工程水文第三章

3水文信息采集与处理,水文信息采集与处理是研究各种水文信息的测量、计算与数据处理的原理和方法的一门学科。水文信息采集有两种情况：水文事件当时发生时的实际观察的信息。水文事件发生后调查所得信息。,3.1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。学习要求掌握水文测站和站网的定义、布设原则和内容以及水文信息收集的基本途径。,3.1水文测站与站网-3.1.1水文测站,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的指定地点。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。,3.1水文测站与站网-3.1.1水文测站,根据测站的性质,河流水文测站又可分为：基本站：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。专用站：是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。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水文测站与站网-3.1.2水文站网,水文站网：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。,3.1水文测站与站网-3.1.2水文站网,3.1水文测站与站网-3.1.2水文站网,水文站网布站的原则：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：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水文测站与站网-3.1.3水文测站的设立,水文测站的设立包括：选择测验河段布设观测断面,3.1水文测站与站网-3.1.3水文测站的设立,测验河段的选择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)。,3.1水文测站与站网-3.1.3水文测站的设立,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(图3-4)，即基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。,3.1水文测站与站网-3.1.3水文测站的设立,(1)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。(2)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。(3)基本水尺断面上设立基本水尺用来进行经常的水位观测。,3.1水文测站与站网-3.1.3水文测站的设立,(4)测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。(5)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，其距离应为断面最大流速的5080倍。(6)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。,3.1水文测站与站网-3.1.4收集水文信息的途径,收集水文信息的基本途径可分为：驻测巡测间测水文调查,3.1水文测站与站网-3.1.4收集水文信息的途径,驻测：在河流或流域内的固定点上对水文要素所进行的观测称驻测。这是我国收集水文信息的最基本方式，但存在着用人多、站点不足、效益低等缺点。巡测：观测人员以巡回流动的方式定期或不定期地对一地区或流域内各观测点进行流量等水文要素的观测。,3.1水文测站与站网-3.1.4收集水文信息的途径,间测：中小河流水文站有10年以上资料分析证明其历年水位流量关系稳定，或其变化在允许误差范围内，对其中一要素(如流量)停测一时期再施测的测停相间的测验方式。水文调查：为弥补水文基本站网定位观测的不足或其他特定目的，采用勘测、调查、考证等手段进行收集水文信息的工作。,3.2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水位观测-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。水位与高程数值一样，要有一个基面作为起点，水文测验中采用的基面有下列4种：绝对基面假定基面测站基面冻结基面,3.2水位观测-3.2.1水位,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：这是在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面。,3.2水位观测-3.2.1水位,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。使用冻结基面可保持测站水位资料的历史连续性。,3.2水位观测-3.2.1水位,全河上下游或相邻测站应尽可能采用一致的固定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。基面、水准点、水尺零点和水位的关系如图3-5所示。,3.2水位观测-3.2.1水位,水位观测的作用：(1)直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资料，如堤防、坝高、桥梁及涵洞、公路路面标高的确定；(2)为推求其他水文数据而提供间接运用资料，如水资源计算，水文预报中的上、下游水位相关法等。,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,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。,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,1.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。其中应用最广泛的是直立式水尺，如图3-6所示。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。,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,2.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，不遗漏任何突然的变化和转折，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。,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,3.2水位观测-3.2.2观测水位的设备和方法,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水位观测-3.2.3日平均水位的计算,日平均水位的计算方法有两种：算数平均法：若日内水位变化缓慢，或水位变化虽然较大，但是等时距人工观测。面积包围法：若日内水位变化较大，且是不等时距观测。,3.3流量测验,内容提要1.流量测验的方法；2.断面测量(包括水深和起点距的测量)的方法；3.流速仪及其测速；4.流量计算的步骤和方法；5.浮标法测流和流量的计算。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,流量：单位时间内流过江河某一横断面的水量（m3/s）测流方法：流速面积法：流速仪法、浮标法、比降面积法等。水力学法：包括量水建筑物和水工建筑物测流化学法：又称溶液法、稀释法、混合法物理法：超声波法、电磁法和光学法直接法：容积法、重量法,3.3.1概述,流速仪法：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,流速仪：一种专门测定水流速度的仪器，目前我国使用最多的是旋杯式流速仪（含沙量较少河流）和旋桨式流速仪（多沙河流）。,组成：感应流速的旋转器、尾翼、记录仪、等,3.3.2流速仪,水平方向：中间流速大，两岸流速小水深方向：河床流速最小,分布特点,断面流速分布图,3.3.3流速仪法测流原理,1.流速仪法测流基本原理将过水断面划分为若干部分，测算出各部分面积；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；累积相加即得全断面流量。测流工作包括：断面测量和流速测量。,流速仪测的是点流速，而测流断面各点流速又不相同，如何估算断面流量?,3.3.3流速仪法测流原理,2.断面测量断面测量工作包括水道断面测量和大断面测量两种：水道断面是指自由水面线与河床线之间的范围；大断面是指历年最高洪水位以上0.51.0m的水面线与河岸线、河床线之间的范围，主要用于研究测站断面的变化情况以及在测流时不施测断面可供借用的断面。,3.3.3流速仪法测流原理,布设测深垂线,施测垂线水深,测定垂线起点距,观测各测深点水位,绘出过水断面图,水道断面测量：,3.3.3流速仪法测流原理,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。,3.3.3流速仪法测流原理,起点距的测定断面索法：在断面上架设钢索，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。该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。,3.3.3流速仪法测流原理,经纬仪岸上交会法：将经纬仪安放在基线的终点，测出测深垂线与基线之间的夹角，则起点距：D=Ltan全球定位系统定位（GPS）：不受任何天气干扰，可24小时连续施测，快速、方便、准确。,3.3.3流速仪法测流原理,3.流速测量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，根据测点流速计算垂线平均流速，再由垂线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。,点,线,面,3.3.3流速仪法测流原理,测速垂线布置：测速垂线数目，根据河宽、水深和测量精度要求来确定。,表3-3-1我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定,13,8-13,8-13,7-9,6-8,5,3-5,常测法,25,15-25,15-20,12-15,10,6,5,精测法,1000,1000,300,100,50,5.0,5.0,水面宽(m),3.3.3流速仪法测流原理,流速测点布置：垂线上流速测点的数目和位置，要根据水深大小、水流情况、有无冰封等情况决定。,表3-2流速测点的位置,3.3.3流速仪法测流原理,垂线平均流速的计算,视垂线上布置的测点情况，分别按下列公式进行计算:一点法：Vm=V0.6二点法：Vm=1/2(V0.2+V0.8)三点法：Vm=1/3(V0.2+V0.6+V0.8)畅流期Vm=1/3(V0.15+V0.6+V0.85)冰期五点法：Vm=1/10(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0),3.3.3流速仪法测流原理,部分面积平均流速的计算部分面积平均流速是指两条测速垂线间部分面积，以及岸边或死水边与两端测速垂线间部分面积的平均流速。,中间部分：Vi=0.5(Vmi-1+Vmi)岸边部分：Vl=左Vml【左岸】Vn+1=右Vmn【右岸】式中，Vml为距左岸最近的垂线平均流速；Vmn为距右岸最近的垂线平均流速；称岸边流速系数，在陡岸边，若岸壁不平整取0.80，光滑岸壁取0.90，死水边取0.60。,3.3.3流速仪法测流原理,部分面积平均流速,对应面积,全断面流量,4.全断面流量计算,3.3.3流速仪法测流原理,部分面积的计算中间部分面积：ai=0.5(hi-1+hi)bi岸边部分面积：a1=0.5h1b1a10=0.5h10b10,部分面积是以测速垂线为分界。由于测深垂线数目比测速垂线多，故先计算测深垂线间的断面面积。岸边部分按三角形面积公式计算，中间部分按梯形面积公式计算。,由各部分平均流速与部分面积之积累加得到全断面流量,3.3.3流速仪法测流原理,断面流量及其他水力要素计算,断面平均流速的计算：平均水深的计算：,V=Q/A,3.3.4实例计算,某河某站横断面如图所示，试根据图中所给测流资料计算该站流量和断面平均流速。,垂线平均流速的计算Vm1=(V0.2+V0.8)/2=(0.27+0.13)/2=0.2m/sVm2=(V0.2+V0.6+V0.8)/3=(0.32+0.23+0.2)/3=0.25m/sVm3=V0.6=0.15m/s,部分面积平均流速的计算V1=a左Vm1=0.70.2=0.14m/sV2=(Vm1+Vm2)/2=(0.2+0.25)/2=0.225m/sV3=(Vm2+Vm3)/2=(0.25+0.15)/2=0.2m/sV4=a右Vm3=0.70.15=0.105m/s,解：,各部分面积的计算A1=h1b1/2=2.510/2=12.5m2;A2=(h1+h2)b2/2=(2.5+3)12/2=33m2A3=(h2+h3)b3/2=(3+1.2)10/2=21m2;A4=h3b4/2=1.28/2=4.8m2,断面流量和平均流速的计算Q=V1A1+V2A2+V3A3+V4A4=0.1412.5+0.22533+0.221+0.1054.8=13.879m3/sV均=Q/(A1+A2+A3+A4)=13.879/71.3=0.195m/s,3.3流量测验-3.3.5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。,3.3流量测验-3.3.5浮标法测流,凡能漂浮在水面上的物体都可以制成浮标。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。,内容小结,本节学习了流量测验的基本方法流速仪法：,全断面流量,对应面积,各部分流量相加,流速测量,流速测量,断面测量,3.7水文数据处理,水文数据的加工、处理过程，称为水文数据处理。本节主要介绍流量资料整编。内容提要1.稳定的水位流量关系曲线的绘制；2.不稳定的水位流量关系曲线的处理方法；3.水位流量关系曲线的延长方法；4.水位流量关系曲线的移用；5.流量资料整编。学习要求掌握水位流量关系曲线的绘制与处理方法、水位流量关系曲线的延长方法、水位流量关系曲线的移用和流量资料整编。,3.7水文数据处理验-3.7.1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。水位与流量之间的关系，有的表现为稳定的关系，有的则为不稳定的关系。,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,(一)稳定的水位流量关系曲线稳定的水位流量关系，是指一个水位对应的流量变化不大，它们之间呈现单一关系。稳定的水位流量关系曲线的绘制步骤如下：,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,将各次测流时实测水位、流量的成果加以审查，列出实测流量成果表，如表3-6。表3-6河站1982年实测流量成果表（摘录）,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,根据表中数据，同时绘制ZA、ZV、ZQ关系曲线。以水位为纵坐标，横坐标用三种比例尺，分别代表Q、A、V。如果采用不同方法测流，则点子用不同符号表示。如果水位流量关系点子密集，分布成一带状，就可以通过点群中间，目估一条单一的水位流量关系曲线，如图3-34。,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,(二)不稳定的水位流量关系不稳定的水位流量关系，是指先后测得的水位虽然相同，但流量差别很大。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（图3-35）、洪水涨落（图3-36）、变动回水（图3-37）等。,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,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。(1)临时曲线法(2)连时序法,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,(1)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，如图3-38。,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,(2)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：,3.7水文数据处理-3.7.1水位流量关系曲线的确定,根据实测资料绘出水位过程线Z=f(t)，并在过程线上按顺序注上测次号码，如图3-39。根据实测流量和相应水位，点绘ZQ相关点，并在点旁依次注明测次号码及实测日期。参照水位过程线的起伏变化，目估依测次号码连成圆滑曲线，即为水位流量关系曲线。这种情况的ZQ曲线一般为绳套形，使用时按水位发生时间在ZQ曲线的相应位置查读流量。,3.7水文数据处理-3.7.2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。其中，高水部分延长幅度不应超过当年实测流量所占水位变幅的30%，低水部分延长的幅度不应超过10%。,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,对稳定的水位流量关系进行高低水延长常采用如下方法：1.根据水位面积、水位流速关系高水外延2.根据水力学公式外延曼宁公式外延斯蒂文斯法3.水位流量关系曲线的低水延长,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,1.根据水位面积、水位流速关系高水外延河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点常较密集，曲线趋势较明确，可根据这两根线来延长水位流量关系曲线。水位=流量面积,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,2.根据水力学公式外延此法实质上与上法相同，只是在延长ZV曲线时，利用水力学公式计算出需要延长部分的V值，避免按趋势延长的任意性。最常见的是用曼宁公式和斯蒂文斯公式计算方法。,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,曼宁公式：延长时，用曼宁公式计算流速，用实测大断面资料延长水位面积曲线，从而延长水位流量关系。由于大断面资料可获得水力半径R，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降S。注：过水断面积与湿周之比即为水力半径。表达式为：R=A/X。湿周为过水断面上水流所湿润的边界长度。,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,斯蒂文斯法：用平均水深代替水力半径。高水时K接近常数，故高水时可根据此公式外延。,3.7水文数据处理-3.7.2水位流量关系曲线的延长,3.水位流量关系曲线的低水延长低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零。此法关键在于如何确定断流水位，最好的办法是根据测点纵横断面资料确定。,3.7水文数据处理-3.7.3水位流量关系曲线的移用,规划设计工作中，常常遇到设计断面处缺乏实测数据，这时就需要将邻近水文站的水位流量关系移用到设计断面上。,3.7水文数据处理-3.7.3水位流量关系曲线的移用,当设计断面与水文站相距不远且两断面间的区间流域面积不大，河段