工程水文学 第三章 河川水文测验

第三章河川水文测验基本知识水位观测及资料整理流量测验及资料整编水文资料收集3.1概述水文站网的规划、布设和调整，水文站网的规划指拟定和选择水文测站合理布局的方案。水文测验工作包括下列各方面：水文测验：指系统地收集和整理水文资料的技术工作的统称。狭义的水文测验指水文要素的观测。水文测验是水文学的基础。水文测站上的观测按设站要求分别在站上进行水位观测，流量测验，泥沙测验，水质、水温、冰情、降水量、蒸发量、土壤含水量和地下水位等观测。水文测验方法的研究和技术标准的制订（测验时制、度量单位、精度要求、计算方法和工作程序等），使得到的各项资料能在同一基础上进行比较和分析。水文资料整编按照统一的方法和格式，对测得的资料进行整理，汇编成为系统的成果。巡回测验和水文调查。3.1.1水文测站水文测站:水文测验的基本单位，其主要任务是对指定的地点的水文要素进行系统观测和整编。水文测站分为:基本测站专用测站水文站网：系指在整个流域（或地区）上水文测站的总体。基本测站：为掌握全国各地水文情况而设立的，故需统一规划和布设，对水文要素要长期观测，测验按规范进行。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。专用测站：为专门科学研究或为某水利工程而设立的水文站，其工作内容由设站目的而定。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。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。3.1.2水文测站的设立(1)测验河段的选择设站地点要服从总体布局的要求；便于水文测验（保证测验结果有必要的精度）和资料的整理。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)。(2)水文站测验河段中各种测验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。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。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。按所测定的项目不同，可分为以下四种测验断面：基本水尺断面:测定河流水位，及横断面面积流速仪测流断面:测定水流的流速.应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。浮标测流断面:测定水流的流速.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。比降断面:分布有上下二个断面，用以测定河段的水面比降，进而估算河床的糙率.指水体的自由水面离开固定基准面的距离，我国目前一般统一采用黄海海平面作为基准面。水位观测的设备：3.2水位的观测水位：3.2.1水位的观测：自记水位计：能自动记录水位的连续变化过程水尺：直立式、倾斜式、矮桩式、悬锤式水位观测的内容：基本水尺/比降水尺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。式中，Zi～第i次水位观测值；n～一日内水位观测的次数。niiZnZ113.2.2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：①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。Z0Z1Z2…Zi…Zn-1Zn△t1△t2△t3…△ti…△tn-1△tnZ(m)t时间加权法求日平均水位示意图②时间加权法该法适合于水位变化大且不等时距观测的情况。时间加权法计算公式：nnnnntZ)tt(Z)tt(ZtZZ1121110481式中，Z0,Z1,…Zn~一日内各次观测的水位值(m)△t1,△t2…△tn~相邻二次水位观测间的时距(hr)3.3流量的测验流量:单位时间内通过河流某断面的水量(m3/s)AVQ式中,Q~流量,m3/s;~断面平均流速,m/s;A~过水断面面积,m2.V流量的测验的步骤：•过水断面面积的测量•流速的测量•断面流量的计算确定各测深点水位5.3.1测流断面的测量布置测深垂线测量各测深点的水深测定各测深点的横向位置(起点距)绘出过水断面图起点桩b1bi起点距WiH1HiHi+1测深垂线断面索测流断面示意图3.3.2流速的测量流速仪法浮标法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。断面上测速垂线和测速点的布设当水面宽度5m,测速垂线的数目≥5(1)流速仪法测速和流量计算5m数目测点位置适合的水深(m)一点0.6hor0.5h1.5二点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过水断面面积的总流量流量计算:计算流量的步骤：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a.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=V0.61.5二点法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)/103.0【注】V0.2,V0.6,V0.8,V1.0分别表示相应水深为0.2h,0.6h,0.8h和河底处测点的流速H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2断面流量计算示意图)VV(Vmm4342111mVV已知各垂线平均流速，则可绘出流速分布图: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：b.求测流面积上的部分面积ii1-iibHHW)(2111bHW211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~流速系数/岸边系数:斜坡岸，=0.7陡坡岸，=0.8光滑坡岸，=0.9死水边，=0.6c.求部分面积上的平均流速)(i,mi,miVVV12111mVV式中，Wi~断面上的部分面积(m2)e.过水断面平均流速的计算：式中，W~过水断面总面积(m2)d.过水断面流量的计算：111111niiinnnniiVWVWVWVWVWQ~部分面积上的平均流速(m/s)iV)(s/mWQVa.水面虚流速的计算式中，Vfi~第i个浮标的虚流速(m/s)Lf~上下浮标断面间的距离(m)Ti~第i个浮标流经上下浮标断面的时间(s)3.3.3浮标法测速和流量计算iffiTLVLfTiVf0Vm,i-1VmiWiVVfixb.绘制虚流速分布图：)(imimfiVVV,1,21根据虚流速分布图，求部分面积的虚流量：)(i,mi,mifiVVWQ121求断面总面积的虚流量：11nififQQc.计算断面流量：Kf~浮标系数(Kf=0.7~0.95)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ffQKQ式中，，为各部分虚流量之和；11nififQQ思考题水文测站观测的项目有(____)A.风B.水位C.流量D.湿度E.泥沙F.降水G.蒸发H.辐射I.水质根据测站的性质，水文测站可分为(____)A.水位站B.雨量站C.基本站D.专用站E.流量站对于测验河段的选择，主要考虑的原则是(____)A.在满足设站目的要求的前提下，测站的水位与流量之间呈单一关系B.在满足设站目的要求的前提下，尽量选择在距离城市近的地方C.在满足设站目的要求的前提下，应更能提高测量精度D.在满足设站目的要求的前提下，任何河段都行基线的长度一般（____）A.愈长愈好B.愈短愈好C.长短对测量没有影响D.视河宽B而定,一般应为0.6B水文站布设的断面一般有(____)A.基本水尺断面B.流速仪测流断面C.浮标测流断面D.比降断面全国水位统一采用的基准面是(________)A.大沽基面B.吴淞基面C.珠江基面D.黄海基面当一日内水位变化不大时，计算日平均水位应采用(________)A.加权平均B.几何平均法C.算术平均法D.面积包围法1.水文测验中断面流量的确定，关键是(____)A.施测过水断面B.测流期间水位的观测C.计算垂线平均流速D.测点流速的施测用流速仪施测点流速时，每次要求施测的时间(____)A.越短越好B.越长越好C.大约100sD.不受限制一条垂线上测三点流速计算垂线平均流速时，应从河底开始，分别施测（____）处的流速。A.0.2hB.0.4hC.0.6hD.0.8h用浮标法测流，断面流量等于断面虚流量再乘以(____)。A.风速B.水位C.浮标系数D.糙率3.4.1水位Z-流量Q关系3.4流量资料的整理一个水文站的水位和流量的关系是指测站基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系。整理水位与流量的关系有如下几种情况：绘制以下几条曲线：Z(m)Q/F/V稳定的水位(Z)流量(Q)关系Z~QZ~F︱Q-FV︱≦0.01（1）稳定的Z–Q关系曲线的确定①Z–Q的关系曲线②Z-F(过水断面)的关系曲线③Z-V(断面平均流速)的关系曲线Z~V天然河道的流量可用下式表示：FJRnQ21321式中，Q~流量；F~过水断面；R~水力半径；n~糙率；J~水面比降(2)不稳定的水位流量关系曲线确定：结论：由上式可以判断，水位一定，流量仍受到许多因素的影响，故水位和流量不是单一的函数关系，即不稳定的水位流量关系。Q淤Q稳Q冲ZQ冲淤受冲淤影响的水位流量关系曲线示意图水位流量关系受单一因素的影响采用“临时曲线法”：ZQ落Q涨涨水落水受洪水涨落影响时的水位流量关系曲线示意图291011126782tZZQ134513456711109128水位流量受多因素的影响采用“连时序法”：Q3Q4Q1Z1Q2Z2Z1Z2,Q1Q2根据水位(Z)~过水断面面积(F)，水位~流速(V)的关系曲线进行延长：3.4.2水位流量关系曲线的延长(1)高水位Z~Q的延长方法：延长的依据：当河床比较稳定，河槽形状无很大变化的测站，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～流速的关系直线近似平行于垂轴。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；按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根据曼宁公式进行延长（适用于宽浅型河道）：2132213211////IHnIRnV式中，n~河床糙率;R~水力半径;I~水面比降;~断面的平均水深.H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：HBHBBHHBR2a.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