工程水文学第3章课件

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，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。3.1.3水文测站的设立水文测站的设立包括选择测验河段和布设观测断面。

----测验河段的选择

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)。

----观测断面的布设

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。(1)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50～80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。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0.5～1.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。----冻结基面：

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，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。

（二）观测内容

水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。

基本水尺的观测是分段定时观测。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0.12～0.24m时，用4段制观测；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。其观测时间和次数，视需要而定。（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。本节主要介绍流速仪法测流。

3.3.2流速仪法测流

流速仪法是用流速仪测定水流速度，并由流速与断面面积的乘积来推求流量的方法。它是目前国内外广泛使用的测流方法，也是最基本的测流方法。

在过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化。从横断面方向看，中间流速大，两岸流速小；从水深方向看，河床流速最小。用流速仪测流实际上是将过水断面划分为若干部分，计算出各部分面积，然后用流速仪近似地测算出各部分面积上的平均流速，两者的乘积为通过各部分面积的流量，累积各部分面积上的流量即得全断面的流量。因此流速仪测流工作包括断面测量和流速测量两部分工作。(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：0.2～3.5m/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：0.04～10m/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。>5m数目测点位置适合的水深(m)一点0.6h或0.5h<1.5二点0.2、0.8h1.5~2.0三点0.2、0.6、0.8h2.0~3.0五点水面、0.2、0.6、0.8h、河底>3.0(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0.5～1.0m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①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。②交会法

ⅰ)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。

ⅱ)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。

(三)流量计算

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求垂线平均流速按测点数区分的公式名称计算公式适合的水深(m)一点法Vm=V0.6<1.5二点法Vm=(V0.2+V0.8)/21.5~2.0三点法Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/32.0~3.0五点法Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10>3.0

H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6

b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2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陡坡岸

=0.8光滑坡岸

=0.9死水边

=0.63求部分面积上的平均流速

H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6

b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2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。

WiVx1绘制虚流速分布图Vf,jVf,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。

在天然河道里，由于河床冲淤，洪水涨落、变动回水、结冰等影响使水位流量关系难以保持单一关系。同一水位不同时期通过断面的流量不是定值，点绘出的水位流量关系曲线，其点据分布比较散乱，这种情况称为不稳定的水位流量关系。可以说，天然河道的水位流量关系一般是不稳定的。不稳定的水位流量关系曲线的处理方法很多，经常使用的有以下两种。★

不稳定的水位流量关系(1)临时曲线法：若水位流量关系受不经常的冲淤影响或比较稳定的结冰影响，在一定时期内关系点子密集成一带状，能符合定单一线的要求时，可以分期定出Z～Q曲线。(2)连时序法：当测流次数较多，能控制水位流量关系变化的转折点时，一般多用连时序法。其绘制过程如下：这种情况的Z～Q曲线一般为绳套形，使用时按水位发生时间在Z～Q曲线的相应位置查读流量。二、水位流量关系曲线的延长

测流时，本应在整个水位变幅内布置测次，但由于高水时历时短、流速大，枯水时水浅、流速小施测困难，往往难以测得最大洪峰流量和最小枯水记量。这时，必须将水位流量关系曲线进行高、低水延长，方能推得全年完整的流量过程．

一般要求高水外延部分不超过当年实测流量所占水位变幅的30％，低水外延部分不超过l0％。1.高水延长方法1）根据水位面积，水位流速关系曲线进行延长延长依据：当河床比较稳定，河槽形状不发生很大变化的测站，在高水位时，水位～过水断面面积，水位～流速的关系曲线常为一线性关系，而且水位～流速的关系线近似平行于纵轴。则可按此趋势延长。高水位Z~Q

的延长的具体步骤：Z(m)Q/F/VZ~QZ~VQ=VFZ~F

由实测资料绘制水位－面积关系曲线；

根据水位－流速关系曲线，从上端按直线趋势延长；将延长部分各级水位和相应的过水断面积相乘，即得到延长部分的流量－水位的关系曲线。BH

2）根据曼宁公式进行延长（适用于宽浅型河道）：计算断面平均流速的曼宁公式为：

根据测站的具体情况，可按以下的二种方法进行延长：a.

求出Z(中低水位)~n(糙率)的关系，顺势延长高水位段的水位Z~糙率n的关系曲线（呈直线关系），则可求到高水位的糙率n。①具有比降观测资料的测站：已知实测的流速V-水面坡降I-F(断面要素)的关系按以下几个步骤进行：根据公式实测段nZ高水位段高水位时，Z~n

呈直线关系c.求高水位时的断面平均流量：注：需要高水位时实测的平均水深和比降b.按谢才公式和曼宁公式求高水位的断面平均流速：d.得出高水位的关系曲线a.

改写曼宁公式为下列形式：

②缺乏比降和糙率资料测站：b.绘制一般水位下的的关系曲线，即的关系曲线c.在高水位部分，近似等于常数，则可对的关系曲线按直线关系进行趋势延长。d.根据实测资料，点绘关系曲线

（包括高水位的部分）e.

高水位部分，有不同水位相应的与值，则可得到高水位时相应的流量:f.

按此外延Z~Q的关系曲线，即得到高水位的Z~Q的关系曲线。1）趋势法：(2)低水位延长方法Z0石梁/浅滩

以断流水位(Q=0)作为控制水位点，从实测部分向下延长。测站下游的浅滩、石梁及基本水尺断面的最低点均可作为断流水位Z0QaQbQcZZcZbZa

假定中低水位部分的水位和流量的关系可表示为：式中，Z0

~断流水位；n,K~经验常数。在实测Z–Q关系曲线上，取(Za,Qa),(Zb,Qb),(Zc,Qc)三个点，使满足：2）分析法QaQbQcZ0ZZcZbZa3.5泥沙测验及计算

河流中的泥沙,按其运动形式可分三类：悬移质泥沙浮于水中并随之运动；推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动；河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。三者没有严格的界线，随水流条件的变化而相互转化。一般情况，河流中泥沙以悬移质为主。

一、悬移质泥沙测验与计算

描述河流中悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。单位体积浑水中所含干沙的质量，称为含沙量，用表示，单位为kg/m3。单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以Qs表示，单位为kg/s。断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。

（一）含沙量的测验

设置测验垂线用采样器在垂线上各采样点上取得水样量积、沉淀、过滤、烘干、称重（二）输沙率测验过水断面的输沙率测点含沙量求垂线平均含沙量部分面积上的流量断面平均含沙量1垂线平均含沙量三点法五点法2部分面积流量3过水断面的输沙率4断面平均含沙量二、推移质泥沙测验

推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙质量，单位为kg/s。

推移质取样的方法，是将采样器放到河底直接采集推移质沙样。由于推移质粒径不同，推移质采样器分为沙质和卵石两类。沙质推移质采样器适用于平原河流，我国自制的这类仪器有黄河59型和长江大型推移质采样器。卵石推移质采样器通常用来施测