡的一倍或数倍。例如，西藏高原喜马拉雅山南坡，年径流深可达10002000 毫米，而北侧一般仅100300 毫米。,三、正常年径流量的计算,在气候和下垫面条件基本稳定的情况下，随着年数n的不断增加，多年平均流量逐渐趋于一个稳定的数值，这个稳定的数
16、值称为正常年径流量，以Q0表示,从数理统计看，若把河流年径流量Qi看成一个随机变量，则它的总体平均值就是正常年径流量。,正常年径流量也可用其他径流特征值来表示。如正常年径流总量W0，正常年径流深度R0等。 可见，正常年径流量可以看作是正常年份或平均每年中通过河流某一断面的水量。它反映了河流所蕴藏的水资源数量，是水文水利计算中的一个重要特征值。,1、资料充分时正常年径流量的推求 资料充分是指具有一定代表性的、足够长的实测资料系列。一般说实测资料系列要求超过30 年，其中包含特大丰水年、特小枯水年及相对应的丰水年组和枯水年组，只有这样才能客观地反映过去的水文特征，才能为正确地预估未来水文情势提供可靠的依据。,式中，Q为历年的年径流量，n为年数。,用多年平均径流量代替正常年径流量，误差大小取决于： 年份n 的大小，n 越大，误差越小； 河流年径流变差系数Cv 值的大小， Cv大则误差可能较大； 资料总体的代表性，例如，资料系列中丰水年份较多
