清华大学水文信息技术第三章+水位观测

1、1,水文信息技术,Hydrologic information technology,2,第三章 水位观测,本章内容,3,第一节 概述,本章内容可参考水位观测标准GBJ138-90,水位站的站址选择,应满足建站的目的和观测精度的要求，选择观测方便和靠近城镇或居民点的地点，并应符合下列规定：,河道水位站，宜选择在河道顺直、河床稳定、水流集中的河段。,湖泊出口水位站，应设在出流断面以上水流平稳处。,4,河口潮水位站，宜选在河床平坦、不易冲淤、河岸稳定、不易受风浪直接冲击的地点。,基面的确定,水位观测采用的基面，应符合下列规定：,已设水位站，应将原用的基面冻结下来，作为冻结基面。,堰闸水位站和湖泊水

2、库内的水位站，宜选在岸坡稳定，水位有代表性的地点。,5,水位站已采用测站基面的，可继续沿用。,水位站采用的冻结基面，应尽快与现行的国家高程基面相连结。各项水位、高程资料中，应写明本站采用的基面与国家高程基面之间的换算关系。,新设站，应采用与上下游测站相一致的基面，并作为本站的冻结基面。,6,水准点的设置,测站水准点的设置，应符合下列规定：,基本水准点，应设在测站附近历年最高水位以上，地形稳定、便于引测保护的地点。,当测站附近有国家水准点时，可设置一个基本水准点；当测站与国家水准点接测困难时，应在不同的位置设置三个基本水准点，并应选择其中一个为常用水准点；,7,当基本水准点离水尺断面较近时，可不

3、设置校核水准点。反之，设置校核水准点。校核水准点应设在便于引测和稳定的地点；,测站水准点应统一编号，保持不变。,8,水尺断面的布设,基本水尺断面的布设应符合下列规定：,河道水位站的基本水尺断面，应设在顺直河段的中间，并与流向垂直。,堰闸水位站的上游基本水尺断面，应设在堰闸上游水流平稳处，与堰闸的距离不宜小于最大水头的35倍。下游基本水尺断面，应设在闸下游水流平稳处，距消能设备末端的距离不宜小于消能设备总长的35倍。,9,水库水位站的基本水尺，应设于坝上游水流平稳处。当坝上水位不能代表闸上水位时，应另设闸上水尺；当需用闸坝下游水位推流时，应在邻近下游水流平稳处设置水尺断面。,湖泊水位站的基本水尺

4、断面，应设于有代表性的水流平稳处。,10,比降水尺断面的布设应符合下列规定：,要求进行比降观测的站，应在基本水尺断面的上下游设置上下比降水尺断面。当受地形限制时，可用基本水尺断面兼作比降上或下断面。,比降水尺断面应设在顺直河段上。上下比降断面间不应有水流入或分出，河底和水面比降不应有明显的转折。上下比降断面的间距应使测得比降的综合不确定度不超过15%。,比降断面间距的测量，往返不符值应小于测段距离的0.001。,11,一、水位 stage,江、河、湖、库等水体的自由表面相对于某一基面的高程。,水位观测目的,水位是堤防、水库、电站、堰闸、排涝、航道、桥梁等工程规划、设计的基础资料；水位是防汛、抗

5、旱的主要依据。,水位是推算其他水文要素（如流量）的间接资料；水位用于计算比降等。,12,水位观测要求,水位平稳时，每日8时观测一次；水位变化缓慢时，每日8时、20时观测2次；,水位变化较大或出现较缓慢的峰、谷时，每日2时、8时、14时、20时观测4次；,洪水期或水位变化急剧时期，每16小时观测一次；,水位暴涨暴落时，应根据需要增为每半小时或若干分钟观测一次。,13,黄海平均海平面我国海拔高程基准面,14,二、基面 datum,基面是确定水位、高程零点的水平面。,分类,绝对基面 absolute datum,以某一海滨地点的特征海平面为基准面。,现在统一采用青岛黄海基面为绝对基面。,绝对基面、假

6、定基面、测站基面、冻结基面。,15,水准零点铜塑下面铅锤的尖部所指的地方就是“中华人民共和国水准零点”,16,假定基面 arbitrary datum,若水文测站附近没有国家水准点，此时假定的一个水准基面。,如：假定水准点高程为100.000m，则该站的假定基面就在该基本水准点垂直向下100米处的水准面上。,17,测站基面 station datum,以测站河床最低点以下0.51.0m处的水平面为基面，或以测站历年最低水位以下0.51.0m处的水平面为基面。,18,冻结基面 stationary datum,以测站第一次使用的水准面作为基面。,19,三、观测水位设备、方法,1、直接观测（人工观

7、测）,仪器,水尺是每个水位观测点必须的测量设备 。,以人工观测水尺读数作为水位的约定真值，其他水位仪器的水位校核都以水尺为依据。,水尺的最小刻度为1cm。,20,水尺布设要求,布设位置：便于观测人员接近，直接观读水位。避开涡流、回流、漂浮物等影响。风浪较大地区，必要时采用静水设施。,布设范围：高于测站历年最高、低于测站历年最低水位0.5m。,特点,简单、准确、可靠。不能自动化。,21,各比降水尺，当不能设置在同一断面上时，偏离断面距离不超过5cm；任何两水尺顺流向距离不超过上、下比降断面间距的1/200。,相邻两水尺的观测范围有0.10.2m的重合。当风浪经常较大时，可适当放大至0.4m。,各

8、水尺设置在同一断面上。因地形等原因不能在同一断面上时，最上游与最下游水尺之间的同时水位差不超过1cm。,22,直立式水尺 vertical gauge,垂直于水平面设置的一种固定水尺。,选择水尺形式时，应优先选用直立式水尺。,直立式、倾斜式、矮桩式、悬锤式。,水尺的类型,23,宜昌水文测验断面,24,宜昌水文测验断面水位比测,25,组成,水尺桩、水尺板。,水尺板固定在水尺靠桩上。,26,水尺桩可采用木材、钢管、水泥等材料制成，水尺桩要求牢固，避免发生下沉。,水尺板通常是长1m（不超过2m）、宽810cm的搪瓷板、木板或合成材料制成。,要求,27,水尺板安装后，用四等水准测量的要求测定每支水尺的

9、零点高程（elevation of gauge zero）。,读取水尺板上的水位数值后，加上该水尺的零点高程，即得观测的水位值。,（水尺的零点高程应记至毫米。当对计算水位无特殊要求时，可按四舍六入法则取至厘米。）,28,倾斜式水尺 inclined gauge,沿稳定的岸坡，或水工建筑物边壁的斜面设置。,安徽阜南王家坝闸口水尺,当直立式水尺设置或观读有困难，而断面附近有固定的岸坡或水工建筑物的护坡时，可选用倾斜式水尺。,29,30,特点,耐久、不易冲毁；水尺零点高程不易变动。,多沙河流上，水尺刻度容易被淤泥遮盖。,31,矮桩式水尺 stake gauge,由设置在断面上的一组固定矮桩和便携测尺

10、组成。,桩顶高程,32,测量水位时，将水尺直立于桩顶，根据水尺的读数和桩顶高程确定水位。,易受流冰、航运、浮运或漂浮物等冲击，以及岸坡十分平坦，且不易淤积的断面，选用矮桩式水尺。,33,布设,矮桩入土深11.5m 。桩顶高出河床520cm，桩顶面有一圆形水准基面，用于放置水尺。,两相邻桩顶高差宜在0.40.8m之间，平坦岸坡宜在0.20.4m之间，测尺一般用硬质木料做成。,34,悬锤式水位计 wire weight gauge,由一条带有重锤的测绳或链构成。,KL010接触测量法便携式水位测定仪,35,用于从水面以上某一已知高程的固定点测量离水面的竖直高差来计算水位。,悬锤式水尺常带有接触水面

11、的指示器。,悬锤式水位计，适用于断面附近有坚固陡岸、桥梁或水工建筑物的岸壁可以利用的测站。,36,37,38,填表说明：,风及起伏度：风向用箭头表示，风力的级数记在箭尾处，水面起伏度记在箭头处。如：右前方吹来二级风，在水尺处有起伏约5cm的波浪，记为 “12”。当水尺处的波浪不是由风力产生（观测当时无风），可只记水面起伏度，例如 “1”。,39,按河流流向，面向下游，从上游吹来的风为“顺风”，从下游吹来的风为“逆风”，从左岸吹来的风为“左岸风”，从右岸吹来的风为“右岸风”。以箭头表示。,河道、堰闸站及水库坝下游断面的风向记法：,40,水库、湖泊和潮水位站的风向，应以磁方位表示：,41,水面起伏

12、度，应以水尺处的波浪变幅为准，按下表规定记载。,42,浮子式水位计 float-type stage gauge,适用于可修建测井、无封冻、河床无较大冲淤变化的测站。,应设置在岸边顺直、水位代表性好，不易淤积 ，主流不易改道的位置，应避开回水和受水工建筑物影响的地方。,浮子式自记水位计由自记仪、自记台两部分组成。,由浮子、悬索、水位轮、平衡锤、传动部分、记录装置、测井等组成。,43,测井作用：减小或消除河道中波浪对水位观测的影响。,44,广东茂名水文站的水位自记台,45,自记仪组成结构： 水位传感器、水位编码器、记录器、电源。,46,水位编码器：浮子式水位传感器的转换器件，它完成水位参数的信源

13、编码，并将水位量或水位变化量转换为电信号输出。,分辨力：0.1cm，0.5cm，1 cm。,测量范围：010m。,47,水位的变动传输到感应器的浮子滑轮上，通过转动系统被转换为电信号。测量值最终以电信号的形式输出。,48,用于地表水或地下水水位测量。,压力式水位计 pressure-type stage gauge,适用于无法建水位井，或建井难度较大的地区。,测量单元中的微处理器可消除水温或密度变化造成的影响。,UXILY型静压式水位传感器,49,原理,通过测量静水压力来测量水位。,测点水位,测量精度受到大气压力变化、波浪影响、流速影响、含沙量影响、水的含盐度、压力传感器的性能变化等的影响。,

14、特点,压力传感器的零点高程,测点的静水压力,50,压力式水位计对内陆地区的水位观测较为可靠，在沿海河口地区，由于淡水与海水的混合，水的比重经常变化，精度难以保证。,51,超声波水位计 ultrasonic stage gauge,52,黄河上超声波水位计,53,超声波式自计水位计,54,类型,原理,将换能器安装在水下或水上，通过发射、接收超声波来测量水位。,液介式超声波水位计 liquid medium ultrasonic stage gauge,气介式超声波水位计 gas medium ultrasonic stage gauge,55,气介式，测点水位,液介式，测点水位,超声波换能器发射

15、面的高程；,超声波往返传播所需要的时间；,超声波在介质中的传播速度。,56,组成,换能器、传感器、收发控制部分等。,性能指标,液介式： 0.8m5m； 0.8m10m。,气介式：0.5m5m； 0.5m10m。,测量范围,分辨力：0.5cm，1cm。,57,液介式：声道应无严重气泡，水中无水草及大的悬浮物。流速不大于3.5m/s，含沙量不大于10kg/m3。,气介式：声道附近应没有非自然性的热辐射源。,工作环境,58,OTT RLS雷达水位计,采用脉冲雷达技术测量水位。,测量水位时，发射天线发射雷达脉冲信号到水面，信号经水面反射后，被接收天线检测到。,59,日平均水位,备注,总数,积数,权数,

16、改正后水位,水位改正数,校核水尺水位,纸上水位,时：分,日,60,填表说明：,自记类型：测站使用的自记水位计类型。如 浮子式（日记）、压阻式（月记）等。,纸上水位：自记纸上读得，并经时间订正后的水位。,校核水尺水位：从基本水尺水位记载表内摘录。,61,3、水尺观测水位的规定,基本观测时间为每日8时；,应读记至1cm。当上下比降断面的水位差小于0.20m时，比降水位应读记至0.5cm；,测次根据河流特性及水位涨落情况合理分布：,能测到完整水位过程，满足日平均水位计算、各项特征值、水文资料整编和水情拍报要求。,在峰、谷转折处，应安排测次。,62,当水位的涨落需要换水尺观测时，应对两相邻水尺同时比测

17、一次。,水位涨落急剧时，加密测次。,63,习题11,1、水位、四种基面。,2、水位观测的两种方法及各自使用的仪器种类、特点。,3、超声波水位计的原理、适用情况。,4、水尺观测水位的要求。,64,第二节 水位观测结果的计算,一、观测水位计算,水位=水尺读数+水尺的零点高程,水位=水位+水位的增量,直接观测的,间接观测的,65,二、日平均水位计算,1、算术平均法 arithmetic mean method,适用条件：等时距观测或日水位变化缓慢。,n为一日内的测次。,日平均水位中的“日”为0 24时。,日平均水位计算方法：算术平均法、加权平均法（面积包围法）。,66,2、加权平均法 weighte

18、d mean method,s为024时内水位过程线下的面积。,当算术平均法的计算结果与面积包围法相比，超过2cm时，应采用面积包围法。,67,三、水位变化缓急的判断,为满足日平均水位计算精度，基本水尺水位观测次数规定：,水位平稳时（日变幅小于6cm ），每日8时观测一次。,水位变化缓慢时（日变幅小于12cm） ，每日8时、20时观测二次。,68,结冰、流冰、冰凌堆积冰塞的时期，应增加测次。,上、下游受人类活动影响或分洪决口造成水位变化，应及时增加测次。,洪水期或水位变化急剧时期，可每小时观测一次。暴涨、暴落时，根据需要增为每半小时或若干分钟观测一次。,水位变化较大（日变幅小于24cm）或出现

19、较缓慢的峰、谷时，每日2时、8时、12时、20时观测4次。,69,受变动回水影响，需要比降资料推算流量的测站，应在测流和观测基本水尺水位的同时，观测比降水尺水位。,需要河床糙率资料时，应在测流的始、末，观测比降水尺水位。,采用比降面积法推流的测站，应按流量测次的要求观测比降水尺水位，并同时观测基本水尺水位。,四、比降的观测和计算,1、比降水尺水位观测的规定,70,应由两名观测员同时观测比降水尺水位。,水位变化缓慢时，可由一人观测。观测步骤：,再返回观读一次上（或下）比降水尺；,观读上（或下）比降水尺后，再观读下（或上）比降水尺；,取上（或下）比降水尺的平均值作为下（或上）比降水尺的同时水位。,

20、71,观测比降,72,2、比降（slope）的计算,水面比降应以万分率表示。,、 上，下比降水尺断面水位,上、下比降水尺断面间距,73,74,填表说明：,上下比降水尺：根据实际观测方法、次序，分别将 “上” 或 “下” 划去 。,上下比降水尺读数：两人同时观读上下比降水尺时，“第二次读数” 、“读数平均”可不填。用自记水位计观测时，其 “读数” 、 “读数平均” 可不填。用自记水位计观测时， “读数”、 “风及起伏度”可不填，水位可由自记水位摘录表中抄录。上下比降水尺分别由两人观测时，应分别记载，观测后，再将其中一本的观测记录抄入另一本中。,75,水位差：上下比降水尺同时水位相减。,76,第三

21、节 水位资料整编,一、水位资料整编的内容,考证水尺零点高程；,绘制逐时、逐日平均水位过程线；,数据整理；,整编逐日平均水位表，水位站可整编洪水水位摘录表；,单站合理性检查；,编制水位资料整编说明表。,hydrologic data processing,77,考证水尺零点高程,当水准点高程变动、水准测量错误、水尺被撞或冰冻上拔等引起水尺零点高程变动时，应对水尺零点高程进行考证。,当出现水尺零点高程变动、短时间水位缺测或观测错误时，必须对观测水位进行改正或插补。,78,寻找水准点埋设日期,79,数据整理,内容：水位改正、水位插补。,水位插补三种方法：,缺测期间，水位变化平缓，或虽变化较大但缺测前

22、后水位涨落趋势一致。,直线插补法,适用条件,插补方法,用缺测时段两端的观测值，按时间比例内插。,80,按直线规律插补各缺测日的日平均水位：,其中,81,过程线插补法,缺测期间，水位有起伏变化，如果上游站或下游站区间径流增减不多、冲淤变化不大，水位过程线大致相似。,参照上游站或下游站水位的起伏变化，勾绘本站过程线。当洪峰起涨点水位缺测时，根据起涨点前后水位的落涨趋势勾绘过程线插补。,适用条件,插补方法,82,相关插补法,缺测期间水位变化较大，或不具备上述两种插补方法的条件，且本站与相邻站的水位之间关系密切。,相关分析法插补。,适用条件,插补方法,相关曲线可用同时水位或相应水位点绘。如当年资料不足，可借用往年水位过程相似时期的资料。,83,下断面水位,时间,上断面水位,时间,相应水位,84,2、逐日平均水位表的编制,月、年平均水位计算,各种保证率水位的统计,保证率水位：一年中，有多少天的日平均水位等于或高于某一水位，此水位称为相应的保证率水位；这一天数称为该水位的保证率。,85,水位的保证率的计算方法：,将一年365天日平均水位从大到小排序后，某一水位的排序号即为该水位的保证率。,水位的保证率越小，水位越大。,86,年份： 测站编码： 表内水位(冻结基面以上米数) m= m 基面以上米数,日期,最低,日期,最高