第三章 水文信息的采集与处理
水文测验学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
处理原理和方法的一门学科。
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
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(1400~1900 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(1900~1950 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: 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
息,并进行处理为即时观测信息的地点。
站网: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
水文资料收集系统。
黄河花园口水文站
水文测站的基本概念
基本站: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。
专用站 :是为某种专门目的或用途由 各部门自行
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,
并能满足内插流域中任何地点水文特征值的需要。
测验河段的勘测与选择
布设观测断面
水文测站的设立:
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
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)具体选择测验河段
测站水位与流量呈稳定关系。该关系往往受
断面控制和河槽控制。
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.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
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:
2.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
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。
3.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。
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,不足 的降水不做
记载。
2)不需要雨日资料的雨量站,可记至;多
年平均降水量大于800mm 地区,亦可记至。
3)无人驻守观测的雨量站和汛期雨量站,可记至
,多年平均降水量大于800mm 地区,也可
记至。
第三节 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。
固定基面:目前全国统一采用黄海基面,
以往使用过大沽基面、吴淞基面、珠江基
面等。
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
料的连续性。
严格按照《水文测验规范》进行水位观
测。
水位观测的要求
水位观测的常用设备有水尺和超声波水位
计。
水位的观测设备
水位观测示意图
水尺的布设与观读范围
水位平稳时,每日8时观测一次。
水位变化缓慢时(日变幅在以内),每日8
、20时各观测一次。
日变幅在 - 时,每日2、8、14、20
时各观测一次,采用4段制观测。
总之,水位观测次数要随水位变化迅速程度来
加密,有峰谷时,还要读出波峰和波谷的读数。
水位观测制度
平静时观读水尺读数
风浪时观读水尺读数
水位计算
1.算术平均法
2. 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
均值。
日平均水位的计算
2.面积包围法
一日内水位变化较大,而且观测时距不等,
即将本日零时至24时水位过程线所包围的面
积,除以一日时间而求得。
日平均水位的计算
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,
汛期水位和流量过程,刊登于水文年鉴或
水文数据库。
水位和流量资料整编
第四节 流量测验
测流的方法:
流速面积法(流速仪测流、浮标法测流等)
水力学法(量水建筑物等)
化学法(溶液法、稀释法等)
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
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A1,A2 … An,然后测
出每块小面积上的平均流速V1,V2,Vn。根据下
式计算流量:
河流断面
测深垂线
部分面积
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
A8
部分面积平均流速
V2
V1 V3 V7
V4 V6
V8
V5
断面流量计算示意图
断面流量测验示意图
B(m)O
布设测深垂线测
水深
H
(m)
测算
间距b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8
布设测速垂线测流
速
V1
, V2
, V3
, V4
, V5
,
V6
,
V1
,
H2H1 H5H3 H6H4
H7
V
(m3/s)
测量各垂线上的水深一般采用测深锤、测深杆,
水深很深时亦可采用超声波仪器测深。由此可得
各垂线水深 H1,H2……Hn。部分面积计算采用
梯形法。
测量起点距的方法有断面索法、仪器测角交
会法、GPS定位法等。由此可得各垂线水深 b1,b
2……bn。
1. 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)
一点法 Vm=
二点法 Vm= 1/2(+ )
三点法 Vm= 1/3(+ + )
各部分面积平均流速计算如下:
中间部分
两岸水边
式中,α称岸边系数,斜坡岸边α=~;
陡岸α=~;死水区α=~。死水
区不计算流量。
V1= α Vm1
Vn+1= α Vmn
Vi=1/2(Vmi-1+Vmi)
3.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。
4.断面流量及其他水力要素的计算
断面流量
断面平均流速
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
洪水调查时,常采用浮标测速方法。
现在,一些测站应用超声波测速方式,观测
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
查。
水文年鉴和水文数据库(水文要素、测
站分布图、各水文站位置图、说明表等)
水文手册和水文图集(等值线图、经验
公式、图表、关系曲线)
水文调查
收集水文信息的基本途径:
第九节 水文信息处理
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。
收集水位、流量及有关资料。
审核水位、流量原始资料。
确定整编方法
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
考证水尺零点高程。
审核水位原始资料,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
Z
(m
)
流量
Q(m3/s)
稳定的水位流量关系曲线
水
位 Z
(
m
)
流量
Q(m3/s)
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
Q(m3/s)
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
假定
习题:3-1、3-2