《水力水文計算》第3章

1、WUHEEF研究水文現(xiàn)象，就必須獲取基本水文資料（研究水文現(xiàn)象，就必須獲取基本水文資料（水文信息），包括水文、氣象、水文地質(zhì)等水文信息），包括水文、氣象、水文地質(zhì)等資料。資料。F水文資料的采集過程就是水文測驗工作。水文資料的采集過程就是水文測驗工作。F主要的資料：主要的資料：降水量、蒸發(fā)量、下滲量降水量、蒸發(fā)量、下滲量、徑、徑流量、洪水、水位、泥沙、水質(zhì)（水溫、流量、洪水、水位、泥沙、水質(zhì)（水溫、Ph、COD、BOD、各種重金屬元素、各種重金屬元素、SS等）等）F水文資料的處理過程就是水文整編工作。水文資料的處理過程就是水文整編工作。WUHEE第三章第三章 水文測驗及水文資料收集水文測驗及水文

2、資料收集F3.1 測站與站網(wǎng)測站與站網(wǎng)F3.2 水位觀測及整理水位觀測及整理F3.3 流量測驗與整理流量測驗與整理F3.4 水文資料收集水文資料收集WUHEE3.1 測站與站網(wǎng)測站與站網(wǎng)水文測站水文測站 1 概念概念 水文測站是組織進行水文測驗、收集水文資料的基本場水文測站是組織進行水文測驗、收集水文資料的基本場所。其任務是按一定標準對指定地點所。其任務是按一定標準對指定地點(斷面斷面)的水文要素作的水文要素作系統(tǒng)觀測和資料整編。系統(tǒng)觀測和資料整編。 2 分類分類 (1) 按測驗項目分按測驗項目分(2) 按測站性質(zhì)分按測站性質(zhì)分 水文測站水文測站流量站流量站水位站水位站雨量站雨量站水質(zhì)站水質(zhì)站

3、水文測站水文測站基本站基本站專用站專用站實驗站實驗站W(wǎng)UHEE二二 水文站的設立水文站的設立包括：測驗河段選擇包括：測驗河段選擇 觀測斷面布設觀測斷面布設要求：河道順要求：河道順直，水位流量直，水位流量關系穩(wěn)定（斷關系穩(wěn)定（斷面或河道水力面或河道水力要素穩(wěn)定）。要素穩(wěn)定）。流流速速儀儀測測流流斷斷面面水文站布設示意圖水文站布設示意圖浮浮標標上上斷斷面面浮浮標標下下斷斷面面浮浮標標中中斷斷面面比比降降上上斷斷面面比比降降下下斷斷面面基基本本水水尺尺斷斷面面基線基線LfLsWUHEE三三 水文站網(wǎng)水文站網(wǎng) 布設原則：布設原則： (1) 采集到的水文信息經(jīng)過整理分析后，達到可以內(nèi)插流采集到的水文信息

4、經(jīng)過整理分析后，達到可以內(nèi)插流域內(nèi)任何地點水文要素的特征值；域內(nèi)任何地點水文要素的特征值； (2) 經(jīng)濟合理經(jīng)濟合理; (3) 布設密度布設密度合理合理。 單個測站觀測到的水文要素其信息只代表了站址處的水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(nèi)的一些適當?shù)攸c文情況，而流域上的水文情況則須在流域內(nèi)的一些適當?shù)攸c布站觀測。這些測站在地理上的分布網(wǎng)稱為水文站網(wǎng)。布站觀測。這些測站在地理上的分布網(wǎng)稱為水文站網(wǎng)。 為了能收集大范圍的基本水文資料，滿足水利水電、環(huán)為了能收集大范圍的基本水文資料，滿足水利水電、環(huán)境保護及其國民經(jīng)濟建設需要，需合理、科學規(guī)劃布設水

5、文境保護及其國民經(jīng)濟建設需要，需合理、科學規(guī)劃布設水文測站，即水文站網(wǎng)。測站，即水文站網(wǎng)。 我國水文站網(wǎng)我國水文站網(wǎng)1956年統(tǒng)一布設?，F(xiàn)有布設密度為年統(tǒng)一布設。現(xiàn)有布設密度為3.56站站/萬萬km2。世界。世界100多個國家的平均水平為多個國家的平均水平為4站站/萬萬km2。WUHEEWUHEEWUHEE3.2 水位觀測與整理水位觀測與整理水位水位 水體自由水面相對于某一基面的高程，稱為水位水體自由水面相對于某一基面的高程，稱為水位(m)。 我國統(tǒng)一采用青島附近黃海海平面為標準基面。由于歷我國統(tǒng)一采用青島附近黃海海平面為標準基面。由于歷史原因各地仍有其它基面的，如吳淞基面、大沽基面、史原因各

6、地仍有其它基面的，如吳淞基面、大沽基面、廢黃河口基面。廢黃河口基面。二二 水位觀測水位觀測 水尺、自記水位計水尺、自記水位計 1 水尺水尺人工觀測人工觀測 在測流斷面上布設水尺，人工定時或不定時進行觀測。在測流斷面上布設水尺，人工定時或不定時進行觀測。 水位是基本的水文特征，反映了水流變化，是水利建設、水位是基本的水文特征，反映了水流變化，是水利建設、防汛抗旱斗爭的重要依據(jù)。防汛抗旱斗爭的重要依據(jù)。WUHEE 1 水尺水尺人工觀測人工觀測 水位水位(Z)=水尺零點高程水尺零點高程(Z0)+水尺度數(shù)水尺度數(shù)(z) a. 水位變化不大時，每天采用兩段制觀測水位變化不大時，每天采用兩段制觀測(8點和

7、點和20點點)； b. 水位變化較大時，每天采用四段制觀測水位變化較大時，每天采用四段制觀測(2點，點，8點，點，14點，點，20點點)； c. 洪水期或水位變化急劇時，需增加測次。洪水期或水位變化急劇時，需增加測次。tZ自記水位過程線自記水位過程線2 自記水位計自記水位計 利用自記水位記自動紀錄水位的連續(xù)變化過程。利用自記水位記自動紀錄水位的連續(xù)變化過程。 tZ洪水水位過程洪水水位過程WUHEE三三 水位資料的整理水位資料的整理niiZnZ11日 1 當?shù)葧r距觀測或摘錄水位時，日平均水位計算采用算當?shù)葧r距觀測或摘錄水位時，日平均水位計算采用算術平均法術平均法式中，式中，Zi 為為i 次觀測或

8、摘錄水位值；次觀測或摘錄水位值；n為觀測或摘錄次數(shù)。為觀測或摘錄次數(shù)。 所獲得的水位資料都是瞬時值。水位資料整理就是將瞬時所獲得的水位資料都是瞬時值。水位資料整理就是將瞬時水位值換算水位值換算成日平均水位成日平均水位(0:00-24:00)；同時摘錄年、月、日最；同時摘錄年、月、日最高、最低水位和整理洪水水位過程線。高、最低水位和整理洪水水位過程線。 2 當不等時距觀測或摘錄水位時，日平均水位計算采用當不等時距觀測或摘錄水位時，日平均水位計算采用加權平均法，又稱面積包圍法求取加權平均法，又稱面積包圍法求取tZ洪水水位過程洪水水位過程WUHEE面積包圍法示意圖面積包圍法示意圖Z0Z1Z3 Z2

9、Zn-2 Zn-1 Zn0時時24時時ancmbnZZbZZaZZnTZnn)(21)(21)(2112110個梯形面積之和日nZnmZcbZbaZaZZnn)()()(4811210日式中，式中，a，b，c，m，n相鄰兩次水位間的時距，單位相鄰兩次水位間的時距，單位h； T=a+b+c+ +m+n=24小時；小時； Z0, Z1, Z2, , Zn-1, Zn 為各次觀測的水位，單位為各次觀測的水位，單位m。WUHEE根據(jù)日平均水位可計算月平均水位、年平均水位。根據(jù)日平均水位可計算月平均水位、年平均水位。WUHEE3.3 流量測驗與整理流量測驗與整理概述概述 測流方法很多，如測流方法很多，如

10、 流量是河流最重要的水文特征值。如何獲取它是水文測量流量是河流最重要的水文特征值。如何獲取它是水文測量工作的一個重要內(nèi)容。工作的一個重要內(nèi)容。(1) 流速面積法流速面積法 有有流速儀流速儀法法、浮標法等。、浮標法等。(2) 水力學法水力學法 有量水建筑有量水建筑物和水工建筑物測流。物和水工建筑物測流。(3) 化學法化學法 又稱溶液法、又稱溶液法、稀釋法、混合法。稀釋法、混合法。(4) 物理法物理法 有超聲波法、電磁法和光學法。有超聲波法、電磁法和光學法。(5) 直接法直接法 有容積法和重量法。有容積法和重量法。WUHEE二二 流速儀測流流速儀測流流速分布示意圖流速分布示意圖相相對對水水深深 1

11、 1 原理原理 Q=qi=ViAiViAi Q=AV 由上式知，流量測驗包括由上式知，流量測驗包括3部分：部分：斷面面積測量斷面面積測量、流速測量流速測量及及流量計算流量計算。 在過水斷面上，流速隨水平及垂直方向的位置不同而變化，在過水斷面上，流速隨水平及垂直方向的位置不同而變化，即即V=f(b,h)。 因因f(b,h)的關系復雜、目前尚不能用數(shù)學公式表的關系復雜、目前尚不能用數(shù)學公式表達。達。WUHEE (1) 布設測布設測(深深)速垂線，測量各垂線的深度速垂線，測量各垂線的深度hi和相鄰垂線間的距離和相鄰垂線間的距離bi； 部分平均流速部分平均流速Vi：岸邊部分：岸邊部分 中間部分中間部分

12、 部分面積部分面積Ai： 岸邊部分岸邊部分 中間部分中間部分2 布驟布驟(4) 計算部分流量計算部分流量qi=ViAi，部分流量之和即為部分流量之和即為Q。 (2) 在測速垂線上布設測點，用流速儀測速，計算各在測速垂線上布設測點，用流速儀測速，計算各垂線平均流速垂線平均流速vmi； (3) 部分平均流速部分平均流速Vi和部分面積和部分面積Ai計算；計算； Q=qi=ViAiWUHEE 垂線布點方式：垂線布點方式：0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0（相對水深）。垂線平均速度視（相對水深）。垂線平均速度視測點數(shù)，分別按下式計算：測點數(shù)，分別按下式計算：)2222(101 )233(10

13、1 )(31 )(21 0 . 18 . 06 . 04 . 02 . 00 . 00 . 18 . 06 . 02 . 00 . 08 . 06 . 02 . 08 . 02 . 06 . 0vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvmimimimimi六點法：五點法：三點法：二點法：一點法：為岸邊流速系數(shù).WUHEE（3 3）流速測量）流速測量見表見表3-1WUHEE 三三 流量資料整編流量資料整編1、繪制水位流量關系曲線；、繪制水位流量關系曲線； 2、計算日平均流量；、計算日平均流量；4、編制流量資料整編成果表。編制流量資料整編成果表。 整編的內(nèi)容：整編的內(nèi)容：3、計算旬、月、年平均流

14、量；、計算旬、月、年平均流量； 測流工作量測流工作量 大，程序復雜，不可能隨時測流；水位觀測大，程序復雜，不可能隨時測流；水位觀測相對簡單、快捷。由于水位與流量存在著一定的關系。因此，相對簡單、快捷。由于水位與流量存在著一定的關系。因此，流量資料整編的關鍵在于繪制水位流量關系曲線。流量資料整編的關鍵在于繪制水位流量關系曲線。WUHEE 1 穩(wěn)定的水位流量關系曲線穩(wěn)定的水位流量關系曲線 由曼寧公式由曼寧公式 V=R2/3I1/2/n，可得流量：，可得流量： Q=AV=AR2/3I1/2/n式中，式中，Q流量流量( (m3/s) )；A過水斷面面積過水斷面面積( (m2) )；R水力半徑；水力半徑

15、；I水面比降；水面比降；n糙率。糙率。 當河段和測站控制良好，河道水流接近均勻流時，在同當河段和測站控制良好，河道水流接近均勻流時，在同一水位下，一水位下，A，R，I，n均保持不變，或它們對流量的影響相均保持不變，或它們對流量的影響相互抵消，水位流量關系穩(wěn)定，呈互抵消，水位流量關系穩(wěn)定，呈單一曲線單一曲線。( (一一) )水位水位流量關系曲線繪制流量關系曲線繪制WUHEEAAWUHEE 2 不穩(wěn)定的水位流量關系曲線不穩(wěn)定的水位流量關系曲線 從公式從公式Q=AV=A R2/3I1/2/n知，當水位知，當水位Z不變時，不變時， A、R、I、n中任意一項發(fā)生變動，中任意一項發(fā)生變動，Q都不是定值，則

16、水位流量關系曲線都不是定值，則水位流量關系曲線不是單一的。有下面幾種情況：不是單一的。有下面幾種情況：(1) 受河床沖淤影響的水位流量關系曲線受河床沖淤影響的水位流量關系曲線 WUHEE圖圖3-93-9(2) 受洪水漲落影響的水位流量關系曲線受洪水漲落影響的水位流量關系曲線 洪水水面沿河道發(fā)生高低起伏的一種波動，稱為洪水波。洪水水面沿河道發(fā)生高低起伏的一種波動，稱為洪水波。 穩(wěn)定流水面比降穩(wěn)定流水面比降i0、洪水波的水面比降、洪水波的水面比降i。 波前部分波前部分ii0，波后部分，波后部分ii0。i=i-i0附加比降。附加比降。 當河流穩(wěn)定時，當河流穩(wěn)定時，i=0；漲洪時，；漲洪時，i0；落洪

17、時，；落洪時，i0WUHEE (3) 受變動回水影響的水位流量關系受變動回水影響的水位流量關系 下游回水頂托，導致水下游回水頂托，導致水面比降減少，由曼寧公式面比降減少，由曼寧公式 Q=AV=A R2/3I1/2/n知知 在相同水位下，比降在相同水位下，比降小的流量變小。小的流量變小。WUHEE ( (二二) )水位流量關系曲線延長水位流量關系曲線延長 一般水位流量關系曲線的水位在正常變幅內(nèi)，最高水位一般水位流量關系曲線的水位在正常變幅內(nèi)，最高水位和最低水位對應的流量無法獲取。因此，需對水位流量關系曲和最低水位對應的流量無法獲取。因此，需對水位流量關系曲線進行延長。線進行延長。1 高水延長高水

18、延長(1) 水位面積、水位流速延長法水位面積、水位流速延長法WUHEE Q=AV=AR2/3I1/2/n= (AR2/3)(S1/2/n)式中，式中，A、R、n同前，同前，S=I, ,為比降；其中為比降；其中S1/2/nv/R2/3。 繪制繪制ZAR2/3曲線和曲線和ZS1/2/n并延長。并延長。(2) 曼寧公式延長法曼寧公式延長法WUHEE 2 低水延長低水延長 方法：方法：(1)水位面積、水位流速延長法水位面積、水位流速延長法 (2)以斷流水位以斷流水位Z0作控制進行水位流量關系曲線延長。作控制進行水位流量關系曲線延長。 WUHEE方法方法2 (1) 確定斷流水位確定斷流水位Z0(是指流量

19、為零時的相應水位是指流量為零時的相應水位)。 (2) 假定低水時水位流量關系式：假定低水時水位流量關系式：nZZKQ)(0bcabcaZZZZZZZ220 (3) 在水位流量曲線中、低水彎曲部分順序取在水位流量曲線中、低水彎曲部分順序取a、b、c三點三點 (Za，Qa)、(Zb，Qb)、(Zc，Qc)其中要求滿足其中要求滿足Q2b=QaQc。代入上式，得：。代入上式，得：以以(Z0，0)為控制點，延長得低水曲線。為控制點，延長得低水曲線。WUHEE 1、當一日水位變化平穩(wěn)時，用日平均水位在水位流量關系曲線上查得、當一日水位變化平穩(wěn)時，用日平均水位在水位流量關系曲線上查得日平均流量。日平均流量。

20、 2、當一日水位變化較大時，用一日內(nèi)各次水位從水位流量關系曲線上、當一日水位變化較大時，用一日內(nèi)各次水位從水位流量關系曲線上查得相應流量，再按算術平均法或面積包圍法計算日平均流量。查得相應流量，再按算術平均法或面積包圍法計算日平均流量。 3、旬、月、年平均流量計算、旬、月、年平均流量計算 日平均流量日平均流量 旬、月、年平均流量旬、月、年平均流量(算術平均法算術平均法) 4、編制流量資料整編成果表編制流量資料整編成果表 實測流量成果表實測流量成果表記錄了一年各次測流的基本情況記錄了一年各次測流的基本情況( (水位、斷面面水位、斷面面 積、斷面平均流速、測流方法積、斷面平均流速、測流方法) )

21、實測大斷面成果表實測大斷面成果表 逐日平均流量表逐日平均流量表 一年每日平均流量一年每日平均流量 洪水水文要素摘錄表洪水水文要素摘錄表 洪水水位及流量變化過程資料洪水水位及流量變化過程資料(三三) 流量推求流量推求由水位流量關系曲線，可推求任意水位對應的流量。由水位流量關系曲線，可推求任意水位對應的流量。WUHEEWUHEEWUHEEWUHEEWUHEEWUHEE3.4 水文資料收集水文資料收集1 洪水調(diào)查洪水調(diào)查 包括調(diào)查洪水痕跡、洪水發(fā)生時間、災情測量、洪水痕包括調(diào)查洪水痕跡、洪水發(fā)生時間、災情測量、洪水痕跡的高程；了解調(diào)查河段的河槽情況；了解流域自然地理情跡的高程；了解調(diào)查河段的河槽情況

22、；了解流域自然地理情況；測量調(diào)查河段的縱橫斷面；必要時應在調(diào)查河段進行簡況；測量調(diào)查河段的縱橫斷面；必要時應在調(diào)查河段進行簡易地形測量；對調(diào)查成果進行分析，推算洪水總量、易地形測量；對調(diào)查成果進行分析，推算洪水總量、洪峰流洪峰流量量、洪水過程及、洪水過程及重現(xiàn)期重現(xiàn)期，最后寫出調(diào)查報告。，最后寫出調(diào)查報告。 計算洪峰流量時，若調(diào)查的洪痕靠近某一水文站，可先計算洪峰流量時，若調(diào)查的洪痕靠近某一水文站，可先求水文站基本水尺斷面處的洪水位高程，通過延長該站的水求水文站基本水尺斷面處的洪水位高程，通過延長該站的水位流量關系曲線，推求洪峰流量。位流量關系曲線，推求洪峰流量。一 水文調(diào)查水文調(diào)查 水文調(diào)查

23、包括洪水、枯水和暴雨調(diào)查。目的是調(diào)查測站水文調(diào)查包括洪水、枯水和暴雨調(diào)查。目的是調(diào)查測站及其它必要地點的特大洪水流量、暴雨量和最小枯水流量等，及其它必要地點的特大洪水流量、暴雨量和最小枯水流量等，為水文分析計算提供資料。為水文分析計算提供資料。WUHEE*用比降法計算洪峰流量用比降法計算洪峰流量式中式中 Q洪峰流量，洪峰流量，m3/s； S水面比降，水面比降，； K河段平均輸水率河段平均輸水率; n糙率；糙率； A河段平均斷面積，河段平均斷面積，m2； R河河 段平均水力半徑，段平均水力半徑，m。a 勻直河段洪蜂流量計算勻直河段洪蜂流量計算 在新調(diào)查的河段無水文站情況下，洪水調(diào)查的洪峰流量可在

24、新調(diào)查的河段無水文站情況下，洪水調(diào)查的洪峰流量可采用下列公式估算。采用下列公式估算。2/1KSQ 3/21ARnK WUHEEb 非勻直河段洪峰流量計算非勻直河段洪峰流量計算式中式中 Se能面比降；能面比降； h上、下兩斷面的水面落差，上、下兩斷面的水面落差，m；2/1eKSQ LgVgVhSe2222下上3/21ARnK L兩斷面間距，兩斷面間距，m。 、 分別為上下兩斷面的平均流速，分別為上下兩斷面的平均流速，m/s；下V上V 糙率糙率n確定，可根據(jù)實測成果繪水位糙率曲線備查或查確定，可根據(jù)實測成果繪水位糙率曲線備查或查糙率表，或參考附近水文站。糙率表，或參考附近水文站。WUHEE 以降雨

25、為洪水成因的地區(qū)，洪水的大小與暴雨大小密以降雨為洪水成因的地區(qū)，洪水的大小與暴雨大小密切相關，暴雨調(diào)查資料對洪水調(diào)查成果起旁證作用。洪水切相關，暴雨調(diào)查資料對洪水調(diào)查成果起旁證作用。洪水過程線的繪制、洪水的地區(qū)組成，也需要組合面上暴雨的過程線的繪制、洪水的地區(qū)組成，也需要組合面上暴雨的資料進行分析。資料進行分析。二、暴雨調(diào)查二、暴雨調(diào)查 暴雨調(diào)查的主要內(nèi)容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起暴雨調(diào)查的主要內(nèi)容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄時間、暴雨變化過程及前期雨量惜況、暴雨走向及當時迄時間、暴雨變化過程及前期雨量惜況、暴雨走向及當時主要風向風力變化等。主要風向風力變化等。 對歷史暴雨的調(diào)查，一般通過群眾對當時雨勢的回憶對歷史暴雨的調(diào)查，一般通過群眾對當時雨勢的回憶或與近期發(fā)生的某次大暴雨對比，得出定性概念；也可通或與近期發(fā)生的某次大暴雨對比，得出定性概念；也可通過群眾對當時地面坑塘積水、露天水缸或其他器皿承接雨過群眾對當時地面坑塘積水、露天水缸或其他器皿承接雨量作定量估計，并對一些雨量記錄進行復核，對降雨的時、量作定量估計，并對一些雨量記錄進行復核，對降雨的時、空分布作出估計?？辗植甲鞒龉烙嫛UHEE 遙感技術使人們能從宇宙空間的高度、大范圍、快速、遙感技術使人們能從宇宙空間的高度、