工程水文學第3章課件

第三章水文測驗及水文資料收集

§3.1水文測站§3.2水位觀測§3.3流量觀測§3.4流量資料整編§3.5泥沙測驗及計算§3.6水文調查§3.7水文測驗資料的收集3.1水文測站

水文測驗學是研究水資源中各種水文要素的測量、計算與資料整編的原理和方法的一門科學，即研究水文資料信息的搜集、處理、存貯和檢索的一門科學。水文測驗的根本任務是根據國民經濟發展的需要，進行水文站網的規劃，布設水文站；采用定位觀測、巡回測驗、水文調查等方法測定各種水文要素，包括水位、流量、水溫、降水、蒸發、泥沙的觀測以及泥沙顆粒分析，水質監測和分析；經分析整編，刊印成為系統的水文資料，如水文年鑒等。因此，水文測驗工作也可稱水文資料搜集系統。3.1.1水文測站

在流域內一定地點(或斷面)按統一標準對所需要的水文要素作系統觀測以獲取信息并進行處理為即時觀測信息，這些指定的地點稱為水文測站

水文測站所觀測的項目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發、水溫、冰凌、水質、地下水位等。只觀測上述項目中的一項或少數幾項的測站,則按其主要觀測項目而分別稱為水位站、流量站(也稱水文站)、雨量站、蒸發站等。

根據測站的性質,河流水文測站又可分為：

----基本站：是水文主管部門為全國各地的水文情況而設立的,是為國民經濟各方面的需要服務的。

----專用站：是為某種專門目的或用途由各部門自行設立的。

這兩類測站相輔相成，專用站在面上輔助基本站，而基本站在時間系列上輔助了專用站。----實驗站：對某種水文現象的變化規律或對某些水體作深入研究，由有關科研單位設立。3.1.2水文站網

因為單個測站觀測到的水文要素其信息只代表了站址處的水文情況，而流域上的水文情況則須在流域內的一些適當地點布站觀測，這些測站在地理上的分布網稱為水文站網（如圖）。廣義的站網是指測站及其管理機構所組成的信息采集與處理體系。

水文站網布站的原則是：通過所設站網采集到的水文信息經過整理分析后，達到可以內插流域內任何地點水文要素的特征值，這也就是水文站網的作用。

水文站網規劃的任務：就是研究測站在地區上分布的科學性、合理性、最優化等問題。3.1.3水文測站的設立水文測站的設立包括選擇測驗河段和布設觀測斷面。

----測驗河段的選擇

在站網規劃規定的范圍內,具體選擇測驗河段時，主要考慮在滿足設站目的要求的前提下，保證工作安全和測驗精度，并有利于簡化水文要素的觀測和信息的整理分析工作。具體地說，就是測站的水位與流量之間呈良好的穩定關系(單一關系)。

----觀測斷面的布設

水文測站一般應布設基線、水準點和各種斷面，即基本水尺斷面、流速儀測流斷面、浮標測流斷面、比降斷面。(1)基線：通常與測流斷面垂直，起點在測流斷面線上。其用途是用經緯儀或六分儀測角交會法推求垂線在斷面上的位置。基線的長度視河寬B而定,一般應為0.6B。

(2)水準點:

分為基本水準點和校核水準點，基本水準點是測定測站上各種高程的基本依據，校核水準點是經常用來校核水尺零點的高程。

(3)基本水尺斷面上設立基本水尺。

用來進行經常的水位觀測。

(4)測流斷面應與基本水尺斷面重合，且與斷面平均流向垂直。

(5)浮標測流斷面有上、中、下三個斷面。

一般中斷面應與流速儀測流斷面重合，上、下斷面之間的間距不宜太短，其距籬應為斷面最大流速的50～80倍。

(6)比降斷面設立比降水尺。用來觀測河流的水面比降和分析河床的糙率。

3.1.4收集水文信息的基本途徑

收集水文信息的基本途徑可分為：

----駐測：

在河流或流域內的固定點上對水文要素所進行的觀測稱駐測。這是我國收集水文信息的最基本方式，但存在著用人多、站點不足、效益低等缺點。

----巡測：

觀測人員以巡回流動的方式定期或不定期地對一地區或流域內各觀測點進行流量等水文要素的觀測。

----間測:

中小河流水文站有10年以上資料分析證明其歷年水位流量關系穩定，或其變化在允許誤差范圍內，對其中一要素(如流量)停測一時期再施測的測停相間的測驗方式。

----水文調查：

為彌補水文基本站網定位觀測的不足或其他特定目的,采用勘測、調查、考證等手段進行收集水文信息的工作。3.2水位觀測3.2.1水位觀測基面

水位是指河流、湖泊、水庫及海洋等水體的自由水面的高程，以m計。水位與高程數值一樣，要有一個標準基面作為起點，水文測驗中采用的標準基面有下列4種：

----絕對基面：將某一海濱地點平均海面的高程定為0m，作為水準基面。我國曾沿用過大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等基面，現在統一規定的基面為青島黃海基面。----假定基面：

這是在水文測站附近沒有國家水準點或還不具備接測條件的情況下暫時假定的一個水準基面。----測站基面：

某些水文測站專用的一種假定基面，一般選擇在河床最低點或歷年最低水位以下0.5～1.0m處的水平面作為零點來計算水位高度。----凍結基面：

將測站第一次使用的基面凍結下來作為永久固定基面的—種基面，也屬水文測站專用的另一種假定基面。使用凍結基面可保持測站水位資料的歷史連續性。

全河上下游或相鄰測站應盡可能采用一致的固定基面。使用水位資料時一定要查清其基面。3.2.2水位觀測（一）觀測設備

水位觀測的常用設備有水尺和自記水位計兩類。

1.水尺

按水尺的構造形式不同可分為直立式、傾斜式、矮樁式與懸錘式4種。其中應用最廣泛的是直立式水尺。觀測時記錄水尺讀數，水位按下式計算：

水位=水尺零點高程+水尺讀數

水尺零點高程是指水尺板上刻度起點的高程，可以預先測量出來。

2.自記水位計

自記水位計能將水位變化的連續過程自動記錄下來，不遺漏任何突然的變化和轉折，有的還能將所觀測的數據以數字或圖像的形式遠傳室內，使水位觀測工作趨于自動化和遠傳化。

（二）觀測內容

水位的觀測包括基本水尺和比降水尺的水位。

基本水尺的觀測是分段定時觀測。當水位變化緩慢時(日變幅在0.12m以內)，每日8時和20時各觀測一次(稱2段制觀測，8時是基本時)；枯水期日變幅在0.06m以內，用1段制觀測；日變幅在0.12～0.24m時，用4段制觀測；有峰谷出現時，還要加測。

比降水尺觀測的目的是計算水面比降，分析河床糙率等。其觀測時間和次數，視需要而定。（三）水位觀測資料的整理計算日/月/年平均水位水位過程線日平均水位的計算：算術平均法:該法適合于水位變化緩慢或變化大但等時距觀測的情況。面積包圍法：該法適合于水位變化大且不等時距觀測的情況。3.3流量測驗3.3.1概述

流量是單位時間內流過江河某一橫斷面的水量，以m3/s計。測量流量的方法很多，常用的方法為流速面積法，其中包括流速儀測流法、浮標測流法、比降面積法等，這是我國目前使用的基本方法。此外還有水力學法、化學法、物理法、直接法等。本節主要介紹流速儀法測流。

3.3.2流速儀法測流

流速儀法是用流速儀測定水流速度，并由流速與斷面面積的乘積來推求流量的方法。它是目前國內外廣泛使用的測流方法，也是最基本的測流方法。

在過水斷面上，流速隨水平及垂直方向的位置不同而變化。從橫斷面方向看，中間流速大，兩岸流速小；從水深方向看，河床流速最小。用流速儀測流實際上是將過水斷面劃分為若干部分，計算出各部分面積，然后用流速儀近似地測算出各部分面積上的平均流速，兩者的乘積為通過各部分面積的流量，累積各部分面積上的流量即得全斷面的流量。因此流速儀測流工作包括斷面測量和流速測量兩部分工作。(一)流速儀測速

----流速儀流速儀測速原理是利用水流沖動流速儀的旋杯或旋槳，同時帶動轉軸轉動，在裝有信號的電路上發出訊號，便可知道在一定時間內的旋轉次數，流速愈大，轉軸轉得愈快，流速與轉速之間有一定的關系，這種關系是由廠家在儀器出廠之前，把流速儀放在特定的檢定水槽里，通過實驗方法來確定流速與轉速間的函數關系。關系式如下：K——儀器率定常數，每臺儀器不一樣，要定期率定

C——摩阻系數；N——總轉數；T——測速時間感應流速的旋轉器又分為以下二種：旋杯式流速儀：轉軸垂直于水面，測速范圍：0.2～3.5m/s，適合于含沙量較少的河流。旋漿式流速儀：轉軸是水平的，測速范圍：0.04～10m/s

，適合于多沙的河流。----流速測量

流速儀只能測得某點的流速，為了求得斷面平均流速，首先在斷面上布設一些測速垂線（一般在測深垂線中選擇若干條同時兼作測速垂線），在每一條測速垂線上布設一定數目的測速點進行測速，最后根據測點流速的平均值求得測線平均流速，再由測線平均流速求得部分面積平均流速，進而推得斷面流量。

測速垂線數目，根據河寬、水深來確定。測速垂線上的測點數，根據垂線的水深，流速儀的懸吊方式和測量精度的要求來確定。當水面寬度>5m,測速垂線的數目≥5測速垂線上測速點的布置，常有一點式，二點式，三點式和五點式。>5m數目測點位置適合的水深(m)一點0.6h或0.5h<1.5二點0.2、0.8h1.5~2.0三點0.2、0.6、0.8h2.0~3.0五點水面、0.2、0.6、0.8h、河底>3.0(二)斷面測量斷面測量工作包括水道斷面測量和大斷面測量兩種，水道斷面是指自由水面線與河床線之間的范圍，大斷面為歷年最高洪水位以上0.5～1.0m的水面線與岸線、河床線之間的范圍。1）水道斷面測量

水道斷面的測量，是在斷面上布設一定數量的測深垂線，施測各條垂線的水深，同時測得每條測深垂線與岸上某一固定點（斷面的起點樁，一般設在左岸）的水平距離（稱為起點距），并同時觀測水位，用施測時的水位減去水深，得到各測深垂線處的河底高程。水深測量測量水深的方法通常用測深桿、測深錘直接測出每根測深垂線的水深。當水很深、流速很大時，可用回聲測深儀測量水深。

起點距的測定①斷面索法斷面索法是在斷面上架設鋼絲纜索，每隔適當距離做上標記，并事先測量好它們的位置，測量水深的同時，直接在斷面索上讀出起點距。這種方法適合于河寬較小、水上交通不多、有條件架設斷面索的河道測站，精度較高。②交會法

ⅰ)經緯儀岸上交會法：水文站在布設測流斷面時，同時布設基線(AC)，并用精確方法量出基線的長度L，測角時，將經緯儀安放在基線的終點，測出角度，則可計算起點距。

ⅱ)六分儀船上交會法：當河道較寬時，岸上與船上聯絡困難，風浪較大時用經緯儀瞄準河中活動的目標，施測有些困難，此時可使用六分儀交會法，它的主要優點是測量時施測人員全部上船，不用支架，只需手握儀器即可測出角，也能在搖動的船上使用，因此水文勘測中經常使用。

2）大斷面測量

大斷面測量是單獨進行的，一般在汛前、汛后或較大洪水過后施測，包括水上及水下兩部分，水下部分同上述水道斷面的施測方法，水上部分采用水準測量方法進行。

(三)流量計算

過水斷面面積的總流量測點流速求垂線平均流速相鄰二垂線間面積的平均流速部分面積上的流量1求垂線平均流速按測點數區分的公式名稱計算公式適合的水深(m)一點法Vm=V0.6<1.5二點法Vm=(V0.2+V0.8)/21.5~2.0三點法Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/32.0~3.0五點法Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10>3.0

H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6

b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2斷面流量計算示意圖已知各垂線平均流速，則可繪出流速分布圖:2部分面積計算

中間部分面積按梯形面積公式計算：

岸邊的部分面積按三角形面積計算：

中間部分面積上的平均流速計算：

靠岸邊部分面積上的平均流速計算：式中，

Vm1——靠岸邊第一條測線的平均流速

——岸邊系數:斜坡岸

=0.7陡坡岸

=0.8光滑坡岸

=0.9死水邊

=0.63求部分面積上的平均流速

H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6

b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2斷面流量計算示意圖已知各垂線平均流速，則可繪出流速分布圖:式中，

Wi——斷面上的部分面積(m2)5過水斷面平均流速的計算式中，W~過水斷面總面積(m2)4過水斷面流量的計算——部分面積上的平均流速(m/s)3.3.3浮標法測流

浮標測流法是一種簡便的測流方法。在洪水較大或水面漂浮物較多，特別是在使用流速儀測流有困難的情況下，浮標法測流是一種切實可行的辦法。浮標測流的主要工作是觀測浮標漂移速度，測量水道橫斷面，以此來推估斷面流量。

凡能漂浮在水面上的物體都可以制成浮標。用水面浮標法測流時，測得的是浮標在水面的漂移速度，這種流速稱浮標虛流速，它不能代表斷面平均流速，將它與過水斷面相配合，計算出斷面虛流量，然后乘上浮標系數才能得到斷面實際的流量。

WiVx1繪制虛流速分布圖Vf,jVf,j-1

根據虛流速分布圖，求部分面積的虛流量：

求斷面總面積的虛流量：2計算斷面流量

Kf——浮標系數(Kf=0.85-0.95)

浮標系數與浮標類型、風力風向及河流狀況等因素有關。可通過流速儀與浮標測流的比測實驗來確定，即利用同期二種方法測流的資料進行對比，從而求出Kf。

計算過水斷面的平均流量3.4流量資料整編

水文資料整編就是將水文測站測得的原始資料，按照統一格式進行整理、分析和統計，提煉成系統、完整、具有一定精度的整編成果，供國民經濟各部門使用。

流量資料整編工作主要是根據實測水位、流量資料，建立水位流量關系曲線。

一、水位Z～流量Q關系

一個測站的水位流量關系是基本水尺斷面處的水位與通過該斷面的流量之間的關系。水位流量關系可分為穩定的和不穩定的兩類。★

穩定的水位流量關系曲線

要使水位流量關系穩定，必須在同一水位下，A、R、I、n等因素均保持不變，或雖有變化，但對流量的影響能相互補償。

在天然河道里，由于河床沖淤，洪水漲落、變動回水、結冰等影響使水位流量關系難以保持單一關系。同一水位不同時期通過斷面的流量不是定值，點繪出的水位流量關系曲線，其點據分布比較散亂，這種情況稱為不穩定的水位流量關系。可以說，天然河道的水位流量關系一般是不穩定的。不穩定的水位流量關系曲線的處理方法很多，經常使用的有以下兩種。★

不穩定的水位流量關系(1)臨時曲線法：若水位流量關系受不經常的沖淤影響或比較穩定的結冰影響，在一定時期內關系點子密集成一帶狀，能符合定單一線的要求時，可以分期定出Z～Q曲線。(2)連時序法：當測流次數較多，能控制水位流量關系變化的轉折點時，一般多用連時序法。其繪制過程如下：這種情況的Z～Q曲線一般為繩套形，使用時按水位發生時間在Z～Q曲線的相應位置查讀流量。二、水位流量關系曲線的延長

測流時，本應在整個水位變幅內布置測次，但由于高水時歷時短、流速大，枯水時水淺、流速小施測困難，往往難以測得最大洪峰流量和最小枯水記量。這時，必須將水位流量關系曲線進行高、低水延長，方能推得全年完整的流量過程．

一般要求高水外延部分不超過當年實測流量所占水位變幅的30％，低水外延部分不超過l0％。1.高水延長方法1）根據水位面積，水位流速關系曲線進行延長延長依據：當河床比較穩定，河槽形狀不發生很大變化的測站，在高水位時，水位～過水斷面面積，水位～流速的關系曲線常為一線性關系，而且水位～流速的關系線近似平行于縱軸。則可按此趨勢延長。高水位Z~Q

的延長的具體步驟：Z(m)Q/F/VZ~QZ~VQ=VFZ~F

由實測資料繪制水位－面積關系曲線；

根據水位－流速關系曲線，從上端按直線趨勢延長；將延長部分各級水位和相應的過水斷面積相乘，即得到延長部分的流量－水位的關系曲線。BH

2）根據曼寧公式進行延長（適用于寬淺型河道）：計算斷面平均流速的曼寧公式為：

根據測站的具體情況，可按以下的二種方法進行延長：a.

求出Z(中低水位)~n(糙率)的關系，順勢延長高水位段的水位Z~糙率n的關系曲線（呈直線關系），則可求到高水位的糙率n。①具有比降觀測資料的測站：已知實測的流速V-水面坡降I-F(斷面要素)的關系按以下幾個步驟進行：根據公式實測段nZ高水位段高水位時，Z~n

呈直線關系c.求高水位時的斷面平均流量：注：需要高水位時實測的平均水深和比降b.按謝才公式和曼寧公式求高水位的斷面平均流速：d.得出高水位的關系曲線a.

改寫曼寧公式為下列形式：

②缺乏比降和糙率資料測站：b.繪制一般水位下的的關系曲線，即的關系曲線c.在高水位部分，近似等于常數，則可對的關系曲線按直線關系進行趨勢延長。d.根據實測資料，點繪關系曲線

（包括高水位的部分）e.

高水位部分，有不同水位相應的與值，則可得到高水位時相應的流量:f.

按此外延Z~Q的關系曲線，即得到高水位的Z~Q的關系曲線。1）趨勢法：(2)低水位延長方法Z0石梁/淺灘

以斷流水位(Q=0)作為控制水位點，從實測部分向下延長。測站下游的淺灘、石梁及基本水尺斷面的最低點均可作為斷流水位Z0QaQbQcZZcZbZa

假定中低水位部分的水位和流量的關系可表示為：式中，Z0

~斷流水位；n,K~經驗常數。在實測Z–Q關系曲線上，取(Za,Qa),(Zb,Qb),(Zc,Qc)三個點，使滿足：2）分析法QaQbQcZ0ZZcZbZa3.5泥沙測驗及計算

河流中的泥沙,按其運動形式可分三類：懸移質泥沙浮于水中并隨之運動；推移質泥沙受水流沖擊沿河底移動或滾動；河床質泥沙則相對靜止而停留在河床上。三者沒有嚴格的界線，隨水流條件的變化而相互轉化。一般情況，河流中泥沙以懸移質為主。

一、懸移質泥沙測驗與計算

描述河流中懸移質的情況，常用的兩個定量指標是含沙量和輸沙率。單位體積渾水中所含干沙的質量，稱為含沙量，用表示，單位為kg/m3。單位時間流過河流某斷面的干沙質量，稱為輸沙率，以Qs表示，單位為kg/s。斷面輸沙率是通過斷面上含沙量測驗配合斷面流量測量來推求的。

（一）含沙量的測驗

設置測驗垂線用采樣器在垂線上各采樣點上取得水樣量積、沉淀、過濾、烘干、稱重（二）輸沙率測驗過水斷面的輸沙率測點含沙量求垂線平均含沙量部分面積上的流量斷面平均含沙量1垂線平均含沙量三點法五點法2部分面積流量3過水斷面的輸沙率4斷面平均含沙量二、推移質泥沙測驗

推移質輸沙率是指單位時間內通過測驗斷面的推移質泥沙質量，單位為kg/s。

推移質取樣的方法，是將采樣器放到河底直接采集推移質沙樣。由于推移質粒徑不同，推移質采樣器分為沙質和卵石兩類。沙質推移質采樣器適用于平原河流，我國自制的這類儀器有黃河59型和長江大型推移質采樣器。卵石推移質采樣器通常用來施測