工程水文与水利计算（武大版教材）

工程水文与水利计算(武大版教材)

第三章 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-门科学,是水文学与水资源学的重要组成部分。

水文信息的采集有两种情况:一种是对水文事件当时发生情况下实际观测的信息;另一种是对水文事件发生后进行调查.所得的信息。

获取水文信息的方法多种多样。现代科学技术的不断发展,新技术、新仪器的不断出现,更促进了获取水文信息手段不断更新。

第一节 测站与站网

一、测站

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。这些指定的地点称为测站。

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。

根据测站的性质,河流水文测站又可分为基本站、专用站两大类。 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。这两类测站是

相辅相成的,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。.

二、水文站网

测站在地理上的分布网称为站网。

理由：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。

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。 布站的原则是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：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、

最优化等问题。

按站网规划的原则布设测站,例如：河道流量站的布设,当流域面积超过3000--~5000km2,应考虑能够利用设站地点的资料,把干流上没有测站地点的径流特性插补出来。

预计将修建水利工程的地段,一般应布站观测。

对于较小流域,虽然不可能全部设站观测,应在水文特征分区的基础上,选择有代表性的河流进行观测。

在中、小河流上布站时还应当考虑暴雨洪水分析的需要,如对小河应按地质、土壤、植被、河网密集程度等下垫面因素分类布站。

布站时还应注意雨量站与流量站的配合。

对于平原水网区和建有水利工程的地区,应注意按水量平衡的原则布站。也可以根据实际需要,安排部分测站每年只在部分时期(如汛期或枯zk期)进行观测。

又如水质监测站的布设,应以监测目标、人类活动对水环境的影响程度和经济条件这三个因素作为考虑的基础。

我国水文站网于1956年开始统一规划布站,经过多次调整,布局已比较合理,对国民经济发展起积极作用。但随着我国水利水电发展的情况,大规模人类活动的影响,不断改变着天然河流产汇流、蓄水及来水量等条件,因此对水文站网要进行适当调整、补充。

三、水文测站的设立

建站包括选择测验河段和布设观测断面。

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)。该关系往往受一断面或一个河段的水力因素控制,前者称为断面控制,后者称为河槽控制。

断面控制的原理是在天然河道中,由于地质或人工的原因,造成河段中局部地形突起,如石梁、卡口等,使得水面曲线发生明显转折,形成临界流,出现临界水深,从而构成断面控制。

河槽控制：当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来控制,如该河段的底坡、断面形状、糙率等因素比较稳定,则水位流量关系也比较稳定。这就属于河槽控制。

在河流上设立水文测站：

平原地区应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中,便于布设测验的河段,且尽量避开变动回水、急剧冲淤变化、分流、斜流、严重漫滩等以及妨碍测验工作的地貌、地物。

结冰河流,还应避开容易发生冰塞、冰坝的地方。

山区河流应在有石梁、急滩、卡口、弯道上游附近规整河段上选站。 水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面,即基本水尺断面、

流速仪测流断面、 浮标测流断面 比降断面。

基本水尺断面上设立基本水尺,用来进行经常的水位观测。

测流断面应与基本水尺断面重合,且与断面平均流向垂直。若不能重合时,亦不能相距过远。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,其距篱应为断面最大流速的50~80倍。

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。 上、下比降断面间的河底和水面比降,不应有明显的转折,其间距应使得所

测比降的误差能在±15%以内。

水准点分为基本水准点和校核水准点,均应设在基岩或稳定的永久性建筑

物上,也可埋设于土中的石柱或混凝土桩上。

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。 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臵。

基线的长度视河宽B而定,一般应为0.6B。当受地形限制的情况下,基 线长度最短也应为0.3B。基线长度的丈量误差不得大于1/1000，见图 3-1所示。

图3-1水文测站基线与断面布设示意图

四、收集水文信息的基本途径

驻测：上述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。为了更好提高水文信息采集的社会效益和经济效益,经过20多年的实践,采取驻测、巡测、

间测及水文调查相结合的方式收集水文信息,可更好地满足生产的要求。 巡测是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。

间测是中小河流水文站有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。停测期间,其值由另一要素(水位)的实测值来推算。

水文调查是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。

第二节 水位观测

水位,是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固定基面的高程,以m计。水位与高程数值一样,要指明其所用基面才有意义。

基面：目前全国统一采用黄海基面,但各流域由于历史的原因,多沿用以往使用的大沽基面、吴淤基面、珠江基面,也有使用假定基面、测站基面或冻结基面的。使用水位资料时一定要查清其基面。

水位观测的作用一是直接为水利、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,二是为推求其他水文数据而提供间接运用资料。如Q=f(Z),s=(Z2-Z1)/L,水资源计算,水文预报中的上、下游水位相关法等。

其中Q为流量,以m3/s计;S为比降,以千分率或万分率表示;Z2、Zl分别为上、下比降断面的水位;L为上、下比降断面的间距,单位均以m计。

水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。

按水尺的构造形式不同,可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式等。观测时,水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程即为当时的水位值。可见水尺零点高程是一个重要的数据,要定期根据测站的校核水准点对各水尺的零点高程进行校核。

自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来,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。在荷兰水文信息服务中心,从计算机屏幕上可直接调看或用电话直接询问全国范围内各测站当时的水位,而这些又几乎都是无人驻守测站。

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,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0.12~0〃24m时,用4段制观测;依次8段、12段制等。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。其观测次数,视需要而定。

水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的计算。

日平均水位的计算方法有二: 1.

算术平均法计算：若一日内水位变化缓慢,或水位变化较大,但系等时距人工观测或从自记水位计上摘录,采用算术平均法计算; 2.

面积包围法：若一日内水位变化较大、且系不等时距观测或摘录,则采用面积包围法,即将当日0~24小时内水位过程线所包围的面积,除以一日时间求得(见图3-2),其计算公式为：

z?1?z0?t1?z1(?t1??t2)?z2(?t2??t3)???zn?1(?tn?1??tn)?zn?tn? 48(3-1)

如0时或24时无实测数据,则根据前后相邻水位直线内插求得。

根据逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保证率水位。这些经过整理整理分析处理后的水位资料即可提供各生产单位应用。如刊布的水文年鉴中,均载有各站的日平均水位表，年平均水位,年及各月的最高、最低水位。汛期内水位详细变化过程则载于水文年鉴中的汛期水文要素摘录表内。

图3-2面积包围法示意图

第三节 流量测验

一、概述

流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量,以m3/s计。它是反映水资源和江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据,也是河流最重要的水文特征值。

流量是根据河流水情变化的特点,在水文站上用各种测流方法进行流量测验取得实测数据,经过分析、计算和整理而得的资料,用于江河流量变化的规律,为国民经济各部门服务。

测流方法很多,按其工作原理,可分为下列几种类型。

(1 )流速面积法。有流速仪法、航空法、比降面积法、积宽法(动车法、动船法和缆道积宽法)、浮标法(按浮标的形式可分为水面浮标法、小浮标法、深水浮标法等)。

(2 )水力学法。包括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，适用于流量极小的沟涧。 本节主要介绍流速仪法测流。 二、流速仪法测流

由于河流过水断面的形态、河床表面特性、河底纵坡、河道弯曲情况以及冰情等，都对断面内各点流速产生影响，因此在过水断面上,流速随水平及垂直方向不同而变化，即V=f(b,h)。其中V为断面上某一点的流速,b为该点至水边的水平距离，h为该点至水面的垂直距离。因此，通过全断面的流量Q为:

ABHQ??v?dA????f(b,h)dh?db (3-2)

000式中A一一水道断面面积,dA则为A内的单元面积(其宽为db,高为dh),m2; V一一垂直于dA的流速,m/s; B一一水面宽度,m; H一一水深,m。

因为f(b,h)的关系复杂,目前尚不能用数学公式表达,实际工作中把上述积分式变成有限差分的形式来推求流量。

流速仪法测流,就是将水道断面划分为若干部分,用普通测量方法测算出各部分断面的面积wi,用流速仪施测流速并计算出各部分面积上的平均流速v,两者的乘积,称为部分流量,各部分流量的和为全断面的流量,即:

i

?Q??qi??wivi (3-3)

i?1i?1nn?式中qi一一第i个部分的部分流量,m3/s ;

n一一部分的个数。

需要注意的是,实际测流时不可能将部分面积分成无限多,而是分成有限个部分,所以实测值只是逼近真值;河道测流需时间较长,不能在瞬时完成,因此实测流量是时段的平均值。

由此可见,测流工作实质上是测量横断面及流速测验两部分工作。 (二)断面测量

河道水道断面的测量,是在断面上布设一定数量的测深垂线,施测各条测深垂线的起点距和水深并观测水位,各测深垂线处的河底高程为：

河底高程=水位-水深

测深垂线的位臵,应根据断面情况布设于河床变化的转折处,并且主 槽较密,滩地较稀。

测深垂线的起点距是指该测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离。

测定起点距的方法有多种：

断面索法，适宜中小河流，可在断面上架设过河索道,并直接读出起

点距,称此法为断面索法;

仪器测角交会法，大河上常用仪器测角交会法。常用仪器为经纬仪,平板仪、六分仪等。如用经纬仪测量,在基线的另一端(起点距是一端)架设经纬仪,观测测深垂线与基线之间的夹角。因基线长度已知,即可算出起点距;

目前最先进的是用全球定位系统(GPS)定位的方法,它是利用全球定位仪接收天空中的三颗人造定点卫星的特定信号来确定其在地球上处位臵的坐标,优点是不受任何天气气候的干扰,24小时均可连续施测,且快速、方便、准确。

水深一般用测深杆、测深锤或测深铅鱼等直接测量。超声波回声测声仪也可施测水深,它是利用超声波具有定向反射的特性,根据声波在水中的传播速度和超声波从发射到回收往返所经过的时间计算出水深,具有精度好、工效高、适应性强、劳动强度小,且不易受天气、潮涉和流速大小限制等优点。

大断面：河道水道断面扩展至历年最高洪水位以上0.5~1.om的断面称为大断面。它是用于研究测站断面变化的情况以及在测流时不施测断面可供借用断面。

大断面的面积分为水上、水下两部分。水上部分面积采用水准仪测量的方法进行;水下部分面积测量称水道断面测量。

由于测水深工作困难,水上地形测量较易,所以大断面测量多在枯水季节施测,汛前或汛后复测一次。但对断面变化显著的测站,大断面测量一般每年除汛前或汛后施测一次外,在每次大洪水之后应及时施测过水断面的面积。 (三)流速测量

图3-3为旋杯式流速仪

1一旋杯,2一传讯盒，3一电铃计数器;4一尾翼；5一钢丝绳,6一绳钩；7一悬杆；8一铅鱼

图3-4旋桨式流速仪

根据测速方法的不同,流速仪法测流可分为积点法、积深法和积宽法。 最常用的积点法测速是指在断面的各条垂线上将流速仪放至不同的水深点测速。测速垂线的数目及每条测速垂线上测点的多少是根据流速精度的要求、水深、悬吊流速仪的方式、节省人力和时间等情况而定。国外多采用多线少点测速。国际标准建议测速垂线不少于20条，任一部分流量不得超过10%总流量。表3-1是美国在127条不同河流上的测站,每站断面上布设100条以上的测速垂线,对不同测速垂线数目所推求的流量,进行流量误差的统计分析。

表3〃1 各种测速垂线数对流量的标准差

测速垂线数 8-11 12-15 16-20 21-25 26-30 31-35 104 标准差 4.2 4.1 2.1 2.0 1.6 1.6 0 表3-1说明:测速垂线数愈多,流量的误差愈小。

畅流期用精测法测流时,如采用悬杆悬吊，当水深大于1.0m可用五点法测流，即在相对水深(测点水深与所在垂线水深之比值)分别为0.0、0.2、0.6、0.8和1.o处施测。

为了消除流速的脉动影响,各测点的测速历时,可在60~100秒之间选用。但当受测流所需总时间的限制时,则可选用少线少点、30秒的测流方案。 (四)流量计算

流量的计算方法有图解法、流速等值线法和分析法。前两种方法在理论上比较严格,但比较繁琐,这里主要介绍常用的分析法。具体步骤及内容如下(图3-5)：

1.垂线平均流速的计算

视垂线上布臵的测点情况,分别按下列公式进行计算: 一点法 Vm =Vo.6

二点法 Vm =0.5*(V0.2+V0.8) 三点法 Vm =(V0.2+V0.8+V0.6)

五点法 Vm=0.1*(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)(3-7)

式中，Vm为垂线平均流速V0.0、V0.2、V0.6、V0.8、V1.0均为与脚标数值相应的相对水深处的测点流速。 2.部分平均流速的计算

岸边部分:由距岸第一条测速垂线所构成的岸边部分(两个,左岸和右岸,多为三角形,按下列公式计算: vl=αVml (3-8) vn+1=αVmn (3-9)

式中，α称岸边流速系数,其值视岸边情况而定。

斜坡岸边α=0.67~0.75,一般取0.70,陡岸α=0.80~0.90,死水边α=0.60。 中间部分:由相邻两条测速垂线与河底及水面所组成的部分,部分平均流速为相邻两垂线平均流速的平均值，按下式计算： Vi =0.5*(Vmi-1+Vmi) (3-6) 3. 部分面积的计算

因为断面上布设的测深垂线数目比测速垂线的数目多,故首先计算测深垂线间的断面面积。计算方法是距岸边第一条测深垂线与岸边构成三角形,按三角形面积公式计算(左右岸各一个）;其余相邻两条测深垂线间的断面面积按梯形面积公式计算。其次以测速垂线划分部分,将各个部分内

的测深垂线间的断面积相加得出各个部分的部分面积。若两条测速垂线(同时也是测深垂线)间无另外的测深垂线,则该部分面积就是这两条测深(同时是测速垂线）间的面积。 4. 部分流量的计算

由各部分的部分平均流速与部分面积之积得到部分流量,即 qi=ViAi （3-11）

式中,qi、vi、Ai分别为第i个部分的流量、平均流速和断面积。 5〃断面流量及其他水力要素的计算 断面流量 Q??q (3-12)

i?1in

断面平均流速v?Q/A （3-13） 断面平均水深h?A/B （3-14）

在一次测流过程中，与该次实测流量值相等的、某一瞬时流量所对应的水位称相应水位。

根据测流时水位涨落不同情况可分别采用平均或加权平均计算。

?第六节 水文调查与水文遥感

目前收集水文资料的主要途径是定位观测,由于定位观测受到时间、空间的限制,收集的资料往往不能满足生产需要,因此必须通过水文调查

来补充定位观测的不足,使水文资料更加系统完整,更好满足水资源开发利用、水利水电建设及其他国民经济建设的需要。

水文调查的内容分为四大类:流域调查、

水量调查、 洪水与暴雨调查、 其他专项调查。

本节主要介绍洪水与暴雨调查。 一、洪水的调查

洪水调查中，对历史上大洪水的调查,有计划组织调查;

当年特大洪水,应及时组织调查;

对河道决口、水库溃坝等灾害性洪水,力争在情况发生

时或情况发生后较短时间内,进行有关调查。

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。

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。

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。

(一)用比降法计算洪峰流量 (1) 匀直河段洪峰流量计算:

Qm=KS1/2 = A S1/2R2/3/n =AV (曼宁公式) (3-31) :.（Sf=n2Q2/A2R4/3 Q= AR2/3 S1/2/n=KS1/2） 式中 Qm一一洪峰流量,m3/s;

S一一水面比降（测压管坡度），%O; Sf为摩阻比降，%O; 恒定均匀（稳定流）流：水面比降S=河底坡S0=能坡Sf K一一河段平均输水率m/s，K=AR2/3/n,n为糙率， A为河段平均断面积，m2，R为河段平均水力半径，m。 (2) 非匀直河段洪峰流量计算:

Qm =KSe1/2 (3-32)

hfLh?(?v上v下?)2g2g (3-33) L?2?2se?（势能差和动能差（流速水头），单位长度上的能量损失。对堰流公式H0=H+v2/2g是考虑行近流速v的堰顶水头） 式中 Se-一能面比降;

hf-一两断面间的摩阻损失,h为上、下两断面的水面落差,m; V上、V下分别为上下两断面的平均流速,m/s; L一一两断面间距,m。

（3）若考虑扩散及弯曲损失时洪峰流量推算:

h?(1??（)Qm?Kv上v下?）2g2g （3-34）

L?2?2式中 α一一扩散、弯曲损失系数,一般取0〃5。

视不同情况,选用以上公式估算洪峰流量。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,或参考附近水文站的糙率资料;

过水断面分成N份，湿周P1，P2，P3…PN；糙率N1，N2，N3…NN； 面积A1，A2，A3…AN；流速U1，U2，U3…UN；有

U=Sf1/2(A/P)2/3/n= Sf1/2(A1/P1)2/3/n1= … =Sf1/2(AN/PN)2/3/nN n= (A/P)2/3/ ((A1/P1)2/3/n1)= (A/P)2/3/ ((Ai/Pi)2/3/ni)

?i?1Nn=(A/P)/

N2/3

?i?1N ((Ai/Pi)2/3/ni)

综合糙率n’=(

N?i?1Pi ni3/2 /p)2/3

A=

2/3

?i?1Ai2/3

对复式断面,可分别计算主槽和滩地的流量再取其和。 (二)用水面曲线推算洪峰流量

当所调查的河段较长且洪痕较少,各河段河底坡降及断面变化、洪水水面曲线比较曲折时,不宜用比降法计算,可用水面曲线法推求洪峰流量。

水面曲线法的工作原理是:假定一流量Q,由所估定的各段河道糙率n,自下游一已知的洪水水面点起,向上游逐段推算水面线,然后检查该水面

线与各洪痕的符合程度。如大部分符合,表明所假定流量正确;否则,重新修定Q值,再推算水面线直至大部分洪痕符合为止。

．设计水面线的分析计算

河道设计水面线分析计算采用水力学公式和试算法确定。水力学公式采用水位沿程变化的关系式：

dzdv2Q2?(???)()?2 （3-35） dsds2gK=流速水头和局部水头损失的沿程变化+水力坡度

特征流量为k2=C2A2R= C2h3b2 将(3-35)微分方程改写成差分形式再移项可得(3-36)式:

Q2?sQ2Q2?sQ2zv?(???)??zd?(???)?222kv22kd2gAv22gAd（3-36）

zv、zd---上下游断面水位；

α---动能修正系数；α=1.15

ξ---局部阻力系数；逐渐扩散段可取ξ=-0.33—0.55

急剧扩散段可取ξ=-0.5—1.0

Q---流量；

A---过水面积； g---重力加速度； K---流量模数；

Δs----上下游断面间距。

二、暴雨调查

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资料进行分析。

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情况、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

在整编悬移质输沙率资料时,应对实测资料进行分析。通常是着重进行单断沙关系的分析。经过分析,如果查明突出点的原因属于测验或计算方面的错误,可以适当改正或前情处理。

有了单断沙关系曲线,便可根据经常观测的单沙成果计算出逐日断面平均含沙量,再与相应的平均流量相乘,即得各日的平均输沙率。这种算法比较简便,当一日内流量变化不大时是完全可以的。如在洪水时期,→日内流量、含沙量的变化都较大时,应先由各测次的单沙推出断沙，乘以相应的断面流量，得出各次的断面输沙率。根据日内输沙率过程将全年逐日平均输沙率之和除以全年的天数,即得年输沙量。

六、水文数据处理成果的刊布

水文资料的来源，主要是由国家水文站网按全国统一规定对观测的数据进行处理后的资料，即由主管单位分流域、干支流及上下游,每年刊布一次的水文年鉴。1986年起陆续实行计算机存储、检索。

年鉴中载有：测站分布图，水文站说明表及位臵图，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。

当需要使用近期尚未刊布的资料,或需查阅更详细的原始记录时,可向各有关机构收集;水文年鉴中不刊布专用站和实验站的观测数据及处理分析成果,需要时可向有关部门收集。

水文年鉴仅刊布各水文测站的基本资料各地区水文部门编制的水文手册和水文图集，以及历史洪水调查、暴雨调查、历史枯水调查等调查资料,是在分析研究该地区所有水文站的数据基础上编制出来的它载有该地

区的各种水文特征值等值线图及计算各种径流特征值的经验公式利用水文手册和水文图集便可以估算无水文观测数据地区的水文特征值。 叫制各种水文特征的等值线图及各径流特征的经验公式叫依据的小河数据少,当利用手册及图集估算小流域的径流特征值时,应根据实际情况;二要的修正。

当上述年鉴、手册、图集所载资料不能满足要求时,可向其他单位收集。例如,有关水质方面更详细的资料,可向环境监测部门收集,有关水文气象方面的资料,可向气象台站收集。

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。 三、水文遥感

遥感技术,特别是航天遥感的发展,使人们能从宇宙空间的高度上,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。水文遥感具有以下特点:如动态遥感,从定性描述发展到定量分析,遥感遥测遥控的综合应用,遥感与地理信息系统相结合。

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,尤其在水资源水文调查的应用,更为显著。概括起来,列举如下几方面。

1)流域调查:根据卫星像片可以准确查清流域范围、流域面积、流域覆盖类型、河长、河网密度、河流弯曲度等。

2)水资源调查:使用不同波段、不同类型的遥感资料,容易判读各类地表水,如河流、湖泊、水库、沼泽、冰川、冻土和积雪的分布;还可分析饱和土壤面积、含水层分布以估算地下水储量。

3)水质监测:遥感资料进行水质监测可包括分析识别热水污染、油污染、工业废水及生活污水污染、农药化肥污染以及悬移质泥沙、藻类繁殖等情况。

4)洪涝灾害的监测:包括洪水淹没范围的确定,决口、滞洪、积涝的情况,泥石流及滑波的情况。

5)河口、湖泊、水库的泥沙淤积及河床演变,古河道的变迁等。

6)降水量的测定及水情预报:通过气象卫星传播器获取的高温和湿度间接推求降水量或根据卫片的灰度定量估算降水量;根据卫星云图与天气图配合预报洪水及旱情监测。

此外,还可利用遥感资料分析处理测定某些水文要素如水深、悬移质含沙量等。利用卫星传输地面自动遥测水文站资料,具有投资低,维护量少,使用方便的优点,且在恶劣天气下安全可靠,不易中断。对大面积人烟稀少地区更加适合。

第七节 水文数据处理

各种水文测站测得的原始数据,都要按科学的方法和统一的格式整理、分析、统计、提炼成为系统、完整,有一定精度的水文资料,供水文水资源计算、科学和有关国民经济部门应用。这个水文数据的加工、处理过程,称为水文数据处理。

水文数据处理的工作内容包括: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。水位数据处理较简单,在第二节已述,本节主要介绍流量资料整编,简要介绍泥沙数据处理。对上述处理工作内容,重点介绍关系曲线的确定及逐时、逐日值的推求。 一、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,是指在一定条件下水位和流量之间呈单值函数 关系,简称为单一关系。在普通方格纸上,纵坐标是水位,横坐标是流量,点绘的水位流量关系点据密集,分布成一带状,75%以上的中高水流速仪测流点据与平均关系线的偏离不超过土5%,75%的低水点或浮标测流点据偏离不超过土8%(流量很小时可适当放宽),且关系点没有明显的系统偏离,这时即可通过点群中心定一条单一线(供推流)。点图时在同一张图纸上依次点绘水位流量、水位面积、水位流速关系曲线,并用同一水位下的面积与流速的乘积,校核水位流量关系曲线中的流量,使误差控制在士2%~土3%。以上三条曲线比例尺的选择,应使它们与横轴的夹角分别近似为45o、60o、60o,且互不相交(图3-10)。所定的单一水位流量关系还要进行符号检验、适线检验、偏离数值检验,进行检验均通过才能用此单一曲线推流。此外,两条曲线(或两列数组)需要合并定线时,还要进行t检验。 (二)不稳定的水位流量关系

不稳定的水位流量关系,是指测验河段受断面冲淤、洪水涨落、变动回水 或其他因素的个别或综合影响,使水位与流量间的关系不呈单值函数关

系，见图3-11~图3-13。表3-6给出了各种整编方法及其适用情况。

这些方法归纳起来分为两种类型：

一种是水力因素型,这一类型的方法均可表示为Q=f(b,x)的形式,x为某一水力因素。其方法的原理都来自于水力学的推导,故理论性强,所要求的测点少,且适于计算机作单值化处理。

另一类型称时序型,表示为Q=f(Z,t)，t为时间。时序型的方法其原理是以水流的连续性为基础,因而要求测点多且准确,能控制流量的变化转折。方法适用范围较广,但有时间性。照水位过程线起伏变动的情定线。

受洪水涨落影响的水位流量关系线用连时序法定线往往成逆时针绳套形。绳套的顶部必须与洪峰水位相切,绳套的底部应与水位过程线中相应的低谷点相切。

受断面冲淤或结冰影响时,还应当满足时序型的要求条件时,连时序法是按实测流量点子的时间顺序来连接水位流量关系曲线,故应用范围较广。连线时,应参考用连时序法绘出的水位面积关系变化趋势,帮助绘制水位流量关系曲线(图3-14)。

二、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种种原因,致使最高水位或最低水位的流量缺测或漏测。为取得全年完整的流量过程,必须进行高低水时水位流量关系的延长。

高水延长的结果,对洪水期流量过程的主要部分,包括洪峰流量在内,有重大的影响。低水流量虽小,但如延长不当,相对误差可能较大且影响历时较长。因此延长均需慎重。高水部分的延长幅度一般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一般不应超过10%。

对稳定的水位流量关系进行高低水延长常用的方法有以下几种。 （一）水位面积与水位流速关系高水延长

适用于河床稳定,水位面积、水位流速关系点集中,曲线趋势明显的测站。其中,高水时的水位面积关系曲线可以根据实测大断面资料确定,高水时水位流速关系曲线常趋近于常数,可按趋势延长。可是,某一高水位下的流量,便可由该水位的断面面积和流速的乘积来确定。这样,可延长水位流量关系曲线,见图3-15。

(二)用水力学公式高水延长

此法可避免水位面积与水位流速关系高水延长中水位流速顺趋势延长的任意性,用水力学公式计算出外延部分的流速值来辅助定线。 (1)曼宁公式外延:

根据曼宁公式

1v?R2/3S1/2 （3-35） n延长时,用上式计算流速,用实测大断面资料延长水位面积关系曲线,从而达到延长水位流量关系的目的。

计算流速时,因水力半径R可用大断面资料求得,故关键在于确定水面比降S和糙率n值。根据实际资料,如S、n均有资料时,直接由公式计算并延

长;当二者缺一时,通过点绘Z~n(或Z~S)关系曲线并延长之,再算出v来;如两者都没有时,则将R2/3看成一个未知数,因R2/3=Q/（AR2/3）,依据实测资料的流量、面积、水力半径计算出R2/3,点绘Z~R2/3曲线,因高水部分

12/3R接近于常数,故可按趋势延长,见图3-16。 n1n1n1n1n(2)斯蒂文斯(Stevens)法:

由谢才流速公式导出流量为

Q?CARS (3-36)

式中C一一谢才系数;其余符号同前。

对断面无明显冲淤、水深不大但水面较宽的河槽,以断面平均水深h代替R,则式(3-36)可改写为:

Q?CARS?KAh?1/2

式中，K?CS,高水时其值接近常数。故高水时Q~Ah1/2呈线性关系,据此外延。由大断面资料计算A h并点绘不同高水位Z在Z~A h曲线上查得A h值,并以Q~A h曲线上查得Q值,根据对应的(Z,Q)点据,便可实现水位与流量关系曲线的高水延长。见图3-17。

?1/2?1/2?1/2?1/2(三)水位流量关系曲线的低水延长法'

低水延长一般是以断流水位作控制进行水位流量关系曲线向断流水位方向所作的延长。断流水位是指流量为零时的相应水位。假定关系曲线的低水部分用以下的方程式来表示: Q=K(Z-Zo)n （3-37) 式中Zo--断流水位;

n,K一一分别为固定的指数和系数。

在水位流量曲线的中、低水弯曲部分,依次选取a、b、c三点,它们的水位和流量分别为Za、Zb、Zc及Q。、Qb、Qc。若Qb=Qa Qc,代人式〈3-21〉,求解得断流水位为:

ZaZc?Zb2ZO? (3-38)

Za?Zc?2Zb求得断流水位Zo后,以坐标(Zo，o)为控制点,将关系曲线向下延长至当年最低水位即可。

三、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。

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,河段内无明显的出流与人流的情况下,在设计断面设立临时水尺,与水文站同步观测水位。因两断面中、低水时同一时刻的流量大致相等,所以可用设计断面的水位与水文站断面同时刻水位所得的流量点绘关系曲线,再将高水部分进行延长,即得设计断面的水位流量关系曲线。

当设计断面距水文站较远,且区间入流、出流近乎为零,则必须采用水位变化中位相相同的水位来移用。

若设计断面的水位观测数据不足,或甚至等不及设立临时水尺进行观测后再推求其水位流量关系,则用计算水面曲线的方法来移用。方法是在设计断面和水文站之间选择若平个计算断面,假定若干个流量,分别从水文站基本水尺断面起计算水面曲线,从而求出各个计算流量相对应的设计断面水位。.

而当设计断面与水文站的河道有出流或人流时,则主要依靠水力学的办法来推算设计断面的水位流量关系。 四、日平均流量计算及合理性检查.

逐日平均流量的计算:当流量变化平稳时,可用日平均水位在水位流量关系线上推求日平均流量;当一日内流量变化较大时,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。据此计算逐月平均流量和年平均流量。

合理性检查:单站检查可用历年水位流量关系对照检查;综合性检查以水量平衡为基,础,对上、下游或干、支流上的测站与本站流量数据处理成果进行对照分析,以提高流量数据处理成果的可靠性。本站成果经检查确认无误后,才能作为正式资料提供使用。 五、悬移质输沙率资料整编

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