水文信息采集与处理.

工程水文学第三章水文信息采集与处理•成因分析–“因”作为输入–模型参数确定–规律分析–….•概率统计–样本数据–…水文观测与实验水文信息采集与处理Contents•基本知识•水位观测及资料整理•流量测验及资料整编•水文调查及水文资料收集3.1概述•水文信息采集：指系统地收集和整理水文资料的技术工作的统称。狭义的指水文要素的观测。水文信息采集是水文学的基础。•水文信息采集工作包括下列各方面：–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。–水文调查。–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。3.1.1水文测站与站网•水文测站：组织进行水文测验的基层单位，也是收集水文资料的基本场所。水文测站的主要任务是按照统一标准对指定地点(或断面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等项目进行观测及资料整编。•站网：就是测站在地理上的分布网，站网把测站有机地联系起来，使测站发挥更大作用•布站原则：通过所设站网采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插领域内任何地点水文要素的特征值的目的。•国家水文站网按测站性质分为：基本站网、专用站网和实验站网。•基本站是综合国民经济各方面需要，由国家统一规划，以合理经济的方式建立的。•基本站执行水文测验标准，进行较长时期的连续观测，资料编成《水文年鉴》刊布或以其它形式长期存贮。•基本站网（basicstation）–基本水文站网中，根据测验内容分为流量站网、水位站网、泥沙站网、雨量站网、蒸发站网和水质站网。•专用站是为科学研究、工程建设、管理运用等特定目的而设立的。其观测项目、观测要求及观测年限，由设站部门依据设站目的自行规定。•实验站是为了深入研究某些专门问题而设立的一个或一组水文测站。实验站也可兼作基本站。3.1.2水文测站的设立•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。–保证工作安全和测验精度，有利于简化水文要素的观测和信息的整理分析工作，测站的水位流量之间呈良好的稳定关系（单一关系）。河道顺直、稳定、水流集中，河段规整。•布设观测断面：设置水准点并引测高程；设置横断面及基线；布设测量标志及高程基点；安装观测设备，填写登记卡。–观测断面的布设：基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。–测站的设备是指流速仪测流所需的渡河设备，一般分有船只测流设备、岸上测流设备、架空测流设备和涉水测流设备等几种。过河索吊船设备测定河流水位，及横断面面积测定水流的流速测定河段的水面比降，进而估算河床的糙率测定水流的流速3.2水位的观测•水位：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，要有一个基面作为起点。–标准基面：我国目前一般统一采用青岛附近黄海海平面作为基准面，但有些流域仍然采用大沽、吴淞基准面。–测站基面：以低于水文测站所在河道的最低水位或河床最低点0.5～1.0m处的水平面作为零高度。3.2.1水位观测的设备•水尺：直立式、倾斜式、矮桩式、悬锤式–水位=水尺零点高程+水尺读数•自记水位计：能自动记录水位的连续变化过程；浮子式、压力式、超声波式振弦传感器压阻传感器非接触式3.2.2水位观测的内容•基本水尺&比降水尺•基本水尺观测时间：–人工观测：分段定时观测•水位平缓变化缓慢时–一段式：日变幅0.06m，每日8时一次–二段式：日变幅0.12m，8时、20时两次•水位变化较大时：每日2、8、14、20时观测4次，洪水期加密观测•水位观测的精度一般准确到0.1m3.2.3水位观测资料整理•平均水位：日、月、年平均水位的计算–算术平均法–面积包围法•水位过程线•日平均水位的计算–（1）算术平均法：适合于水位变化缓慢或变化大但等时距观测的情况。niiZnZ11式中，Zi～第i次水位观测值；n～一日内水位观测的次数。–（2）时间加权法（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。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)...))((481....)2)(2)((24121110221110ttZtZtZZtZZZ•编制“逐日平均水位表”3.3流量的测验•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。此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等。•测流工作分为：河道断面测量、流速测量。AVQ3.3.1测流断面的测量•断面：–水道断面：是指某水位下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。测量水位沿断面宽度选若干个测点及测深垂线测量各垂线的水深和各测深点的横向位置(起点距)将水位减去水深得到河底高程绘制河槽断面图计算过水断面面积起点桩b1bi起点距WiH1HiHi+1测流断面示意图测深垂线断面索水位起点距•测深垂线起点距：测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离，常用经纬仪、平板仪、六分仪、全球定位系统（GPS）等测量。•水深测量的方法：–通常用测深杆、测深锤、铅鱼直接测出每根测深垂线的水深。–两次测深不等值不超1%~3%。–当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。L=C×T•流速分布–断面流速具有脉动现象和空间分布的规律性；–一般自由水面的流速大于河底，垂线流速分布曲线常呈一定形状，如抛物线形、对数形、指数形等。–河底与岸边附近流速最小；近两岸边的流速小于中泓，在最深处水面流速最大；畅流期垂线上最大流速出现在水面至0.2H范围；等流速曲线呈闭合状。3.3.2流速的测量Q=VA断面流速用哪个？？•测定流速的方法很多，常用的有流速仪法和浮标法NVKCTq1q2q3q4q5q6•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–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。5m3.3.3流量计算•流量计算，常用的方法有图解法、分析法及流速等值线法等，分析法应用广泛。•点流速垂线平均流速部分面积平均流速乘以对应的部分断面面积部分流量全断面流量•（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=V0.61.5二点法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•已知各垂线平均流速，则可绘出流速分布H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2断面流量计算示意图)VV(Vmm4342111mVV•（2）求测流面积上的部分面积ii1-iibHHW)(2111bHW211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~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，=0.6（3）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)（4）过水断面流量的计算：111111......niiinnnniiVWVWVWVWVWQ~部分面积上的平均流速(m/s)iV3.3.4浮标法测速和流量计算•利用水面虚流速推求断面虚流量，然后乘以浮标系数得到测流断面流量。水面虚流速按下式计算：–式中，式中，Vj为浮标虚流（m/s）；L为上、下浮标断面间距（m）；T为各浮标流经上、下断面的时间（s）。•根据断面垂线起点距、水深和内插求得的虚流速，算出测流断面虚流量Qj再乘以浮标系数Kj＝0.85～0.95之间，即得测流断面流量TLVj3.4河流泥沙的测算•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。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。–含沙量：单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用Cs表示，单位为kg/m3。–输沙率：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。•含沙量的测验–式中Cs---水样含沙量，g/L或kg/m3；Ws---水样中的干沙重量，g或kg；V---水样体积，L或m3；VWCss输沙率测验由含沙量测定和流量测验两部分组成。•悬移质输沙率测验：–布设测速和测沙垂线，在各垂线上施测起点距、水深、流速，采集水样。–取样垂线数目不少于规范规定测速垂线数的1/2；水面宽大于50m时，不少于5条；否则，不少于3条。–取样点分布视水深大小以及要求的精度而定。–取样主要在洪水期进行。Cs0Cs1Cs2q0q1q2q3Qs•输沙率测验–畅流期的垂线平均含沙量的计算式为：–三点法：•式中Csm---垂线平均含沙量，kg/m3；Csj---测点含沙量，脚标j为该点的相对水深，kg/m3；Vj---测点流速，m/s，脚标j的含意同上；Vm---垂线平均流速，m/s；)VCVCVC(3V1C8.08.s06.06.s02.02.s0msm•根据各条垂线的平均含沙量Csmj，配合测流计算的部分流量，即可算得断面输沙率Qs(t/s)为：–qi---第i根垂线与第i-1根垂线间的部分流量，m3/s；Csmi---第i根垂线的平均含沙量，kg/m3。•断面平均含沙量：)qCq)CC(21...q)CC(21qC(10001Qnsmn1-nsmn1smn2sm2sm11sm1s1000QCsQs推移质泥沙河床质泥沙3.5水文数据处理（整编）•水文数据的加工、处理过程，称为水文数据处理。•水文数据属国家公益性数据。•处理工作包括：收集校核原始数据；编制实测成果表；确定关系曲线；推求逐时、逐日值；编制逐日表及洪水水文要素摘录表；合理性检查；编制处理说明书。•本节重点是流量资料整编：水位流量关系、逐时、逐日值的推求。3.5.1水位流量关系曲线的绘制•水位～流量关系曲线可分为稳定的和不稳定的两类。•(1)稳定的水位～流量关系曲线Q～ZZ～AV～Z︱Q-AV︱≦0.01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。（2）不稳定的水位流量关系•不稳定的水位流量关系曲线确定：–曼宁公式：式中，Q~流量；A~过水断面；R~水力半径；n~糙率；J~水面比降；R=A/X，A=bh（矩形）AJRnQ21321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。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