《工程水文学河川水文测验课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程水文学河川水文测验课件.ppt（59页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第三章,河川水文测验,?,基本知识,?,水位观测及资料整理,?,流量测验及资料整编,?,水文资料收集,3.1,概述,?,水文站网的规划、布设和调整，水文站网的,规划指拟定和选择水文测站合理布局的方案。,水文测验工作包括下列各方面：,水文测验：,指系统地收集和整理水文资料的技术工作的统,称。狭义的水文测验指水文要素的观测。水文测,验是水文学的基础。,?,水文测站上的观测,按设站要求分别在站上,进行水位观测，流量测验，泥沙测验，水质、,水温、冰情、降水量、蒸发量、土壤含水量和,地下水位等观测。,?,水文测验方法的研究和技术标准的制订（测,验时制、度量单位、精度要求、计算方法和工,作程序等），使得到
2、的各项资料能在同一基础,上进行比较和分析。,?,水文资料整编,按照统一的方法和格式，对,测得的资料进行整理，汇编成为系统的成果。,?,巡回测验和水文调查。,3.1.1,水文测站,水文测站,:,水文测验的基本单位，其主要,任务是对指定的地点的水文要素进行系统观测,和整编。水文测站分为,:,?,基本测站,?,专用测站,水文站网,：,系指在整个流域（或地区）上水文测站的总体。,?,基本测站：,为掌握全国各地水文情况而设立的，,故需统一规划和布设，对水文要素要长期观测，,测验按规范进行。是水文主管部门为全国各地的,水文情况而设立的,是为国民经济各方面的需要服,务的。,?,专用测站：,为专门科学研究或为
3、某水利工程而,设立的水文站，其工作内容由设站目的而定。,?,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，这些测站在地理上的分布网称为水,文站网。广义的站网是指测站及其管理机,构所组成的信息采集与处理体系。,?,水文站网布站的原则是：通过所设站网采,集到的水文信息经过整理分析后，达到可,以内插流域内任何地点水文要素的特征值，,这也就是水文站网的作用。,3.1.2,水文测站的设立,(1),测验河段的选择,?,设站地点要服从总体布局的要求；,?,便于水文测验（保证测验结果有必要的精度）,和资料的整理。,?,在站网规划规定的范
4、围内,具体选择测验河,段时，主要考虑在满足设站目的要求的前提,下，保证工作安全和测验精度，并有利于简,化水文要素的观测和信息的整理分析工作。,具体地说，就是测站的水位与流量之间呈良,好的稳定关系,(,单一关系,),。,(2),水文站测验河段中各种测验断面的布设,水文测站一般应布设,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、比降断面。,?,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。基线的长度视河宽,B,而,定,一般应为,0.6B,。,?,水准点,:,分为基本水准点和校核水准点，基本水,准点是测定
5、测站上各种高程的基本依据，校核水,按所测定的项目不同，可分为以下四种测验断面：,?,基本水尺断面,:,测定河流水位，及横断面面积,?,流速仪测流断面,:,测定水流的流速,.,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,:,测定水流的流速,.,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，其距篱,应为断面最大流速的,50,80,倍。,?,比降断面,:,分布有上下二个断面，用以测定河段的,水面比降，进而估算河床的糙率,.,指水体的自由水面离开固定基准面的距离，,我国目前一般统一采用黄海海平面作为基准面。,水位观测的设备：
6、,3.2,水位的观测,水位：,3.2.1,水位的观测：,?,自记水位计：能自动记录水位的连续变化过程,?,水尺：直立式、倾斜式、矮桩式、悬锤式,水位观测的内容：,基本水尺,/,比降水尺,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,0.12,0.24m,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。,式中，,Z,i,第,i
7、,次水位观测值；,n,一日内水位观测的次数。,?,?,?,n,i,i,Z,n,Z,1,1,3.2.2,水位观测资料的整理,?,计算日,/,月,/,年平均水位,?,水位过程线,日平均水位的计算,：,算术平均法,该法适合于水位变化缓慢或变化大但等时距观测,的情况。,Z,0,Z,1,Z,2,Z,i,Z,n-1,Z,n,t,1,t,2,t,3,t,i,t,n-1,t,n,Z,(m),t,时间加权法求日平均水位示意图,时间加权法,该法适合于水位变化大且不等时距观测的情况。,时间加权法计算公式：,?,?,n,n,n,n,n,t,Z,),t,t,(,Z,),t,t,(,Z,t,Z,Z,?,?,?,?,?,?
8、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,2,1,1,1,0,48,1,式中，,Z,0,Z,1,Z,n,一日内各次观测的水位值,(,m,),t,1,t,2,t,n,相邻二次水位观测间的时距,(,hr,),3.3,流量的测验,流量,:,单位时间内通过河流某断面的水量,(m,3,/s),A,V,Q,?,?,式中,Q,流量,m,3,/s;,断面平均流速,m/s;,A,过水断面面积,m,2,.,V,流量的测验的步骤：,?,过水断面面积的测量,?,流速的测量,?,断面流量的计算,确定各测深点水位,5.3.1,测流断面的测量,布置测深垂线,测量各测深点的水深,测定各测深点的横向位置,(,起
9、点距,),绘出过水断面图,起点桩,b,1,b,i,起点距,W,i,H,1,H,i,H,i+1,测深垂线,断面索,测流断面示意图,3.3.2,流速的测量,?,流速仪法,?,浮标法,?,测速垂线上测速点的布置，常有一点式，二点式,，三,点式和五点式。,断面上测速垂线和测速点的布设,?,当水面宽度,5m,测速垂线的数目,5,(1),流速仪法测速和流量计算,5m,数目,测点位置,适合的水深,(m),一点,0.6h or 0.5h,1.5,二点,0.2,0.8h,1.5 2.0,三点,0.2,0.6,0.8h,2.0 3.0,五点,水面,0.2,0.6,0.8h,3.0,过水断面面积的总流量,流量计算,
10、:,计算流量的步骤：,测点流速,求垂线平均流速,相邻二垂线间面积的平均流速,部分面积上的流量,a.,求垂线平均流速,按测点数区分的公,式名称,计,算,公,式,适合的水深,(m),一点法,V,m,=V,0.6,1.5,二点法,V,m,=(V,0.2,+V,0.8,)/2,1.5 2.0,三点法,V,m,=(V,0.2,+V,0.6,+V,0.8,)/3,2.0 3.0,五点法,V,m,=(V,0.0,+3V,0.2,+3V,0.6,+2V,0.8,+V,1.0,)/10,3.0,【注】,V,0.2,V,0.6,V,0.8,V,1.0,分别表示相应水深为,0.2h,0.6h,0.8h,和河底处测点
11、的流速,?,中间部分面积按梯形面积公式计算：,?,岸边的部分面积按三角形面积计算：,b.,求测流面积上的部分面积,i,i,1,-,i,i,b,H,H,W,),(,2,1,?,?,1,1,b,H,W,2,1,1,?,?,中间部分面积上的平均流速计算：,?,靠岸边部分面积上的平均流速计算：,式中，,V,m1,靠岸边第一条测线的平均流速,?,流速系数,/,岸边系数,:,斜坡岸，,?,=0.7,陡坡岸，,?,=0.8,光滑坡岸，,?,=0.9,死水边，,?,=0.6,c.,求部分面积上的平均流速,),(,i,m,i,m,i,V,V,V,?,?,?,1,2,1,1,1,m,V,V,?,?,式中，,W,i
12、,断面上的部分面积,(,m,2,),e.,过水断面平均流速的计算：,式中，,W,过水断面总面积,(,m,2,),d.,过水断面流量的计算：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,1,1,1,1,n,i,i,i,n,n,n,n,i,i,V,W,V,W,V,W,V,W,V,W,Q,?,?,部分面积上的平均流速,(,m/s,),i,V,),(,s,/,m,W,Q,V,?,a.,水面虚流速的计算,式中，,V,fi,第,i,个浮,标的虚流速,(,m/s,),L,f,上下浮标断面间,的距离,(,m,),T,i,第,i,个浮标流经上,下浮标断面的时间,(,s,),3.3.3,浮标法测速和流
13、量计算,i,f,fi,T,L,V,?,L,f,T,i,V,f0,V,m,i-1,V,mi,W,i,V,V,fi,x,b.,绘制虚流速分布图：,),(,i,m,i,m,fi,V,V,V,1,2,1,?,?,?,?,根据虚流速分布图，求部分面积的虚流量：,),(,i,m,i,m,i,fi,V,V,W,Q,?,?,?,?,1,2,1,?,求断面总面积的虚流量：,?,?,?,?,1,1,n,i,fi,f,Q,Q,c.,计算断面流量：,K,f,浮标系数,(,K,f,=0.70.95),浮标系数与浮标类型、风力风向及河流状况,等因素有关。,可通过流速仪与浮标测流的比测实验来确定，,即利用同期二种方法测流的
14、资料进行对比，从而,求出,K,f,。,?,计算过水断面的平均流量,f,f,Q,K,Q,?,?,式中，,，为各部分虚流量之和；,?,?,?,?,1,1,n,i,fi,f,Q,Q,思考题,?,水文测站观测的项目有,(_),A.,风,B.,水位,C.,流量,D.,湿度,E.,泥沙,F.,降水,G.,蒸发,H.,辐射,I.,水质,?,根据测站的性质，水文测站可分为,(_),A.,水位站,B.,雨量站,C.,基本站,D.,专用站,E.,流量站,?,对于测验河段的选择，主要考虑的原则是,(_),A.,在满足设站目的要求的前提下，测站的水位与流量之,间呈单一关系,B.,在满足设站目的要求的前提下，尽量选择在
15、距离城市,近的地方,C.,在满足设站目的要求的前提下，应更能提高测量精度,D.,在满足设站目的要求的前提下，任何河段都行,?,基线的长度一般（,_,）,A.,愈长愈好,B.,愈短愈好,C.,长短对测量,没有影响,D.,视河宽,B,而定,一般应为,0.6B,?,水文站布设的断面一般有,(_),A.,基本水尺断面,B.,流速仪测流断面,C.,浮标测流断面,D.,比降断面,?,全国水位统一采用的基准面是,(_),A.,大沽基面,B.,吴淞基面,C.,珠江基面,D.,黄海基面,?,当一日内水位变化不大时，计算日平均水,位应采用,(_),A.,加权平均,B.,几何平均法,C.,算术平均法,D.,面积包围
16、法,?,1.,水文测验中断面流量的确定，关键是,(_),A.,施测过水断面,B.,测流期间水位的观测,C.,计算垂线平均流速,D.,测点流速的施测,?,用流速仪施测点流速时，每次要求施测的,时间,(_),A.,越短越好,B.,越长越好,C.,大约,100s D.,不,受限制,?,一条垂线上测三点流速计算垂线平均流速,时，应从河底开始，分别施测（,_,）处,的流速。,A.0.2h B.0.4h C.0.6h D.0.8h,?,用浮标法测流，断面流量等于断面虚流量,再乘以,(_),。,A.,风速,B.,水位,C.,浮标系数,D.,糙率,3.4.1,水位,Z,-,流量,Q,关系,3.4,流量资料的整
17、理,一个水文站的水位和流量的关系是指测,站基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量,之间的关系。,整理水位与流量的关系有如下几种情况：,绘制以下几条曲线：,Z,(,m,),Q,/,F,/,V,稳定的水位,(,Z,),流量,(,Q,),关系,ZQ,ZF,Q-FV,0.01,（,1,）稳定的,Z,Q,关系曲线的确定,Z,Q,的关系曲线,Z-,F,(,过水断面,),的关系曲线,Z-,V,(,断面平均流速,),的关系曲线,ZV,天然河道的流量可用下式表示：,F,J,R,n,Q,2,1,3,2,1,?,式中，,Q,流量；,F,过水断面；,R,水力半径；,n,糙率；,J,水面比降,(2),不稳定的水位流量关
18、系曲线确定：,结论：,由上式可以判断，水位一定，流量仍受到,许多因素的影响，故水位和流量不是单一的函数,关系，即不稳定的水位流量关系。,Q,淤,Q,稳,Q,冲,Z,Q,冲,淤,受冲淤影响的水位流量关系曲线示意图,?,水位流量关系受单一因素的影响,采用“临时曲线法”：,Z,Q,落,Q,涨,涨,水,落,水,受洪水涨落影响时的水位流量关系曲线示意图,2,9 10 11 12,6 7 8,2,t,Z,Z,Q,1,3,4 5,1,3,4,5,6,7,11 10,9,12,8,?,水位流量受多因素的影响,采用“连时序法”：,Q,3,Q,4,Q,1,Z,1,Q,2,Z,2,Z,1,Z,2,Q,1,Q,2,?
19、,根据水位,(Z),过水断面面积,(F),，水位,流速,(V),的关系曲线进行延长：,3.4.2,水位流量关系曲线的延长,(1),高水位,Z Q,的延长方法：,延长的依据：,当河床比较稳定，河槽形状无很大变化的测站，,在高水位时，水位过水断面面积，水位流速,的关系曲线常为一线性关系，而且水位流速的,关系直线近似平行于垂轴。则可按此趋势延长。,高水位,Z Q,的延长的具体步骤：,Z,(,m,),Q,/,F,/,V,Z,Q,Z,V,Q=VF,Z F,?,由实测资料绘制水位面积关系曲线；,?,根据水位流速关系曲线，从上端按直线趋势延长；,?,按,延,长,部,分,各,级,水,位,和,相,应,的,过,水
20、,断,面,积,相,乘,，,即,得,到,延,长,部,分,的,流,量,水,位,的,关系曲线。,B,H,?,根据曼宁公式进行延长（适用于宽浅型河道）：,2,1,3,2,2,1,3,2,1,1,/,/,/,/,I,H,n,I,R,n,V,?,?,式中，,n,河床糙率,;,R,水力半径,;,I,水面比降,;,断面的平均水深,.,H,计算断面平均流速的曼宁公式为：,根据测站的具体情况，可按以下的二种方法进,行延长：,H,B,H,B,B,H,H,B,R,?,?,?,?,?,?,2,a.,求出,Z,(,中低水位,),n,(,糙率,),的关系，顺势延长,高水位段的水位,Z,糙率,n,的关系曲线（呈直线,关系），
21、则可求到高水位的糙率,n,。,具有比降观测资料的测站：,已知实测的流速,V,水面坡降,I,F,(,断面要素,),的,关系,按以下几个步骤进行：,2,1,3,2,2,1,3,2,1,1,/,/,/,/,I,H,n,I,R,n,V,?,?,根据公式,实测段,n,Z,高水位段,高水位时，,Z,n,呈直线关系,c.,求高水位时的断面平均流量：,2,1,3,2,2,1,3,2,1,1,/,/,/,/,I,H,n,I,R,n,V,?,?,注：需要高水位时实测的平均水深,和比降,I,H,b.,按谢才公式和曼宁公式求高水位的断面平均,流速：,F,V,Q,?,?,d.,得出高水位,Z,的关系曲线,Q,a.,改写
22、曼宁公式为下列形式：,式中，,断面的平均水深，其它符号同前,H,对于宽浅河道，缺乏比降和糙率资料测站：,3,2,3,2,2,1,1,/,/,/,H,V,R,V,I,n,?,?,),)(,(,3,2,2,1,1,/,/,H,F,I,n,FV,Q,?,?,2,1,3,2,1,I,R,n,V,?,F,F,由上式可知，只要求到高水位时的,和,，,则可求到高水位时的,流量,Q,。,),(,2,1,1,/,I,n,),(,3,2,/,H,F,b.,绘制一般水位下的水位,的关系曲线，即,的关系曲线,3,2,/,H,V,Z,2,1,1,/,I,n,Z,Z,ZQ,ZFH,2/3,Zn,-,1,I,1/2,高水位
23、部分,Q=(FH,2/3,)(1/nI,1/2,),c.,在高水位部分，,近似等于常数，则可对,2,1,1,/,I,n,的关系曲线按,直线关系进行,趋势延长。,2,1,1,/,I,n,Z,d.,根据实测资料，点绘,关系曲线,（包括高水位的部分）,3,2,/,H,F,Z,e.,高水位部分，有不同水位相应的,与,值，则可得到高水位时相应的流量,:,),(,3,2,H,F,),(,2,1,1,I,n,),)(,(,3,2,2,1,1,/,/,H,F,I,n,FV,Q,?,?,Z,ZQ,ZFH,2/3,Zn,-1,I,1/2,高水位部分,Q=(FH,2/3,)(1/nI,1/2,),f.,按此外延,Z
24、 Q,的关系曲线，即得到高水位的,Z Q,的关系曲线。,Q,a,Q,b,Q,c,Z,Z,c,Z,b,Z,a,?,趋势法：,(2),低水位,Z Q,的延长方法：,Z,0,石梁,/,浅滩,以断流水位,(,Q,=0),作为控制水位点，从实测,部分向下延长。,测站下游的浅滩、石梁,及取基本水尺断面的最,低点均可作为断流水位,Z,0,假定中低水位部分的水位和流量的关系可表示为：,式中，,Z,0,断流水位；,n,K,经验常数。,在实测,Z,Q,关系曲线上，取,(,Z,a,Q,a,),(,Z,b,Q,b,),(,Z,c,Q,c,),三个点，使满足：,将,(,A,),代入上式得：,?,分析法,:,c,a,b,
25、Q,Q,Q,?,?,2,b,c,a,b,c,a,Z,Z,Z,Z,Z,Z,Z,2,2,0,?,?,?,?,Q,a,Q,b,Q,c,Z,0,Z,Z,c,Z,b,Z,a,n,),Z,Z,(,K,Q,0,?,?,(,A,),3.4.3,流量资料的整编,根据,Z Q,关系曲线,Q(t)t,统计各种的流量特征值，,如日,/,月,/,年平均流量等。,由于水文站具有连续的水位监测数据,Z,(,t,),，,因此通过,Z,Q,的关系曲线，可获取连续的流量,Q,(,t,),的数据，在此基础上，可以方便地进行各,种流量特征值的计算和统计：,3.5,水文资料的搜集,收集水文资料是水文分析和计算的基础，水,文资料的主要来
26、源有：,?,水文年鉴,?,各地区的水文手册和各种水文图册,?,水质资料,?,各种调查资料，它是获取水文资料的一种补充：,洪水调查、暴雨调查、枯水调查,思考题,?,天然河道中,影响水位流量关系不稳定的,主要因素有,(_),等。,A.,洪水涨落,B.,断面冲淤,C.,回水影响,D.,结,冰和生长水草,?,某水文站的水位流量关系曲线，当受洪水,涨落影响时，则,(_),A.,水位流量关系曲线上抬,B.,水位流量关,系曲线下降,C.,水位流量关系曲线呈顺时绳套状,D.,水,位流量关系曲线呈逆时绳套状,?,当受回水顶托影响时，水位流量关系的点,据，是在原稳定的水位流量关系曲线,(_),A.,以下,B.,以上,C.,上下摆动,D.,不变,?,某站水位流量关系为单一线，当断面淤积,时，则,(_),A.,水位流量关系曲线上抬,B.,水位流量关,系曲线下降,C.,水位流量关系曲线呈绳套状,D.,水位流,量关系无变化,?,水位流量关系曲线低水延长方法中的断流,水位为,(_),A.,水位为零,B.,河床最低点,C.,流量等于零,的水位,D.,断面中死水区的水位,BREAK,
