水文学的一般概念与水文测验.ppt

'第2章水文学一般概念与水文测验 内容：2.1河流和流域2.2河川径流及其表示方法2.3河川径流形成过程及影响径流的因素2.4流域水量平衡2.5水文资料的观测方法与收集2.6水位与流量关系曲线重点：河川径流的形成过程、影响因素、表示方法；平原河流的特征；水位与流量关系曲线绘制及延长—断面特性法。难点：径流模数和径流深度的概念和计算；断面特性法延长水位与流量关系曲线2 2.1河流和流域2.1.1干流及支流(1)干流(Mainstream)在水系中汇集全流域径流的河流，例如：黄河、长江。3 (2)支流(Tributary)流入一较大河流或湖泊的河流。支流是分级的：一级支流(注入干流的支流)；二级支流(注入一级支流的支流)；三级支流(注入一级支流的支流)；四级支流(注入一级支流的支流)4 (3)河网(HydrographicNet)由河流的干流和各级支流，流域内湖泊、沼泽或地下暗河构成脉络相通一个系统，称为河系或水系。2.1.2河长及弯曲系数(1)河长(RiverLength)1)定义：河流源头至河口或测站断面沿河槽中泓线或轴线量取的距离。中泓线?深泓线?5 中泓线：河道中各横断面表面最大流速点的连线。深泓线(溪线)：河道中各横断面最大水深点的连线。2)作用：河流特性的基本参数，可确定落差、比降和能量。6 (2)弯曲系数(Tortuosity)1)定义：沿河流中泓线两点间的实际长度与其直线距离的比值。2)特性：任何河段都有它的弯曲系数；它可反映河流流经地的地质地貌特征。L1L27 2.1.3河槽基本特征(1)河流的平面形态1)平原河流①特点：在环流、泥沙的冲刷和淤积作用下，蜿蜒曲折形态，即深槽、浅槽沿水流方向交替出现，呈规律性。②专业术语：凹岸、凸岸、左岸、右岸、深槽、浅槽8 9 2)山区河流大多为岩石河床，异常复杂，无规律可循。(2)河流的纵断面1)定义：河流从上游至下游沿深泓线所切取的河床和自由水面的剖面。2)作用：绘制河流纵断面图，见右图。反映河底纵坡和落差的分布，可推算水流特性、估计水能储量。10 (3)河流的横断面1)定义：垂直于河道断面平均流向或中泓线横截河流，以自由水面和湿周为界的剖面。2)类型：①按所取部位分：河槽横断面——与地质有关过水横断面——与径流量有关②按形状分：单式、复式。3)作用：计算流量的重要依据。11 小结：河流断面的发展变化主要决定于河槽所在地理位置、地质构造、河槽组成物质和水流情况等。一般而言，河流上游主要为冲刷作用，下游为淤积作用，造成纵断面的上游陡，下游平缓，槽断面经常是冲、淤交替的现象。12 （4）河流比降1）定义：沿水流方向，单位水平距离内铅直方向的落差，即为河流纵比降。2）公式：对任一河段而言：Z1Z2L13 对一条河流而言：（6.31）式中Z0，Z1，…，Zn——自出口断面起沿流程各特征地面点高程;L1，L2，…，Ln——各特征点间的距离。3）其它比降描述河流坡降还有：水面横比降、能面比降、摩阻比降等14 河流横比降：在某一横断面，由于水面不处于同一水平面，而造成在该断面出现一定的横向水流。这一水面高差与河床宽度的比值称之为河流横比降。产生的原因：地球自转所产生的偏转力；河流弯道离心力作用：在水体中产生一种横向水流，该水流在河床表层与底层流向相反，形成封闭环流；与纵向水流结合易于形成漩涡，使凹岸受到冲刷，形成深层，使凸岸产生淤积，形成浅滩，从而影响水源取水位置。15 2.1.4河流的分段按河段不同特性，一条发育完整的河流，可划分为5个部分：（1）河源(headwaters):河流最初形成地表水流的源头部分。包括：冰川、泉水、沼泽、湖泊等。（2）上游(upstream)：靠近河源与水流相反方向的河段。特点：落差大、水流急，冲刷强烈，常有急滩、瀑布。（3）中游(midsream)：上、下游中间的河段。特点：比降逐缓，河床冲淤接近平衡。（4）下游(downstream)：靠近河口，河流的最下一段。特点：坡度缓、水流慢，泥沙淤积，断面复杂。（5）河口(estuary)：河流注入海洋的河段，有时指注入湖泊或较大河流的河段。特点：易形成沙洲或河口三角洲。16 2.1.5分水线及流域(1)分水线(divide)1)定义：分开相邻流域或河流地表集水区域的边界线。2)类型：地面分水线、地下分水线(2)流域(watershed/basin)1)定义：地表水和地下水的分水线所包围的集水区域或汇水区域2)划分：对一般大、中流域，因地面、地下集水区域不同产生的两个相邻流域的水量交换比流域总水量小得多，常常忽略不计，可用地面集水区域代表流域；对于小流域、岩溶的石灰岩地区，有时交换的水量占流域总水量的比重较大，必须通过地质和水文地质调查及枯水调查、泉水调查等来确定地面及地下集水区的范围。2.1.5分水线与流域17 3)流域的基本特征几何特征自然地理特征人类活动影响流域的几何特征流域面积：河口与流域分水线包围的投影面积。用“F”表示，以km2计。流域长度：由河源边线至河口的最长直线距离称为流域长度，通常以流域干流长度计算，以km计。流域平均宽度：流域面积与流域长度之比值称为流域平均宽度，以km计。18 流域平均高程：流域内各相邻等高线间的面积与其相应平均高程乘积之和与流域面积的比值，称为流域平均高程，以m计。流域平均高度直接影响流域的气温与降水。流域平均坡度：指流域内最高最低等高线长度的一半及各等高线长度乘以等高线间的高差乘积之和与流域面积的比值。流域平均坡度对径流的产流、汇流、下渗、土壤流失等有很大的影响。流域不对称系数：流域内干流左右两岸流域面积之差与两岸流域平均面积的比值分布的不均匀程度，称为流域不对称系数。流域的自然地理特征包括：地理位置、气候特征和下垫面条件。人类活动水土保持、植树造林、兴修水利、跨流域调水、城市化等措施来改造自然。19 2.2河川径流及其表示方法2.2.1河川径流的基本概念（1）定义：指下落到地面上的降水，由地面和地下汇流到河槽并沿河槽流动的水流的统称。（2）分类：地面径流、地下径流、固体径流、溶解质径流。2.2.2河川径流量的表示（1）流量Q以“m3/s”，有瞬时流量、日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。（2）径流总量W以m3计，实际上常用108m3（亿m3）来表示。20 （3）径流模数M单位流域面积F(km2)上平均产生的流量Q(m3/s)，以L/(s·km2)计，按下式计算：（4）径流深度R将计算时段内的径流总量，均匀分布于测站以上的整个流域面积上，此时得到的平均水层深度，就是径流深度R。计算公式如下：（5）径流系数α同一时段内流域上的径流深度与降水量之比值，即：21 （6）径流特征值间的关系关系转换式转换后的单位转换前的单位QWMRm3/sm3L/s·km2mmQm3/sWm3ML/s·km2Rmm—W/TMF/103103RF/TQT—MFT/103103RF103Q/F103W/FT—106R/TQT/103FW/103FMT/106—22 2.3河川径流形成过程及影响因素2.3.1河川径流形成过程及其特征时期（1）形成过程降水蓄渗坡地漫流河槽集流以上四个阶段自降雨开始产生径流后，表现为相互、交错进行。23 (2)特征时期1)河流补给降雨：我国大部分河流混合(降雨为主+融雪)：华北、东北、西北的河流冰川(或融雪)：新疆、青海等地部分河流2)特征时期以年为周期；洪水期：夏、秋季；枯水期：冬、春季24 2.3.2影响径流的主要因素(1)气候因素1)降水：大小及分布均影响径流的形成过程。例如，P一定，I↑，t↓，则Q↑，径流过程急促。2)蒸发：蒸发速度和蒸发总量湿润地区，(30%～50%)降雨量消耗于蒸发；干旱地区，(80%～95%)降雨量消耗于蒸发。3)其它：气温、湿度、风等，间接因素。25 (2)下垫面因素1)流域的地理位置2)流域的地形特性比降、平均高程、地势影响汇流3)流域形状和面积流域狭长、面积愈大4)流域的植被截流作用、改造土壤结构5)土壤及地质构造下渗量、补给量6)湖泊和沼泽蓄水、调节26 （3）人类活动1）有利影响：修建水库引水灌溉跨流域调水2）不利影响：大面积滥伐森林排干湖、沼过度抽取地下水城市化27 敦煌沙漠奇观月牙泉面临消失28 洪湖围湖造田危害鄱阳湖围湖造田危害29 2.3.3地下径流(1)定义（基流）(2)不同（与地表径流）稳定性（数量、时程）2.3.4固体径流(1)定义（泥沙径流）：夹带泥沙的径流(2)特点（与流域特征、地面径流有关）每条、每段河流泥沙含量不同；周期（洪水、枯水）2.3.5溶解质径流(1)定义：降水与径流的过程，与环境接触溶解了各种物质，形成河水的溶解质。(2)成分：溶解气体、主要离子、生物原生质、微量元素、有机质。矿化度，g/m3；mg/l过程线30 2.4水量平衡2.4.1流域水量平衡水量平衡方程可反映一定时段内流域中各种水文要素间数量变化关系。(1)闭合流域1)定义：流域的地面分水线明确，且地面与地下分水线又相互重合，这样，就没有补给相邻流域的水量。2)平衡方程由水流连续性原理，得P＋V1＝R＋E＋V2令⊿V＝V2－V1，则有P＝R＋E⊿V(某一具体年）31 对于多年平均情况而言，，P＝R＋E±⊿V可化为P0＝R0＋E0式中，P0、R0、E0分别代表流域多年平均降雨量、径流量和蒸发量。讨论：上式两边分别除以P0，得(2)非闭合流域要考虑通过地下流入或流出本流域的水量⊿U①为径流系数，在干旱地区，该值几乎为0；在水分丰沛地区，该值为（0.5～0.7）。②为蒸发系数，在干旱地区，该值很大，近乎为1；在水分丰沛地区，该值较小。32 2.4.2全球水量平衡(1)以地球的整个大陆为研究范围，其水量平衡方程式为：(2)以地球的整个海洋为研究范围，其水量平衡方程式为：(3)以整个地球为研究范围，其水量平衡方程式为：即为，说明：结合书P22和P23中表2.2和表2.3，理解水量平衡的意义。33 2.5水文资料的观测方法与收集水文测验：从站网布设到收集、整编水文资料的全部技术过程。水文测站：为经常收集水文数据而在河、渠、湖、库上或流域内设立的各种水文观测场所的总称。2.5.1水位观测（1）观测意义1）常常用连续观测的水位记录，通过水位流量关系曲线推求流量及其变化；2）利用水位推求水面比降和江、河、湖、库的蓄水量；3）在进行流量、泥沙、水温、冰情和水质的观测时，需要观测水位，作为重要的水情标志。（2）概念水位是指河流、湖泊、水库、海洋等水体的自由水面在某一指定基面以上的高程。34 基面：是作为水位和高程数值起算零点一个固定基准面。包括绝对基面、假定基面、测站基面、冻结基面。1）绝对基面：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、黄河、吴淞、珠江等基面，现在统一规定的基面为青岛黄海基面。2）假定基面：在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面。3）测站基面：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。4）冻结基面:将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的一种基面，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。全河上下游或相邻测站应尽可能采用一致的固定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。35 （3）观测方法1）人工观测：又称水尺观测，包括直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式水尺。一般为2时段观测（每日8时和20时各一次）。水位高程=水尺零点高程+水尺读数36 2）自记水位计记录：机械型、电传型利用自记水位计，以图形或数字的形式记录或显示水位。3）水位数据编码存储采用水位传感器感应水位变化，再利用电子编码器将传感器输出的水位信号进行数字编码，转换成数字信号存储起来。主要适用于需长期收集水位资料而又无报讯任务的测站。37 （4）计算平均水位1）方法：根据水位记录，用算术平均法或面积包围法计算日平均水位、月平均水位、年平均水位；2）作用：连同最高和最低水位刊于水文年鉴或存入水文数据库。4）水位自动测报系统利用遥测、现代通信和计算机等技术手段，独立完成水位数据的收集和处理的系统装置，由一个中心站、若干个遥测站及通道组成。38 2.5.2流量测算（1）概述流量是根据河流水情变化特点，在水文站上用各种测流方法进行流量测验取得数据，经过分析、计算和整理得的资料。根据其工作原理，测流有如下类型：1）流速面积法：流速仪法、航空法、比降面积法、积宽法、浮标法；2）水力学法：包括量水建筑物和水工建筑物测流；3）化学法：溶液法、稀释法、混合法；4）物理法：超声波法、电磁法、光学法；5）直接法：容积法和重量法，适用于流量极小的沟涧。39 1）原理在过水断面上，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。用流速仪测流实际上是：将过水断面①划分为若干部分，②计算各部分面积，然后用流速仪近似地③测算出各部分面积上的平均流速，两者的④乘积为通过各部分面积的流量，⑤累积各部分面积上的流量即得全断面的流量。因此流速仪测流包括断面测量和流速测量两部分工作。（2）流速仪测流流速仪法是用流速仪测定水流速度v，并由流速与断面面积f的乘积来推求流量的方法。它是目前国内外广泛使用的测流方法，也是最基本的方法。40 2）断面测量*包括水道断面测量和大断面测量，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。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，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。41 3）流速测量仪器：旋浆式流速仪、旋杯式流速仪LS20B型旋桨式流速仪LJX-1型便携式流速流量仪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函数关系。42 流速仪只能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线（一般在测深垂线中选择若干条同时兼作测速垂线），在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。4）断面流量计算式中，v——部分断面平均流速，m/s；f——部分断面面积，m2；n——部分断面的个数。2.5.3泥沙测算河水挟带泥沙数量的多少和泥沙颗粒的大小，与给水工程有密切关系。（2.11）43 河流中的泥沙（见右图），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。（1）悬移质泥沙的测量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。1）含沙量的测量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。含沙量的测验方法是：先从河中一定测点采取含有泥沙的水样(采样工作一般都和流量测验同时进行)，经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，求出一定体积浑水中的干沙重量，从而计算出该测点的含沙量。44 2）输沙率的测验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。为了测出含沙量在断面上的变化情况，由于断面内各点含沙量不同，因此输沙率测验和流量测验相似，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，计算垂线平均流速及垂线平均含沙量，然后计算部分流量及部分输沙率：45 （2）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。2.5.4水文资料的收集收集水文资料是水文分析计算的一项很重要的基础性工作。水文资料的来源有水文年鉴、水文数据库、水文手册、水文图集和各种水文调查及气象部门的水文气象资料。46 2.6水位与流量关系曲线2.6.1水位—流量关系曲线的绘制根据实测水位、流量结果绘制出二者关系曲线(H～Q)，同时将(H～v)、(H～ω)两条曲线绘于同一坐标纸上。47 2.6.2水位与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。1）顺势延长由实测资料，绘制H～Q、H～v、H～ω三条曲线，在高水位区，顺势延长H～v（趋于直线，且与纵轴近乎平行）。2）采用水力学公式得出，（1）高水延长（不超过当年实测流量所占水位变幅的30%）48 3）断面特性法延长在没有实测的S和n的测站，可用断面特性法进行延长。49 （2）低水延长*低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零，此法关键在于如何确定断流水位。1)根据测点纵横断面资料确定i)以下游近端浅滩或石梁高程为断流水位；ii)下游很长段内河底平坦，则河底为断流水位。测点石梁断流水位测点断流水位50 i)适用范围：缺乏纵断面和调查资料；断面形状整齐；在延长部分的水位没有突然变化无分流、浅滩ii)方法在水位流量关系曲线上，在中低水弯曲部分，依顺序取a、b、c三点，三点流量满足：则，断流水位Z：2)分析法Ga、Gb、Gc：水位与流量关系曲线上a、b、c三点的水位。51 2.6.3水位与流量关系曲线的应用规划设计工作中，常常遇到设计断面处缺乏实测数据，这时就需要将邻近水文站的水位流量关系移用到设计断面上。（1）当设计断面与水文站相距不远且两断面间的区间流域面积不大，河段内无明显的出流与入流的情况下，在设计断面设立临时水尺，与水文站同步观测水位。因两断面中、低水时同一时刻的流量大致相等，所以可用设计断面的水位与水文站断面同时刻水位所得的流量点绘关系曲线，再将高水部分进行延长，即得设计断面的水位流量关系曲线。（2）当设计断面与水文站的河道有出流或入流时，则主要依靠水力学的办法来推算设计断面的水位流量关系。52 本章总结理解和掌握河流平面、横断面和纵断面特征及相关专业术语；理解和掌握河川径流的表示方法（公式、单位）；理解河川径流形成过程和特征时期；了解影响其形成的因素；掌握过程线的概念；理解闭合流域水量平衡的公式及推论意义；了解全球水量平衡关系；理解和掌握水位、流量的观测方法和原理；了解泥沙的观测；理解和掌握水位与流量关系曲线的延长意义和方法。53'