水力學(xué)教程第二章 水文學(xué)一般概念和水文測驗

第二章

水文學(xué)的一般概念與水文測驗環(huán)境工程2.3閉合流域水量平衡閉合流域水量平衡閉合流域：

流域地面分水線明確，且地面與地下分水線又相互重合，這樣就不存在相鄰流域間的水量交換，這種流域稱為閉合流域。根據(jù)物質(zhì)守恒：進(jìn)入閉合流域的水量：h——流域平均降水量U1——時段開始時流域的蓄水量流出閉合流域的水量：x——出口斷面徑流量（包括地下徑流量）ω——流域平均蒸發(fā)量U2——時段終了時流域的蓄水量水量平衡方程：h＋U1＝x+ω＋U2閉合流域水量平衡閉合流域：水量平衡方程：h+U1=x+ω+U2

h=x+ω+ΔU對某一具體年份來說，式中：h代表年降水量；x代表年徑流總量；ω代表年蒸發(fā)總量。豐水年份水量充沛，一部分水量補(bǔ)充流域蓄水量，ΔU為正值；而枯水年份，ΔU為負(fù)值，表示流域?qū)⑾男钏康囊徊糠衷趶搅骷罢舭l(fā)上。對于多年平均情況而言，流域蓄水量之差接近于零，即h0≈x0+ω0式中：h0流域多年平均降水量；x0流域多年平均徑流量；ω0流域多年平均蒸發(fā)量閉合流域水量平衡閉合流域：如用h0除方程式h0≈x0+ω0兩邊，得徑流系數(shù)蒸發(fā)系數(shù)干旱地區(qū)的徑流系數(shù)很小，幾乎接近于0,而蒸發(fā)系數(shù)很大，可接近于1；在水分豐沛地區(qū)的徑流系數(shù)介于0.5～0.7或稍大2.4河川徑流流量的表示方法徑流量的表示方法流量Q：

指單位時間內(nèi)通過流域出口斷面的水量，常用單位為m3/s。

流量Q隨時間t的變化過程，稱為流量過程線Q~t。

徑流量的表示方法徑流總量W’:

指一定時間內(nèi)通過流域出口斷面的總水量，單位為m3、萬m3

、億m3。計算公式為：

t1t2TW’——時段T內(nèi)的平均流量Qt

日徑流總量、月徑流總量、年徑流總量通過上式都可以獲得。

徑流量的表示方法徑流深x把徑流總量W’平鋪在流域面積F上所得到的平均水深，稱為徑流深，單位mm。其關(guān)系式為：x=W’/(1000F)式中，W’的單位為m3，F(xiàn)的單位為km2。可計算各種時間尺度(日、月、年)的徑流深。

徑流模數(shù)M

指單位流域面積上所產(chǎn)生的流量，單位為m3/(s﹒km2)。即：M=Q/F徑流系數(shù)α

指同一時段內(nèi)的徑流深x與對應(yīng)時段降雨量h之比值。即：α=x/h(1)多年平均徑流總量

W’＝

＝1680×365×24×60×60=530×108m3;(2)多年平均徑流深

x=W’/F=530×108/1000×54500=972mm(3)多年平均徑流模數(shù)

M=/F=1680/54500=30.8×10-3m3/(s.km2)(4)多年平均徑流系數(shù)

α=x/h=972/1650=0.59徑流量的表示方法【例】某水文站流域面積F＝54500km2，多年平均降雨量＝1650mm，多年平均流量＝1680m3／s。根據(jù)這些資料可算得：2.5水文測驗水位觀測水文測驗即在河流的一定地點上按一定要求建立長期觀測水文要素的測站，測量并紀(jì)錄水文要素的變化情況。水位海洋、江河、湖泊、水庫等自由水面離開固定基準(zhǔn)面的距離稱為水位。計算水位必要要有個作為計算標(biāo)準(zhǔn)的基面。全國統(tǒng)一規(guī)定，以青島潮站、黃海平均海平面作為計算標(biāo)準(zhǔn)的基面。觀測水位設(shè)備：水尺和自記水位計水文測驗水尺自記水位計水位觀測標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50138-2010)水文測驗零點高程：水尺板上刻度起點與某一基準(zhǔn)面的垂直距離水位公式：水位＝水尺零點高程＋水尺讀數(shù)河流的流速與流量的測定計算流程點流速垂線平均流速部分?jǐn)嗝婷娣e&部分?jǐn)嗝嫫骄魉俨糠謹(jǐn)嗝媪髁窟^水?dāng)嗝媪髁窟^水?dāng)嗝嫫骄魉俸恿鞯牧魉倥c流量的測定點流速的測定計算公式：式中：u——水流的點速度，m／s

N——測速儀在測速歷時t內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)

t——測速歷時，s

K、C——測速儀常數(shù)河流的流速與流量的測定垂線平均速度的計算測速垂線在過水?dāng)嗝嫔涎睾訉掃x一些代表性強(qiáng)的測速垂線，在每根測速垂線上依水深不同選擇一些特征點進(jìn)行測速。水面寬與平均水深之比>100時為寬淺河道，否則為窄深河道水面寬／m<5.05.0501003001000>1000最少測速垂線數(shù)窄深河道3~5567888寬淺河道891113>13表2.2常測法的最少測速垂線數(shù)目河流的流速與流量的測定注：上述流速測點是由水面向河底計算。如“0.2”水深意味測點深度等于垂線水深的2／10表2.3測速垂線上的測點數(shù)目和位置水深／m垂線上的測點數(shù)目和位置懸桿懸吊懸索懸吊>1.0>3.0五點（水面，0.2m、0.6m、0.8m水深，河底）0.6~1.02.0~3.0三點（0.2m、0.6m、0.8m水深）或兩點（0.2m、0.8m水深）0.4~0.61.5~2.0兩點（0.2m、0.8m水深）0.2~0.40.8~1.5一點（0.6m水深）0.16~0.20.6~0.8一點（0.6m水深）<0.6改用懸桿懸吊或其他測速方法<0.16改用小浮標(biāo)法或其他測速方法河流的流速與流量的測定垂線平均流速的計算一點法：vm=v0.6或vm=(0.9～0.95)v0.5兩點法：vm=1/2(v0.2+v0.8)三點法：vm=1/3(v0.2+v0.6+v0.8)五點法：vm＝1／10（v0.0+3v0.2+3v0.6+2v0.8+v1.0）河流的流速與流量的測定部分?jǐn)嗝婷娣e

A1、A4按三角形計算；A2、A3按梯形計算部分?jǐn)嗝嫫骄魉賰蓽y速垂線中間部分的平均流速v2=1/2(vm1+vm2)v3=1/2(vm2+vm3)岸邊或死水邊部分的平均流速v1=ε1vm1v4=ε4vm3河流的流速與流量的測定岸邊情況ε值斜坡岸邊（即水深均勻地變淺至零的岸邊部分）0.67～0.75,可用0.7陡岸邊不平整陡岸邊用0.8光滑陡岸邊用0.9死水邊（死水與流水的交界處）一般可用0.6表2.4岸邊流速系數(shù)ε值表河流的流速與流量的測定斷面流量和過水?dāng)嗝媪髁渴街校篞——過水?dāng)嗝媪髁?，m3／s

n——部分?jǐn)嗝娴膫€數(shù)；

qi——部分?jǐn)嗝媪髁浚琺3／s

Ai——部分?jǐn)嗝婷娣e，m2；

vi——部分?jǐn)嗝嫫骄魉伲琺／s過水?dāng)嗝嫫骄魉偈街校篈——過水?dāng)嗝婷娣e，m2,泥沙測算懸移質(zhì)輸沙率Qs懸移質(zhì)泥沙又稱懸沙，其顆粒小而輕，由于水流的紊動而懸浮水中，并隨水流向下游運動。懸移質(zhì)輸沙率Qs（kg／s）：單位時間內(nèi)通過測流斷面的懸移質(zhì)輸沙量；河流的含沙量S（kg／m3）：單位體積渾水中所含泥沙的重量。Q——斷面流量，m3／s——斷面斷面平均含沙量，kg／m3推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)泥沙又稱底沙，顆粒大而重，并隨水流沿河底移動。利用推移質(zhì)采樣器，沿河寬不同地點，取得測沙垂線底部的推移質(zhì)泥沙，以求得各測沙垂線處單位寬度內(nèi)的輸沙率，從而計算出整個斷面的推移質(zhì)輸沙率。2.6水位流量關(guān)系曲線水位流量關(guān)系曲線的繪制水位：Z過水?dāng)嗝媪髁浚篞過水?dāng)嗝婷娣e：A過水?dāng)嗝嫫骄魉伲簐水位流量關(guān)系曲線及其延長線漲水時，河段水面比降大，流速快，同一水位時通過的流量較大，圖示曲線向右偏離；落水時，水面比降小，流速慢，同一水位時通過流量較小，曲線左偏離。水位流量關(guān)系曲線的繪制未沖淤前沖后淤后水位流量關(guān)系曲線的延長利用Z－A和Z－v曲線做Z－Q曲線高水延長線一般，高水部分延長不應(yīng)超多當(dāng)年實測流量所占水位變幅的30％；低水部分延長不應(yīng)超過10％此法用于河床沒有嚴(yán)重沖淤變化的斷面I.延長Z－Q曲線的高水部分a.繪制Z－A曲線；b.根據(jù)高水位附近的Z－v曲線通常趨近于直線，且與縱軸接近平行，順趨勢延長Z－v曲線；c.在Z－A和Z－v找出相應(yīng)的Ai和vi，根據(jù)Qi＝viAi求出Qi；d.求得5～6個以上Qi后，繪制延長部分。II.利用水力學(xué)的公式計算斷面平均流速根據(jù)謝才公式計算斷面平均流速v：式中，J——水面縱比降；

R——水力半徑；C——謝才系數(shù)，常用曼寧公式或巴普洛夫斯基公式計算C值

水位流量關(guān)系曲線的延長利用斷面特性法作Z－Q曲線的高、低水延長線此法適用于沒有實測水面縱比降J和河道糙率n測站時。在高、低水位時，因糙率n和水力半徑R都較穩(wěn)定，故C值接近常數(shù)；同時，高、低水水面縱比降J通常變化不大，因為可認(rèn)為

為常數(shù)，令K＝

，則步驟：根據(jù)實測流量和大斷面資料，作Z－Q，Q－

和Z－

三條關(guān)系曲線將Z—

繪制高水位區(qū)將Q—在高、低水位區(qū)作直線延長（虛線部分）如欲求50m水位時的流量，可從Z－

曲線上求得a點，由a點引一水平線與Q-的延長線相交于b點，由b點作一垂線于Z＝50m處引出的水平線相交于c點，根據(jù)c點即可延長Z－Q曲線水位流量關(guān)系曲線的延長水位流量關(guān)系曲線的延長以斷流水位為控制作低水延長線

先確定斷流水位，以此控制將水位－流量關(guān)系曲線延長至當(dāng)年最低水位處。

斷流水位求法：I.根據(jù)測站縱、橫斷面資料確定

若測站下游有淺灘或石梁，以其高程作為斷流水位；若測站下游很長距離內(nèi)河底平坦，則取基本水尺斷面河底最低點高程作為斷流水位。水位流量關(guān)系曲線的延長以斷流水位為控制作低水延長線II.分析法

用于在沒有縱斷面圖和調(diào)查資料時，如斷面形狀整齊，在延長部分的水位變幅內(nèi)河寬無變化，又無淺灘、分流等現(xiàn)象。

在Z-Q曲線的中低水彎曲部分，依順序取a、b、c三點，使這三點的流量關(guān)系滿足，則

式中，Z-斷流水位，mGa、Gb、Gc-水位流量關(guān)系曲線上a、b、c三點對應(yīng)的水位，m

此法基本假定：Z-Q關(guān)系曲線的低水部分的方程式為：水位與流量關(guān)系曲線的應(yīng)用目的

把調(diào)查得來的洪、枯水位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量；或者相反，把設(shè)計用的最大流量和枯水流量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的設(shè)計最高水位和最低水位。

前述Z-Q曲線關(guān)系均是指水文站基本水尺斷面上的情況，還得移用到取水口處才能供設(shè)計使用。2.7水面蒸發(fā)的幾個問題水面蒸發(fā)的物理過程及影響因素物理過程

水分交換的過程，同時伴隨著能量的交換。蒸發(fā)潛能（汽化潛能）η＝2491－2.177ts，ts為蒸發(fā)面溫度，℃影響因素

飽和差、風(fēng)速、輻射、溫度、氣壓、水質(zhì)和水深

道爾頓定律：式中：E——水面溫度下的飽和水汽壓

eZ——水面以上Z高度處的實際水汽壓

Ke——與氣溫、風(fēng)等有關(guān)的對流、擴(kuò)散系數(shù)水面蒸發(fā)量的觀測及估算器測法水文部門普遍采用E601蒸發(fā)器每日8時觀測一次，得日蒸發(fā)量，月蒸發(fā)量，年蒸發(fā)量水面蒸發(fā)量的觀測及估算國內(nèi)外資料分析認(rèn)為：由20m2或100m2的大型蒸發(fā)池所觀測的水面蒸發(fā)量較接近天然水體蒸發(fā)量?？?/p>