水文信息采集与处理

1、第三章 水文信息采集与处理,成因分析 “因”作为输入 模型参数确定 规律分析 . 概率统计 样本数据 ,水文观测与实验,水文信息采集与处理,Contents,基本知识 水位观测及资料整理 流量测验及资料整编 水文调查及水文资料收集,3.1 概述,水文信息采集：指系统地收集和整理水文资料的技术工作的统称。狭义的指水文要素的观测。水文信息采集是水文学的基础。 水文信息采集工作包括下列各方面： 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

2、较和分析。 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。 水文调查。 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。,3.1.1 水文测站与站网,水文测站：组织进行水文测验的基层单位，也是收集水文资料的基本场所。水文测站的主要任务是按照统一标准对指定地点(或断面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸发 、水温、冰凌、水质、地下水位等项目进行观测及资料整编。,站网：就是测站在地理上的分布网，站网把测站有机地联系起来，使测站发挥更大作用 布站原则：通过所设站网采集到的水文信息经过整理分

3、析后，达到可以内插领域内任何地点水文要素的特征值的目的。,国家水文站网按测站性质分为：基本站网、专用站网和实验站网。 基本站是综合国民经济各方面需要，由国家统一规划，以合理经济的方式建立的。 基本站执行水文测验 标准，进行较长时期的连续观测，资料编成水文年鉴刊布或以其它形式长期存贮。,基本站网（basic station） 基本水文站网中，根据测验内容分为流量站网、水位站网、泥沙站网、雨量站网、蒸发站网和水质站网。,专用站是为科学研究、工程建设、管理运用等特定目的而设立的。其观测项目、观测要求及观测年限，由设站部门依据设站目的自行规定。 实验站是为了深入研究某些专门问题而设立的一个或一组水文测

4、站。实验站也可兼作基本站。,3.1.2 水文测站的设立,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。 保证工作安全和测验精度，有利于简化水文要素的观测和信息的整理分析工作，测站的水位流量之间呈良好的稳定关系（单一关系）。河道顺直、稳定、水流集中，河段规整。,布设观测断面：设置水准点并引测高程；设置横断面及基线；布设测量标志及高程基点；安装观测设备，填写登记卡。 观测断面的布设：基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。 测站的设备是指流速仪测流所需的渡河设备，一般分有船只测流设备、岸上测流设备、架空测流设备和涉水测流设备等几

5、种。,过河索吊船设备,测定河流水位，及横断面面积,测定水流的流速,测定河段的水面比降，进而估算河床的糙率,测定水流的流速,3.2 水位的观测,水位：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。 标准基面：我国目前一般统一采用青岛附近黄海海平面作为基准面，但有些流域仍然采用大沽、吴淞基准面。 测站基面：以低于水文测站所在河道的最低水位或河床最低点0.51.0m处的水平面作为零高度。,3.2.1 水位观测的设备,水尺：直立式、倾斜式、矮桩式、悬锤式 水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数 自记水位计：能自动记录水位的连续变化过程；浮子式、压力式、超

6、声波式,振弦传感器,压阻传感器,非接触式,3.2.2 水位观测的内容,基本水尺&比降水尺 基本水尺观测时间： 人工观测：分段定时观测 水位平缓变化缓慢时 一段式： 日变幅0.06m，每日8时一次 二段式： 日变幅0.12m，8时、20时两次 水位变化较大时：每日2、8、14、20时观测4次，洪水期加密观测 水位观测的精度一般准确到0.1m,3.2.3 水位观测资料整理,平均水位：日、月、年平均水位的计算 算术平均法 面积包围法 水位过程线,日平均水位的计算 （1）算术平均法：适合于水位变化缓慢或变化大但等时距观测的情况。,式中，Zi 第 i 次水位观测值； n 一日内水位观测的次数。,（2）时

7、间加权法（面积包围法）：该法适合于水位变化大且不等时距观测的情况。,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),编制“逐日平均水位表”,3.3 流量的测验,流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量，以m3/s计。 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。此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等。 测流工作分为：河道断面测量、流速测量。,3.3.1 测流断面的测量,断面： 水道断面：是指某水位下水面线与河床线之间的范围； 大断面：为历年最高洪水位以上0.51.0m的水面线与岸

8、线、河床线之间的范围。,测量水位,沿断面宽度选若干个测点及测深垂线,测量各垂线的水深和各测深点的横向位置(起点距),将水位减去水深得到河底高程,绘制河槽断面图,计算过水断面面积,测流断面示意图,测深垂线,断面索,水位,起点距,测深垂线起点距：测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离，常用经纬仪、平板仪、六分仪、全球定位系统（GPS）等测量。 水深测量的方法： 通常用测深杆、测深锤、铅鱼直接测出每根测深垂线的水深。 两次测深不等值不超1%3%。 当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。,L=CT,流速分布 断面流速具有脉动现象和空间分布的规律性； 一般自由水面的流速大于河底，垂线流速分布曲线

9、常呈一定形状，如抛物线形、对数形、指数形等。 河底与岸边附近流速最小；近两岸边的流速小于中泓，在最深处水面流速最大；畅流期垂线上最大流速出现在水面至0.2H范围；等流速曲线呈闭合状。,3.3.2 流速的测量,Q=VA 断面流速用哪个？,测定流速的方法很多，常用的有流速仪法和浮标法,q1,q2,q3,q4,q5,q6,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 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。,3.3.3 流量计算,流量计算，常用的方法有图解法、分析法及流速等值线法等，分析法应用广泛。 点流速垂线平均流速部分面积平均流速乘以对应的部分断面面积部

10、分流量全断面流量,（1）求垂线平均流速,已知各垂线平均流速，则可绘出流速分布,H1 H2 H3 H4 H5,W2 W3 W4 W5,W1,W6,b1 b2 b3 b4 b5 b6,断面流量计算示意图,（2）求测流面积上的部分面积, 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：, 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,（3）求部分面积上的平均流速,式中， Wi 断面上的部分面积(m2),（4）

11、过水断面流量的计算：, 部分面积上的平均流速(m/s),3.3.4 浮标法测速和流量计算,利用水面虚流速推求断面虚流量，然后乘以浮标系数得到测流断面流量。水面虚流速按下式计算： 式中， 式中，V j为浮标虚流（m/s）；L为上、下浮标断面间距（m）；T为各浮标流经上、下断面的时间（ s）。 根据断面垂线起点距、水深和内插求得的虚流速，算出测流断面虚流量Q j再乘以浮标系数K j 0.85 0.95之间，即得测流断面流量,3.4 河流泥沙的测算,河流中的泥沙，按其运动形式可分三类： 悬移质泥沙浮于水中并随之运动； 推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动； 河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。 三者

12、没有严格的界线，随水流条件的变化而相互转化。一般情况，河流中泥沙以悬移质为主。,悬移质泥沙测验与计算,描述河流中悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。 含沙量：单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用Cs表示，单位为kg/m3。 输沙率：单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以Qs表示，单位为kg/s。 断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。,含沙量的测验 式中 Cs-水样含沙量，g/L 或 kg/m3； Ws-水样中的干沙重量，g 或kg； V- 水样体积，L或m3；,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

13、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。,Qs,输沙率测验 畅流期的垂线平均含沙量的计算式为： 三点法： 式中 Csm - 垂线平均含沙量，kg/m3； Csj - 测点含沙量，脚标j为该点的相对水深，kg/m3； Vj- 测点流速，m/s，脚标j的含意同上； Vm- 垂线平均流速，m/s；,根据各条垂线的平均含沙量Csmj，配合测流计算的部分流量，即可算得断面输沙率Qs(t/s)为： qi - 第i根垂线与第i-1根垂线间

14、的部分流量，m3/s；Csmi - 第i根垂线的平均含沙量，kg/m3。 断面平均含沙量 ：,推移质泥沙,河床质泥沙,3.5 水文数据处理（整编）,水文数据的加工、处理过程，称为水文数据处理。 水文数据属国家公益性数据。 处理工作包括：收集校核原始数据；编制实测成果表；确定关系曲线；推求逐时、逐日值；编制逐日表及洪水水文要素摘录表；合理性检查；编制处理说明书。 本节重点是流量资料整编：水位流量关系、逐时、逐日值的推求。,3.5.1 水位流量关系曲线的绘制,水位流量关系曲线可分为稳定的和不稳定的两类。 (1) 稳定的水位流量关系曲线,QZ,ZA,VZ,Q-AV 0.01,在天然河道里，由于河床冲

15、淤，洪水涨落、变动回水、结冰等影响使水位流量关系难以保持单一关系。 同一水位不同时期通过断面的流量不是定值，点绘出的水位流量关系曲线，其点据分布比较散乱，这种情况称为不稳定的水位流量关系。 可以说，天然河道的水位流量关系一般是不稳定的。,（2）不稳定的水位流量关系,不稳定的水位流量关系曲线确定： 曼宁公式： 式中， Q 流量；A 过水断面；R 水力半径； n 糙率； J 水面比降；R=A/X ，A=bh（矩形）,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。,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。,临时

16、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。,受河床冲淤影响的水位流量关系,受变动回水影响的水位流量关系,？,v1,v2,受洪水涨落影响的水位流量关系 洪水水面是在河道沿程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、 iii0为附加比降。 波前部分 ii0，波后部分 ii0。 当河流稳定时， i0；涨洪时，i0；落洪时，i0。,同一断面上,受多种因素混合影响而连续变化时,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

17、：,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。,(2)水位流量关系的延长 实际中，最高水位 (洪水流量)和最低水位 (枯水流量) 施测困难，故需对水位流量关系曲线进行外延。 高水延长：影响洪水流量过程，包括洪峰。 延长幅度不应超过当年实测流量所 占水位变幅的30%。 低水延长：相对误差较大且影响历时长。 延长幅度不超过10%。,高水延长,根据水位面积、水位流速关系延长 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。,由实测资料绘制水位面积关

18、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。,Z(m),Q / F / V,Q=VF,用水力学公式高水延长,低水位Z Q 的延长方法,趋势法：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）日

19、平均流量计算及合理性经验 当流量变化平稳时，可用日平均水位在水位流量关系曲线上推求日平均流量。 当流量关系变化较大时，则用逐时水位推求得逐时流量，再按算术平均法或面积包围法求得日平均流量。 据此计算月平均流量和年平均流量。,(4)水文数据处理成果的刊布,由主管单位分流域、干支流及上下游，每年刊布一次水文年鉴。 年鉴中载有：测站分布图，水文站说明表及位置图，各站的水位、流量、泥沙、水温、冰凌、水化学、地下水、降水量、蒸发量等资料。,3.7 水文调查,水文调查是补充定位观测的不足，使水文资料更加系统完整，更好地满足水资源开发利用、水利水电建设及其它国民经济建设的需要的一种有效手段。 水文调查内容：

20、 （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,1. 洪水的调查 洪水调查工作包括： 调查洪水痕迹洪水发生的时间、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。,当洪水痕迹高程确定以后，可推算出相应于此洪水位的洪峰流量。常用的方法有： 水位流量关系法：如果调查河段附近有水文站，则可利用水文站的水位流量关系曲线加

21、以延长，以求得洪峰流量。 比降法：当能够确定调查河段的水面比降或者在没有水文站的河段上，可采用下式计算。,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。,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