第三章 水文测验及水文资料收集
§ 3.1 概述
§ 3.2 水位观测及计算
§ 3.3 流量观测及计算
§ 3.4 流量资料整编
§ 3.5 河流泥沙的测算
§ 3.6 水文调查
§ 3.7 水文测验资料的收集
3.1 概述
水文测验学 是研究水资源中各种水文要
素的测量、计算与资料整编的原理和方法的
一门科学,即研究水文资料信息的搜集、处
理、存贮和检索的一门科学。
水文测验的根本任务 是根据国民经济发
展的需要,进行水文站网的规划,布设水文
站;采用定位观测、巡回测验、水文调查等
方法测定各种水文要素,包括水位、流量、
水温、降水、蒸发、泥沙的观测以及泥沙颗
粒分析,水质监测和分析;经分析整编,刊
印成为系统的水文资料,如水文年鉴等。因
此,水文测验工作也可称水文资料搜集系统。
根据水文测验资料,可以掌握各地各种
水文要素的变化规律,为水资源的研究评价
和开发利用、防汛抗旱、水资源保护提供情
报,为水利工程的规划设计和管理运用提供
资料,为国防建设以及其他国民经济建设服
务。
水文站 是进行水文测验的观测站,它是
按国家水文测验规范的统一标准对指定地点
的水文要素如水位流量泥沙降水蒸发水温冰
凌水化学地下水等项目做系统观测并对资料
进行整理。
3.2 水位观测及计算
观测常设备有水尺和自记水位计两大类。
采用 水尺 观测时,水面在水尺上的读数
加旧永尺零点高程即为水面水位。
自记水位计 可将水位变化的过程自动记
录下来。
一、水尺
观测时记录水尺读数,水位按下式计算,
水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数
式中,水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的
高程,可以预先测量出来。
二、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。
3.3 流量观测与计算
流速仪定点测速 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 V 1,V 2,Vn 。根据下式计算
流量,
?
?
?
n
1i
ii AvQ
1.部分面积测量
部分面积的垂线也称测深垂线,测量各
垂线上的水深一般采用测深锤深深杆,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,
式中,bi 为第 i 块部分面积水面宽度,而 H
0 = Hn= 0。
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。
? ? n,,2,1i bHH21A ii1ii ???? ?
V (m/s)
H (m) 测速垂线流速分布图
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= 0.67~ 0.75;
陡岸 α= 0.8~ 0.9;死水边 α= 0.5~ 0.37。
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。
? ?j1jj V'V21V ??? ?
11 VV ?? ? 1-nVVn ?? ?
3.4 流量资料整编
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。
稳定的水位流量关系, 流量测验比较困难,而
观测水位很容易,如果水位流量之间的关系较好,
则可以借助水位推求流量。
在河床稳定,控制良好的情况下,水位流量关
系比较稳定。在方格纸上,以纵坐标代表水位,横
坐标代表流量,将实测水位和流量的数据点绘上去。
若点子分布成一带状,且有75%以上的中高水流
速仪测点与平均关系曲线的偏离不超过 ± 5%,则
可以定为单一水位~流量关系曲线。
3.5 河流泥沙的测算
河流中的泥沙,按其运动形式可分三类:
悬移质泥沙 浮于水中并随之运动; 推移质
泥沙 受水流冲击沿河底移动或滚动; 河床
质泥沙 则相对静止而停留在河床上。三者
没有严格的界线,随水流条件的变化而相
互转化。一般情况,河流中泥沙以 悬移质
为主。
一, 悬移质泥沙测验与计算
描述河流中悬移质的情况,常用的两
个定量指标是 含沙量 和 输沙率 。单位体积
内所含干沙的质量,称为含沙量,用 Cs表
示,单位为 kg/m3。单位时间流过河流某断
面的干沙质量,称为输沙率,以 Qs表示,
单位为 kg/s。断面输沙率是通过断面上含
沙量测验配合断面流量测量来推求的。
(一)含沙量的测验
式中 Cs --- 水样含沙量,g/L 或 kg/m3;
Ws --- 水样中的干沙重量,g 或 kg;
V --- 水样体积,L或 m3;
V
WC s
s ?
(二)输沙率测验
输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组
成的。
畅流期的垂线平均含沙量的计算式为,
三点法,
式中 Csm --- 垂线平均含沙量,kg/m3;
Csj --- 测点含沙量,脚标 j为该点的相对水深,
kg/m3;
Vj --- 测点流速,m/s,脚标 j的含意同上;
Vm --- 垂线平均流速,m/s;
a,b --- 一点法的系数,由多点法的资料分析
确定,无资料时可用 1.0。
)VCVCVC(3V 1C 8.08.s06.06.s02.02.s0
m
sm ???
---- 断面输沙率计算
根据各条垂线的平均含沙量 Csmj,配合测流
计算的部分流量,即可算得断面输沙率 Qs(t/s)为,
式中 qi --- 第 i根垂线与第 i-1根垂线间的
部分流量,m3/s;
Csmi --- 第 i根垂线的平均含沙量,
kg/m3。
)qCq)CC(
2
1q)CC(
2
1qC(
1000
1Q
ns m n1-ns m n1s m n2s m 2s m 11s m 1s ??????? ??
---- 断面平均含沙量计算
断面平均含沙量,
(三)悬移质输沙量的计算
根据多次实测的断面平均含沙量和单样含沙
量的成果,以单沙为纵坐标,以相应断沙为横坐
标,点绘单沙与断沙的关系点,并通过点群中心
绘出单沙与断沙的关系线(图 3-26)。利用绘制
的单沙断沙关系,可进一步计算日平均输沙率、
年平均输沙率及年输沙量等。
10 00QC s ?? Q s
二、推移质泥沙测验
推移质输沙率是指单位时间内通过测
验断面的推移质泥沙重量,单位为 kg/s。
推移质取样的方法,是将采样器放到河底
直接采集推移质沙样。由于推移质粒径不
同,推移质采样器分为沙质和卵石两类。
沙质推移质采样器适用于平原河流,我国
自制的这类仪器有黄河 59型和长江大型推
移质采样器。卵石推移质采样器通常用来
施测 1.0~ 30cm粗粒径推移质,主要采用网
式采样器,有软底网式和硬底网式两种。
3.6 水文调查
水文调查是补充定位观测的不足,使水
文资料更加系统完整,更好地满足水资源
开发利用、水利水电建设及其它国民经济
建设的需要的一种有效手段。
一, 洪水的调查
洪水调查工作包括:调查洪水痕迹洪水
发生的时间、灾情测量、洪水痕迹的高程、
了解调查河段的河槽情况;了解流域自然
地理情况;测量调查河段的纵横断面;必
要时应在调查河段进行简易地形测量;对
调查成果进行分析,推算洪水总量、洪峰
流量、洪水过程及重现期,最后写出调查
报告。
当洪水痕迹高程确定以后,可推算出相应于
此洪水位的洪峰流量。常用的方法有,
(1)水位流量关系法,
如果调查河段附近有水文站,则可利用水文
站的水位流量关系曲线加以延长,以求得洪峰流
量。
(2)比降法,
当能够确定调查河段的水面比降或者在没有
水文站的河段上,可采用下式计算。
式中 A,R可根据大断面资料求得,糙率 n根据河段
上河床的情况参考糙率表确定,也可根据附近河
槽情况相似的水文站的糙率资料类比确定,I为洪
水水面比降。
2
1
3
2
IARn1Q ?
二, 暴雨调查
暴雨调查有两种,
调查历史暴雨和调查现代暴雨。
暴雨调查的主要内容有,
暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄时间、暴
雨变化过程及前期雨量情况、暴雨走向及
当时主要风向风力变化等。
三, 枯水调查
历史枯水的调查工作必须在水位极枯
或较枯的时候才能进行,不象对洪水的调
查那样,随时都可以进行。河流沿岸的古
代遗址、古代墓葬、古代建筑物、记载水
情的碑刻题记等考古实物以及文献资料,
都是进行历史水文调查的重要资料。调查
方法与洪水调查方法基本相似,一般比历
史洪水调查更为困难
3.7 水文测验资料的收集
水文资料是水文分析计算的基础,因此在进
行水文计算时首先必须收集水文资料。
水文资料的收集可归纳为两条途径,
一是查阅水文主管部门负责逐年刊印成册的
,水文年鉴, ;
二是借助区域性水文分析成果。
本章小结,
?( 1)掌握流速测验方法,计算方法。掌握资料整
编原则及方法。学会查用水文年鉴,水文手册。
?( 2)了解蒸发、流量的测验方法,各种流速仪的
认识。
?( 3)初步了解降水观测方法。初步了解水位观测、
流速仪测流方法。了解水文调查内容。
?( 4)重点难点:流量测验的几种方法及资料整编。
§ 3.1 概述
§ 3.2 水位观测及计算
§ 3.3 流量观测及计算
§ 3.4 流量资料整编
§ 3.5 河流泥沙的测算
§ 3.6 水文调查
§ 3.7 水文测验资料的收集
3.1 概述
水文测验学 是研究水资源中各种水文要
素的测量、计算与资料整编的原理和方法的
一门科学,即研究水文资料信息的搜集、处
理、存贮和检索的一门科学。
水文测验的根本任务 是根据国民经济发
展的需要,进行水文站网的规划,布设水文
站;采用定位观测、巡回测验、水文调查等
方法测定各种水文要素,包括水位、流量、
水温、降水、蒸发、泥沙的观测以及泥沙颗
粒分析,水质监测和分析;经分析整编,刊
印成为系统的水文资料,如水文年鉴等。因
此,水文测验工作也可称水文资料搜集系统。
根据水文测验资料,可以掌握各地各种
水文要素的变化规律,为水资源的研究评价
和开发利用、防汛抗旱、水资源保护提供情
报,为水利工程的规划设计和管理运用提供
资料,为国防建设以及其他国民经济建设服
务。
水文站 是进行水文测验的观测站,它是
按国家水文测验规范的统一标准对指定地点
的水文要素如水位流量泥沙降水蒸发水温冰
凌水化学地下水等项目做系统观测并对资料
进行整理。
3.2 水位观测及计算
观测常设备有水尺和自记水位计两大类。
采用 水尺 观测时,水面在水尺上的读数
加旧永尺零点高程即为水面水位。
自记水位计 可将水位变化的过程自动记
录下来。
一、水尺
观测时记录水尺读数,水位按下式计算,
水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数
式中,水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的
高程,可以预先测量出来。
二、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。
3.3 流量观测与计算
流速仪定点测速 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 V 1,V 2,Vn 。根据下式计算
流量,
?
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ii AvQ
1.部分面积测量
部分面积的垂线也称测深垂线,测量各
垂线上的水深一般采用测深锤深深杆,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,
式中,bi 为第 i 块部分面积水面宽度,而 H
0 = Hn= 0。
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。
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V (m/s)
H (m) 测速垂线流速分布图
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= 0.67~ 0.75;
陡岸 α= 0.8~ 0.9;死水边 α= 0.5~ 0.37。
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。
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3.4 流量资料整编
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。
稳定的水位流量关系, 流量测验比较困难,而
观测水位很容易,如果水位流量之间的关系较好,
则可以借助水位推求流量。
在河床稳定,控制良好的情况下,水位流量关
系比较稳定。在方格纸上,以纵坐标代表水位,横
坐标代表流量,将实测水位和流量的数据点绘上去。
若点子分布成一带状,且有75%以上的中高水流
速仪测点与平均关系曲线的偏离不超过 ± 5%,则
可以定为单一水位~流量关系曲线。
3.5 河流泥沙的测算
河流中的泥沙,按其运动形式可分三类:
悬移质泥沙 浮于水中并随之运动; 推移质
泥沙 受水流冲击沿河底移动或滚动; 河床
质泥沙 则相对静止而停留在河床上。三者
没有严格的界线,随水流条件的变化而相
互转化。一般情况,河流中泥沙以 悬移质
为主。
一, 悬移质泥沙测验与计算
描述河流中悬移质的情况,常用的两
个定量指标是 含沙量 和 输沙率 。单位体积
内所含干沙的质量,称为含沙量,用 Cs表
示,单位为 kg/m3。单位时间流过河流某断
面的干沙质量,称为输沙率,以 Qs表示,
单位为 kg/s。断面输沙率是通过断面上含
沙量测验配合断面流量测量来推求的。
(一)含沙量的测验
式中 Cs --- 水样含沙量,g/L 或 kg/m3;
Ws --- 水样中的干沙重量,g 或 kg;
V --- 水样体积,L或 m3;
V
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(二)输沙率测验
输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组
成的。
畅流期的垂线平均含沙量的计算式为,
三点法,
式中 Csm --- 垂线平均含沙量,kg/m3;
Csj --- 测点含沙量,脚标 j为该点的相对水深,
kg/m3;
Vj --- 测点流速,m/s,脚标 j的含意同上;
Vm --- 垂线平均流速,m/s;
a,b --- 一点法的系数,由多点法的资料分析
确定,无资料时可用 1.0。
)VCVCVC(3V 1C 8.08.s06.06.s02.02.s0
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---- 断面输沙率计算
根据各条垂线的平均含沙量 Csmj,配合测流
计算的部分流量,即可算得断面输沙率 Qs(t/s)为,
式中 qi --- 第 i根垂线与第 i-1根垂线间的
部分流量,m3/s;
Csmi --- 第 i根垂线的平均含沙量,
kg/m3。
)qCq)CC(
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1000
1Q
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---- 断面平均含沙量计算
断面平均含沙量,
(三)悬移质输沙量的计算
根据多次实测的断面平均含沙量和单样含沙
量的成果,以单沙为纵坐标,以相应断沙为横坐
标,点绘单沙与断沙的关系点,并通过点群中心
绘出单沙与断沙的关系线(图 3-26)。利用绘制
的单沙断沙关系,可进一步计算日平均输沙率、
年平均输沙率及年输沙量等。
10 00QC s ?? Q s
二、推移质泥沙测验
推移质输沙率是指单位时间内通过测
验断面的推移质泥沙重量,单位为 kg/s。
推移质取样的方法,是将采样器放到河底
直接采集推移质沙样。由于推移质粒径不
同,推移质采样器分为沙质和卵石两类。
沙质推移质采样器适用于平原河流,我国
自制的这类仪器有黄河 59型和长江大型推
移质采样器。卵石推移质采样器通常用来
施测 1.0~ 30cm粗粒径推移质,主要采用网
式采样器,有软底网式和硬底网式两种。
3.6 水文调查
水文调查是补充定位观测的不足,使水
文资料更加系统完整,更好地满足水资源
开发利用、水利水电建设及其它国民经济
建设的需要的一种有效手段。
一, 洪水的调查
洪水调查工作包括:调查洪水痕迹洪水
发生的时间、灾情测量、洪水痕迹的高程、
了解调查河段的河槽情况;了解流域自然
地理情况;测量调查河段的纵横断面;必
要时应在调查河段进行简易地形测量;对
调查成果进行分析,推算洪水总量、洪峰
流量、洪水过程及重现期,最后写出调查
报告。
当洪水痕迹高程确定以后,可推算出相应于
此洪水位的洪峰流量。常用的方法有,
(1)水位流量关系法,
如果调查河段附近有水文站,则可利用水文
站的水位流量关系曲线加以延长,以求得洪峰流
量。
(2)比降法,
当能够确定调查河段的水面比降或者在没有
水文站的河段上,可采用下式计算。
式中 A,R可根据大断面资料求得,糙率 n根据河段
上河床的情况参考糙率表确定,也可根据附近河
槽情况相似的水文站的糙率资料类比确定,I为洪
水水面比降。
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二, 暴雨调查
暴雨调查有两种,
调查历史暴雨和调查现代暴雨。
暴雨调查的主要内容有,
暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄时间、暴
雨变化过程及前期雨量情况、暴雨走向及
当时主要风向风力变化等。
三, 枯水调查
历史枯水的调查工作必须在水位极枯
或较枯的时候才能进行,不象对洪水的调
查那样,随时都可以进行。河流沿岸的古
代遗址、古代墓葬、古代建筑物、记载水
情的碑刻题记等考古实物以及文献资料,
都是进行历史水文调查的重要资料。调查
方法与洪水调查方法基本相似,一般比历
史洪水调查更为困难
3.7 水文测验资料的收集
水文资料是水文分析计算的基础,因此在进
行水文计算时首先必须收集水文资料。
水文资料的收集可归纳为两条途径,
一是查阅水文主管部门负责逐年刊印成册的
,水文年鉴, ;
二是借助区域性水文分析成果。
本章小结,
?( 1)掌握流速测验方法,计算方法。掌握资料整
编原则及方法。学会查用水文年鉴,水文手册。
?( 2)了解蒸发、流量的测验方法,各种流速仪的
认识。
?( 3)初步了解降水观测方法。初步了解水位观测、
流速仪测流方法。了解水文调查内容。
?( 4)重点难点:流量测验的几种方法及资料整编。