水力学教程第二章 水文学一般概念和水文测验

第二章

水文学的一般概念与水文测验环境工程2.3闭合流域水量平衡闭合流域水量平衡闭合流域：

流域地面分水线明确，且地面与地下分水线又相互重合，这样就不存在相邻流域间的水量交换，这种流域称为闭合流域。根据物质守恒：进入闭合流域的水量：h——流域平均降水量U1——时段开始时流域的蓄水量流出闭合流域的水量：x——出口断面径流量（包括地下径流量）ω——流域平均蒸发量U2——时段终了时流域的蓄水量水量平衡方程：h＋U1＝x+ω＋U2闭合流域水量平衡闭合流域：水量平衡方程：h+U1=x+ω+U2

h=x+ω+ΔU对某一具体年份来说，式中：h代表年降水量；x代表年径流总量；ω代表年蒸发总量。丰水年份水量充沛，一部分水量补充流域蓄水量，ΔU为正值；而枯水年份，ΔU为负值，表示流域将消耗蓄水量的一部分在径流及蒸发上。对于多年平均情况而言，流域蓄水量之差接近于零，即h0≈x0+ω0式中：h0流域多年平均降水量；x0流域多年平均径流量；ω0流域多年平均蒸发量闭合流域水量平衡闭合流域：如用h0除方程式h0≈x0+ω0两边，得径流系数蒸发系数干旱地区的径流系数很小，几乎接近于0,而蒸发系数很大，可接近于1；在水分丰沛地区的径流系数介于0.5～0.7或稍大2.4河川径流流量的表示方法径流量的表示方法流量Q：

指单位时间内通过流域出口断面的水量，常用单位为m3/s。

流量Q随时间t的变化过程，称为流量过程线Q~t。

径流量的表示方法径流总量W’:

指一定时间内通过流域出口断面的总水量，单位为m3、万m3

、亿m3。计算公式为：

t1t2TW’——时段T内的平均流量Qt

日径流总量、月径流总量、年径流总量通过上式都可以获得。

径流量的表示方法径流深x把径流总量W’平铺在流域面积F上所得到的平均水深，称为径流深，单位mm。其关系式为：x=W’/(1000F)式中，W’的单位为m3，F的单位为km2。可计算各种时间尺度(日、月、年)的径流深。

径流模数M

指单位流域面积上所产生的流量，单位为m3/(s﹒km2)。即：M=Q/F径流系数α

指同一时段内的径流深x与对应时段降雨量h之比值。即：α=x/h(1)多年平均径流总量

W’＝

＝1680×365×24×60×60=530×108m3;(2)多年平均径流深

x=W’/F=530×108/1000×54500=972mm(3)多年平均径流模数

M=/F=1680/54500=30.8×10-3m3/(s.km2)(4)多年平均径流系数

α=x/h=972/1650=0.59径流量的表示方法【例】某水文站流域面积F＝54500km2，多年平均降雨量＝1650mm，多年平均流量＝1680m3／s。根据这些资料可算得：2.5水文测验水位观测水文测验即在河流的一定地点上按一定要求建立长期观测水文要素的测站，测量并纪录水文要素的变化情况。水位海洋、江河、湖泊、水库等自由水面离开固定基准面的距离称为水位。计算水位必要要有个作为计算标准的基面。全国统一规定，以青岛潮站、黄海平均海平面作为计算标准的基面。观测水位设备：水尺和自记水位计水文测验水尺自记水位计水位观测标准(GB/T50138-2010)水文测验零点高程：水尺板上刻度起点与某一基准面的垂直距离水位公式：水位＝水尺零点高程＋水尺读数河流的流速与流量的测定计算流程点流速垂线平均流速部分断面面积&部分断面平均流速部分断面流量过水断面流量过水断面平均流速河流的流速与流量的测定点流速的测定计算公式：式中：u——水流的点速度，m／s

N——测速仪在测速历时t内的总转数

t——测速历时，s

K、C——测速仪常数河流的流速与流量的测定垂线平均速度的计算测速垂线在过水断面上沿河宽选一些代表性强的测速垂线，在每根测速垂线上依水深不同选择一些特征点进行测速。水面宽与平均水深之比>100时为宽浅河道，否则为窄深河道水面宽／m<5.05.0501003001000>1000最少测速垂线数窄深河道3~5567888宽浅河道891113>13表2.2常测法的最少测速垂线数目河流的流速与流量的测定注：上述流速测点是由水面向河底计算。如“0.2”水深意味测点深度等于垂线水深的2／10表2.3测速垂线上的测点数目和位置水深／m垂线上的测点数目和位置悬杆悬吊悬索悬吊>1.0>3.0五点（水面，0.2m、0.6m、0.8m水深，河底）0.6~1.02.0~3.0三点（0.2m、0.6m、0.8m水深）或两点（0.2m、0.8m水深）0.4~0.61.5~2.0两点（0.2m、0.8m水深）0.2~0.40.8~1.5一点（0.6m水深）0.16~0.20.6~0.8一点（0.6m水深）<0.6改用悬杆悬吊或其他测速方法<0.16改用小浮标法或其他测速方法河流的流速与流量的测定垂线平均流速的计算一点法：vm=v0.6或vm=(0.9～0.95)v0.5两点法：vm=1/2(v0.2+v0.8)三点法：vm=1/3(v0.2+v0.6+v0.8)五点法：vm＝1／10（v0.0+3v0.2+3v0.6+2v0.8+v1.0）河流的流速与流量的测定部分断面面积

A1、A4按三角形计算；A2、A3按梯形计算部分断面平均流速两测速垂线中间部分的平均流速v2=1/2(vm1+vm2)v3=1/2(vm2+vm3)岸边或死水边部分的平均流速v1=ε1vm1v4=ε4vm3河流的流速与流量的测定岸边情况ε值斜坡岸边（即水深均匀地变浅至零的岸边部分）0.67～0.75,可用0.7陡岸边不平整陡岸边用0.8光滑陡岸边用0.9死水边（死水与流水的交界处）一般可用0.6表2.4岸边流速系数ε值表河流的流速与流量的测定断面流量和过水断面流量式中：Q——过水断面流量，m3／s

n——部分断面的个数；

qi——部分断面流量，m3／s

Ai——部分断面面积，m2；

vi——部分断面平均流速，m／s过水断面平均流速式中：A——过水断面面积，m2,泥沙测算悬移质输沙率Qs悬移质泥沙又称悬沙，其颗粒小而轻，由于水流的紊动而悬浮水中，并随水流向下游运动。悬移质输沙率Qs（kg／s）：单位时间内通过测流断面的悬移质输沙量；河流的含沙量S（kg／m3）：单位体积浑水中所含泥沙的重量。Q——断面流量，m3／s——断面断面平均含沙量，kg／m3推移质输沙率推移质泥沙又称底沙，颗粒大而重，并随水流沿河底移动。利用推移质采样器，沿河宽不同地点，取得测沙垂线底部的推移质泥沙，以求得各测沙垂线处单位宽度内的输沙率，从而计算出整个断面的推移质输沙率。2.6水位流量关系曲线水位流量关系曲线的绘制水位：Z过水断面流量：Q过水断面面积：A过水断面平均流速：v水位流量关系曲线及其延长线涨水时，河段水面比降大，流速快，同一水位时通过的流量较大，图示曲线向右偏离；落水时，水面比降小，流速慢，同一水位时通过流量较小，曲线左偏离。水位流量关系曲线的绘制未冲淤前冲后淤后水位流量关系曲线的延长利用Z－A和Z－v曲线做Z－Q曲线高水延长线一般，高水部分延长不应超多当年实测流量所占水位变幅的30％；低水部分延长不应超过10％此法用于河床没有严重冲淤变化的断面I.延长Z－Q曲线的高水部分a.绘制Z－A曲线；b.根据高水位附近的Z－v曲线通常趋近于直线，且与纵轴接近平行，顺趋势延长Z－v曲线；c.在Z－A和Z－v找出相应的Ai和vi，根据Qi＝viAi求出Qi；d.求得5～6个以上Qi后，绘制延长部分。II.利用水力学的公式计算断面平均流速根据谢才公式计算断面平均流速v：式中，J——水面纵比降；

R——水力半径；C——谢才系数，常用曼宁公式或巴普洛夫斯基公式计算C值

水位流量关系曲线的延长利用断面特性法作Z－Q曲线的高、低水延长线此法适用于没有实测水面纵比降J和河道糙率n测站时。在高、低水位时，因糙率n和水力半径R都较稳定，故C值接近常数；同时，高、低水水面纵比降J通常变化不大，因为可认为

为常数，令K＝

，则步骤：根据实测流量和大断面资料，作Z－Q，Q－

和Z－

三条关系曲线将Z—

绘制高水位区将Q—在高、低水位区作直线延长（虚线部分）如欲求50m水位时的流量，可从Z－

曲线上求得a点，由a点引一水平线与Q-的延长线相交于b点，由b点作一垂线于Z＝50m处引出的水平线相交于c点，根据c点即可延长Z－Q曲线水位流量关系曲线的延长水位流量关系曲线的延长以断流水位为控制作低水延长线

先确定断流水位，以此控制将水位－流量关系曲线延长至当年最低水位处。

断流水位求法：I.根据测站纵、横断面资料确定

若测站下游有浅滩或石梁，以其高程作为断流水位；若测站下游很长距离内河底平坦，则取基本水尺断面河底最低点高程作为断流水位。水位流量关系曲线的延长以断流水位为控制作低水延长线II.分析法

用于在没有纵断面图和调查资料时，如断面形状整齐，在延长部分的水位变幅内河宽无变化，又无浅滩、分流等现象。

在Z-Q曲线的中低水弯曲部分，依顺序取a、b、c三点，使这三点的流量关系满足，则

式中，Z-断流水位，mGa、Gb、Gc-水位流量关系曲线上a、b、c三点对应的水位，m

此法基本假定：Z-Q关系曲线的低水部分的方程式为：水位与流量关系曲线的应用目的

把调查得来的洪、枯水位转换成相应的流量；或者相反，把设计用的最大流量和枯水流量转换成相应的设计最高水位和最低水位。

前述Z-Q曲线关系均是指水文站基本水尺断面上的情况，还得移用到取水口处才能供设计使用。2.7水面蒸发的几个问题水面蒸发的物理过程及影响因素物理过程

水分交换的过程，同时伴随着能量的交换。蒸发潜能（汽化潜能）η＝2491－2.177ts，ts为蒸发面温度，℃影响因素

饱和差、风速、辐射、温度、气压、水质和水深

道尔顿定律：式中：E——水面温度下的饱和水汽压

eZ——水面以上Z高度处的实际水汽压

Ke——与气温、风等有关的对流、扩散系数水面蒸发量的观测及估算器测法水文部门普遍采用E601蒸发器每日8时观测一次，得日蒸发量，月蒸发量，年蒸发量水面蒸发量的观测及估算国内外资料分析认为：由20m2或100m2的大型蒸发池所观测的水面蒸发量较接近天然水体蒸发量。可