《水力水文计算》第3章

1、WUHEEF研究水文现象，就必须获取基本水文资料（研究水文现象，就必须获取基本水文资料（水文信息），包括水文、气象、水文地质等水文信息），包括水文、气象、水文地质等资料。资料。F水文资料的采集过程就是水文测验工作。水文资料的采集过程就是水文测验工作。F主要的资料：主要的资料：降水量、蒸发量、下渗量降水量、蒸发量、下渗量、径、径流量、洪水、水位、泥沙、水质（水温、流量、洪水、水位、泥沙、水质（水温、Ph、COD、BOD、各种重金属元素、各种重金属元素、SS等）等）F水文资料的处理过程就是水文整编工作。水文资料的处理过程就是水文整编工作。WUHEE第三章第三章 水文测验及水文资料收集水文测验及水文

2、资料收集F3.1 测站与站网测站与站网F3.2 水位观测及整理水位观测及整理F3.3 流量测验与整理流量测验与整理F3.4 水文资料收集水文资料收集WUHEE3.1 测站与站网测站与站网水文测站水文测站 1 概念概念 水文测站是组织进行水文测验、收集水文资料的基本场水文测站是组织进行水文测验、收集水文资料的基本场所。其任务是按一定标准对指定地点所。其任务是按一定标准对指定地点(断面断面)的水文要素作的水文要素作系统观测和资料整编。系统观测和资料整编。 2 分类分类 (1) 按测验项目分按测验项目分(2) 按测站性质分按测站性质分 水文测站水文测站流量站流量站水位站水位站雨量站雨量站水质站水质站

3、水文测站水文测站基本站基本站专用站专用站实验站实验站WUHEE二二 水文站的设立水文站的设立包括：测验河段选择包括：测验河段选择 观测断面布设观测断面布设要求：河道顺要求：河道顺直，水位流量直，水位流量关系稳定（断关系稳定（断面或河道水力面或河道水力要素稳定）。要素稳定）。流流速速仪仪测测流流断断面面水文站布设示意图水文站布设示意图浮浮标标上上断断面面浮浮标标下下断断面面浮浮标标中中断断面面比比降降上上断断面面比比降降下下断断面面基基本本水水尺尺断断面面基线基线LfLsWUHEE三三 水文站网水文站网 布设原则：布设原则： (1) 采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插流采集到的水文信息

4、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；域内任何地点水文要素的特征值； (2) 经济合理经济合理; (3) 布设密度布设密度合理合理。 单个测站观测到的水文要素其信息只代表了站址处的水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。布站观测。这些测站在地理上的分布网称为水文站网。 为了能收集大范围的基本水文资料，满足水利水电、环为了能收集大范围的基本水文资料，满足水利水电、环境保护及其国民经济建设需要，需合理、科学规划布设水

5、文境保护及其国民经济建设需要，需合理、科学规划布设水文测站，即水文站网。测站，即水文站网。 我国水文站网我国水文站网1956年统一布设。现有布设密度为年统一布设。现有布设密度为3.56站站/万万km2。世界。世界100多个国家的平均水平为多个国家的平均水平为4站站/万万km2。WUHEEWUHEEWUHEE3.2 水位观测与整理水位观测与整理水位水位 水体自由水面相对于某一基面的高程，称为水位水体自由水面相对于某一基面的高程，称为水位(m)。 我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。由于历我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。由于历史原因各地仍有其它基面的，如吴淞基面、大沽基面、史原因各

6、地仍有其它基面的，如吴淞基面、大沽基面、废黄河口基面。废黄河口基面。二二 水位观测水位观测 水尺、自记水位计水尺、自记水位计 1 水尺水尺人工观测人工观测 在测流断面上布设水尺，人工定时或不定时进行观测。在测流断面上布设水尺，人工定时或不定时进行观测。 水位是基本的水文特征，反映了水流变化，是水利建设、水位是基本的水文特征，反映了水流变化，是水利建设、防汛抗旱斗争的重要依据。防汛抗旱斗争的重要依据。WUHEE 1 水尺水尺人工观测人工观测 水位水位(Z)=水尺零点高程水尺零点高程(Z0)+水尺度数水尺度数(z) a. 水位变化不大时，每天采用两段制观测水位变化不大时，每天采用两段制观测(8点和

7、点和20点点)； b. 水位变化较大时，每天采用四段制观测水位变化较大时，每天采用四段制观测(2点，点，8点，点，14点，点，20点点)； c. 洪水期或水位变化急剧时，需增加测次。洪水期或水位变化急剧时，需增加测次。tZ自记水位过程线自记水位过程线2 自记水位计自记水位计 利用自记水位记自动纪录水位的连续变化过程。利用自记水位记自动纪录水位的连续变化过程。 tZ洪水水位过程洪水水位过程WUHEE三三 水位资料的整理水位资料的整理niiZnZ11日 1 当等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用算当等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用算术平均法术平均法式中，式中，Zi 为为i 次观测或

8、摘录水位值；次观测或摘录水位值；n为观测或摘录次数。为观测或摘录次数。 所获得的水位资料都是瞬时值。水位资料整理就是将瞬时所获得的水位资料都是瞬时值。水位资料整理就是将瞬时水位值换算水位值换算成日平均水位成日平均水位(0:00-24:00)；同时摘录年、月、日最；同时摘录年、月、日最高、最低水位和整理洪水水位过程线。高、最低水位和整理洪水水位过程线。 2 当不等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用当不等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用加权平均法，又称面积包围法求取加权平均法，又称面积包围法求取tZ洪水水位过程洪水水位过程WUHEE面积包围法示意图面积包围法示意图Z0Z1Z3 Z2

9、Zn-2 Zn-1 Zn0时时24时时ancmbnZZbZZaZZnTZnn)(21)(21)(2112110个梯形面积之和日nZnmZcbZbaZaZZnn)()()(4811210日式中，式中，a，b，c，m，n相邻两次水位间的时距，单位相邻两次水位间的时距，单位h； T=a+b+c+ +m+n=24小时；小时； Z0, Z1, Z2, , Zn-1, Zn 为各次观测的水位，单位为各次观测的水位，单位m。WUHEE根据日平均水位可计算月平均水位、年平均水位。根据日平均水位可计算月平均水位、年平均水位。WUHEE3.3 流量测验与整理流量测验与整理概述概述 测流方法很多，如测流方法很多，如

10、 流量是河流最重要的水文特征值。如何获取它是水文测量流量是河流最重要的水文特征值。如何获取它是水文测量工作的一个重要内容。工作的一个重要内容。(1) 流速面积法流速面积法 有有流速仪流速仪法法、浮标法等。、浮标法等。(2) 水力学法水力学法 有量水建筑有量水建筑物和水工建筑物测流。物和水工建筑物测流。(3) 化学法化学法 又称溶液法、又称溶液法、稀释法、混合法。稀释法、混合法。(4) 物理法物理法 有超声波法、电磁法和光学法。有超声波法、电磁法和光学法。(5) 直接法直接法 有容积法和重量法。有容积法和重量法。WUHEE二二 流速仪测流流速仪测流流速分布示意图流速分布示意图相相对对水水深深 1

11、 1 原理原理 Q=qi=ViAiViAi Q=AV 由上式知，流量测验包括由上式知，流量测验包括3部分：部分：断面面积测量断面面积测量、流速测量流速测量及及流量计算流量计算。 在过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化，在过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化，即即V=f(b,h)。 因因f(b,h)的关系复杂、目前尚不能用数学公式表的关系复杂、目前尚不能用数学公式表达。达。WUHEE (1) 布设测布设测(深深)速垂线，测量各垂线的深度速垂线，测量各垂线的深度hi和相邻垂线间的距离和相邻垂线间的距离bi； 部分平均流速部分平均流速Vi：岸边部分：岸边部分 中间部分中间部分

12、 部分面积部分面积Ai： 岸边部分岸边部分 中间部分中间部分2 布骤布骤(4) 计算部分流量计算部分流量qi=ViAi，部分流量之和即为部分流量之和即为Q。 (2) 在测速垂线上布设测点，用流速仪测速，计算各在测速垂线上布设测点，用流速仪测速，计算各垂线平均流速垂线平均流速vmi； (3) 部分平均流速部分平均流速Vi和部分面积和部分面积Ai计算；计算； Q=qi=ViAiWUHEE 垂线布点方式：垂线布点方式：0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0（相对水深）。垂线平均速度视（相对水深）。垂线平均速度视测点数，分别按下式计算：测点数，分别按下式计算：)2222(101 )233(10

13、1 )(31 )(21 0 . 18 . 06 . 04 . 02 . 00 . 00 . 18 . 06 . 02 . 00 . 08 . 06 . 02 . 08 . 02 . 06 . 0vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvmimimimimi六点法：五点法：三点法：二点法：一点法：为岸边流速系数.WUHEE（3 3）流速测量）流速测量见表见表3-1WUHEE 三三 流量资料整编流量资料整编1、绘制水位流量关系曲线；、绘制水位流量关系曲线； 2、计算日平均流量；、计算日平均流量；4、编制流量资料整编成果表。编制流量资料整编成果表。 整编的内容：整编的内容：3、计算旬、月、年平均流

14、量；、计算旬、月、年平均流量； 测流工作量测流工作量 大，程序复杂，不可能随时测流；水位观测大，程序复杂，不可能随时测流；水位观测相对简单、快捷。由于水位与流量存在着一定的关系。因此，相对简单、快捷。由于水位与流量存在着一定的关系。因此，流量资料整编的关键在于绘制水位流量关系曲线。流量资料整编的关键在于绘制水位流量关系曲线。WUHEE 1 稳定的水位流量关系曲线稳定的水位流量关系曲线 由曼宁公式由曼宁公式 V=R2/3I1/2/n，可得流量：，可得流量： Q=AV=AR2/3I1/2/n式中，式中，Q流量流量( (m3/s) )；A过水断面面积过水断面面积( (m2) )；R水力半径；水力半径

15、；I水面比降；水面比降；n糙率。糙率。 当河段和测站控制良好，河道水流接近均匀流时，在同当河段和测站控制良好，河道水流接近均匀流时，在同一水位下，一水位下，A，R，I，n均保持不变，或它们对流量的影响相均保持不变，或它们对流量的影响相互抵消，水位流量关系稳定，呈互抵消，水位流量关系稳定，呈单一曲线单一曲线。( (一一) )水位水位流量关系曲线绘制流量关系曲线绘制WUHEEAAWUHEE 2 不稳定的水位流量关系曲线不稳定的水位流量关系曲线 从公式从公式Q=AV=A R2/3I1/2/n知，当水位知，当水位Z不变时，不变时， A、R、I、n中任意一项发生变动，中任意一项发生变动，Q都不是定值，则

16、水位流量关系曲线都不是定值，则水位流量关系曲线不是单一的。有下面几种情况：不是单一的。有下面几种情况：(1) 受河床冲淤影响的水位流量关系曲线受河床冲淤影响的水位流量关系曲线 WUHEE图图3-93-9(2) 受洪水涨落影响的水位流量关系曲线受洪水涨落影响的水位流量关系曲线 洪水水面沿河道发生高低起伏的一种波动，称为洪水波。洪水水面沿河道发生高低起伏的一种波动，称为洪水波。 稳定流水面比降稳定流水面比降i0、洪水波的水面比降、洪水波的水面比降i。 波前部分波前部分ii0，波后部分，波后部分ii0。i=i-i0附加比降。附加比降。 当河流稳定时，当河流稳定时，i=0；涨洪时，；涨洪时，i0；落洪

17、时，；落洪时，i0WUHEE (3) 受变动回水影响的水位流量关系受变动回水影响的水位流量关系 下游回水顶托，导致水下游回水顶托，导致水面比降减少，由曼宁公式面比降减少，由曼宁公式 Q=AV=A R2/3I1/2/n知知 在相同水位下，比降在相同水位下，比降小的流量变小。小的流量变小。WUHEE ( (二二) )水位流量关系曲线延长水位流量关系曲线延长 一般水位流量关系曲线的水位在正常变幅内，最高水位一般水位流量关系曲线的水位在正常变幅内，最高水位和最低水位对应的流量无法获取。因此，需对水位流量关系曲和最低水位对应的流量无法获取。因此，需对水位流量关系曲线进行延长。线进行延长。1 高水延长高水

18、延长(1) 水位面积、水位流速延长法水位面积、水位流速延长法WUHEE Q=AV=AR2/3I1/2/n= (AR2/3)(S1/2/n)式中，式中，A、R、n同前，同前，S=I, ,为比降；其中为比降；其中S1/2/nv/R2/3。 绘制绘制ZAR2/3曲线和曲线和ZS1/2/n并延长。并延长。(2) 曼宁公式延长法曼宁公式延长法WUHEE 2 低水延长低水延长 方法：方法：(1)水位面积、水位流速延长法水位面积、水位流速延长法 (2)以断流水位以断流水位Z0作控制进行水位流量关系曲线延长。作控制进行水位流量关系曲线延长。 WUHEE方法方法2 (1) 确定断流水位确定断流水位Z0(是指流量

19、为零时的相应水位是指流量为零时的相应水位)。 (2) 假定低水时水位流量关系式：假定低水时水位流量关系式：nZZKQ)(0bcabcaZZZZZZZ220 (3) 在水位流量曲线中、低水弯曲部分顺序取在水位流量曲线中、低水弯曲部分顺序取a、b、c三点三点 (Za，Qa)、(Zb，Qb)、(Zc，Qc)其中要求满足其中要求满足Q2b=QaQc。代入上式，得：。代入上式，得：以以(Z0，0)为控制点，延长得低水曲线。为控制点，延长得低水曲线。WUHEE 1、当一日水位变化平稳时，用日平均水位在水位流量关系曲线上查得、当一日水位变化平稳时，用日平均水位在水位流量关系曲线上查得日平均流量。日平均流量。

20、 2、当一日水位变化较大时，用一日内各次水位从水位流量关系曲线上、当一日水位变化较大时，用一日内各次水位从水位流量关系曲线上查得相应流量，再按算术平均法或面积包围法计算日平均流量。查得相应流量，再按算术平均法或面积包围法计算日平均流量。 3、旬、月、年平均流量计算、旬、月、年平均流量计算 日平均流量日平均流量 旬、月、年平均流量旬、月、年平均流量(算术平均法算术平均法) 4、编制流量资料整编成果表编制流量资料整编成果表 实测流量成果表实测流量成果表记录了一年各次测流的基本情况记录了一年各次测流的基本情况( (水位、断面面水位、断面面 积、断面平均流速、测流方法积、断面平均流速、测流方法) )

21、实测大断面成果表实测大断面成果表 逐日平均流量表逐日平均流量表 一年每日平均流量一年每日平均流量 洪水水文要素摘录表洪水水文要素摘录表 洪水水位及流量变化过程资料洪水水位及流量变化过程资料(三三) 流量推求流量推求由水位流量关系曲线，可推求任意水位对应的流量。由水位流量关系曲线，可推求任意水位对应的流量。WUHEEWUHEEWUHEEWUHEEWUHEEWUHEE3.4 水文资料收集水文资料收集1 洪水调查洪水调查 包括调查洪水痕迹、洪水发生时间、灾情测量、洪水痕包括调查洪水痕迹、洪水发生时间、灾情测量、洪水痕迹的高程；了解调查河段的河槽情况；了解流域自然地理情迹的高程；了解调查河段的河槽情况

22、；了解流域自然地理情况；测量调查河段的纵横断面；必要时应在调查河段进行简况；测量调查河段的纵横断面；必要时应在调查河段进行简易地形测量；对调查成果进行分析，推算洪水总量、易地形测量；对调查成果进行分析，推算洪水总量、洪峰流洪峰流量量、洪水过程及、洪水过程及重现期重现期，最后写出调查报告。，最后写出调查报告。 计算洪峰流量时，若调查的洪痕靠近某一水文站，可先计算洪峰流量时，若调查的洪痕靠近某一水文站，可先求水文站基本水尺断面处的洪水位高程，通过延长该站的水求水文站基本水尺断面处的洪水位高程，通过延长该站的水位流量关系曲线，推求洪峰流量。位流量关系曲线，推求洪峰流量。一 水文调查水文调查 水文调查

23、包括洪水、枯水和暴雨调查。目的是调查测站水文调查包括洪水、枯水和暴雨调查。目的是调查测站及其它必要地点的特大洪水流量、暴雨量和最小枯水流量等，及其它必要地点的特大洪水流量、暴雨量和最小枯水流量等，为水文分析计算提供资料。为水文分析计算提供资料。WUHEE*用比降法计算洪峰流量用比降法计算洪峰流量式中式中 Q洪峰流量，洪峰流量，m3/s； S水面比降，水面比降，； K河段平均输水率河段平均输水率; n糙率；糙率； A河段平均断面积，河段平均断面积，m2； R河河 段平均水力半径，段平均水力半径，m。a 匀直河段洪蜂流量计算匀直河段洪蜂流量计算 在新调查的河段无水文站情况下，洪水调查的洪峰流量可在

24、新调查的河段无水文站情况下，洪水调查的洪峰流量可采用下列公式估算。采用下列公式估算。2/1KSQ 3/21ARnK WUHEEb 非匀直河段洪峰流量计算非匀直河段洪峰流量计算式中式中 Se能面比降；能面比降； h上、下两断面的水面落差，上、下两断面的水面落差，m；2/1eKSQ LgVgVhSe2222下上3/21ARnK L两断面间距，两断面间距，m。 、 分别为上下两断面的平均流速，分别为上下两断面的平均流速，m/s；下V上V 糙率糙率n确定，可根据实测成果绘水位糙率曲线备查或查确定，可根据实测成果绘水位糙率曲线备查或查糙率表，或参考附近水文站。糙率表，或参考附近水文站。WUHEE 以降雨

25、为洪水成因的地区，洪水的大小与暴雨大小密以降雨为洪水成因的地区，洪水的大小与暴雨大小密切相关，暴雨调查资料对洪水调查成果起旁证作用。洪水切相关，暴雨调查资料对洪水调查成果起旁证作用。洪水过程线的绘制、洪水的地区组成，也需要组合面上暴雨的过程线的绘制、洪水的地区组成，也需要组合面上暴雨的资料进行分析。资料进行分析。二、暴雨调查二、暴雨调查 暴雨调查的主要内容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起暴雨调查的主要内容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄时间、暴雨变化过程及前期雨量惜况、暴雨走向及当时迄时间、暴雨变化过程及前期雨量惜况、暴雨走向及当时主要风向风力变化等。主要风向风力变化等。 对历史暴雨的调查，一般通过群众对当时雨势的回忆对历史暴雨的调查，一般通过群众对当时雨势的回忆或与近期发生的某次大暴雨对比，得出定性概念；也可通或与近期发生的某次大暴雨对比，得出定性概念；也可通过群众对当时地面坑塘积水、露天水缸或其他器皿承接雨过群众对当时地面坑塘积水、露天水缸或其他器皿承接雨量作定量估计，并对一些雨量记录进行复核，对降雨的时、量作定量估计，并对一些雨量记录进行复核，对降雨的时、空分布作出估计。空分布作出估计。WUHEE 遥感技术使人们能从宇宙空间的高度、大范围、快速、遥感技术使人们能从宇宙空间的高度、