工程水文学3、水文信息采集.pptx

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1、第三章 水文信息的采集与处理水文测验学水文测验学是水文学的重要组成部分，它是水文学的重要组成部分，它是研究水文资料信息的测量、计算与数据是研究水文资料信息的测量、计算与数据处理原理和方法的一门学科。处理原理和方法的一门学科。水文测验学的主要任务水文测验学的主要任务根据国民经济发展的需要，进行水文站网的规划与测站的布设；通过定位观测、巡回测验、水文调查等方法，对各种水文要素进行定量观测与分析；经整编、刊印（或存储）成为系统水文资料（水文年鉴）。水文测验学的发展水文测验学的发展 第一阶段萌芽时期（远古1840 年，以水位记录如水则碑和有关水的记载如水经注为标志）第二阶段奠基时期（14001900

2、年，以水位观测仪器如水尺和第一本描述水流运动规律的河流水文学标志着水文理论的初步形成）第三阶段应用发展时期（19001950 年，降雨观测仪器和一些水文理论的发展如1932 年Shelman 的单位线理论、概率论与数理统计引入到水文学中）第四阶段现代水文（1950，现代水文技术的应用，如ADCP、GPS、RS、雷达测雨技术、水情遥测系统、卫星通讯数据传输技术等等）第一节 测站与站网测站测站:在流域内的一定地点按统一的标准在流域内的一定地点按统一的标准对所需要的水文要素做系统观测以获得信对所需要的水文要素做系统观测以获得信息息,并进行处理为即时观测信息的地点。并进行处理为即时观测信息的地点。站网

3、：站网：水文站网是指在一定区域，按一定水文站网是指在一定区域，按一定原则，用适当数量的各类水文测站构成的原则，用适当数量的各类水文测站构成的水文资料收集系统。水文资料收集系统。黄河花园口水文站黄河花园口水文站 水文测站的基本概念水文测站的基本概念基本站基本站:是水文主管部门为全国各地的水文情况是水文主管部门为全国各地的水文情况而设计的，是为国民经济各部门服务的。而设计的，是为国民经济各部门服务的。专用站专用站:是为某种专门目的或用途由是为某种专门目的或用途由各部门自各部门自行设立的，是基本站的补充。行设立的，是基本站的补充。基本站网布设的总原则基本站网布设的总原则 基本站网布设的总原则是以最经

4、济、合理基本站网布设的总原则是以最经济、合理的测站数，收集流域中各种水文要素变化的信息，的测站数，收集流域中各种水文要素变化的信息，并能满足内插流域中任何地点水文特征值的需要。并能满足内插流域中任何地点水文特征值的需要。u测验河段的勘测与选择测验河段的勘测与选择 u布设观测断面布设观测断面水文测站的设立：水文测站的设立：测验河段的勘测测验河段的勘测 勘测前的准备工作 现场调查 野外测量 编写勘测报告选择测验河段总原则选择测验河段总原则 首先必须满足设站目的和要求。保证各级水位下（枯、洪水期）测验资料具有必要的精度。符合观测方便、建站及测验设施经济，测验资料计算整编简单的要求。1）具体选择测验河

5、段具体选择测验河段 测站水位与流量呈稳定关系。该关系往往受断面控制断面控制和河槽控制河槽控制。断面控制(B、hk)。例如临界流河槽控制（Z、n、S、A）。例如不均匀缓流平原河流应尽量选择河道顺直、匀整、稳定的河段。山区河流应选在有石梁、急滩、卡口、弯道的上游附近规整的河段上。选择河段应避开受人为干扰的码头、港口。1.1.基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流中断面，最好设在测验河段的中央并尽量合而中断面，最好设在测验河段的中央并尽量合而为一，断面的方向应垂直于断面平均流向。为一，断面的方向应垂直于断面平均流向。断面布设的要求是断面布设的要求是:2.2.在浮

6、标测流中断面的上、下游相等距离处布在浮标测流中断面的上、下游相等距离处布设上、下辅助断面，其间距既要保证浮标流速设上、下辅助断面，其间距既要保证浮标流速的代表性，又要满足计时测量的精度。可用误的代表性，又要满足计时测量的精度。可用误差概念来推算间距。差概念来推算间距。3.3.比降上、下断面应布设在基本水尺断面的上、比降上、下断面应布设在基本水尺断面的上、下游，其间距应满足比降观测的精度。下游，其间距应满足比降观测的精度。基线基线 在测验河段进行水文测验时，用经纬仪或六分仪测角交会法为推求测验垂线在断面上的位置（起点距）而在岸上布设的线段。其垂直与测流断面，起点应在测流断面线上。虹吸式自记雨量计

7、的一般构造如图所示。雨水从承雨器流入容器内。器内浮子随水面上升，并带动自记笔在附于时钟上记录纸上画出曲线，当容器内的水面升至虹吸筒的喉部时，容器内的水就通过虹吸管排至储水瓶，与此同时，自记笔亦下落至原点，以后再随着降再量增加而上升。降水量单位以毫米(mm)表示，其记录精度要求如下：1)需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站和蒸发站，必须记至0.1mm，不足0.05mm 的降水不做记载。2)不需要雨日资料的雨量站，可记至0.2mm；多年平均降水量大于800mm 地区，亦可记至0.5mm。3)无人驻守观测的雨量站和汛期雨量站，可记至0.5mm，多年平均降水量大于800mm 地区，也可记至l.0mm。

8、第三节 水位观测水位水位，是指河流、湖泊、水库及海洋等水，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，以体的自由水面离开固定基面的高程，以m m计。计。固定基面：固定基面：目前全国统一采用目前全国统一采用黄海基面黄海基面，以往使用过大沽基面、吴淞基面、珠江基以往使用过大沽基面、吴淞基面、珠江基面等。面等。使用水位资料时一定要查清其基面。使用水位资料时一定要查清其基面。能够控制水位变化的过程，保证水位资能够控制水位变化的过程，保证水位资料的连续性。料的连续性。严格按照水文测验规范进行水位观严格按照水文测验规范进行水位观测。测。3.1 水位观测的要求水位观测的要求水位观测的常用设

9、备有水位观测的常用设备有水尺水尺和和超声波水位超声波水位计。计。3.2 水位的水位的观测观测设备设备水位观测示意图水位观测示意图3.3 水尺的布设与观读范围水位平稳时，每日水位平稳时，每日8 8时观测一次。时观测一次。水位变化缓慢时（日变幅在水位变化缓慢时（日变幅在0.12m0.12m以内），每日以内），每日8 8、2020时各观测一次。时各观测一次。日变幅在日变幅在0.12m-0.24m0.12m-0.24m时，每日时，每日2 2、8 8、1414、2020时各观测一次，采用时各观测一次，采用4 4段制观测。段制观测。总之，水位观测次数要随水位变化迅速程度来总之，水位观测次数要随水位变化迅速

10、程度来加密，有峰谷时，还要读出波峰和波谷的读数。加密，有峰谷时，还要读出波峰和波谷的读数。3.4 水位观测制度水位观测制度平静时观读水尺读数风浪时观读水尺读数3.5 水位计算水位计算1.1.算术平均法算术平均法2.2.一日内水位平稳，或虽有变化，但观测一日内水位平稳，或虽有变化，但观测时距相等，则可将各次观测值相加，取其平时距相等，则可将各次观测值相加，取其平均值。均值。日平均水位的计算日平均水位的计算2.2.面积包围法面积包围法 一日内水位变化较大，而且观测时距不等，一日内水位变化较大，而且观测时距不等，即将本日零时至即将本日零时至2424时水位过程线所包围的面时水位过程线所包围的面积，除以

11、一日时间而求得。积，除以一日时间而求得。日平均水位的计算日平均水位的计算 观测以及分析计算出的水文资料可以观测以及分析计算出的水文资料可以整编成日、月、年平均水位和平均流量，整编成日、月、年平均水位和平均流量，汛期水位和流量过程，刊登于水文年鉴或汛期水位和流量过程，刊登于水文年鉴或水文数据库。水文数据库。3.6 水位和流量资料整编水位和流量资料整编第四节 流量测验测流的方法：测流的方法：n流速面积法（流速仪测流、浮标法测流等）流速面积法（流速仪测流、浮标法测流等）n水力学法（量水建筑物等）水力学法（量水建筑物等）n化学法（溶液法、稀释法等）化学法（溶液法、稀释法等）n物理法（超声波法、光学法等

12、）物理法（超声波法、光学法等）流速仪测流由于河流断面上的流速是不均匀的，需分块计算由于河流断面上的流速是不均匀的，需分块计算平均流速和流量，首先用从水面至河底的数条垂线将平均流速和流量，首先用从水面至河底的数条垂线将测流断面划分成数块部分面积测流断面划分成数块部分面积A A1 1，A A2 2A A，然后，然后测出每块小面积上的平均流速测出每块小面积上的平均流速，。根据。根据下式计算流量：下式计算流量：河流断面河流断面测深垂线测深垂线部分面积部分面积A1A2A3A4A5A6A7A8部分面积平均流速部分面积平均流速V2V1V3V7V4V6V8V5断面流量计算示意图断面流量计算示意图断面流量测验示

13、意图断面流量测验示意图B(m)O布设测深垂线测布设测深垂线测水深水深 H(m)测算测算间距间距b1b2b3b4b5b6b7b8布设测速垂线测流布设测速垂线测流速速V1，V2，V3，V4，V5，V6，V1，H2H1H5H3H6H4H7 V （m3/s)测量各垂线上的水深一般采用测量各垂线上的水深一般采用测深锤、测深杆测深锤、测深杆，水深很深时亦可采用水深很深时亦可采用超声波仪器测深超声波仪器测深。由此可得。由此可得各垂线水深各垂线水深 H，HHn。部分面积计算采用部分面积计算采用梯形法。梯形法。测量起点距的方法有测量起点距的方法有断面索法、仪器测角交断面索法、仪器测角交会法、会法、GPSGPS定

14、位法定位法等。由此可得各垂线水深等。由此可得各垂线水深 b b1 1，b bbbn n。1 1 部分面积测量部分面积测量 2.部分面积平均流速测验 测深垂线一般也是测速垂线。常用一点法，二点法，三点法和五点法四种。H(m)V(m/s)0.6一点法Vm=V0.60.20.8二点法Vm=1/2（V0.2+V0.8）三点法Vm=1/3（V0.2+V0.6+V0.8）各部分面积平均流速计算如下：各部分面积平均流速计算如下：中间部分中间部分 两岸水边两岸水边 式中，式中，称岸边系数，斜坡岸边称岸边系数，斜坡岸边0.670.670.750.75；陡岸陡岸0.80.80.90.9；死水区；死水区0.50.5

15、0.370.37。死水。死水区不计算流量。区不计算流量。V1=Vm1Vn+1=VmnVi=1/2(Vmi-1+Vmi)3 3部分流量的部分流量的计算算 由各部分的由各部分的部分平均流速与部分面积之积得部分平均流速与部分面积之积得到部分流量。到部分流量。4.4.断面流量及其他水力要素的断面流量及其他水力要素的计算算 断面流量断面流量 断面平均流速断面平均流速 断面平均水深断面平均水深qi=ViAi 在洪水期水位较高无法采用流速仪测流，或在洪水期水位较高无法采用流速仪测流，或洪水调查时，常采用洪水调查时，常采用浮标测速方法。浮标测速方法。现在，一些测站应用超声波测速方式，观测现在，一些测站应用超声

16、波测速方式，观测断面流速和流量。断面流速和流量。当水文资料缺乏和不充分时，需进行洪水调当水文资料缺乏和不充分时，需进行洪水调查。查。n水文年鉴和水文数据库水文年鉴和水文数据库(水文要素、测水文要素、测站分布图、各水文站位置图、说明表等站分布图、各水文站位置图、说明表等）n水文手册和水文图集水文手册和水文图集（等值线图、经验等值线图、经验公式、图表、关系曲线公式、图表、关系曲线）n水文调查水文调查收集水文信息的基本途径：收集水文信息的基本途径：第九节第九节 水文信息处理水文信息处理 水文信息的处理水文信息的处理就是按照科学的方法、统一的格式整理、分析、统计、提炼成为系统、完整、有一定精度的水文信

17、息资料，供水文水资源计算、科学研究和有关国民经济部门应用。又叫资料整编资料整编。收集水位、流量及有关资料。收集水位、流量及有关资料。审核水位、流量原始资料。审核水位、流量原始资料。确定整编方法确定整编方法作单站合理性检查及编制有关整编说明。作单站合理性检查及编制有关整编说明。水位、流量资料整编的内容水位、流量资料整编的内容水位资料整编的意义水位资料整编的意义 水位资料是最基本的水文要素，在流量和泥沙资料的整编过程中，都以水位为基础进行推算，若水位资料整编不当，必将引起一系列整编成果的返工。因此，必须高度重视水位资料的整编工作。水位资料整编的内容水位资料整编的内容考证水尺零点高程。审核水位原始资

18、料，计算逐时和逐日平均水位，编制日平均水位或水位月、年统计表。绘制逐时和逐日平均水位过程线。编制洪水水位摘录表及水位资料整编说明书。流量资料整编流量资料整编 流量资料整编中最关键的部分是制定水位流量关系曲线，然后水位在水位流量关系曲线上推求流量，再计算日、月、年平均流量及挑选各种特征流量。水位流量关系曲线水位流量关系曲线是指基本水尺断面的水位与通过该断面的流量之间建立的关系。稳定单一的水位流量关系：水位水位Z(m)流量流量Q(m3/s)稳定的水位流量关系曲线稳定的水位流量关系曲线水位Z(m)流量流量Q(mQ(m3 3/s)/s)受洪水涨落影响的水位流量关系曲线受洪水涨落影响的水位流量关系曲线Q落Q涨涨水落水稳定水位Z(m)流量流量Q(mQ(m3 3/s)/s)受冲淤影响的水位流量关系曲线受冲淤影响的水位流量关系曲线Q淤Q冲冲后淤后稳定Q稳 断流水位的推求Z0：基于“两个假定”。两个两个假定假定习题：3-1、3-2