1、第三章 水文信息采集與處理,成因分析 “因”作為輸入 模型參數(shù)確定 規(guī)律分析 . 概率統(tǒng)計 樣本數(shù)據(jù) ,水文觀測與實驗,水文信息采集與處理,Contents,基本知識 水位觀測及資料整理 流量測驗及資料整編 水文調查及水文資料收集,3.1 概述,水文信息采集：指系統(tǒng)地收集和整理水文資料的技術工作的統(tǒng)稱。狹義的指水文要素的觀測。水文信息采集是水文學的基礎。 水文信息采集工作包括下列各方面： 水文站網(wǎng)的規(guī)劃、布設和調整，水文站網(wǎng)的規(guī)劃指擬定和選擇水文測站合理布局的方案。, 水文測驗方法的研究和技術標準的制訂（測驗時制、度量單位、精度要求、計算方法和工作程序等），使得到的各項資料能在同一基礎上進行比

2、較和分析。 水文測站上的觀測：按設站要求分別在站上進行水位觀測，流量測驗，泥沙測驗，水質、水溫、冰情、降水量、蒸發(fā)量、土壤含水量和地下水位等觀測。 水文調查。 水文資料整編：按照統(tǒng)一的方法和格式，對測得的資料進行整理，匯編成為系統(tǒng)的成果。,3.1.1 水文測站與站網(wǎng),水文測站：組織進行水文測驗的基層單位，也是收集水文資料的基本場所。水文測站的主要任務是按照統(tǒng)一標準對指定地點(或斷面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā) 、水溫、冰凌、水質、地下水位等項目進行觀測及資料整編。,站網(wǎng)：就是測站在地理上的分布網(wǎng)，站網(wǎng)把測站有機地聯(lián)系起來，使測站發(fā)揮更大作用 布站原則：通過所設站網(wǎng)采集到的水文信息經(jīng)過整理分

3、析后，達到可以內插領域內任何地點水文要素的特征值的目的。,國家水文站網(wǎng)按測站性質分為：基本站網(wǎng)、專用站網(wǎng)和實驗站網(wǎng)。 基本站是綜合國民經(jīng)濟各方面需要，由國家統(tǒng)一規(guī)劃，以合理經(jīng)濟的方式建立的。 基本站執(zhí)行水文測驗 標準，進行較長時期的連續(xù)觀測，資料編成水文年鑒刊布或以其它形式長期存貯。,基本站網(wǎng)（basic station） 基本水文站網(wǎng)中，根據(jù)測驗內容分為流量站網(wǎng)、水位站網(wǎng)、泥沙站網(wǎng)、雨量站網(wǎng)、蒸發(fā)站網(wǎng)和水質站網(wǎng)。,專用站是為科學研究、工程建設、管理運用等特定目的而設立的。其觀測項目、觀測要求及觀測年限，由設站部門依據(jù)設站目的自行規(guī)定。 實驗站是為了深入研究某些專門問題而設立的一個或一組水文測

4、站。實驗站也可兼作基本站。,3.1.2 水文測站的設立,測驗河段的選擇 設站地點要服從總體布局的要求; 便于水文測驗（保證測驗結果有必要的精度）和資料的整理。 保證工作安全和測驗精度，有利于簡化水文要素的觀測和信息的整理分析工作，測站的水位流量之間呈良好的穩(wěn)定關系（單一關系）。河道順直、穩(wěn)定、水流集中，河段規(guī)整。,布設觀測斷面：設置水準點并引測高程；設置橫斷面及基線；布設測量標志及高程基點；安裝觀測設備，填寫登記卡。 觀測斷面的布設：基本水尺斷面、流速儀測流斷面、浮標測流斷面、比降斷面。 測站的設備是指流速儀測流所需的渡河設備，一般分有船只測流設備、岸上測流設備、架空測流設備和涉水測流設備等幾

5、種。,過河索吊船設備,測定河流水位，及橫斷面面積,測定水流的流速,測定河段的水面比降，進而估算河床的糙率,測定水流的流速,3.2 水位的觀測,水位：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(shù)值一樣，要有一個基面作為起點。 標準基面：我國目前一般統(tǒng)一采用青島附近黃海海平面作為基準面，但有些流域仍然采用大沽、吳淞基準面。 測站基面：以低于水文測站所在河道的最低水位或河床最低點0.51.0m處的水平面作為零高度。,3.2.1 水位觀測的設備,水尺：直立式、傾斜式、矮樁式、懸錘式 水位 = 水尺零點高程 + 水尺讀數(shù) 自記水位計：能自動記錄水位的連續(xù)變化過程；浮子式、壓力式、超

6、聲波式,振弦傳感器,壓阻傳感器,非接觸式,3.2.2 水位觀測的內容,基本水尺&比降水尺 基本水尺觀測時間： 人工觀測：分段定時觀測 水位平緩變化緩慢時 一段式： 日變幅0.06m，每日8時一次 二段式： 日變幅0.12m，8時、20時兩次 水位變化較大時：每日2、8、14、20時觀測4次，洪水期加密觀測 水位觀測的精度一般準確到0.1m,3.2.3 水位觀測資料整理,平均水位：日、月、年平均水位的計算 算術平均法 面積包圍法 水位過程線,日平均水位的計算 （1）算術平均法：適合于水位變化緩慢或變化大但等時距觀測的情況。,式中，Zi 第 i 次水位觀測值； n 一日內水位觀測的次數(shù)。,（2）時

7、間加權法（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。,式中，Z0, Z1, Zn 一日內各次觀測的水位值(m) t1, t2 tn 相鄰二次水位觀測間的時距(hr),編制“逐日平均水位表”,3.3 流量的測驗,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。此外還有水力學法、化學法、物理法、直接法等。 測流工作分為：河道斷面測量、流速測量。,3.3.1 測流斷面的測量,斷面： 水道斷面：是指某水位下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0.51.0m的水面線與岸

8、線、河床線之間的范圍。,測量水位,沿斷面寬度選若干個測點及測深垂線,測量各垂線的水深和各測深點的橫向位置(起點距),將水位減去水深得到河底高程,繪制河槽斷面圖,計算過水斷面面積,測流斷面示意圖,測深垂線,斷面索,水位,起點距,測深垂線起點距：測深垂線至基線上的起點樁之間的水平距離，常用經(jīng)緯儀、平板儀、六分儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）等測量。 水深測量的方法： 通常用測深桿、測深錘、鉛魚直接測出每根測深垂線的水深。 兩次測深不等值不超1%3%。 當水很深、流速很大時，可用回聲測深儀測量水深。,L=CT,流速分布 斷面流速具有脈動現(xiàn)象和空間分布的規(guī)律性； 一般自由水面的流速大于河底，垂線流速分布曲線

9、常呈一定形狀，如拋物線形、對數(shù)形、指數(shù)形等。 河底與岸邊附近流速最??；近兩岸邊的流速小于中泓，在最深處水面流速最大；暢流期垂線上最大流速出現(xiàn)在水面至0.2H范圍；等流速曲線呈閉合狀。,3.3.2 流速的測量,Q=VA 斷面流速用哪個？,測定流速的方法很多，常用的有流速儀法和浮標法,q1,q2,q3,q4,q5,q6,斷面上測速垂線和測速點的布設 當水面寬度 5m，測速垂線的數(shù)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。,3.3.3 流量計算,流量計算，常用的方法有圖解法、分析法及流速等值線法等，分析法應用廣泛。 點流速垂線平均流速部分面積平均流速乘以對應的部分斷面面積部

10、分流量全斷面流量,（1）求垂線平均流速,已知各垂線平均流速，則可繪出流速分布,H1 H2 H3 H4 H5,W2 W3 W4 W5,W1,W6,b1 b2 b3 b4 b5 b6,斷面流量計算示意圖,（2）求測流面積上的部分面積, 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, 流速系數(shù)(岸邊系數(shù)):,斜坡岸， =0.7 陡坡岸， =0.8 光滑坡岸， =0.9 死水邊， =0.6,（3）求部分面積上的平均流速,式中， Wi 斷面上的部分面積(m2),（4）

11、過水斷面流量的計算：, 部分面積上的平均流速(m/s),3.3.4 浮標法測速和流量計算,利用水面虛流速推求斷面虛流量，然后乘以浮標系數(shù)得到測流斷面流量。水面虛流速按下式計算： 式中， 式中，V j為浮標虛流（m/s）；L為上、下浮標斷面間距（m）；T為各浮標流經(jīng)上、下斷面的時間（ s）。 根據(jù)斷面垂線起點距、水深和內插求得的虛流速，算出測流斷面虛流量Q j再乘以浮標系數(shù)K j 0.85 0.95之間，即得測流斷面流量,3.4 河流泥沙的測算,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

12、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。,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。 含沙量：單位體積內所含干沙的質量，稱為含沙量，用Cs表示，單位為kg/m3。 輸沙率：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。,含沙量的測驗 式中 Cs-水樣含沙量，g/L 或 kg/m3； Ws-水樣中的干沙重量，g 或kg； V- 水樣體積，L或m3；,輸沙率測驗 由含沙量測定和流量測驗兩部分組成。 懸移質輸沙率測驗： 布設測速和測沙垂

13、線，在各垂線上施測起點距、水深、流速，采集水樣。 取樣垂線數(shù)目不少于規(guī)范規(guī)定測速垂線數(shù)的1/2；水面寬大于50m時，不少于5條；否則，不少于3條。 取樣點分布視水深大小以及要求的精度而定。 取樣主要在洪水期進行。,Qs,輸沙率測驗 暢流期的垂線平均含沙量的計算式為： 三點法： 式中 Csm - 垂線平均含沙量，kg/m3； Csj - 測點含沙量，腳標j為該點的相對水深，kg/m3； Vj- 測點流速，m/s，腳標j的含意同上； Vm- 垂線平均流速，m/s；,根據(jù)各條垂線的平均含沙量Csmj，配合測流計算的部分流量，即可算得斷面輸沙率Qs(t/s)為： qi - 第i根垂線與第i-1根垂線間

14、的部分流量，m3/s；Csmi - 第i根垂線的平均含沙量，kg/m3。 斷面平均含沙量 ：,推移質泥沙,河床質泥沙,3.5 水文數(shù)據(jù)處理（整編）,水文數(shù)據(jù)的加工、處理過程，稱為水文數(shù)據(jù)處理。 水文數(shù)據(jù)屬國家公益性數(shù)據(jù)。 處理工作包括：收集校核原始數(shù)據(jù)；編制實測成果表；確定關系曲線；推求逐時、逐日值；編制逐日表及洪水水文要素摘錄表；合理性檢查；編制處理說明書。 本節(jié)重點是流量資料整編：水位流量關系、逐時、逐日值的推求。,3.5.1 水位流量關系曲線的繪制,水位流量關系曲線可分為穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩類。 (1) 穩(wěn)定的水位流量關系曲線,QZ,ZA,VZ,Q-AV 0.01,在天然河道里，由于河床沖

15、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(jù)分布比較散亂，這種情況稱為不穩(wěn)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(wěn)定的。,（2）不穩(wěn)定的水位流量關系,不穩(wěn)定的水位流量關系曲線確定： 曼寧公式： 式中， Q 流量；A 過水斷面；R 水力半徑； n 糙率； J 水面比降；R=A/X ，A=bh（矩形）,結論：由上式可以判斷，水位一定，流量仍受到許多因素的影響，故水位和流量不是單一的函數(shù)關系，即不穩(wěn)定的水位流量關系。,不穩(wěn)定的水位流量關系曲線的處理方法很多，經(jīng)常使用的有以下兩種。,臨時

16、曲線法：若水位流量關系受不經(jīng)常的沖淤影響或比較穩(wěn)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ZQ曲線。,受河床沖淤影響的水位流量關系,受變動回水影響的水位流量關系,？,v1,v2,受洪水漲落影響的水位流量關系 洪水水面是在河道沿程發(fā)生高低起伏的一種波動，稱為洪水波。穩(wěn)定流水面比降 i0、洪水波的水面比降 i、 iii0為附加比降。 波前部分 ii0，波后部分 ii0。 當河流穩(wěn)定時， i0；漲洪時，i0；落洪時，i0。,同一斷面上,受多種因素混合影響而連續(xù)變化時,連時序法：當測流次數(shù)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

17、：,這種情況的ZQ曲線一般為繩套形，使用時按水位發(fā)生時間在ZQ曲線的相應位置查讀流量。,(2)水位流量關系的延長 實際中，最高水位 (洪水流量)和最低水位 (枯水流量) 施測困難，故需對水位流量關系曲線進行外延。 高水延長：影響洪水流量過程，包括洪峰。 延長幅度不應超過當年實測流量所 占水位變幅的30%。 低水延長：相對誤差較大且影響歷時長。 延長幅度不超過10%。,高水延長,根據(jù)水位面積、水位流速關系延長 當河床比較穩(wěn)定，河槽形狀無很大變化的測站，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直線近似平行于垂軸，則可按此趨勢延長。,由實測資料繪制水位面積關

18、系曲線； 根據(jù)水位流速關系曲線，從上端按直線趨勢延長； 按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。,Z(m),Q / F / V,Q=VF,用水力學公式高水延長,低水位Z Q 的延長方法,趨勢法：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、石梁及取基本水尺斷面的最低點均可作為斷流水位,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(jīng)驗常數(shù)。,在實測Z Q 關系曲線上，取(Za, Qa), (Zb, Qb), (Zc, Qc)三個點，使?jié)M足：,將(A)代入上式得：,分析法:,(A),（3）日

19、平均流量計算及合理性經(jīng)驗 當流量變化平穩(wěn)時，可用日平均水位在水位流量關系曲線上推求日平均流量。 當流量關系變化較大時，則用逐時水位推求得逐時流量，再按算術平均法或面積包圍法求得日平均流量。 據(jù)此計算月平均流量和年平均流量。,(4)水文數(shù)據(jù)處理成果的刊布,由主管單位分流域、干支流及上下游，每年刊布一次水文年鑒。 年鑒中載有：測站分布圖，水文站說明表及位置圖，各站的水位、流量、泥沙、水溫、冰凌、水化學、地下水、降水量、蒸發(fā)量等資料。,3.7 水文調查,水文調查是補充定位觀測的不足，使水文資料更加系統(tǒng)完整，更好地滿足水資源開發(fā)利用、水利水電建設及其它國民經(jīng)濟建設的需要的一種有效手段。 水文調查內容：

20、 （1）流域調查；基本情況 （2）水量調查；水利設施、分洪決口影響 （3）洪水調查和暴雨調查；特大洪水、特大暴雨 （4）專項水文調查。泉水調查、巖溶地區(qū)水文調查,1. 洪水的調查 洪水調查工作包括： 調查洪水痕跡洪水發(fā)生的時間、災情測量、洪水痕跡的高程、了解調查河段的河槽情況； 了解流域自然地理情況； 測量調查河段的縱橫斷面； 必要時應在調查河段進行簡易地形測量； 對調查成果進行分析，推算洪水總量、洪峰流量、洪水過程及重現(xiàn)期，最后寫出調查報告。,當洪水痕跡高程確定以后，可推算出相應于此洪水位的洪峰流量。常用的方法有： 水位流量關系法：如果調查河段附近有水文站，則可利用水文站的水位流量關系曲線加

21、以延長，以求得洪峰流量。 比降法：當能夠確定調查河段的水面比降或者在沒有水文站的河段上，可采用下式計算。,潰壩、決口和分洪洪水調查 （1）潰壩洪水調查：水庫概況、潰壩 前庫內水情、決口斷面的測量和調查。 （2）河堤決口調查：決口位置和數(shù)量、原因、口門擴展過程；決口發(fā)生時間和相應河道水位、決口前后水情、分洪水量去向；決口洪量的估算等。 （3）分洪滯洪調查：人工扒口無建筑物控制的調查與河堤決口調查相同；有建筑物控制的應調查閘門開孔高度及孔數(shù)、分洪滯洪開始時間及河道水位的變化過程，滯洪區(qū)蓄水情況；估算分洪、滯洪的洪量。,歷史洪水考證 收集宮廷檔案、實錄、文書、水利河道專著、地方志、歷史水文氣象記錄、古建筑物附近保留的碑文、刻記、地區(qū)性歷史檔案等。對洪峰流量、洪水