水文信息采集與處理

52/52第三章水文信息采集與處理水文信息采集與處理是：研究各種水文信息的測(cè)量、計(jì)算與數(shù)據(jù)處理的原理和方法的-門科學(xué),是水文學(xué)與水資源學(xué)的重要組成部分。水文信息的采集有兩種情況:一種是對(duì)水文事件當(dāng)時(shí)發(fā)生情況下實(shí)際觀測(cè)的信息;另一種是對(duì)水文事件發(fā)生后進(jìn)行調(diào)查.所得的信息。獵取水文信息的方法多種多樣。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展,新技術(shù)、新儀器的不斷出現(xiàn),更促進(jìn)了獵取水文信息手段不斷更新。第一節(jié)測(cè)站與站網(wǎng)一、測(cè)站測(cè)站：在流域內(nèi)一定地點(diǎn)(或斷面)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所需要的水文要素作系統(tǒng)觀測(cè)以獵取信息并進(jìn)行處理為即時(shí)觀測(cè)信息。這些指定的地點(diǎn)稱為測(cè)站。水文測(cè)站所觀測(cè)的項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、冰凌、水質(zhì)、地下水位等。只觀測(cè)上述項(xiàng)目中的一項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)的測(cè)站,則按其要緊觀測(cè)項(xiàng)目而分不稱為水位站、流量站(也稱水文站)、雨量站、蒸發(fā)站等。依照測(cè)站的性質(zhì),河流水文測(cè)站又可分為差不多站、專用站兩大類。差不多站是水文主管部門為全國(guó)各地的水文情況而設(shè)立的,是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需要服務(wù)的。專用站是為某種專門目的或用途由各部門自行設(shè)立的。這兩類測(cè)站是相輔相成的,專用站在面上輔助差不多站,而差不多站在時(shí)刻系列上輔助了專用站。.二、水文站網(wǎng)測(cè)站在地理上的分布網(wǎng)稱為站網(wǎng)。理由：因?yàn)閱蝹€(gè)測(cè)站觀測(cè)到的水文要素其信息只代表了站址處的水文情況,而流域上的水文情況則須在流域內(nèi)的一些適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布站觀測(cè)。廣義的站網(wǎng)是指測(cè)站及其治理機(jī)構(gòu)所組成的信息采集與處理體系。布站的原則是通過(guò)所設(shè)站網(wǎng)采集到的水文信息通過(guò)整理分析后,達(dá)到能夠內(nèi)插流域內(nèi)任何地點(diǎn)水文要素的特征值,這也確實(shí)是水文站網(wǎng)的作用。水文站網(wǎng)規(guī)劃的任務(wù)：確實(shí)是研究測(cè)站在地區(qū)上分布的科學(xué)性、合理性、最優(yōu)化等問(wèn)題。按站網(wǎng)規(guī)劃的原則布設(shè)測(cè)站,例如：河道流量站的布設(shè),當(dāng)流域面積超過(guò)3000--~5000km2,應(yīng)考慮能夠利用設(shè)站地點(diǎn)的資料,把干流上沒(méi)有測(cè)站地點(diǎn)的徑流特性插補(bǔ)出來(lái)?？赡軐⑿藿ㄋこ痰牡囟?一般應(yīng)布站觀測(cè)。關(guān)于較小流域,盡管不可能全部設(shè)站觀測(cè),應(yīng)在水文特征分區(qū)的基礎(chǔ)上,選擇有代表性的河流進(jìn)行觀測(cè)。在中、小河流上布站時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮暴雨洪水分析的需要,如對(duì)小河應(yīng)按地質(zhì)、土壤、植被、河網(wǎng)密集程度等下墊面因素分類布站。布站時(shí)還應(yīng)注意雨量站與流量站的配合。關(guān)于平原水網(wǎng)區(qū)和建有水利工程的地區(qū),應(yīng)注意按水量平衡的原則布站。也能夠依照實(shí)際需要,安排部分測(cè)站每年只在部分時(shí)期(如汛期或枯zk期)進(jìn)行觀測(cè)。又如水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的布設(shè),應(yīng)以監(jiān)測(cè)目標(biāo)、人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的阻礙程度和經(jīng)濟(jì)條件這三個(gè)因素作為考慮的基礎(chǔ)。我國(guó)水文站網(wǎng)于1956年開(kāi)始統(tǒng)一規(guī)劃布站,通過(guò)多次調(diào)整,布局已比較合理,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)展起積極作用。但隨著我國(guó)水利水電進(jìn)展的情況,大規(guī)模人類活動(dòng)的阻礙,不斷改變著天然河流產(chǎn)匯流、蓄水及來(lái)水量等條件,因此對(duì)水文站網(wǎng)要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、補(bǔ)充。三、水文測(cè)站的設(shè)立建站包括選擇測(cè)驗(yàn)河段和布設(shè)觀測(cè)斷面。在站網(wǎng)規(guī)劃規(guī)定的范圍內(nèi),具體選擇測(cè)驗(yàn)河段時(shí),要緊考慮在滿足設(shè)站目的要求的前提下,保證工作安全和測(cè)驗(yàn)精度,并有利于簡(jiǎn)化水文要素的觀測(cè)和信息的整理分析工作。具體地講,確實(shí)是測(cè)站的水位與流量之間呈良好的穩(wěn)定關(guān)系(單一關(guān)系)。該關(guān)系往往受一斷面或一個(gè)河段的水力因素操縱,前者稱為斷面操縱,后者稱為河槽操縱。斷面操縱的原理是在天然河道中,由于地質(zhì)或人工的緣故,造成河段中局部地形突起,如石梁、卡口等,使得水面曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,形成臨界流,出現(xiàn)臨界水深,從而構(gòu)成斷面操縱。河槽操縱：當(dāng)水位流量關(guān)系要靠一段河槽所發(fā)生的阻力作用來(lái)操縱,如該河段的底坡、斷面形狀、糙率等因素比較穩(wěn)定,則水位流量關(guān)系也比較穩(wěn)定。這就屬于河槽操縱。在河流上設(shè)立水文測(cè)站：平原地區(qū)應(yīng)盡量選擇河道順直、穩(wěn)定、水流集中,便于布設(shè)測(cè)驗(yàn)的河段,且盡量避開(kāi)變動(dòng)回水、急劇沖淤變化、分流、斜流、嚴(yán)峻漫灘等以及阻礙測(cè)驗(yàn)工作的地貌、地物。結(jié)冰河流,還應(yīng)避開(kāi)容易發(fā)生冰塞、冰壩的地點(diǎn)。山區(qū)河流應(yīng)在有石梁、急灘、卡口、彎道上游附近規(guī)整河段上選站。水文測(cè)站一般應(yīng)布設(shè)基線、水準(zhǔn)點(diǎn)和各種斷面,即差不多水尺斷面、流速儀測(cè)流斷面、浮標(biāo)測(cè)流斷面比降斷面。差不多水尺斷面上設(shè)立差不多水尺,用來(lái)進(jìn)行經(jīng)常的水位觀測(cè)。測(cè)流斷面應(yīng)與差不多水尺斷面重合,且與斷面平均流向垂直。若不能重合時(shí),亦不能相距過(guò)遠(yuǎn)。浮標(biāo)測(cè)流斷面有上、中、下三個(gè)斷面,一般中斷面應(yīng)與流速儀測(cè)流斷面重合。上、下斷面之間的間距不宜太短,其距籬應(yīng)為斷面最大流速的50~80倍。比降斷面設(shè)立比降水尺,用來(lái)觀測(cè)河流的水面比降和分析河床的糙率。上、下比降斷面間的河底和水面比降,不應(yīng)有明顯的轉(zhuǎn)折,其間距應(yīng)使得所測(cè)比降的誤差能在±15%以內(nèi)。水準(zhǔn)點(diǎn)分為差不多水準(zhǔn)點(diǎn)和校核水準(zhǔn)點(diǎn),均應(yīng)設(shè)在基巖或穩(wěn)定的永久性建筑物上,也可埋設(shè)于土中的石柱或混凝土樁上。差不多水準(zhǔn)點(diǎn)是測(cè)定測(cè)站上各種高程的差不多依據(jù),校核水準(zhǔn)點(diǎn)是經(jīng)常用來(lái)校核水尺零點(diǎn)的高程?；€通常與測(cè)流斷面垂直,起點(diǎn)在測(cè)流斷面線上。其用途是用經(jīng)緯儀或六分儀測(cè)角交會(huì)法推求垂線在斷面上的位置?；€的長(zhǎng)度視河寬B而定,一般應(yīng)為0.6B。當(dāng)受地形限制的情況下,基線長(zhǎng)度最短也應(yīng)為0.3B?；€長(zhǎng)度的丈量誤差不得大于1/1000，見(jiàn)圖3-1所示。圖3-1水文測(cè)站基線與斷面布設(shè)示意圖四、收集水文信息的差不多途徑駐測(cè)：上述在河流或流域內(nèi)的固定點(diǎn)上對(duì)水文要素所進(jìn)行的觀測(cè)稱駐測(cè)。這是我國(guó)收集水文信息的最差不多方式。但存在著用人多、站點(diǎn)不足、效益低等缺點(diǎn)。為了更好提高水文信息采集的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,通過(guò)20多年的實(shí)踐,采取駐測(cè)、巡測(cè)、間測(cè)及水文調(diào)查相結(jié)合的方式收集水文信息,可更好地滿足生產(chǎn)的要求。巡測(cè)是觀測(cè)人員以巡回流淌的方式定期或不定期地對(duì)一地區(qū)或流域內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流量等水文要素的觀測(cè)。間測(cè)是中小河流水文站有10年以上資料分析證明其歷年水位流量關(guān)系穩(wěn)定,或其變化在同意誤差范圍內(nèi),對(duì)其中一要素(如流量)停測(cè)一時(shí)期再施測(cè)的測(cè)停相間的測(cè)驗(yàn)方式。停測(cè)期間,其值由另一要素(水位)的實(shí)測(cè)值來(lái)推算。水文調(diào)查是為彌補(bǔ)水文差不多站網(wǎng)定位觀測(cè)的不足或其他特定目的,采納勘測(cè)、調(diào)查、考證等手段進(jìn)行收集水文信息的工作。第二節(jié)水位觀測(cè)水位,是指河流、湖泊、水庫(kù)及海洋等水體的自由水面離開(kāi)固定基面的高程,以m計(jì)。水位與高程數(shù)值一樣,要指明其所用基面才有意義?；妫耗壳叭珖?guó)統(tǒng)一采納黃?；?但各流域由于歷史的緣故,多沿用以往使用的大沽基面、吳淤基面、珠江基面,也有使用假定基面、測(cè)站基面或凍結(jié)基面的。使用水位資料時(shí)一定要查清其基面。水位觀測(cè)的作用一是直接為水利、水運(yùn)、防洪、防澇提供具有單獨(dú)使用價(jià)值的資料,如堤防、壩高、橋梁及涵洞、公路路面標(biāo)高的確定,二是為推求其他水文數(shù)據(jù)而提供間接運(yùn)用資料。如Q=f(Z),s=(Z2-Z1)/L,水資源計(jì)算,水文預(yù)報(bào)中的上、下游水位相關(guān)法等。其中Q為流量,以m3/s計(jì);S為比降,以千分率或萬(wàn)分率表示;Z2、Zl分不為上、下比降斷面的水位;L為上、下比降斷面的間距,單位均以m計(jì)。水位觀測(cè)的常用設(shè)備有水尺和自記水位計(jì)兩類。按水尺的構(gòu)造形式不同,可分為直立式、傾斜式、矮樁式與懸錘式等。觀測(cè)時(shí),水面在水尺上的讀數(shù)加上水尺零點(diǎn)的高程即為當(dāng)時(shí)的水位值。可見(jiàn)水尺零點(diǎn)高程是一個(gè)重要的數(shù)據(jù),要定期依照測(cè)站的校核水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)各水尺的零點(diǎn)高程進(jìn)行校核。自記水位計(jì)能將水位變化的連續(xù)過(guò)程自動(dòng)記錄下來(lái),有的還能將所觀測(cè)的數(shù)據(jù)以數(shù)字或圖像的形式遠(yuǎn)傳室內(nèi),使水位觀測(cè)工作趨于自動(dòng)化和遠(yuǎn)傳化。在荷蘭水文信息服務(wù)中心,從計(jì)算機(jī)屏幕上可直接調(diào)看或用電話直接詢問(wèn)全國(guó)范圍內(nèi)各測(cè)站當(dāng)時(shí)的水位,而這些又幾乎差不多上無(wú)人駐守測(cè)站。水位的觀測(cè)包括差不多水尺和比降水尺的水位。差不多水尺的觀測(cè),當(dāng)水位變化緩慢時(shí)(日變幅在0.12m以內(nèi)),每日8時(shí)和20時(shí)各觀測(cè)一次(稱2段制觀測(cè),8時(shí)是差不多時(shí));枯水期日變幅在0.06m以內(nèi),用1段制觀測(cè);日變幅在0.12~0·24m時(shí),用4段制觀測(cè);依次8段、12段制等。有峰谷出現(xiàn)時(shí),還要加測(cè)。比降水尺觀測(cè)的目的是計(jì)算水面比降,分析河床糙率等。其觀測(cè)次數(shù),視需要而定。水位觀測(cè)數(shù)據(jù)整理工作的內(nèi)容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的計(jì)算。日平均水位的計(jì)算方法有二:算術(shù)平均法計(jì)算：若一日內(nèi)水位變化緩慢,或水位變化較大,但系等時(shí)距人工觀測(cè)或從自記水位計(jì)上摘錄,采納算術(shù)平均法計(jì)算;面積包圍法：若一日內(nèi)水位變化較大、且系不等時(shí)距觀測(cè)或摘錄,則采納面積包圍法,立即當(dāng)日0~24小時(shí)內(nèi)水位過(guò)程線所包圍的面積,除以一日時(shí)刻求得(見(jiàn)圖3-2),其計(jì)算公式為：SKIPIF1<0(3-1)如0時(shí)或24時(shí)無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),則依照前后相鄰水位直線內(nèi)插求得。依照逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保證率水位。這些通過(guò)整理整理分析處理后的水位資料即可提供各生產(chǎn)單位應(yīng)用。如刊布的水文年鑒中,均載有各站的日平均水位表，年平均水位,年及各月的最高、最低水位。汛期內(nèi)水位詳細(xì)變化過(guò)程則載于水文年鑒中的汛期水文要素摘錄表內(nèi)。圖3-2面積包圍法示意圖第三節(jié)流量測(cè)驗(yàn)一、概述流量是單位時(shí)刻內(nèi)流過(guò)江河某一橫斷面的水量,以m3/s計(jì)。它是反映水資源和江河、湖泊、水庫(kù)等水體水量變化的差不多數(shù)據(jù),也是河流最重要的水文特征值。流量是依照河流水情變化的特點(diǎn),在水文站上用各種測(cè)流方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)分析、計(jì)算和整理而得的資料,用于江河流量變化的規(guī)律,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門服務(wù)。測(cè)流方法專門多,按其工作原理,可分為下列幾種類型。(1)流速面積法。有流速儀法、航空法、比降面積法、積寬法(動(dòng)車法、動(dòng)船法和纜道積寬法)、浮標(biāo)法(按浮標(biāo)的形式可分為水面浮標(biāo)法、小浮標(biāo)法、深水浮標(biāo)法等)。(2)水力學(xué)法。包括量水建筑物和水工建筑物測(cè)流。(3)化學(xué)法。又稱溶液法、稀釋法、混合法。（4）物理法。有超聲波法、電磁法和光學(xué)法。（5）直接法。有容積法和重量法，適用于流量微小的溝澗。本節(jié)要緊介紹流速儀法測(cè)流。二、流速儀法測(cè)流由于河流過(guò)水?dāng)嗝娴男螒B(tài)、河床表面特性、河底縱坡、河道彎曲情況以及冰情等，都對(duì)斷面內(nèi)各點(diǎn)流速產(chǎn)生阻礙，因此在過(guò)水?dāng)嗝嫔?流速隨水平及垂直方向不同而變化，即V=f(b,h)。其中V為斷面上某一點(diǎn)的流速,b為該點(diǎn)至水邊的水平距離，h為該點(diǎn)至水面的垂直距離。因此，通過(guò)全斷面的流量Q為:SKIPIF1<0(3-2)式中A一一水道斷面面積,dA則為A內(nèi)的單元面積(其寬為db,高為dh),m2;V一一垂直于dA的流速,m/s;B一一水面寬度,m;H一一水深,m。因?yàn)閒(b,h)的關(guān)系復(fù)雜,目前尚不能用數(shù)學(xué)公式表達(dá),實(shí)際工作中把上述積分式變成有限差分的形式來(lái)推求流量。流速儀法測(cè)流,確實(shí)是將水道斷面劃分為若干部分,用一般測(cè)量方法測(cè)算出各部分?jǐn)嗝娴拿娣eSKIPIF1<0,用流速儀施測(cè)流速并計(jì)算出各部分面積上的平均流速SKIPIF1<0i,兩者的乘積,稱為部分流量,各部分流量的和為全斷面的流量,即:SKIPIF1<0(3-3)式中qi一一第i個(gè)部分的部分流量,m3/s;n一一部分的個(gè)數(shù)。需要注意的是,實(shí)際測(cè)流時(shí)不可能將部分面積分成無(wú)限多,而是分成有限個(gè)部分,因此實(shí)測(cè)值只是逼近真值;河道測(cè)流需時(shí)刻較長(zhǎng),不能在瞬時(shí)完成,因此實(shí)測(cè)流量是時(shí)段的平均值。由此可見(jiàn),測(cè)流工作實(shí)質(zhì)上是測(cè)量橫斷面及流速測(cè)驗(yàn)兩部分工作。(二)斷面測(cè)量河道水道斷面的測(cè)量,是在斷面上布設(shè)一定數(shù)量的測(cè)深垂線,施測(cè)各條測(cè)深垂線的起點(diǎn)距和水深并觀測(cè)水位,各測(cè)深垂線處的河底高程為：河底高程=水位-水深測(cè)深垂線的位置,應(yīng)依照斷面情況布設(shè)于河床變化的轉(zhuǎn)折處,同時(shí)主槽較密,灘地較稀。測(cè)深垂線的起點(diǎn)距是指該測(cè)深垂線至基線上的起點(diǎn)樁之間的水平距離。測(cè)定起點(diǎn)距的方法有多種：斷面索法，適宜中小河流，可在斷面上架設(shè)過(guò)河索道,并直接讀出起點(diǎn)距,稱此法為斷面索法;儀器測(cè)角交會(huì)法，大河上常用儀器測(cè)角交會(huì)法。常用儀器為經(jīng)緯儀,平板儀、六分儀等。如用經(jīng)緯儀測(cè)量,在基線的另一端(起點(diǎn)距是一端)架設(shè)經(jīng)緯儀,觀測(cè)測(cè)深垂線與基線之間的夾角。因基線長(zhǎng)度已知,即可算出起點(diǎn)距;目前最先進(jìn)的是用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位的方法,它是利用全球定位儀接收天空中的三顆人造定點(diǎn)衛(wèi)星的特定信號(hào)來(lái)確定其在地球上處位置的坐標(biāo),優(yōu)點(diǎn)是不受任何天氣氣候的干擾,24小時(shí)均可連續(xù)施測(cè),且快速、方便、準(zhǔn)確。水深一般用測(cè)深桿、測(cè)深錘或測(cè)深鉛魚(yú)等直接測(cè)量。超聲波回聲測(cè)聲儀也可施測(cè)水深,它是利用超聲波具有定向反射的特性,依照聲波在水中的傳播速度和超聲波從發(fā)射到回收往返所通過(guò)的時(shí)刻計(jì)算出水深,具有精度好、工效高、適應(yīng)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度小,且不易受天氣、潮涉和流速大小限制等優(yōu)點(diǎn)。大斷面：河道水道斷面擴(kuò)展至歷年最高洪水位以上0.5~1.om的斷面稱為大斷面。它是用于研究測(cè)站斷面變化的情況以及在測(cè)流時(shí)不施測(cè)斷面可供借用斷面。大斷面的面積分為水上、水下兩部分。水上部分面積采納水準(zhǔn)儀測(cè)量的方法進(jìn)行;水下部分面積測(cè)量稱水道斷面測(cè)量。由于測(cè)水深工作困難,水上地形測(cè)量較易,因此大斷面測(cè)量多在枯水季節(jié)施測(cè),汛前或汛后復(fù)測(cè)一次。但對(duì)斷面變化顯著的測(cè)站,大斷面測(cè)量一般每年除汛前或汛后施測(cè)一次外,在每次大洪水之后應(yīng)及時(shí)施測(cè)過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e。(三)流速測(cè)量圖3-3為旋杯式流速儀1一旋杯,2一傳訊盒，3一電鈴計(jì)數(shù)器;4一尾翼；5一鋼絲繩,6一繩鉤；7一懸桿；8一鉛魚(yú)圖3-4旋槳式流速儀依照測(cè)速方法的不同,流速儀法測(cè)流可分為積點(diǎn)法、積深法和積寬法。最常用的積點(diǎn)法測(cè)速是指在斷面的各條垂線上將流速儀放至不同的水深點(diǎn)測(cè)速。測(cè)速垂線的數(shù)目及每條測(cè)速垂線上測(cè)點(diǎn)的多少是依照流速精度的要求、水深、懸吊流速儀的方式、節(jié)約人力和時(shí)刻等情況而定。國(guó)外多采納多線少點(diǎn)測(cè)速。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議測(cè)速垂線許多于20條，任一部分流量不得超過(guò)10%總流量。表3-1是美國(guó)在127條不同河流上的測(cè)站,每站斷面上布設(shè)100條以上的測(cè)速垂線,對(duì)不同測(cè)速垂線數(shù)目所推求的流量,進(jìn)行流量誤差的統(tǒng)計(jì)分析。表3·1各種測(cè)速垂線數(shù)對(duì)流量的標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)速垂線數(shù)8-1112-1516-2021-2526-3031-35104標(biāo)準(zhǔn)差4.24.12.12.01.61.60表3-1講明:測(cè)速垂線數(shù)愈多,流量的誤差愈小。暢流期用精測(cè)法測(cè)流時(shí),如采納懸桿懸吊，當(dāng)水深大于1.0m可用五點(diǎn)法測(cè)流，即在相對(duì)水深(測(cè)點(diǎn)水深與所在垂線水深之比值)分不為0.0、0.2、0.6、0.8和1.o處施測(cè)。為了消除流速的脈動(dòng)阻礙,各測(cè)點(diǎn)的測(cè)速歷時(shí),可在60~100秒之間選用。但當(dāng)受測(cè)流所需總時(shí)刻的限制時(shí),則可選用少線少點(diǎn)、30秒的測(cè)流方案。(四)流量計(jì)算流量的計(jì)算方法有圖解法、流速等值線法和分析法。前兩種方法在理論上比較嚴(yán)格,但比較繁瑣,那個(gè)地點(diǎn)要緊介紹常用的分析法。具體步驟及內(nèi)容如下(圖3-5)：1.垂線平均流速的計(jì)算視垂線上布置的測(cè)點(diǎn)情況,分不按下列公式進(jìn)行計(jì)算:一點(diǎn)法Vm=Vo.6二點(diǎn)法Vm=0.5*(V0.2+V0.8)三點(diǎn)法Vm=(V0.2+V0.8+V0.6)五點(diǎn)法Vm=0.1*(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)(3-7)式中，Vm為垂線平均流速V0.0、V0.2、V0.6、V0.8、V1.0均為與腳標(biāo)數(shù)值相應(yīng)的相對(duì)水深處的測(cè)點(diǎn)流速。2.部分平均流速的計(jì)算岸邊部分:由距岸第一條測(cè)速垂線所構(gòu)成的岸邊部分(兩個(gè),左岸和右岸,多為三角形,按下列公式計(jì)算:vl=αVml(3-8)vn+1=αVmn(3-9)式中，α稱岸邊流速系數(shù),其值視岸邊情況而定。斜坡岸邊α=0.67~0.75,一般取0.70,陡岸α=0.80~0.90,死水邊α=0.60。中間部分:由相鄰兩條測(cè)速垂線與河底及水面所組成的部分,部分平均流速為相鄰兩垂線平均流速的平均值，按下式計(jì)算：Vi=0.5*(Vmi-1+Vmi)(3-6)3.部分面積的計(jì)算因?yàn)閿嗝嫔喜荚O(shè)的測(cè)深垂線數(shù)目比測(cè)速垂線的數(shù)目多,故首先計(jì)算測(cè)深垂線間的斷面面積。計(jì)算方法是距岸邊第一條測(cè)深垂線與岸邊構(gòu)成三角形,按三角形面積公式計(jì)算(左右岸各一個(gè)）;其余相鄰兩條測(cè)深垂線間的斷面面積按梯形面積公式計(jì)算。其次以測(cè)速垂線劃分部分,將各個(gè)部分內(nèi)的測(cè)深垂線間的斷面積相加得出各個(gè)部分的部分面積。若兩條測(cè)速垂線(同時(shí)也是測(cè)深垂線)間無(wú)另外的測(cè)深垂線,則該部分面積確實(shí)是這兩條測(cè)深(同時(shí)是測(cè)速垂線）間的面積。4.部分流量的計(jì)算由各部分的部分平均流速與部分面積之積得到部分流量,即qi=ViAi（3-11）式中,qi、vi、Ai分不為第i個(gè)部分的流量、平均流速和斷面積。5·斷面流量及其他水力要素的計(jì)算斷面流量SKIPIF1<0(3-12)斷面平均流速SKIPIF1<0（3-13）斷面平均水深SKIPIF1<0（3-14）在一次測(cè)流過(guò)程中，與該次實(shí)測(cè)流量值相等的、某一瞬時(shí)流量所對(duì)應(yīng)的水位稱相應(yīng)水位。依照測(cè)流時(shí)水位漲落不同情況可分不采納平均或加權(quán)平均計(jì)算。第六節(jié)水文調(diào)查與水文遙感目前收集水文資料的要緊途徑是定位觀測(cè),由于定位觀測(cè)受到時(shí)刻、空間的限制,收集的資料往往不能滿足生產(chǎn)需要,因此必須通過(guò)水文調(diào)查來(lái)補(bǔ)充定位觀測(cè)的不足,使水文資料更加系統(tǒng)完整,更好滿足水資源開(kāi)發(fā)利用、水利水電建設(shè)及其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。水文調(diào)查的內(nèi)容分為四大類:流域調(diào)查、水量調(diào)查、洪水與暴雨調(diào)查、其他專項(xiàng)調(diào)查。本節(jié)要緊介紹洪水與暴雨調(diào)查。一、洪水的調(diào)查洪水調(diào)查中，對(duì)歷史上大洪水的調(diào)查,有打算組織調(diào)查;當(dāng)年特大洪水,應(yīng)及時(shí)組織調(diào)查;對(duì)河道決口、水庫(kù)潰壩等災(zāi)難性洪水,力爭(zhēng)在情況發(fā)生時(shí)或情況發(fā)生后較短時(shí)刻內(nèi),進(jìn)行有關(guān)調(diào)查。洪水調(diào)查工作包括:調(diào)查洪水痕跡洪水發(fā)生的時(shí)刻、災(zāi)情測(cè)量、洪水痕跡的高程、了解調(diào)查河段的河槽情況;了解流域自然地理情況;測(cè)量調(diào)查河段的縱橫斷面;必要時(shí)應(yīng)在調(diào)查河段進(jìn)行簡(jiǎn)易地形測(cè)量;對(duì)調(diào)查成果進(jìn)行分析,推算洪水總量、洪峰流量、洪水過(guò)程及重現(xiàn)期，最后寫出調(diào)查報(bào)告。計(jì)算洪峰流量時(shí):若調(diào)查的洪痕靠近某一水文站,可先求水文站差不多水尺斷面處的洪水位高程,通過(guò)延長(zhǎng)該站的水位流量關(guān)系曲線,推求洪峰流量。在新調(diào)查的河段無(wú)水文站情況下,洪水調(diào)查的洪峰流量,可采納下列公式估算。(一)用比降法計(jì)算洪峰流量勻直河段洪峰流量計(jì)算:Qm=KS1/2=AS1/2R2/3/n=AV(曼寧公式)(3-31):.（Sf=n2Q2/A2R4/3Q=AR2/3S1/2/n=KS1/2）式中Qm一一洪峰流量,m3/s;S一一水面比降（測(cè)壓管坡度），%O;Sf為摩阻比降，%O;恒定均勻（穩(wěn)定流）流：水面比降S=河底坡S0=能坡SfK一一河段平均輸水率m/s，K=AR2/3/n,n為糙率，A為河段平均斷面積，m2，R為河段平均水力半徑，m。非勻直河段洪峰流量計(jì)算:Qm=KSe1/2(3-32)SKIPIF1<0(3-33)（勢(shì)能差和動(dòng)能差（流速水頭），單位長(zhǎng)度上的能量損失。對(duì)堰流公式H0=H+v2/2g是考慮行近流速v的堰頂水頭）式中Se-一能面比降;hf-一兩斷面間的摩阻損失,h為上、下兩斷面的水面落差,m;V上、V下分不為上下兩斷面的平均流速,m/s;L一一兩斷面間距,m。（3）若考慮擴(kuò)散及彎曲損失時(shí)洪峰流量推算:SKIPIF1<0（3-34）式中α一一擴(kuò)散、彎曲損失系數(shù),一般取0·5。視不同情況,選用以上公式估算洪峰流量。糙率n確定,可依照實(shí)測(cè)成果繪水位糙率曲線備查,或查糙率表,或參考附近水文站的糙率資料;過(guò)水?dāng)嗝娣殖蒒份，濕周P1，P2，P3…PN；糙率N1，N2，N3…NN；面積A1，A2，A3…AN；流速U1，U2，U3…UN；有U=Sf1/2(A/P)2/3/n=Sf1/2(A1/P1)2/3/n1=…=Sf1/2(AN/PN)2/3/nNn=(A/P)2/3/((A1/P1)2/3/n1)=(A/P)2/3/((Ai/Pi)2/3/ni)SKIPIF1<0n=(A/P)2/3/SKIPIF1<0((Ai/Pi)2/3/ni)綜合糙率n’=(SKIPIF1<0Pini3/2/p)2/3A2/3=SKIPIF1<0Ai2/3對(duì)復(fù)式斷面,可分不計(jì)算主槽和灘地的流量再取其和。(二)用水面曲線推算洪峰流量當(dāng)所調(diào)查的河段較長(zhǎng)且洪痕較少,各河段河底坡降及斷面變化、洪水水面曲線比較曲折時(shí),不宜用比降法計(jì)算,可用水面曲線法推求洪峰流量。水面曲線法的工作原理是:假定一流量Q,由所估定的各段河道糙率n,自下游一已知的洪水水面點(diǎn)起,向上游逐段推算水面線,然后檢查該水面線與各洪痕的符合程度。如大部分符合,表明所假定流量正確;否則,重新修定Q值,再推算水面線直至大部分洪痕符合為止。．設(shè)計(jì)水面線的分析計(jì)算河道設(shè)計(jì)水面線分析計(jì)算采納水力學(xué)公式和試算法確定。水力學(xué)公式采納水位沿程變化的關(guān)系式：SKIPIF1<0（3-35）=流速水頭和局部水頭損失的沿程變化+水力坡度特征流量為k2=C2A2R=C2h3b2將(3-35)微分方程改寫成差分形式再移項(xiàng)可得(3-36)式:SKIPIF1<0SKIPIF1<0（3-36）zv、zd上下游斷面水位；α動(dòng)能修正系數(shù)；α=1.15ξ局部阻力系數(shù)；逐漸擴(kuò)散段可取ξ=-0.33—0.55急劇擴(kuò)散段可取ξ=-0.5—1.0Q流量；A過(guò)水面積；g重力加速度；K流量模數(shù)；Δs上下游斷面間距。二、暴雨調(diào)查以降雨為洪水成因的地區(qū),洪水的大小與暴雨大小緊密相關(guān),暴雨調(diào)查資料對(duì)洪水調(diào)查成果起旁證作用。洪水過(guò)程線的繪制、洪水的地區(qū)組成,也需要組合面上暴雨資料進(jìn)行分析。暴雨調(diào)查的要緊內(nèi)容有:暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄時(shí)刻、暴雨變化過(guò)程及前期雨量情況、暴雨走向及當(dāng)時(shí)要緊風(fēng)向風(fēng)力變化等。對(duì)歷史暴雨的調(diào)查,一般通過(guò)群眾對(duì)當(dāng)時(shí)雨勢(shì)的回憶或與近期發(fā)生的某次大暴雨對(duì)比,得出定性概念;也可通過(guò)群眾對(duì)當(dāng)時(shí)地面坑塘積水、露天水缸或其他器皿承接雨量作定量可能,并對(duì)一些雨量記錄進(jìn)行復(fù)核,對(duì)降雨的時(shí)、空分布作出可能。三、水文遙感遙感技術(shù),特不是航天遙感的進(jìn)展,使人們能從宇宙空間的高度上,大范圍、快速、周期性的探測(cè)地球上各種現(xiàn)象及其變化。遙感技術(shù)在水文科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用稱為水文遙感。水文遙感具有以下特點(diǎn):如動(dòng)態(tài)遙感,從定性描述進(jìn)展到定量分析,遙感遙測(cè)遙控的綜合應(yīng)用,遙感與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合。近20多年來(lái),遙感技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并已成為收集水文信息的一種重要手段,尤其在水資源水文調(diào)查的應(yīng)用,更為顯著。概括起來(lái),列舉如下幾方面。1)流域調(diào)查:依照衛(wèi)星像片能夠準(zhǔn)確查清流域范圍、流域面積、流域覆蓋類型、河長(zhǎng)、河網(wǎng)密度、河流彎曲度等。2)水資源調(diào)查:使用不同波段、不同類型的遙感資料,容易判讀各類地表水,如河流、湖泊、水庫(kù)、沼澤、冰川、凍土和積雪的分布;還可分析飽和土壤面積、含水層分布以估算地下水儲(chǔ)量。3)水質(zhì)監(jiān)測(cè):遙感資料進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)可包括分析識(shí)不熱水污染、油污染、工業(yè)廢水及生活污水污染、農(nóng)藥化肥污染以及懸移質(zhì)泥沙、藻類生殖等情況。4)洪澇災(zāi)難的監(jiān)測(cè):包括洪水淹沒(méi)范圍的確定,決口、滯洪、積澇的情況,泥石流及滑波的情況。5)河口、湖泊、水庫(kù)的泥沙淤積及河床演變,古河道的變遷等。6)降水量的測(cè)定及水情預(yù)報(bào):通過(guò)氣象衛(wèi)星傳播器獵取的高和氣濕度間接推求降水量或依照衛(wèi)片的灰度定量估算降水量;依照衛(wèi)星云圖與天氣圖配合預(yù)報(bào)洪水及旱情監(jiān)測(cè)。此外,還可利用遙感資料分析處理測(cè)定某些水文要素如水深、懸移質(zhì)含沙量等。利用衛(wèi)星傳輸?shù)孛孀詣?dòng)遙測(cè)水文站資料,具有投資低,維護(hù)量少,使用方便的優(yōu)點(diǎn),且在惡劣天氣下安全可靠,不易中斷。對(duì)大面積人煙稀少地區(qū)更加適合。第七節(jié)水文數(shù)據(jù)處理各種水文測(cè)站測(cè)得的原始數(shù)據(jù),都要按科學(xué)的方法和統(tǒng)一的格式整理、分析、統(tǒng)計(jì)、提煉成為系統(tǒng)、完整,有一定精度的水文資料,供水文水資源計(jì)算、科學(xué)和有關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門應(yīng)用。那個(gè)水文數(shù)據(jù)的加工、處理過(guò)程,稱為水文數(shù)據(jù)處理。水文數(shù)據(jù)處理的工作內(nèi)容包括:收集校核原始數(shù)據(jù);編制實(shí)測(cè)成果表；確定關(guān)系曲線,推求逐時(shí)、逐日值;編制逐日表及洪水水文要素摘錄表;合理性檢查;編制處理講明書。水位數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)單,在第二節(jié)已述,本節(jié)要緊介紹流量資料整編,簡(jiǎn)要介紹泥沙數(shù)據(jù)處理。對(duì)上述處理工作內(nèi)容,重點(diǎn)介紹關(guān)系曲線的確定及逐時(shí)、逐日值的推求。一、水位流量關(guān)系曲線的確定(一)穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,是指在一定條件下水位和流量之間呈單值函數(shù)關(guān)系,簡(jiǎn)稱為單一關(guān)系。在一般方格紙上,縱坐標(biāo)是水位,橫坐標(biāo)是流量,點(diǎn)繪的水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集,分布成一帶狀,75%以上的中高水流速儀測(cè)流點(diǎn)據(jù)與平均關(guān)系線的偏離不超過(guò)土5%,75%的低水點(diǎn)或浮標(biāo)測(cè)流點(diǎn)據(jù)偏離不超過(guò)土8%(流量專門小時(shí)可適當(dāng)放寬),且關(guān)系點(diǎn)沒(méi)有明顯的系統(tǒng)偏離,這時(shí)即可通過(guò)點(diǎn)群中心定一條單一線(供推流)。點(diǎn)圖時(shí)在同一張圖紙上依次點(diǎn)繪水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線,并用同一水位下的面積與流速的乘積,校核水位流量關(guān)系曲線中的流量,使誤差操縱在士2%~土3%。以上三條曲線比例尺的選擇,應(yīng)使它們與橫軸的夾角分不近似為45o、60o、60o,且互不相交(圖3-10)。所定的單一水位流量關(guān)系還要進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn),進(jìn)行檢驗(yàn)均通過(guò)才能用此單一曲線推流。此外,兩條曲線(或兩列數(shù)組)需要合并定線時(shí),還要進(jìn)行t檢驗(yàn)。(二)不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,是指測(cè)驗(yàn)河段受斷面沖淤、洪水漲落、變動(dòng)回水或其他因素的個(gè)不或綜合阻礙,使水位與流量間的關(guān)系不呈單值函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)圖3-11~圖3-13。表3-6給出了各種整編方法及其適用情況。這些方法歸納起來(lái)分為兩種類型：一種是水力因素型,這一類型的方法均可表示為Q=f(b,x)的形式,x為某一水力因素。其方法的原理都來(lái)自于水力學(xué)的推導(dǎo),故理論性強(qiáng),所要求的測(cè)點(diǎn)少,且適于計(jì)算機(jī)作單值化處理。另一類型稱時(shí)序型,表示為Q=f(Z,t)，t為時(shí)刻。時(shí)序型的方法其原理是以水流的連續(xù)性為基礎(chǔ),因而要求測(cè)點(diǎn)多且準(zhǔn)確,能操縱流量的變化轉(zhuǎn)折。方法適用范圍較廣,但有時(shí)刻性。照水位過(guò)程線起伏變動(dòng)的情定線。受洪水漲落阻礙的水位流量關(guān)系線用連時(shí)序法定線往往成逆時(shí)針繩套形。繩套的頂部必須與洪峰水位相切,繩套的底部應(yīng)與水位過(guò)程線中相應(yīng)的低谷點(diǎn)相切。受斷面沖淤或結(jié)冰阻礙時(shí),還應(yīng)當(dāng)滿足時(shí)序型的要求條件時(shí),連時(shí)序法是按實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子的時(shí)刻順序來(lái)連接水位流量關(guān)系曲線,故應(yīng)用范圍較廣。連線時(shí),應(yīng)參考用連時(shí)序法繪出的水位面積關(guān)系變化趨勢(shì),關(guān)心繪制水位流量關(guān)系曲線(圖3-14)。二、水位流量關(guān)系曲線的延長(zhǎng)測(cè)站測(cè)流時(shí),由于施測(cè)條件限制或其他種種緣故,致使最高水位或最低水位的流量缺測(cè)或漏測(cè)。為取得全年完整的流量過(guò)程,必須進(jìn)行高低水時(shí)水位流量關(guān)系的延長(zhǎng)。高水延長(zhǎng)的結(jié)果,對(duì)洪水期流量過(guò)程的要緊部分,包括洪峰流量在內(nèi),有重大的阻礙。低水流量雖小,但如延長(zhǎng)不當(dāng),相對(duì)誤差可能較大且阻礙歷時(shí)較長(zhǎng)。因此延長(zhǎng)均需慎重。高水部分的延長(zhǎng)幅度一般不應(yīng)超過(guò)當(dāng)年實(shí)測(cè)流量所占水位變幅的30%,低水部分延長(zhǎng)的幅度一般不應(yīng)超過(guò)10%。對(duì)穩(wěn)定的水位流量關(guān)系進(jìn)行高低水延長(zhǎng)常用的方法有以下幾種。（一）水位面積與水位流速關(guān)系高水延長(zhǎng)適用于河床穩(wěn)定,水位面積、水位流速關(guān)系點(diǎn)集中,曲線趨勢(shì)明顯的測(cè)站。其中,高水時(shí)的水位面積關(guān)系曲線能夠依照實(shí)測(cè)大斷面資料確定,高水時(shí)水位流速關(guān)系曲線常趨近于常數(shù),可按趨勢(shì)延長(zhǎng)。但是,某一高水位下的流量,便可由該水位的斷面面積和流速的乘積來(lái)確定。如此,可延長(zhǎng)水位流量關(guān)系曲線,見(jiàn)圖3-15。(二)用水力學(xué)公式高水延長(zhǎng)此法可幸免水位面積與水位流速關(guān)系高水延長(zhǎng)中水位流速順趨勢(shì)延長(zhǎng)的任意性,用水力學(xué)公式計(jì)算出外延部分的流速值來(lái)輔助定線。(1)曼寧公式外延:依照曼寧公式SKIPIF1<0（3-35）延長(zhǎng)時(shí),用上式計(jì)算流速,用實(shí)測(cè)大斷面資料延長(zhǎng)水位面積關(guān)系曲線,從而達(dá)到延長(zhǎng)水位流量關(guān)系的目的。計(jì)算流速時(shí),因水力半徑R可用大斷面資料求得,故關(guān)鍵在于確定水面比降S和糙率n值。依照實(shí)際資料,如S、n均有資料時(shí),直接由公式計(jì)算并延長(zhǎng);當(dāng)二者缺一時(shí),通過(guò)點(diǎn)繪Z~n(或Z~S)關(guān)系曲線并延長(zhǎng)之,再算出SKIPIF1<0來(lái);如兩者都沒(méi)有時(shí),則將SKIPIF1<0看成一個(gè)未知數(shù),因SKIPIF1<0=Q/（AR2/3）,依據(jù)實(shí)測(cè)資料的流量、面積、水力半徑計(jì)算出SKIPIF1<0,點(diǎn)繪Z~SKIPIF1<0曲線,因高水部分SKIPIF1<0接近于常數(shù),故可按趨勢(shì)延長(zhǎng),見(jiàn)圖3-16。(2)斯蒂文斯(Stevens)法:由謝才流速公式導(dǎo)出流量為SKIPIF1<0(3-36)式中C一一謝才系數(shù);其余符號(hào)同前。對(duì)斷面無(wú)明顯沖淤、水深不大但水面較寬的河槽,以斷面平均水深h代替R,則式(3-36)可改寫為:SKIPIF1<0式中，SKIPIF1<0,高水時(shí)其值接近常數(shù)。故高水時(shí)Q~Ah1/2呈線性關(guān)系,據(jù)此外延。由大斷面資料計(jì)算ASKIPIF1<0并點(diǎn)繪不同高水位Z在Z~ASKIPIF1<0曲線上查得ASKIPIF1<0值,并以Q~ASKIPIF1<0曲線上查得Q值,依照對(duì)應(yīng)的(Z,Q)點(diǎn)據(jù),便可實(shí)現(xiàn)水位與流量關(guān)系曲線的高水延長(zhǎng)。見(jiàn)圖3-17。(三)水位流量關(guān)系曲線的低水延長(zhǎng)法'低水延長(zhǎng)一般是以斷流水位作操縱進(jìn)行水位流量關(guān)系曲線向斷流水位方向所作的延長(zhǎng)。斷流水位是指流量為零時(shí)的相應(yīng)水位。假定關(guān)系曲線的低水部分用以下的方程式來(lái)表示:Q=K(Z-Zo)n（3-37)式中Zo--斷流水位;n,K一一分不為固定的指數(shù)和系數(shù)。在水位流量曲線的中、低水彎曲部分,依次選取a、b、c三點(diǎn),它們的水位和流量分不為Za、Zb、Zc及Q。、Qb、Qc。若Qb=QaQc,代人式〈3-21〉,求解得斷流水位為:SKIPIF1<0(3-38)求得斷流水位Zo后,以坐標(biāo)(Zo，o)為操縱點(diǎn),將關(guān)系曲線向下延長(zhǎng)至當(dāng)年最低水位即可。三、水位流量關(guān)系曲線的移用規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中,常常遇到設(shè)計(jì)斷面處缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。這時(shí)就需要將鄰近水文站的水位流量關(guān)系移用到設(shè)計(jì)斷面上。當(dāng)