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第一章测站布设第一讲一、水文测站水文测站是在河流上或流域内设立的，按一定技术标准经常收集和提供水文要素的各种水文观测现场的总称。按目的和作用分为基本站、实验站、专用站和辅助站。基本站是为综合需要的公用目的，经统一规划而设立的水文测站。基本站应保持相对稳定，在规定的时期内连续进行观测，收集的资料应刊入水文年鉴或存入数据库长期保存。实验站是为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。专用站是为特定的目的而设立的水文测站。不具备或不完全具备基本站的特点。辅助站是为了帮助某些基本站正确控制水文情势变化而设立的一个或一组站点。辅助站是基本站的补充，弥补基本站观测资料的不足。计算站网密度时，辅助站不参加统计。基本水文站按观测项目可分为流量站、水位站、泥沙站、雨量站、水面蒸发站、水质站、地下水观测井等。其中流量站（通常称作水文站）均应观测水位，有的还兼测泥沙、降水量、水面蒸发量及水质等；水位站也可兼测降水量、水面蒸发量。这些兼测的项目，在站网规划和计算站网密度时，可按独立的水文测站参加统计；在站网管理和刊布年鉴和建立数据库时，则按观测项目对待。二、水文站网及其作用水文站网是在一定地区，按一定原则，用适当数量的各类水文测站构成的水文资料收集系统。由基本站组成的站网，称为基本水文站网。把收集某一项资料的水文测站，组合在一起，则构成该项目的站网。如流量站网，水位站网，泥沙站网，雨量站网，水面蒸发量站网，水质站网，地下水观测井网等。通常所称的水文站网，就是这些单项观测站网的总称，有时也简称为“站网”。以满足水资源评价和开发利用的最低要求，由起码数量的水文测站组成的水文站网，是容许最稀站网。首先应建成容许最稀站网，然后，根据需要与可能，逐步发展并优化站网。力求在适应于当地经济发展水平的投入条件下，使站网的整体功能最强。水文站网密度，可以用“现实密度”与“可用密度”这两种指标来衡量。前者是指单位面积上正在运行的站数，后者则包括虽停止观测，但已取得有代表性的资料或可以延长系列的站数。站网密度通常是指现实密度。三、水文站网的规划与调整水文站网规划是制定一个地区（流域）水文测站总体布局而进行的各项工作的总称。其基本内容有：进行水文分区，确定站网密度，选定布站位置，拟定设站年限，各类站网的协调配套，编制经费预算，制定实施计划。水文站网规划的主要原则是根据需要和可能，着眼于依靠站网的结构，发挥站网的整体功能。提高站网产出的社会效益和经济效益。制定水文站网规划或调整方案应根据具体情况，采用不同的方法，相互比较和综合论证；同时，要保持水文站网的相对稳定。水文站网的调整，是水文站网管理工作的主要内容之一。水文站网的管理部门，应当在使用水文资料解决生产、科研问题的实践中，在经济水平、科学技术、测验手段日益提高和对水文规律不断加深认识的过程中，定期地或适时地分析检验站网存在的问题，进行站网调整。分析检验站网存在的问题主要有：测站位置是否合适，测站河段是否满足要求，水账是否能算清，测站间配套是否齐全等。四、基本水文站网的布设原则基本水文站网中，流量站网是最主要的站网，因此重点介绍流量站网，并简要介绍水位站网和泥沙站网。（一）基本流量站网的布设原则由于河流有大小、干支流的区分，因此流量站网的布设原则也不相同。控制面积为3000km2以上的大河干流流量站，称为大河控制站。干旱区在500km2以下，湿润区在300km2以下的河流上设立的流量站，称为小河站。其余天然河流上设立的流量站，称为区域代表站。大河控制站的主要任务，是为江河治理，防汛抗旱，制定大规模水资源开发规划以及重大工程的兴建，系统地收集资料。在整个站网布局中，居首要地位。大河控制站按线的原则布设。小河站主要任务是为研究暴雨洪水、产流、汇流，产沙、输沙的规律，而收集资料。在大中河流水文站之间的空白地区，往往也需要小河站来补充，满足地理内插和资料移用的需要。因此，小河站是整个水文站网中不可缺少的组成部分。小河站按分类原则布设。区域代表站的主要作用，是控制流量特征值的空间分布，探索径流资料的移用技术，解决任何水文分区内任一地点流量特征值，或流量过程资料的内插与计算问题。区域代表站，按照区域原则布设。1．线的原则在干流沿线，布站间距不宜过小，布站数量不宜过多，任何两个相邻测站之间流量特征值的变化，不应小于一定的递变率。否则这种变化和测验误差，将很难区分。由此可以确定布站数量的下限。同时布站间距也不能过大，布站数量不能过少，否则将难以保证按5%～10%的精度标准，内插干流沿线任一地点的流量特征值。由此，又可以确定布站数量的上限。当估计出布站数量的上限和下限之后，还应综合考虑重要城镇、重要经济区防洪的需要，大支流的入汇，大型湖泊、水库的调蓄作用以及测验通讯和交通、生活条件等因素，选定布站位置。把上述原则汇集在一起，称为线的原则。2．区域原则在任一水文分区之内，沿径流深等值线的梯度方向，布站不宜过密，也不宜过稀。决定站网密度下限的年径流特征值内插允许相对误差采用±5~±10%。决定密度上限的年径流特征值递变率采用10%~15%。对于分析计算较困难的地区，在水文分区内，可按流域面积进行分级，一般情况下，分为4~7级，每级设1~2个代表站。选择布设代表站的河流和河段，应符合以下要求：①有较好的代表性和测验条件；②能控制径流等值线明显的转折与走向，尽量不遗漏等值线的高、低中心；③控制面积内的水利工程措施少；④无过大的空白地区；⑤综合考虑防汛，水利工程规划、设计、管理运用等需要；⑥尽量照顾交通和生活条件。3．分类原则布设小河站，应在水文分区的基础上，参照植被、土壤、地质及河床组成等下垫面的性质进行分类，再按面积分级，并适当考虑流域形状、坡度等因素。选择河流布设测站。小河站址的选择应符合下列要求：①代表性和测验条件较好。②水利工程影响小。③面上分布均匀。④按面积分级布站时，要兼顾到坡降和地势高程的代表性。⑤尽量照顾交通和生活条件。（二）基本水位站网的布设原则在水文测验中，水位往往是用于推求流量的工具，绝大多数流量站都有水位观测。因此，流量站网的基本水尺，是水位站网的组成部分。在大河干流、水库湖泊上布设水位站网，主要用以控制水位的转折变化。满足内插精度要求、相邻站之间的水位落差不被观测误差所淹没为原则，确定布站数目的上限和下限。其设站位置，可按下述原则选择：①满足防汛抗旱、分洪滞洪、引水排水、水利工程或交通运输工程的管理运用等需要。②满足江河沿线任何地点推算水位的需要。③尽量与流量站的基本水尺相结合。（三）基本泥沙站网布设原则在泥沙站网上进行测验，是为流域规划、水库闸坝设计、防洪与河道整治、灌溉放淤、城市供水、水利工程的管理运用、水土保持效益的估计、探索泥沙对污染物的解吸与迁移作用以及有关的科学研究，提供基本资料。泥沙站也分为大河控制站，区域代表站和小河站。大河控制站以控制多年平均输沙量的沿程变化为主要目标，按直线原则确定布站数量，并选择相应的流量站观测泥沙。区域代表站和小河站，以控制输沙模数的空间分布，按一定精度标准内插任一地点的输沙模数为主要目标，采用与流量站网布设相类似的区域原则，确定布站数量；并考虑河流代表性，面上分布均匀，不遗漏输沙模数的高值区和低值区，选择相应的流量站，观测泥沙。五、测验河段的选择原则对水文观测现场的作业和观测成果，具有显著影响控制作用的河段，称为测验河段。选择测验河段，应遵循以下原则：1．首先要满足设站目的根据这一原则，可确定测验河段大致范围。例如黄河下游伊洛河沁河汇入后，必须及时掌握大洪峰流量的确切数值，才能对下游，作出重大决策。因此，该河段水流条件不论如何，都必须设站观测。2．能保证各级洪水安全操作与测验精度;有利于建立尽可能稳定、简单的水位流量关系。这一原则，对于取得可靠的观测资料，简化内业整理工作，节约人力物力，具有重要作用。3．在满足上述要求的前提下，尽可能照顾生活、交通、通讯上的方便。六、测站控制天然河道中水文现象十分复杂的，水位流量的关系在许多情况下是不稳定的。这是因为流量不仅随水位的变化而变化，它还受比降、河床糙率、水力因素的影响。而同一水位下，这些水力因素往往又是在变化的。因此，表现出水位流量关系的复杂性。但我们在天然河道中还能够找到一些河段，其水力因素在同一水位下保持不变或虽有变化但可以相互补偿，随水位的变化而变化，从而保持单一性。假如在测站附近（通常在其下游）有一个断面或一段河槽，其水力特性能够使得测站的水位流量关系保持单一关系，则这个断面或河段便称为测站控制。如测站控制作用发生在一个横断面上，则称为断面控制。如测站控制作用靠一段河槽的底坡、糙率、断面形状等因素的共同作用来实现，称为河槽控制。那我们选择测站最佳的位置在哪？设在形成测站控制的地点或其上游附近。天然河道中一些河段为什么会形成测站控制呢？下面我们从水力学原理加以分析。1．断面控制天然河道中，如有突起的石梁、急滩、卡口、人工堰坝等。当水流通过该处时，将使水面曲线发生明显转折，形成临界流，出现临界水深，构成断面控制。以石梁为例，当水流行近石梁处，水流被石梁抬升，过水断显著缩小，石梁上游形成壅水。当水流通过石梁后，断面扩大，水流跌落。所以石梁处水面线由壅水曲线变为跌水曲线。由水力学知，在此产生临界流，出现临界流深dk，此时弗劳德数Fr等于1，即式中Q———断面流量，m3/s；A——断面面积，m2；B——水面宽，m；G——重力加速度，m/s2；а——动能校正系数。注意：弗劳德数在水利学中是一个极为重要的判别数，它是断面平均流速和相对波速的比值。若а=1变换上式，则写为：由上式可以看出，Fr反映了过水断面上单位重量的液体所具有的平均动能v2/2g和平均势能之比。当h=2v2/2g时，水流的平均动能等于平均势能，水流为临界流；当h2v2/2g时，水流为缓流；当h2v2/2g时，水流为急流。它也代表了惯性力和重力相对大小的比值。式中:dk——临界水深，等于。A和dk是水位Z和断面因素Ω的函数，即Ω=f(Z,Ω)在断面稳定，无冲淤变化的情况下，断面因素Ω是水位的函数，即Ω=φ(Z)则Q=f(Z)上式表明，在石梁处，流量仅是水位的函数。因此，水位流量关系呈单一关系。但必须指出，由于石梁、急滩等都是靠河槽特殊地形产生临界流来维持水位流量关系为单一关系。一但产生临界流条件消失，则它们的控制作用也随之消失。所以低水时有的控制作用，高水时则不然。卡口、弯道及堰坝等在高水时，也能造成水面曲线的转折，产生临界流，从而形成测站控制作用。由此可见，选择水文测站，最理想的是选在高水、低水都有测站控制的河段上。那么，为什么测流断面不设在断面控制或其下游，而设在其上游附近呢？这是因为在断面控制处，水面纵坡较陡，流速大，测深测速都不方便，且误差较大，也不安全。而其下游则没有控制作用。所以测验河段通常选在其上游附近。上式表明，天然河道决定流量大小的基本水力因素有四个：水位、断面因素、糙率、水面比降。因此，要使水位流量关系呈单一关系，必须具备下列条件之一：什么样的河段能具备上述条件而产生河槽控制作用呢？（1）在同一水位下，Ω，n，S维持不变；（2）在同一水位下，虽有所变动，但它们对流量大小的影响恰好互相补偿。必须有相当长的顺直河段，河床稳定，不生水草，不受变动回水影响等。七、选择测验河段具体要求根据设站目的要求，在野外选择河段时，应根据河流特性，灵活掌握，慎重选定。对一般河道站，应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中，便于布设测验设施的河段。顺直长度一般应小于洪水时主槽宽的3~5倍；山区河流，在保证测验工作安全的前提下，尽可能选在石梁、急滩、卡口、弯道的上游。要尽量避开有变动回水、急剧冲淤变化、分流、斜流、严重漫滩等不利因素的河段及妨碍测验工作的地形、地物；结冰河段还应避开容易发生冰塞、冰坝的地点。八、测验河段勘测调查工作设立水文测站之前，应进行勘测调查，内容包括：①查勘前准备：明确设站目的，查阅有关文件资料，特别是有关地形图、水准点、洪水情况等。确定勘测内容和调查大纲，制定工作计划，然后到现场勘查。勘测工作一般在枯水期进行。②测验