水力學(xué)教程第二章 水文學(xué)一般概念和水文測驗(yàn)

第二章

水文學(xué)的一般概念與水文測驗(yàn)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(shí)段開始時(shí)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(shí)段終了時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)通過流域出口斷面的總水量，單位為m3、萬m3

、億m3。計(jì)算公式為：

t1t2TW’——時(shí)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?？捎?jì)算各種時(shí)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(shí)段內(nèi)的徑流深x與對應(yīng)時(shí)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(yàn)水位觀測水文測驗(yàn)即在河流的一定地點(diǎn)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(jì)算水位必要要有個(gè)作為計(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的基面。觀測水位設(shè)備：水尺和自記水位計(jì)水文測驗(yàn)水尺自記水位計(jì)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50138-2010)水文測驗(yàn)零點(diǎn)高程：水尺板上刻度起點(diǎn)與某一基準(zhǔn)面的垂直距離水位公式：水位＝水尺零點(diǎn)高程＋水尺讀數(shù)河流的流速與流量的測定計(jì)算流程點(diǎn)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(diǎn)流速的測定計(jì)算公式：式中：u——水流的點(diǎn)速度，m／s

N——測速儀在測速歷時(shí)t內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)

t——測速歷時(shí)，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(jì)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(diǎn)進(jìn)行測速。水面寬與平均水深之比>100時(shí)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(diǎn)是由水面向河底計(jì)算。如“0.2”水深意味測點(diǎn)深度等于垂線水深的2／10表2.3測速垂線上的測點(diǎn)數(shù)目和位置水深／m垂線上的測點(diǎn)數(shù)目和位置懸桿懸吊懸索懸吊>1.0>3.0五點(diǎn)（水面，0.2m、0.6m、0.8m水深，河底）0.6~1.02.0~3.0三點(diǎn)（0.2m、0.6m、0.8m水深）或兩點(diǎn)（0.2m、0.8m水深）0.4~0.61.5~2.0兩點(diǎn)（0.2m、0.8m水深）0.2~0.40.8~1.5一點(diǎn)（0.6m水深）0.16~0.20.6~0.8一點(diǎn)（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(jì)算一點(diǎn)法：vm=v0.6或vm=(0.9～0.95)v0.5兩點(diǎn)法：vm=1/2(v0.2+v0.8)三點(diǎn)法：vm=1/3(v0.2+v0.6+v0.8)五點(diǎn)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(jì)算；A2、A3按梯形計(jì)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€(gè)數(shù)；

qi——部分?jǐn)嗝媪髁?，m3／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(yùn)動。懸移質(zhì)輸沙率Qs（kg／s）：單位時(shí)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(diǎn)，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(jì)算出整個(gè)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(shí)，河段水面比降大，流速快，同一水位時(shí)通過的流量較大，圖示曲線向右偏離；落水時(shí)，水面比降小，流速慢，同一水位時(shí)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(shí)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(gè)以上Qi后，繪制延長部分。II.利用水力學(xué)的公式計(jì)算斷面平均流速根據(jù)謝才公式計(jì)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(jì)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(shí)測水面縱比降J和河道糙率n測站時(shí)。在高、低水位時(shí)，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(shí)，高、低水水面縱比降J通常變化不大，因?yàn)榭烧J(rèn)為

為常數(shù)，令K＝

，則步驟：根據(jù)實(shí)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(shí)的流量，可從Z－

曲線上求得a點(diǎn)，由a點(diǎn)引一水平線與Q-的延長線相交于b點(diǎn)，由b點(diǎn)作一垂線于Z＝50m處引出的水平線相交于c點(diǎn)，根據(jù)c點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)，使這三點(diǎn)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(diǎn)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(jì)用的最大流量和枯水流量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jì)使用。2.7水面蒸發(fā)的幾個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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。可