02第三章 水文观测ppt课件.ppt

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1、第三章 水文观测及水文资料收集,重 点,水文信息采集与处理：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 学习本章的目的是要学会收集水文资料，但中心内容是要了解降水、水面蒸发、水位、流量等水文要素测验的一般方法、日平均水位的计算、流量计算，同时对水位流量关系有一定的了解,目 录,第一节 水文测站第二节 水位观测第三节 流量测验第四节 泥沙测验及计算第五节 水质检测第六节 水文资料收集第七节 流量资料整编,第一节 水文测站,一、水文测站,在流域内一定地点(或断面)按照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

2、定的水文观测地点称为水文测站观测项目：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等测站分类按主要观测项目分：水位站、流量站也称水文站）、雨量站、蒸发站等按测站性质分：基本站、专用站。基本站是水文主管部门为全国各地的水文情况而设立的；专用站是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的,站网：测站在地理上的分布网目的：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：指测站及其管理机构所组成的信息采集与处理体系布站原则：通过所设站网采集水文信息，并经过整理分析后,达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征值水文站网规

3、划的任务：研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题,第一节 水文测站,二、水文站网,建站包括选择测验河段和布设观测断面选择测验河段：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,三、水文测站的设立,第一节 水文测站,布设观测断面：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、浮标测流断面及比降断面,第一节 水文测站,三、水文测站的设立,基本水尺断面

4、：设立基本水尺,用来进行常规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,其距离应为断面最大流速的5080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置基本水准点：测定测站上各种高程的基本依据校核水准点：用来校核水尺零点的高程,第一节 水文测站,三、水文测站的设立,驻测：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

5、在着用人多、站点不足、效益低等缺点巡测：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: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。水文调查：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,第一节 水文测站,四、收集水文信息的基本途径,第二节 水文观测,绝对基面：将某一海滨地点平均海水面的高程定为0.000m，作为水准基面。我国曾沿用过大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面，现在统一规定的基

6、面为青岛黄海基面假定基面：这是在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面测站基面：某些水文测站专用的一种假定基面，一般选择在河床最低点或历年最低水位以下0.51.0m处的水平面作为零点来计算水位高度冻结基面：将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的一种基面，也属水文测站专用的另一种假定基面。使用冻结基面可保持测站水位资料的历史连续性水位= 水尺零点高程 + 水尺读数,水位：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,一、基本概念,第一节 水文测站,一、基本概念,水位观测设备：水尺、自记水位计 水位观测内容：基本水尺、比降水尺的水位

7、 基本水尺的观测是分段定时观测。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0.120.24m时，用4段制观测；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。其观测时间和次数，视需要而定,第二节 水文观测,二、 水位观测的仪器,第二节 水文观测,自 记 水 位 计,自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，不遗漏任何突然的变化和转折，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,日平均水位月平均水位年平均水位,2. 计

8、算方法,1.关键指标,算术平均法：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024小时内水位过程线所包围的面积,除以一日时间,第二节 水文观测,三、水位观测资料整理,第二节 水文观测,第三节 流量测验,流量：是单位时间内流过江河某一横断面的水量,m3/s,1. 流量,2. 测流方法,流速面积法：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)水力学法：包括量水建筑物和水工建筑物测

9、流化学法：又称溶液法、稀释法、混合法物理法：超声波法、电磁法和光学法,一、基本概念,将河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，用流速仪施测流速并计算各部分面积上的平均流速，两者的乘积，称为部分流量，各部分流量之和为全断面的流量,1. 测流原理,测流工作分为：河道断面测量、流速测量,第三节 流量测验,二、流速仪测流,第三节 流量测验,二、流速仪测流,流速分布图,2. 断面测量,断面测量工作包括水道断面测量和大断面测量两种，水道断面是指自由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的水面线与岸线、河床线之间的范围,水道断面的测量，是在断面上布设一定数量

10、的测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点断面的起点桩，一般设在左岸的水平距离称为起点距），并同时观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程,水道断面测量,第三节 流量测验,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等测量水深一般用测深杆、测深锤或测深铅鱼、超声波回声测声仪等测量,水道断面测量,第三节 流量测验,第三节 流量测验,水深测量,第三节 流量测验,起点距的测定,断面索法,断面索法是在断面上架设钢丝缆索，每隔适当距离做上标记，并事先测量好它们的位置，测量水深的同时，直接在断面索上读出

11、起点距。这种方法适合于河宽较小、水上交通不多、有条件架设断面索的河道测站，精度较高,第三节 流量测验,交会法,经纬仪岸上交会法：水文站在布设测流断面时，同时布设基线(AC)，并用精确方法量出基线的长度L，测角时，将经纬仪安放在基线的终点,大断面测量,大断面：河道水道断面扩展至历年最高洪水位以上0.51.0m的断面。水上、水下两部分大断面测量是单独进行的，一般在汛前、汛后或较大洪水过后施测，包括水上及水下两部分，水下部分同上述水道断面的施测方法，水上部分采用水准测量方法进行,第三节 流量测验,3. 流速测量,第三节 流量测验,LS68-2型旋杯式流速仪,LS25-1型旋桨式流速仪,第三节 流量测

12、验,3. 流速测量,各种型号的流速仪,K-水力螺距，表示流速仪的转子旋转一周时，水质点的行程长度 N-流速仪在测速历时T内的总转数，一般是根据讯号数，再乘上每一讯号代表的转数求得； T-测速历时，为了消除水流脉动的影响，测速历时一般不应少于100s C-附加常数，表示仪器在高速部分内部各运动件之间的摩阻，称仪器的摩阻常数,4. 流速测量,原理,利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出讯号，便可知道在一定时间内的旋转次数，流速愈大，转轴转得愈快,流速与转速之间的关系,第三节 流量测验,4. 流速测量,测速垂线布置,测速时，要在测流断面上选择若干条垂线作为测速垂线，

13、并在每条测速垂线上选定若干个测点。测速垂线的数目，视水面宽度、水深和测量精度要求而定，在精测法的要求下，最少测速垂线数目如表32所示。测速垂线的位置以能控制断面形状和流速横向分布为原则进行布设,第三节 流量测验,表31 我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定,流速测点布置,每根垂线上的流速随水深的不同而异，为求得垂线平均流速，必须在各测速垂线不同水深点上测速。垂线上流速测点的数目和位置，要根据水深大小、水流情况、有无冰封等情况决定，但无论用任何方法则流，垂线上流速测点的间距都不宜小于流速仪旋桨、旋叶或旋杯的直径,第三节 流量测验,表3-3 流速测点的位置,视垂线上布置的测点情况,分别按下列公

14、式进行计算: 一点法Vm=V0.6 二点法Vm=0.5*(V0.2+V0.8) 三点法Vm=1/3*(V0.2+V0.8+V0.6) 五点法Vm=0.1*(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0),步骤,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,部分流量,全断面流量,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,垂线平均流速的计算,第三节 流量测验,岸边部分:由距岸第一条测速垂线所构成的岸边部分左岸vl=Vml ,右岸vn+1=Vmn。式中，称岸边流速系数,斜坡岸边=0.670.75,一般取

15、0.70,陡岸=0.800.90,死水边=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,部分平均流速,Vi=0.5*(Vmi-1+Vmi),第三节 流量测验,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, 首先计算测深垂线间的断面面积 计算方法：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。,第三节 流量测验,部分流量的计算,断面流量及其他水力要素的计算,

16、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 式中,qi、vi、Ai分别为第i个部分的流量、平均流速和断面积,断面流量断面平均流速,第三节 流量测验,浮标法测流,浮标测流是通过观测水流夹带浮标的移动速度求得水面虚流速，利用水面虚流速推求断面虚流量，然后乘以浮标系数得测流断面流量,根据每个浮标的虚流速及浮标通过中断面的起点，在中断面图上绘制虚流速分布图，由于每个浮标经过中断面时的起点距不是固定的，不能直接求出断面各垂线上的虚流速，要在虚流速分布图上内插求得。然后根据断面垂线的起点距、水深和内插求得的虚流量，用上述流速仪测速的流量计算方法，算出测流断面虚流量，再乘以浮标系数，

17、即得测流断面流量,第三节 流量测验,悬移质泥沙：泥沙悬浮于水中并随之运动推移质泥沙：泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动河床质泥沙：相对静止而停留在河床上,一、河流泥沙分类,第四节 泥沙测验及计算,测验悬移质泥沙含沙量，一般运用横式采样器和瓶式采样器。测验时，先用采样器在每条垂线上的不同深度处取水样，然后经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，可测得水样体积V和干沙重Ws，各测点含沙量可表示为下式。根据各相应测点的流速加权可计算垂线平均含沙量,计算思路,二、 悬移质泥沙测验及计算,第四节 泥沙测验及计算,单点含沙量表示,垂线平均含沙量表示,五点法,三点法,断面输沙率,第四节 泥沙测验及计算,计算思路

18、,测验推移质泥沙时，首先在断面上有推移质泥沙的范围内布置若干测线，并尽可能与悬移质输沙率测验垂线重合。在河底放置采样器，直接采取推移质沙样。在测定沙样体积和沙样干重后，计算垂线的基本输沙率，从而推算断面推移质输沙率。垂线基本输沙率qb可用下式求取,式中Wb为推移质沙样重g），t为取样历时(s)，bk为取样器的进口宽度(cm),三、 推移质泥沙测验及计算,第四节 泥沙测验及计算,二、地面水采样,第五节 水质监测,1. 采样断面和采样点的设置,在大量废水排人河流的主要居民区，工业区的上、下游湖泊、水库、河口的主要出入口舶河流主流、河口、湖泊水库的代表性位置如主要的用水地区等主要文流汇入主流、树流或

19、沿海水域的汇合,在污染物完全混合的河段中，断面上的任一位置，都是理想的采样点；若各水质参数在采样断面上，各点之间有较好的相关关系，可选取一适当的采样点,第五节 水质监测,2. 采样垂线与采样点位置的确定,河流上采样垂线的布置,第五节 水质监测,2. 采样垂线与采样点位置的确定,湖泊(水库)采样垂线的分布,采样垂线上采样点的布置,第五节 水质监测,3. 采样时间和采样频率,采集的水样要具有代表性，并能同时反映出空间利时间上的变化规律为使于进行资料分析，同一江河(湖、库)应力求同步采样、但不宜在大雨时采样。在工业区或城镇附近的河段应在汛前一次大雨和久旱后第一次大雨产流后，增加一次采样,第五节 水质

20、监测,4. 采样方法,自来水的采集。先放水数分钟，使积累在水管中的杂质及陈旧水排除后再取样。样器须用采集水样洗涤3次 河湖水库水的采集。考虑其水深和流量，表层水样可直接将采样器放入水面下0.30.5m处采样，采样后立即加盖塞紧，避免接触空气 工业废水和生活污水的采集。常用采样方法有：瞬时个别水样法；平均水样法；比例组合水样法,第六节 水文调查和遥感,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,流域调查、水量调查、洪水与暴雨调查、其它专项调查,洪水调查：包括洪水痕迹、发生时间、灾情测量、洪水痕迹

21、的高程，河槽、断面情况，推算洪水总量、洪峰流量、洪水过程线及重现期，调查报告暴雨调查：暴雨成因、暴雨量、暴雨起讫时间、暴雨变化过程及前期雨量、暴雨走向及当时主要风力变化等,一、水文调查的目的,二、水文调查的内容,第六节 水文调查和遥感,历史洪水调查,遥感技术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,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

22、和土壤面积、含水层分布以估算地下水储量水质监测: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,三、水文遥感,第六节 水文调查和遥感,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河口、湖泊、水库的泥沙淤积及河床演变,古河道的变迁等 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,三、水文遥感,第六节 水文调查和遥感,第六节 水文调查和遥感,第六节 水文调查和遥感,第六节 水文调查和遥感,

23、1. 定义,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、完好、有一定精度的水文资料,供水文水资源计算、其它科学研究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,2. 内容,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,流量资料整编；水位流量关系的确定；逐时、逐日值的推求,3. 重点,一、背景,第七节 水文数据处理,1. 稳定的水位流量关系曲线,同一水位只有一个相应的流量，它们两者的关系成为单一的曲线,二、水位流量关系曲线的确定,第七节 水文数据处

24、理,2. 不稳定的水位流量关系,河槽冲淤影响,在控制河段或控制断面，因冲淤影响而使测站的控制条件发生了变化，使水位流量关系不稳定。当河床受冲时，断面面积增大，同一水位的流量变大；当河床受淤时，断面面积减小，同一水位的流量变小,第七节 水文数据处理,2. 不稳定的水位流量关系,洪水涨落影响,洪水波在河道中传播时，属于不稳定流，产生了附加比降。当涨水时，水面比降较稳定流时的水面比降大，同一水位的流量也就增大；退水时，流量则减小，致使一次洪水过程的水位流量关系渠线依时序形成一个逆时针方向的绳套曲线,第七节 水文数据处理,2. 不稳定的水位流量关系,变动回水影响,由于测流断面下游的干支流涨水，下游闸门

25、关闭及结冰等影响，引起回水顶托，导致水面比降发生改变。回水顶托愈严重，水面比降变得愈小，同水位的流量较稳定流时减小较多。回水顶托影响的水位流量关系点据偏向稳定的水位流量关系曲线的左边,第七节 水文数据处理,处理方法,当水位流量关系受多种因素混合影响而连续变化时，常采用“连时序法确定水位流量关系曲线 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。其要求是测流次数较多，能反映水位流量关系变化的转折点，依照测点的时序，就可从曲线上推求各个时期的流量,第七节 水文数据处理,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

26、高低水时水位流量关系的延长,1. 目的,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%,三、水位流量关系的延长,第七节 水文数据处理,2. 高水延长方法,根据水位面积、水位流速关系延长,第七节 水文数据处理,2. 高水延长方法,用曼宁公式延长,有比降和糙率资料的观测站，可点绘水文糙率关系曲线并顺势延长，以此确定高水位时的河床造率。利用高水位时的比降关系实测值，根据大断面资料由曼宁公式计算平均流速，从而得出高水位时的流量,无比降和糙率资料的测站,第七节 水文数据处理,3. 低水延长方法,断流水位是指流

27、量为零时的相应水位。确定断流水位的方法包括：根据测站纵横断面资料作出判断用分析方法推求，适宜于断面形状整齐,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,方法,步骤,式中Zo为断流水位; K、n分别为固定的指数和系数,在水位流量曲线中、低水弯曲部分取三各点Za，Qa）、（Zb，Qb）、（Zc，Qc代入上式可得,第七节 水文数据处理,列逐日平均流量表洪水水文要素摘录表在进行水文分析计算时，应了解全年各次主要洪水的流量过程,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,四

28、、日平均流量计算及合理性经验,五、流量资料整编,第七节 水文数据处理,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，刊印成册的资料称为水文年鉴水文年鉴仅刊布各水文测站的基本资料。1986年起陆续实行计算机存储、检索水文年鉴内容：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、蒸发量等地方水文手册和水文图集,六、水文资料的刊布,第七节 水文数据处理,降水、蒸发、水位、流量、泥沙等都是设站观测，然后计算并进行整理，最后刊印成或存入水文数据库供使用对于一些缺乏资料的中小流域，可以查找当地的或水文图集水位观测和计算比较容易，流量观测和计算比较费事，因此，目前基本上通过建立水位流量关系，由水位变化过程求得流量过程。,小结,