《水力水文计算》第3章.ppt

研究水文现象，就必须获取基本水文资料（水文信息），包括水文、气象、水文地质等资料。,水文资料的采集过程就是水文测验工作。,主要的资料：降水量、蒸发量、下渗量、径流量、洪水、水位、泥沙、水质（水温、Ph、COD、BOD、各种重金属元素、SS等）,水文资料的处理过程就是水文整编工作。,第三章水文测验及水文资料收集,3.1测站与站网3.2水位观测及整理3.3流量测验与整理3.4水文资料收集,3.1测站与站网,水文测站1概念水文测站是组织进行水文测验、收集水文资料的基本场所。其任务是按一定标准对指定地点(断面)的水文要素作系统观测和资料整编。,2分类(1)按测验项目分,(2)按测站性质分,水文测站,流量站,水位站,雨量站,水质站,水文测站,基本站,专用站,实验站,二水文站的设立,包括：测验河段选择观测断面布设,要求：河道顺直，水位流量关系稳定（断面或河道水力要素稳定）。,三水文站网,布设原则：(1)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；(2)经济合理;(3)布设密度合理。,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。,为了能收集大范围的基本水文资料，满足水利水电、环境保护及其国民经济建设需要，需合理、科学规划布设水文测站，即水文站网。,我国水文站网1956年统一布设。现有布设密度为3.56站/万km2。世界100多个国家的平均水平为4站/万km2。,3.2水位观测与整理,水位水体自由水面相对于某一基面的高程，称为水位(m)。我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。由于历史原因各地仍有其它基面的，如吴淞基面、大沽基面、废黄河口基面。,二水位观测水尺、自记水位计,1水尺人工观测在测流断面上布设水尺，人工定时或不定时进行观测。,水位是基本的水文特征，反映了水流变化，是水利建设、防汛抗旱斗争的重要依据。,1水尺人工观测水位(Z)=水尺零点高程(Z0)+水尺度数(z)a.水位变化不大时，每天采用两段制观测(8点和20点)；b.水位变化较大时，每天采用四段制观测(2点，8点，14点，20点)；c.洪水期或水位变化急剧时，需增加测次。,2自记水位计利用自记水位记自动纪录水位的连续变化过程。,三水位资料的整理,1当等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用算术平均法,式中，Zi为i次观测或摘录水位值；n为观测或摘录次数。,所获得的水位资料都是瞬时值。水位资料整理就是将瞬时水位值换算成日平均水位(0:00-24:00)；同时摘录年、月、日最高、最低水位和整理洪水水位过程线。,2当不等时距观测或摘录水位时，日平均水位计算采用加权平均法，又称面积包围法求取,面积包围法示意图,Z0,Z1,Z3,Z2,Zn-2,Zn-1,Zn,0时,24时,a,n,c,m,b,式中，a，b，c，m，n相邻两次水位间的时距，单位h；T=a+b+c+m+n=24小时；Z0,Z1,Z2,Zn-1,Zn为各次观测的水位，单位m。,根据日平均水位可计算月平均水位、年平均水位。,3.3流量测验与整理,概述,测流方法很多，如,流量是河流最重要的水文特征值。如何获取它是水文测量工作的一个重要内容。,(1)流速面积法有流速仪法、浮标法等。(2)水力学法有量水建筑物和水工建筑物测流。(3)化学法又称溶液法、稀释法、混合法。,(4)物理法有超声波法、电磁法和光学法。(5)直接法有容积法和重量法。,二流速仪测流,1原理Q=qi=ViAi,Q=AV由上式知，流量测验包括3部分：断面面积测量、流速测量及流量计算。,在过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化，即V=f(b,h)。因f(b,h)的关系复杂、目前尚不能用数学公式表达。,(1)布设测(深)速垂线，测量各垂线的深度hi和相邻垂线间的距离bi；,部分平均流速Vi：岸边部分中间部分部分面积Ai：岸边部分中间部分,2布骤,(4)计算部分流量qi=ViAi，部分流量之和即为Q。,(2)在测速垂线上布设测点，用流速仪测速，计算各垂线平均流速vmi；,(3)部分平均流速Vi和部分面积Ai计算；,Q=qi=ViAi,垂线布点方式：0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0（相对水深）。垂线平均速度视测点数，分别按下式计算：,为岸边流速系数.,（3）流速测量,见表3-1,三流量资料整编,1、绘制水位流量关系曲线；,2、计算日平均流量；,4、编制流量资料整编成果表。,整编的内容：,3、计算旬、月、年平均流量；,测流工作量大，程序复杂，不可能随时测流；水位观测相对简单、快捷。由于水位与流量存在着一定的关系。因此，流量资料整编的关键在于绘制水位流量关系曲线。,1稳定的水位流量关系曲线由曼宁公式V=R2/3I1/2/n，可得流量：Q=AV=AR2/3I1/2/n式中，Q流量(m3/s)；A过水断面面积(m2)；R水力半径；I水面比降；n糙率。,当河段和测站控制良好，河道水流接近均匀流时，在同一水位下，A，R，I，n均保持不变，或它们对流量的影响相互抵消，水位流量关系稳定，呈单一曲线。,(一)水位流量关系曲线绘制,2不稳定的水位流量关系曲线从公式Q=AV=AR2/3I1/2/n知，当水位Z不变时，A、R、I、n中任意一项发生变动，Q都不是定值，则水位流量关系曲线不是单一的。有下面几种情况：,(1)受河床冲淤影响的水位流量关系曲线,图3-9,(2)受洪水涨落影响的水位流量关系曲线,洪水水面沿河道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。波前部分ii0，波后部分ii0。i=i-i0附加比降。当河流稳定时，i=0；涨洪时，i0；落洪时，i0,(3)受变动回水影响的水位流量关系,下游回水顶托，导致水面比降减少，由曼宁公式Q=AV=AR2/3I1/2/n知在相同水位下，比降小的流量变小。,(二)水位流量关系曲线延长一般水位流量关系曲线的水位在正常变幅内，最高水位和最低水位对应的流量无法获取。因此，需对水位流量关系曲线进行延长。,1高水延长,(1)水位面积、水位流速延长法,Q=AV=AR2/3I1/2/n=(AR2/3)(S1/2/n)式中，A、R、n同前，S=I,为比降；其中S1/2/nv/R2/3。绘制ZAR2/3曲线和ZS1/2/n并延长。,(2)曼宁公式延长法,2低水延长方法：(1)水位面积、水位流速延长法(2)以断流水位Z0作控制进行水位流量关系曲线延长。,方法2(1)确定断流水位Z0(是指流量为零时的相应水位)。(2)假定低水时水位流量关系式：,(3)在水位流量曲线中、低水弯曲部分顺序取a、b、c三点(Za，Qa)、(Zb，Qb)、(Zc，Qc)其中要求满足Q2b=QaQc。代入上式，得：,以(Z0，0)为控制点，延长得低水曲线。,1、当一日水位变化平稳时，用日平均水位在水位流量关系曲线上查得日平均流量。2、当一日水位变化较大时，用一日内各次水位从水位流量关系曲线上查得相应流量，再按算术平均法或面积包围法计算日平均流量。3、旬、月、年平均流量计算日平均流量旬、月、年平均流量(算术平均法),4、编制流量资料整编成果表实测流量成果表记录了一年各次测流的基本情况(水位、断面面积、断面平均流速、测流方法)实测大断面成果表逐日平均流量表一年每日平均流量洪水水文要素摘录表洪水水位及流量变化过程资料,(三)流量推求,由水位流量关系曲线，可推求任意水位对应的流量。,3.4水文资料收集,1洪水调查,包括调查洪水痕迹、洪水发生时间、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。,计算洪峰流量时，若调查的洪痕靠近某一水文站，可先求水文站基本水尺断面处的洪水位高程，通过延长该站的水位流量关系曲线，推求洪峰流量。,一水文调查,水文调查包括洪水、枯水和暴雨调查。目的是调查测站及其它必要地点的特大洪水流量、暴雨量和最小枯水流量等，为水文分析计算提供资料。,*用比降法计算洪峰流量,式中Q洪峰流量，m3/s；S水面比降，；K河段平均输水率;n糙率；A河段平均断面积，m2；R河段平均水力半径，m。,a匀直河段洪蜂流量计算,在新调查的河段无水文站情况下，洪水调查的洪峰流量可采用下列公式估算。,b非匀直河段洪峰流量计算,式中Se能面比降；h上、下两断面的水面落差，m；,L两断面间距，m。,、分别为上下两断面的平均流速，m/s；,糙率n确定，可根据实测成果绘水位糙率曲线备查或查糙率表，或参考附近水文站。,以降雨为洪水成因的地区，洪水的大小与暴雨大小密切相关，暴雨调查资料对洪水调查成果起旁证作用。洪水过程线的绘制、洪水的地区组成，也需要组合面上暴雨的资料进行分析。,二、暴雨调查,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惜况、暴雨走向及当时主要风向风力变化等。,对历史暴雨的调查，一般通过群众对当时雨势的回忆或与近期发生的某次大暴雨对比，得出定性概念；也可通过群众对当时地面坑塘积水、露天水缸或其他器皿承接雨量作定量估计，并对一些雨量记录进行复核，对降雨的时、空分布作出估计。,遥感技术使人们能从宇宙空间的高度、大范围、快速、周期性的探测地球上各种现象及其变化。遥感技术在水文科学领域的应用称为水文遥感。,三、水文遥感,近20多年来，遥感技术在水文水资源领域得到广泛应用并已成为收集水文信息的一种重要手段，如：,1)流域调查2)水资源调查3)水质监测4)洪涝灾害的监测5)降水量的测定及水情预报,四、水文年鉴,水文站网历年测验成果，按照统一的要求和格式，分流域和水系进行整编，作为正式水文资料，每年刊布一次，称为水文年鉴。内容包括