水文学(第二章)-2

'1水文学Hydrology汤婕安徽农业大学资源与环境学院2013.4 2第二章水文学的一般概念与水文测验内容：2.1河流和流域2.2径流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文资料的观测方法与收集2.5水位与流量关系曲线 3一、水量平衡原理二、水量平衡方程三、流域水量平衡方程 4一、水量平衡原理水量平衡原理：在水文循环过程中，对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。 5水量平衡原理是水文、水资源研究的基本原理，借助水量平衡原理可以对水循环现象进行定量研究，并可以建立各水文要素间的定量关系，在已知某些要素的条件下可以推求其它水文要素，因此对水量平衡的研究不但具有理论意义，还具有重大的实用价值。 6二、水量平衡方程水量平衡方程：I、O——给定时段内输入、输出该地区的总水量△V——时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。I－O=△V 7若以地球的整个大陆作为研究范围，其水量平衡方程为：Pc－R－Ec=△VcPo+R－Eo=△Vo若以海洋为研究对象，其水量平衡方程为：△Vc——大陆在研究时段内蓄水量的变化量△Vo——海洋在研究时段内蓄水量的变化量 8对多年平均情况，△Vc、△Vo趋于零。所以：合并得：表示全球多年平均降水量等于多年平均蒸发量，为1130mm 9三、流域水量平衡方程(一)非闭合流域的水量平衡方程P+R地下=E+R+ΔV(二)闭合流域的水量平衡方程为P=E+R+ΔV 10如果研究闭合流域多年平均的水量平衡由于ΔV多年平均值趋近于零，则：P平均=E平均+R平均R平均/P平均+E平均/P平均=α平均＋β平均＝1式中α平均＝R平均/P平均为多年平均径流系数β平均＝E平均/P平均为多年平均蒸发系数 11α和β之和等于1，是相互消长的，径流系数越大，蒸发系数越小。在干旱地区，蒸发系数一般较大，径流系数较小，可见，径流系数和蒸发系数具有强烈的地区分布规律，他们可以综合反映流域内的干湿程度。 干旱地区蒸发系数大，可接近1，水分充沛的地区径流系数在0.5-0.7之间或稍大 13第二章水文学的一般概念与水文测验内容：2.1河流和流域2.2径流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文资料的观测方法与收集2.5水位与流量关系曲线 14第四节水文资料的观测与收集一、水文测站与站网二、水文测验三、水文资料的收集 15在流域内一定地点(或断面)按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，这些指定的地点称为水文测站一、水文测站与站网（一）水文测站 16水位站流量站(也称水文站)雨量站蒸发站只观测上述项目中的一项少数几项的测站,则按其主要观测项目而分别称为:水文测站所观测的项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等。 17----基本站：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。----专用站：是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。根据测站的性质,河流水文测站又可分为：这两类测站相辅相成，专用站在面上辅助基本站，而基本站在时间系列上辅助了专用站。 18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。（二）水文站网 19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。水文站网规划的任务：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题。 20（三）水文测站的设立----测验河段的选择在站网规划规定的范围内,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。----观测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。 (1)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。2)水准点:分为基本水准点和校核水准点，基本水准点是测定测站上各种高程的基本依据，校核水准点是经常用来校核水尺零点的高程。(3)基本水尺断面上设立基本水尺    用来进行经常的水位观测。(4)测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直(5)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。(6)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。 22φα 23二、水文测验1.水位水位是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程，以m计。（一）水位观测 24----绝对基面(absolutedatum)：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，现在统一规定的基面为青岛黄海基面。----假定基面(arbitrarydatum)：这是在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备监测条件的情况下暂时假定的一个水准基面。水位与高程数值一样，要有一个基面(datum)作为起点，基面种类： 25----测站基面(stationdatum)：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0.5～1.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。----冻结基面(stationarydatum)：将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的—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。使用水位资料时一定要查清其基面。 262.观测水位的设备水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类 27水尺按水尺的构造形式不同可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式4种。其中应用最广泛的是直立式水尺。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 28 29 30基本水尺水位观测分段定时观测。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。 31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程化。 32浮筒式水位计:由传递水位变化的浮子系统、时钟系统、记录系统三部分组成，它将水位随时间的变化按一定的比例记录在记录纸上；压力式水位计:压力式水位计是通过测定测点上的水压力推算水位；超声波水位计:根据超声波脉冲的传递时间测定脉冲所经历的距离，并由此推算出水位。 34流量测量流速面积法流速仪测流法浮标测流法比降面积法这是我国目前使用的基本方法。水力学法化学法物理法直接法（二）流量测算 351.流速仪法测流流速仪法是用流速仪测定水流速度，并由流速与断面面积的乘积来推求流量的方法。在过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化。从水平方向看，中间流速大，两岸流速小从水深方向看，河床流速最小。 36用流速仪测流实际上是将过水断面划分为若干部分，计算出各部分面积，然后用流速仪近似地测算出各部分面积上的平均流速，两者的乘积为通过各部分面积的流量，累积各部分面积上的流量即得全断面的流量。因此流速仪测流工作包括断面测量和流速测量两部分工作。 37（1）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0.5～1.0m的水面线与岸线、河床线之间的范围。 38水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线，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，用实测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。断面测量示意图 39----水深测量测量水深的方法通常用测深杆、测深锤、铅鱼直接测出每根测深垂线的水深。当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。 40----起点距的测定①断面索法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。 41②交会法ⅰa/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，并用精确方法量出基线的长度，测角时，将经纬仪安放在基线的终点，测出角度α，则起点距为D=Ltgα。ⅱ 42②交会法ⅱb/六分仪船上交会法：当河道较宽时，岸上与船上联络困难，风浪较大时用经纬仪瞄准河中活动的目标，施测有些困难，此时可使用六分仪交会法。手握仪器即可测出角β，能在船上使用，因此水文勘测中经常使用。计算起点距的公式为：D=Lctgβ 43（2）流速仪测速：流速仪是一种专门测定水流速度的仪器,目前我国使用最多的是旋杯式流速仪和旋桨流速仪，LS68-2型旋杯式流速仪 44流速仪测速原理是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，流速与转速之间有一定的关系。 45根据水文测验规范：沿水面布设多根测速垂线，再沿水深布设几个测速点，由点流速计算流量我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定： 46（3）流量计算：流速仪测流时有专用的记录和计算表格，通常在测流时随即计算流量。具体方法是：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基本思路： 47已知数据：n个测深垂线，n+1个部分断面Hi,Vij,bi,流速Vm1Vm2Vm3水深 48流速Vm1Vm2Vm3水深I垂线平均流速的计算 49I垂线平均流速的计算一点法:或二点法:三点法:或 50五点法:各式中为垂线平均流速，其它为各相对水深处的测点流速。 51流速Vm1Vm2Vm3水深II部分面积平均流速计算 52中间部分面积平均流速：岸边部分面积平均流速：α为岸边系数斜岸边α=0.67～0.75陡岸边α=0.8～0.9死水边α=0.5～0.67在陡岸边，若岸壁不平整，取α为0.80；光滑岸壁，α取用0.90。在死水与流水交界处的死水边，α取为0.60II部分面积平均流速计算 53II部分面积平均流速计算流速Vm1Vm2Vm3水深 54流速Vm1Vm2Vm3水深III部分断面面积的计算①中间部分：②岸边部分： 55IV部分断面流量计算流速Vm1Vm2Vm3水深 56计算断面流量：断面平均流速V断面流量计算 例题：某河某站横断面如图所示，试根据图中所给测流资料计算该站流量和断面平均流速。图中测线水深h1=1.5m，h2=0.5m，V0.2,V0.6,V0.8分别表示测线在0.2h，0.8h，0.6h处得测点流速，α左，α右分别表示左右岸的岸边系数。图某河某站横断面及测流资料 .解:(1)垂线平均流速的计算(2)部分面积平均流速的计算 (3)部分面积的计算 (4)断面流量的计算 (5)断面平均流速的计算 622.浮标法测流浮标测流法是一种简便的测流方法。在洪水较大或水面漂浮物较多，特别是在使用流速仪测流有困难的情况下，浮标法测流是一种切实可行的办法。浮标测流的主要工作是观测浮标漂移速度，测量水道横断面，以此来推估断面流量。 63凡能漂浮在水面上的物体都可以制成浮标。用水面浮标法测流时，测得的是浮标在水面的漂移速度，这种流速称浮标虚流速，它不能代表断面平均流速，将它与过水断面相配合，计算出断面虚流量，然后乘上浮标系数才能得到断面实际的流量。 64（三）泥沙测算1.河流泥沙分类运动形式悬移质泥沙: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。 652.悬移质泥沙测验与计算：含沙量:指单位体积内所含干沙的质量，用Cs表示，单位为kg/m3。输沙率：指单位时间流过河流某断面的干沙质量，以Ls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。 66（1）含沙量的测量取样：一般需要采样器从水流中采取水样。测重：经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，得出一定体积浑水中的干沙重量。水样的含沙量可按下式计算：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； 67（2）输沙率测算垂线平均含沙量计算根据测点的水样，得出各测点的含沙量之后，可用流速加权计算垂线平均含沙量。 68（3）悬移质输沙量的计算通过大量实测资料的分析，建立断面平均含沙量（简称断沙）与断面某一垂线或某一测点的含沙量（简称单沙）之间相关关系。根据所得关系模型，只需选定的垂线（或其上的一个测点）上进行取样测定，便可求得断面平均含沙量。 693.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：一种是采样器法，一种是沉沙池法。 70采样器法是沿河道放置一定体积的推移质采样器，每隔一定时间测定采样器中泥沙量，按一定比例换算成河流中推移质的输沙量。沉沙池法是测流槽前面修建沉沙池，每次洪水过后沉沙池中的泥沙量就是推移质的量。 71三、水文资料的收集和水文调查（一）水文年鉴和水文数据库（二）水文手册和水文图集（三）水文调查 收集水文信息的基本途径可分为：----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。 73第二章水文学的一般概念与水文测验内容：2.1河流和流域2.2径流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文资料的观测方法与收集2.5水位与流量关系曲线 74第五节水位与流量关系曲线一、水位流量关系曲线的确定与绘制二、水位流量关系曲线的延长三、水位流量关系曲线的应用和移用 75一、水位流量关系曲线的确定与绘制一个测站的水位流量关系是指基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系。根据实测流量成果，便可点绘水位与流量之间的关系。水位与流量之间的关系，有的表现为稳定的关系，有的则为不稳定的关系。 76稳定的水位流量关系，是指一个水位对应的流量变化不大，它们之间呈现单一关系。水位流量关系维持稳定，必须具备下列条件之一：①断面面积、水力比降和糙率等水力因素在同一水位时,维持不变;②在同一水位时，上述各因素虽有变动，但其变动对水位流量关系的影响可以互相补偿。(一)稳定的水位流量关系曲线 77稳定的水位流量关系曲线的绘制步骤如下：①将各次测流时实测水位、流量的成果加以审查，列出实测流量成果表。某河站1982年实测流量成果表（摘录） 78③H～Q曲线定出后，应与H～A、H～V曲线对照检查，使各种水位情况下的Q=AV。 79(二)不稳定的水位流量关系因受一种或几种因素的影响,实测流量与相应水位的点据不能呈密集带状分布,难以用一条单一曲线表示，同一水位（或流量）具有多个流量（或水位）与之对应，这就是不稳定的水位流量关系。 80引起这种水位流量关系变动的因素有：①河床冲淤，使同水位的断面面积发生变化，影响流量，多沙河流冲淤严重，这种变化尤为剧烈；②洪水涨落，涨水与落水阶段，河道水面比降不同，流速不同导致同水位下流量不同，涨落急剧的河流，这种变化比较明显；③变动回水，在河流的中下游，河渠水位受支流汇合、闸门启闭、湖水顶托等影响，使水面比降发生变化，引起水位流量关系的不稳定；④结冰、水生植物等也能导致断面面积和糙率等一些水力因素的变化而影响水位流量关系。 81(1)临时曲线法：若水位流量关系受不经常的冲淤影响或比较稳定的结冰影响，在一定时期内关系点密集成一带状，能符合定单一线的要求时，可以分期定出H～Q曲线，称为临时曲线法。适用于断面不经常性冲淤的测站，或临时受某种影响(如大坝、冰凌、分流)，使测站控制发生临时性变化，致使水位与流量的关系在一定时期内自成系统的情况下，可单独绘出各时期的曲线用于推求流量。不稳定的水位流量关系曲线的处理方法很多，经常使用的有以下两种， 82H~QHH~QH~Q受河床冲淤影响的水位－流量关系曲线 83(2)连时序法：当测流次数较多，能控制水位流量关系变化的转折点时，一般多用连时序法。适用于受变动回水、洪水涨落、断面冲淤、不稳定的结冰、水草生长等各种影响的测站。其绘制过程如下： 84①根据实测资料绘出水位过程线(水位随时间变化的连续曲线)H=f(t)，并在过程线上按顺序注上测次号码。②根据实测流量和相应水位，点绘H～Q相关点，并在点旁依次注明测次号码及实测日期。③参照水位过程线的起伏变化，目估依测次号码连成圆滑曲线，即为水位流量关系曲线。这种情况的H～Q曲线一般为绳套形，使用时按水位发生时间在H～Q曲线的相应位置查读流量。 85H~QH~AH~VH稳定稳定受洪水涨落影响的水位－流量关系曲线 86二、水位流量关系曲线的延长测站测流时，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，在这种情况下，须将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过程。 87河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点常较密集，曲线趋势较明确，可根据这两根线来延长水位流量关系曲线。有以下方法：（一）根据H－A、H－V关系外延H-Q的高水部分 881.延长H－V，H－Q高水部分（1）根据当时实测得大断面资料，绘制包括高水位在内的H－A曲线。（2）由实测数据绘制H－V曲线。然后，根据高水位附近的H－V曲线通常趋近于直线，且与纵轴接近平行的特性，顺势延长H－V曲线。（3）在同一水位Hi的H－A和H－V曲线上，找出相应的Ai和Vi，并求出Qi。（4）用上述方法求出5～6个以上的Qi后，在（Qi，HQi）的点群中央绘制一条光滑的曲线。 892.根据水力学公式外延此法实质上与上法相同，只是在延长H～V曲线时，利用水力学公式计算出需要延长部分的V值。最常见的是用曼宁公式计算出需要延长部分的V值，并用平均水深代替水力半径R。由于大断面资料已知，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降s。 901776年法国人Chezy提出的明渠平均流速公式，即谢才公式：A为过水断面面积，X为水流与固体边界接触部分的周长，称为湿周，水力半径R即为与湿周周长相等的圆的半径r的一半。C：谢才系数；S：水面比降R：水力半径XX 91许多学者对C值进行研究,得到一系列经验公式。其中最为简便而应用广泛的是曼宁公式：n为反映壁面粗糙对水流影响的系数,称为粗糙系数或糙率。 92 933.断面特性法作H－Q曲线的高、低水延长（P29） 94（二）以断流水位为控制作低水延长低水位的延长首先确定断流水位，以此控制水位－流量关系曲线延长至当年最低水位处。根据测站纵横断面资料确定：如测站下游有浅滩或石梁，可以其高程作为断流水位；如测站下游很长距离内河底平坦，可取基本水尺断面河底最低点高程作为断流水位。 952.分析法适用于：没有纵断面图和调查资料时断面形状整齐，在延长部分的水位变幅内，河宽没有突然变化无浅滩、分流等现象 96在水位－流量关系曲线的中低水弯曲部分按顺序取a、b、c三点，使得这三点的流量关系满足：则断流水位为：Ga、Gb、Gc：水位流量关系曲线上a、b、c三点的水位 97三、水位流量关系曲线的应用和移用应用：把设计用的最大流量和枯水流量转换成设计最高和最低水位；把调查得来的洪、枯水位转换成相应的流量 98移用：如取水口附近有水文站，则可从基本水尺到取水口分别施测几条高、中、低水位的水面比降线，按照不同的比降，将基本水尺处的设计最高、最低水位推算到取水口去。②如取水口距水文站较远，直接施测困难，则可在取水口处设置临时水尺并观读水位。 99移用：③如取水口附近和较远处均无水文站资料可借用，可在适宜河段设置临时水尺以观读水位，并施测一定数量的流量资料，建立临时水尺处的水位－流量关系曲线。 100内容：河流和流域的基本概念；河流、水系及流域特征；径流的含义、主要形成过程及影响因素；河川径流的表示；固体径流和溶解质径流；水量平衡的概念和意义；水文测验内容；水位及其主要观测方法；流量的测算方法；河流泥沙分类和泥沙测算的基本概念；水位流量关系曲线的确定与绘制、延长、应用与移用。本章总结 101重点：基本概念：河流、流域、河川径流等；基本过程与原理：径流的形成、水量平衡等；基本计算：河流、流域特征值的计算；水位流量的测算等。难点：径流形成的基本过程；水位流量的测算。本章总结'