工程水文学 第三章 河川水文测验.ppt

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 3 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 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 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 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 式中 Q 流量 m3 s 断面平均流速 m s A 过水断面面积 m2 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 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 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 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 H1H2H3H4H5 W2W3W4W5 W1 W6 b1b2b3b4b5b6 断面流量计算示意图 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 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 c 求部分面积上的平均流速 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 部分面积上的平均流速 m s 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 Ti Vf0Vm i 1Vmi Wi VVfi x b 绘制虚流速分布图 根据虚流速分布图 求部分面积的虚流量 求断面总面积的虚流量 c 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 式中 为各部分虚流量之和 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 Q FV 0 01 1 稳定的Z Q关系曲线的确定 Z Q的关系曲线 Z F 过水断面 的关系曲线 Z V 断面平均流速 的关系曲线 天然河道的流量可用下式表示 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 水位流量关系受单一因素的影响采用 临时曲线法 受洪水涨落影响时的水位流量关系曲线示意图 水位流量受多因素的影响采用 连时序法 Z1 Z2 Q1 Q2 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 Q VF 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 根据曼宁公式进行延长 适用于宽浅型河道 式中 n 河床糙率 R 水力半径 I 水面比降 断面的平均水深 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 a 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n 具有比降观测资料的测站 已知实测的流速V 水面坡降I F 断面要素 的关系 按以下几个步骤进行 根据公式 高水位段 c 求高水位时的断面平均流量 注 需要高水位时实测的平均水深和比降I b 按谢才公式和曼宁公式求高水位的断面平均流速 d 得出高水位 Z的关系曲线 a 改写曼宁公式为下列形式 式中 断面的平均水深 其它符号同前 对于宽浅河道 缺乏比降和糙率资料测站 由上式可知 只要求到高水位时的和 则可求到高水位时的流量Q b 绘制一般水位下的水位 d 根据实测资料 点绘关系曲线 包括高水位的部分 e 高水位部分 有不同水位相应的与值 则可得到高水位时相应的流量 f 按此外延Z Q的关系曲线 即得到高水位的Z Q的关系曲线 趋势法 2 低水位Z Q的延长方法 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 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 3 4 3流量资料的整编 根据Z Q关系曲线 Q t t 统计各种的流量特征值 如日 月 年平均流量等 由于水文站具有连续的水位监测数据Z t 因此通过Z Q的关系曲线 可获取连续的流量Q t 的数据 在此基础上 可以方便地进行各种流量特征值的计算和统计 3 5水文资料的搜集 收集水文资料是水文分析和计算的基础 水文资料的主要来源有 水文年鉴各地区的水文手册和各种水文图册水质资料各种调查资料 它是获取水文资料的一种补充 洪水调查 暴雨调查 枯水调查 思考题 天然河道中 影响水位 流量关系不稳定的主要因素有 等 A 洪水涨落B 断面冲淤C 回水影响D 结冰和生长水草某水文站的水位流量关系