水文信息采集与处理PPT课件.ppt

第三章水文信息采集与处理 1 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 2 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 11 12 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 13 14 15 16 17 18 19 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 20 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 21 过河索吊船设备 22 23 24 25 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 26 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 27 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 28 29 振弦传感器 压阻传感器 30 非接触式 31 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 1m 32 3 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 33 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 式中 Zi 第i次水位观测值 n 一日内水位观测的次数 34 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 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 35 编制 逐日平均水位表 36 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 37 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 38 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 39 测流断面示意图 测深垂线 断面索 水位 起点距 40 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 41 42 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 43 测定流速的方法很多 常用的有流速仪法和浮标法 44 45 q1 q2 q3 q4 q5 q6 46 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 47 2020 2 5 48 3 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 49 1 求垂线平均流速 50 已知各垂线平均流速 则可绘出流速分布 H1H2H3H4H5 W2W3W4W5 W1 W6 b1b2b3b4b5b6 断面流量计算示意图 51 2 求测流面积上的部分面积 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 52 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 53 式中 Wi 断面上的部分面积 m2 4 过水断面流量的计算 部分面积上的平均流速 m s 54 3 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 55 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 56 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 57 58 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 59 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 60 Qs 61 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 62 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 63 推移质泥沙 河床质泥沙 64 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 65 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 Z Z A V Z Q AV 0 01 66 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 67 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 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种 68 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 69 受河床冲淤影响的水位 流量关系 70 受变动回水影响的水位 流量关系 v1 v2 71 受洪水涨落影响的水位 流量关系洪水水面是在河道沿程发生高低起伏的一种波动 称为洪水波 稳定流水面比降i0 洪水波的水面比降i i i i0为附加比降 波前部分i i0 波后部分i i0 当河流稳定时 i 0 涨洪时 i 0 落洪时 i 0 同一断面上 72 受多种因素混合影响而连续变化时 73 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 74 2 水位流量关系的延长实际中 最高水位 洪水流量 和最低水位 枯水流量 施测困难 故需对水位 流量关系曲线进行外延 高水延长 影响洪水流量过程 包括洪峰 延长幅度不应超过当年实测流量所占水位变幅的30 低水延长 相对误差较大且影响历时长 延长幅度不超过10 75 高水延长 根据水位面积 水位流速关系延长当河床比较稳定 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 76 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 Z m Q F V Q VF 77 用水力学公式高水延长 78 低水位Z Q的延长方法 趋势法 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 石梁及取基本水尺断面的最低点均可作为断流水位 79 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 将 A 代入上式得 分析法 A 80 3 日平均流量计算及合理性经验当流量变化平稳时 可用日平均水位在水位流量关系曲线上推求日平均流量 当流量关系变化较大时 则用逐时水位推求得逐时流量 再按算术平均法或面积包围法求得日平均流量 据此计算月平均流量和年平均流量 81 4 水文数据处理成果的刊布 由主管单位分流域 干支流及上下游 每年刊布一次水文年鉴 年鉴中载有 测站分布图 水文站说明表及位置图 各站的水位 流量 泥沙 水温 冰凌 水化学 地下水 降水量 蒸发量等资料 82 3 7水文调查 水文调查是补充定位观测的不足 使水文资料更加系统完整 更好地满足水资源开发利用 水利水电建设及其它国民经济建设的需要的一种有效手段 水文调查内容 1 流域调查 基本情况 2 水量调查 水利设施 分洪决口影响 3 洪水调查和暴雨调查 特大洪水 特大暴雨 4 专项水文调查 泉水调查 岩溶地区水文调查 83 1 洪水的调查洪水调查工作包括 调查洪水痕迹洪水发生的时间 灾情测量 洪水痕迹的高程 了解调查河段的河槽情况 了解流域自然地理情况 测量调查河段的纵横断面 必要时应在调查河段进行简易地形测量 对调查成果进行分析 推算洪水总量 洪峰流量 洪水过程及重现期 最后写出调查报告 84 当洪水痕迹高程确定以后 可推算出相应于此洪水位的洪峰流量 常用的方法有 水位流量关系法 如果调查河段附近有水文站 则可利用水文站的水位流量关系曲线加以延长 以求得洪峰流量 比降法 当能够确定调查河段的水面比降或者在没有水文站的河段上 可采用下式计算 85 溃坝 决口和分洪洪水调查 1 溃坝洪水调查 水库概况 溃坝前库内水情 决口断面的测量和调查 2 河堤决口调查 决口位置和数量 原因 口门扩展过程 决口发生时间和相应河道水位 决口前后水情 分洪水量去向 决口洪量的估算等 3 分洪滞洪调查 人工扒口无建筑物控制的调查与河堤决口调查相同 有建筑物控制的应调查闸门开孔高度及孔数 分洪滞洪开始时间及河道水位的变化过程 滞洪区蓄水情况 估算分洪 滞洪的洪量 86 历史洪水考证收集宫廷档案 实录 文书 水利河道专著 地方志 历史水文气象记录 古建筑物附近保留的碑文 刻记 地区性历史档案等 对洪峰流量 洪水总量的量级及重现期进行分析 当定