水文测验PPT课件

第三章水文信息采集与处理,研究对象：水文信息（水位、流量、泥沙等要素）的采集与处理技术。研究内容1.水文测站的设立和水文站网的布设；2.水位、流量的观测；3.水文调查方法；4.水文数据的处理方法和技术。研究目的：学会收集水文资料，中心内容包括掌握水位、流量等水文要素测验的一般方法、日平均水位的计算、测流断面流量计算等。,第一节水文测站与站网,内容提要1.水文测站的内容和分类；2.水文站网的定义和布设原则；3.水文测站的设立；4.收集水文信息的基本途径。,3.1.1水文测站在流域内一定地点(或断面)按统一标准对所需要的水文要素作系统观测，以获取信息并进行处理为即时观测信息，这些指定的地点称为水文测站。水文测站所观测的项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等。只观测上述项目中的一项或少数几项的测站,则按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。,根据测站的性质,河流水文测站又可分为：-基本站:水文主管部门为掌握全国各地的水文情况而设立,是为国民经济各方面的需要服务的。-专用站：为某种专门目的或用途由各部门自行设立。这两类测站相辅相成，专用站在面上辅助基本站，而基本站在时间系列上辅助了专用站。,3.1.2水文站网水文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。水文站网规划的任务：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题。,3.1.3水文测站的设立水文测站的设立包括选择测验河段和布设观测断面。-测验河段的选择原则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。-观测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。,7,.,水文测站基线与断面布设示意图,基线：基线的长度视河宽B而定,一般应为0.6B。水准点：基本水准点、校核水准点基本水尺断面测流断面：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：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，其距离应为断面最大流速的5080倍。比降断面设立比降水尺用来观测河流的水面比降和分析河床的糙率,第二节水位观测,内容提要1.水位的定义和使用的基面；2.观测水位的设备和方法；3.日平均水位的计算；学习要求掌握水位观测的设备、方法和计算日平均水位的两种计算方法。,3.2.1水位,水位指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程，以m计。绝对基面：将某一海滨地点平均海水面的高程定为0.000m，作为水准基面。我国曾沿用过大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面，现在统一规定的基面为青岛黄海基面。假定基面：在水文测站附近没有国家水准点情况下暂时假定的一个水准基面。,测站基面：某些水文测站专用的一种假定基面，一般选择在河床最低点或历年最低水位以下0.51.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。冻结基面：将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的一种基面，也属水文测站专用的另一种假定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。,3.2.2观测水位的设备和方法,(一)观测水位的设备水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。水尺按水尺的构造形式不同可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式4种。观测时记录水尺读数，水位按下式计算：水位=水尺零点高程+水尺读数式中，水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以预先测量出来。,15,.,自记水位计,自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化。,WYD10型压力式遥测水文计,（二）水位的观测,水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。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0.120.24m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。,3.2.3日平均水位的计算,1983年赣江吉安站逐日平均水位表,日平均水位计算方法（1）算术平均法：适用于一日内水位变化缓慢，或水位变化较大，但系等时距人工观测或从自己水位计上摘录情况。（2）面积包围法：适用于一日内水位变化较大，且系不等时距观测或摘录情况。即将当日024小时内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得。,20,.,第三节流量测验,学习要求：掌握水道断面测量（包括水深和起点距的测量）的方法；流速仪及其测速；流量计算的步骤和方法。,3.3.1概述,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，本节主要介绍流速仪法测流。流速仪法是用流速仪测定水流速度，并由流速与断面面积的乘积来推求流量的方法。它是目前国内外广泛使用的测流方法，也是最基本的测流方法。,3.3.2流速仪法测流流速仪法思路：用流速仪测流实际上是将过水断面划分为若干部分，计算出各部分面积；然后用流速仪近似地测算出各部分面积上的平均流速；两者的乘积为通过各部分面积的流量；累积各部分面积上的流量即得全断面的流量。,(一)断面测量水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点（断面的起点桩，一般设在左岸）的水平距离（称为起点距），并同时观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。,-水深测量测量水深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。当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。,-起点距的测定断面索法断面索法是在断面上架设钢丝缆索，每隔适当距离做上标记，并事先测量好它们的位置，测量水深的同时，直接在断面索上读出起点距。这种方法适合于河宽较小、水上交通不多、有条件架设断面索的河道测站，精度较高。,交会法,)经纬仪岸上交会法：水文站在布设测流断面时，同时布设基线，并用精确方法量出基线的长度，测角时，将经纬仪安放在基线的终点，测出角度，则起点距为D=Ltg。,交会法示意图,)六分仪船上交会法：当河道较宽时，岸上与船上联络困难，风浪较大时用经纬仪瞄准河中活动的目标，施测有些困难，此时可使用六分仪交会法。手握仪器即可测出角，能在船上使用，因此水文勘测中经常使用。计算起点距的公式为：D=Lctg,(二)流速仪测速旋杯式旋桨式,LS68-2型旋杯式流速仪,32,.,流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出讯号，便可知道在一定时间内的旋转次数，流速愈大，转轴转得愈快，流速与转速之间有一定的关系。式中：N-流速仪在测速历时T内的总转数，一般是根据讯号数，再乘上每一讯号代表的转数求得；T-测速历时，为了消除水流脉动的影响，测速历时一般不应少于100s。,流速测量方法流速仪只能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线（一般在测深垂线中，选择若干条同时兼作测速垂线），在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。,测速垂线数目，根据河宽、水深来确定。测速垂线上的测点数，根据垂线的水深，流速仪的悬吊方式和测量精度的要求来确定。我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定：,36,.,(三)流量计算流速仪测流时有专用的记录和计算表格，通常在测流时随即计算流量。具体计算方法：点流速垂线平均流速部分面积平均流速部分断面面积部分流量全断面流量。,（1）垂线平均流速的计算一点法：Vm=V0.6二点法：Vm=(V0.2+V0.8)/2三点法：Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/3五点法：Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10,（2）部分面积平均流速的计算部分面积平均流速是指两测速垂线间部分面积的平均流速，以及岸边或死水边与断面两端测速垂线间部分面积的平均流速。-中间部分面积平均流速的计算Vi=(Vmi-1+Vmi)-岸边部分面积平均流速的计算V1=Vm1或Vn=Vmn（3）部分面积的计算部分面积是以测速垂线为分界。岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。,（4）部分流量的计算由各部分的部分平均流速与部分面积之积得到部分流量。（5）断面流量的计算,40,.,3.3.3浮标法测流,浮标测流法是一种简便的测流方法。在洪水较大或水面漂浮物较多，特别是在使用流速仪测流有困难的情况下，浮标法测流是一种切实可行的办法。浮标测流的主要工作是观测浮标漂移速度，测量水道横断面，以此来推估断面流量。凡能漂浮在水面上的物体都可以制成浮标。,42,.,43,.,方法：用水面浮标法测流时，测得的是浮标在水面的漂移速度，这种流速称浮标虚流速，它不能代表断面平均流速，将它与过水断面相配合，计算出断面虚流量，然后乘上浮标系数才能得到断面实际的流量。浮标系数的确定：法一：流速仪与浮标同时测流，分析确定法二：采用水位流量关系曲线上的流量与实测浮标虚流量，分析确定法三：按河段及水流条件，选取经验浮标系数,44,.,第四节泥沙测验与计算,3.4.1河流泥沙对河流水情及河流变迁有重大影响。分类：悬移质：悬浮于水中并随水流移动推移质：沿河床滚动、滑动、跳跃河床质：组成河床活动层并处于相对静止而停留在河床上,45,.,3.4.2悬移质测验与计算描述悬移质常用的定量指标：含沙量Cs单位体积浑水内所含悬移质干沙的质量，kg/m3。含沙量大小取决于地面径流对流域表土的侵蚀，它与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化、降雨强度以及人类活动等因素有关。输沙率Qs单位时间内流过河流某断面的干沙质量，kg/s。断面输沙率可通过断面上的含沙量测验配合断面流量测量来推求。,46,.,（一）含沙量测验河流含沙量垂线分布均呈上小下大形式。变化梯度随泥沙颗粒粗细不同而异。含沙量的横向分布形式与河床性质、断面形状、河道形势、泥沙粒径以及上游来水情况等有关。测验一般采用采样器从水流中采取水样。水样方式：若取自固定测点，称积点式取样；若在测线上由上到下（或上下往返）匀速移动，称积深式取样，该水样代表测线的平均情况。,47,.,水样的处理：量积V、沉淀、过滤、烘干、称重Ws水样含沙量计算当含沙量较大时（大于20kg/m3），也可采用同位素测沙仪测量含沙量。它具有及时、不取水样等优点。,48,.,（二）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。,49,.,断面输沙率及断面平均含沙量计算采用选点法、垂线混合法与积深法测定垂线平均含沙量，并使用流速仪法测流时，断面输沙率和断面平均含沙量计算步骤是：（1）垂线平均输沙率（2）计算部分平均输沙率（3）计算部分流量（4）计算部分输沙率（5）计算断面输沙率（6）计算断面平均含沙量,50,.,51,.,垂线平均含沙量的计算（1）五点取样时的面积包围法（2）三点法（3）二点法（4）一点法,52,.,（1）部分平均含沙量计算岸边部分因含沙量不为零，且横向变化不大，故以第1根与第末根测沙垂线的垂线平均含沙量代替之，如Csbo=Csm1，Csbn=Csmn其余部分采用两测沙垂线的算术平均值.,53,.,（2）部分流量的计算以测沙垂线为分界，累计各部分流量之和。（3）部分输沙率的计算以上两者相乘得积（4）断面输沙率计算为各部分输沙率累计和（5）断面平均含沙量,54,.,水文站网的定位观测工作是观察水文现象、提供水文资料的主要途径。但收集的资料有时不能满足生产需要（如水利水电工程设计中需要的最大流量、最大暴雨、最小流量等特征数据），因此必须通过水文调查来了解几十年或几百年内历史上发生的洪水、枯水情况，补充定位观测的不足，使资料更加充分，满足水资源开发利用、水利水电建设及其他国民经济各部门工作的需要。,第五节水文调查与水文遥感,55,.,水文调查是收集水文资料的方法之一，是水文测验工作的重要组成部分。水文调查是为了弥补基本水文站网定位观测不足或其他特定目的，而采用勘测、观测、调查、考证、试验等手段，采集水文信息及其有关资料的工作。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,56,.,3.5.1洪水调查洪水调查是为了推算某次洪水的洪峰水位和流量、总量、过程及其重现期等所进行的现场调查和资料收集工作。主要针对历史洪水，一般可追溯到几百年甚至上千年以前。一、调查工作内容（1）河道踏勘；（2）深入调查，确定洪水痕迹；（3）测量工作；（4）对有价值的资料进行摄影并附以简要说明；（5）对调查洪水发生年月、或在几次历史洪水中按大小的排位进行考证；（6）对调查成果进行分析，推算洪量、洪峰、洪水过程及重现期，最后写出调查报告。,57,.,（二）估算洪峰流量若调查的洪痕靠近某一水文站，可先求水文站处的洪水位，通过延长该站的水位流量关系曲线推得历史洪水的洪峰流量。若调查河段无水文站，洪水调查的洪峰流量按水力学方法推求。（1）用比降法计算洪峰流量；（2）用水面曲线推算洪峰流量。调查时若能了解到洪水涨落情况，则可粗略的估绘出洪水过程线，并求出洪水总量，但精度较差。,58,.,（三）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。,59,.,（四）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，当定量分析有困难时，可定性的将洪水分为非常洪水、特大洪水、大洪水、一般洪水。,3.5.2暴雨调查,暴雨调查有两种：调查历史暴雨和调查现代暴雨。暴雨调查的主要内容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄时间、暴雨变化过程及前期雨量情况、暴雨走向及当时主要风向风力变化等.,3.5.3枯水调查,在水位极枯或较枯的时候才能进行。河流沿岸的古代遗址、古代墓葬、古代建筑物、记载水情的碑刻题记等考古实物以及文献资料，都是进行历史水文调查的重要资料。调查方法与洪水调查方法基本相似，一般比历史洪水调查更为困难。,四川涪陵白鹤梁上部分石刻题记,四川涪陵白鹤梁重镌双鱼记,62,.,3.5.4水文遥感遥感即遥远的感知，从远距离、高空，以至外层空间的平台上，利用可见光、微波等探测仪器，通过摄影或扫描，信息感应、传输和处理，从而识别物体的性质和运动状态。遥感技术（RS）与地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、各种地面观测技术、信息分析技术等结合，正在形成一门崭新的地球信息科学。在水文水资源调查方面应用显著：流域调查、水资源调查、水质监测、洪涝灾害的监测、泥沙淤积、河床演变、降雨量测定及水情预报。,第六节水文数据处理,对于各种水文测站测得的原始数据都要按科学的方法和统一的格式整理、分析、统计、提炼，使其成为系统、完整、有一定精度的水文资料，供水文水资源计算、科学研究和有关国民经济部门应用。水文数据的加工、处理过程，称为水文数据处理。工作内容：（1）收集校核原始数据；（2）编制实测成果表；（3）确定关系曲线，推求逐时、逐日值；（4）编制逐日表及洪水水文要素摘录表；（5）合理性检验；（6）编制整编说明书。,64,.,3.6.1测站考证和水位数据处理一、测站考证测站位置、沿革、测验河段情况、基本测验设施的布设和变动情况、流域自然地理、人类活动情况等。二、水位数据处理（1）水位改正与插补（2）日平均水位计算（3）编制逐日平均水位表（4）绘制逐时、逐日平均水位过程线（5）编制洪水水位摘录表,65,.,3.6.2河道流量数据处理包括定线和推流两个环节。定线是指建立流量余某种或某两种以上实测水文要素间关系的工作；推流则是根据已建立的水位或其他水文要素与流量的关系来推求流量。一、河道流量数据处理内容编制实测流量成果表和实测大断面成果表；绘制水位流量、水位面积、水位流速关系曲线；水位流量关系分析与检验；整编逐日平均流量表及洪水要素摘录表；绘制逐时或逐日平均流量过程线；合理性检验；编制河道流量资料整编说明书。,二、水位流量关系曲线的确定一个测站的水位流量关系是指基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系。根据实测流量成果，便可点绘水位与流量之间的关系。水位流量关系分为稳定和不稳定两种。（一）稳定的水位流量关系曲线稳定的水位流量关系，是指在一定条件下水位和流量之间呈单值函数关系，其关系曲线为单一线。单一曲线的确定方法有图解法和解析法两种。（1）单一曲线图解法,67,.,在普通方格纸上，以水位为纵坐标，流量为横坐标，若点绘的水位流量关系点据密集，分布呈一带状，75%以上的中高水流速仪测流点据与平均关系线的偏离不超过5%，75%的低水点或浮标测流点据偏离不超过8%，且关系点没有明显的系统偏离，则可通过点群中心定一条单一线。作图时，同一张图纸上依次点绘水位流量、水位面积、水位流速关系曲线，使它们与横轴的夹角分别近似为45、60、60，且互不相交，并用同一水位下的面积与流速的乘积校核水位流量关系曲线中的流量，使误差控制在2%3%.,68,.,69,.,（2）单一曲线解析法解析法就是用数学模型来拟合曲线，常用的数学模型有指数方程、对数函数方程、多项式方程。（二）不稳定的水位流量关系天然河道中，若测流断面各项水力因素的变化对水位流量关系的影响不能相互补偿，则水位流量关系呈现非单值函数关系。即不稳定的水位流量关系。在同一水位时，引起流量变化的原因很多，如断面冲刷或淤积、洪水涨落、变动回水、水生植物、河道结冰或多种因素的综合影响。,70,.,71,.,72,.,73,.,不稳定的水位流量关系曲线的处理方法：,74,.,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ZQ曲线，称为临时曲线法。临时曲线法的关键问题，是过渡曲线的处理，其处理方法有以下几种：（1）自然过渡（2）连时序过渡（3）内插曲线过渡,75,.,连时序法：按照实测流量点的先后顺序，勾绘关系曲线的方法，称为连时序法。连时序法适用于受单因素或混合因素影响的河段，但主要的还是解决受混合因素影响的水位流量关系。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。推流:关系曲线定好并标出线号后，即可用逐时水位直接在相应时段的曲线上查读流量。,三、水位流量关系曲线的延长,测站测流时，由于施测条件限制或其他种种原因，致使最高水位或最低水位的流量缺测或漏测，在这种情况下，须将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过程。高水外延幅度不