环境管理_水文信息采集与处理

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1、第三章 水文信息采集与处理水文信息采集与处理是：研究各种水文信息的测量、计算与数据处理的原理和方法的-门科学,是水文学与水资源学的重要组成部分。水文信息的采集有两种情况:一种是对水文事件当时发生情况下实际观测的信息;另一种是对水文事件发生后进行调查.所得的信息。获取水文信息的方法多种多样。现代科学技术的不断发展,新技术、新仪器的不断出现,更促进了获取水文信息手段不断更新。第一节 测站与站网一、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

2、、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,专用站在面上辅助基本站,而基本站在时间系列上辅助了专用站。.二、水文站网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

3、的信息采集与处理体系。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：河道流量站的布设,当流域面积超过3000-5000km2,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。预计将修建水利工程的地段,一般应布站观测。对于较小流域,虽然不可能全部设站观测,应在水文特征分区的基础上,选择有代表性的河流进行观测。在中、小河流上布站时还应当考虑暴雨洪水分析的需要,如对小河应按地质、土壤、植被、河网

4、密集程度等下垫面因素分类布站。布站时还应注意雨量站与流量站的配合。对于平原水网区和建有水利工程的地区,应注意按水量平衡的原则布站。也可以根据实际需要,安排部分测站每年只在部分时期(如汛期或枯zk期)进行观测。又如水质监测站的布设,应以监测目标、人类活动对水环境的影响程度和经济条件这三个因素作为考虑的基础。我国水文站网于1956年开始统一规划布站,经过多次调整,布局已比较合理,对国民经济发展起积极作用。但随着我国水利水电发展的情况,大规模人类活动的影响,不断改变着天然河流产汇流、蓄水及来水量等条件,因此对水文站网要进行适当调整、补充。三、水文测站的设立建站包括选择测验河段和布设观测断面。在站网规

5、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。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

6、。在河流上设立水文测站：平原地区应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中,便于布设测验的河段,且尽量避开变动回水、急剧冲淤变化、分流、斜流、严重漫滩等以及妨碍测验工作的地貌、地物。结冰河流,还应避开容易发生冰塞、冰坝的地方。山区河流应在有石梁、急滩、卡口、弯道上游附近规整河段上选站。水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面,即基本水尺断面、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。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

7、太短,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。上、下比降断面间的河底和水面比降,不应有明显的转折,其间距应使得所测比降的误差能在15%以内。水准点分为基本水准点和校核水准点,均应设在基岩或稳定的永久性建筑物上,也可埋设于土中的石柱或混凝土桩上。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。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

8、大于1/1000，见图3-1所示。 图3-1水文测站基线与断面布设示意图四、收集水文信息的基本途径驻测：上述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。为了更好提高水文信息采集的社会效益和经济效益,经过20多年的实践,采取驻测、巡测、间测及水文调查相结合的方式收集水文信息,可更好地满足生产的要求。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。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

9、期再施测的测停相间的测验方式。停测期间,其值由另一要素(水位)的实测值来推算。水文调查是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。第二节 水位观测水位,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。水位与高程数值一样,要指明其所用基面才有意义。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、吴淤基面、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。水位观测的作用一是直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资料,如堤防、坝高、桥梁及涵洞、公

10、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),s=(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;S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。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。观测时,水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程即为当时的水位值。可见水尺零点高程是一个重要的数据,要定期根据测站的校核水准点对各水尺的零点高程进行校核。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

11、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。在荷兰水文信息服务中心,从计算机屏幕上可直接调看或用电话直接询问全国范围内各测站当时的水位,而这些又几乎都是无人驻守测站。水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。基本水尺的观测,当水位变化缓慢时(日变幅在0.12m以内),每日8时和20时各观测一次(称2段制观测,8时是基本时);枯水期日变幅在0.06m以内,用1段制观测;日变幅在0.12024m时,用4段制观测;依次8段、12段制等。有峰谷出现时,还要加测。比降水尺观测的目的是计算水面比降,分析河床糙率等。其观测次数,视需要而定。水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平

12、均水位、年平均水位的计算。日平均水位的计算方法有二:1. 算术平均法计算：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;2. 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： (3-1)如0时或24时无实测数据,则根据前后相邻水位直线内插求得。根据逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保证率水位。这些经过整理整理分析处理后的水位资料即可提供各生产单位应用。如刊布的水文年鉴中,均载有各站的日平均水位表，年平均水位,年及各月的

13、最高、最低水位。汛期内水位详细变化过程则载于水文年鉴中的汛期水文要素摘录表内。图3-2面积包围法示意图第三节 流量测验一、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。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。流量是根据河流水情变化的特点,在水文站上用各种测流方法进行流量测验取得实测数据,经过分析、计算和整理而得的资料,用于江河流量变化的规律,为国民经济各部门服务。测流方法很多,按其工作原理,可分为下列几种类型。(1 )流速面积法。有流速仪法、航空法、比降面积法、积宽法(动车法、动船法和缆道积宽法)、浮标法(按浮标的形式可分为水面浮标法

14、、小浮标法、深水浮标法等)。(2 )水力学法。包括量水建筑物和水工建筑物测流。(3 )化学法。又称溶液法、稀释法、混合法。（4）物理法。有超声波法、电磁法和光学法。（5）直接法。有容积法和重量法，适用于流量极小的沟涧。本节主要介绍流速仪法测流。二、流速仪法测流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: (3-2)式中A一一水道断面面积,dA则为A内的单元面积(其

15、宽为db,高为dh),m2;V一一垂直于dA的流速,m/s;B一一水面宽度,m;H一一水深,m。因为f(b,h)的关系复杂,目前尚不能用数学公式表达,实际工作中把上述积分式变成有限差分的形式来推求流量。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i,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: (3-3)式中qi一一第i个部分的部分流量,m3/s ;n一一部分的个数。需要注意的是,实际测流时不可能将部分面积分成无限多,而是分成有限个部分,所以实测值只是逼近真值;河道测流需时间较长,不能在瞬时完成,因此实测流量是时段的平均值。由此可见,测流工作实质上是测量横断面及流速测验两部分工作。(二)断面测量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,各测深垂线处的河底高程为：河底高程=水位-水深测深垂线的位置,应根据断面情况布设于河床变化的转折处,并且主槽较密,滩地较稀。测深垂线的起点距是指该测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离。