水文信息采集與處理課件

第三章水文信息采集與處理水文信息采集與處理成因分析“因”作為輸入模型參數確定規(guī)律分析….概率統(tǒng)計樣本數據…水文觀測與實驗水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理Contents基本知識水位觀測及資料整理流量測驗及資料整編水文調查及水文資料收集水文信息采集與處理3.1概述水文信息采集：指系統(tǒng)地收集和整理水文資料的技術工作的統(tǒng)稱。狹義的指水文要素的觀測。水文信息采集是水文學的基礎。水文信息采集工作包括下列各方面：

水文站網的規(guī)劃、布設和調整，水文站網的規(guī)劃指擬定和選擇水文測站合理布局的方案。水文信息采集與處理

水文測驗方法的研究和技術標準的制訂（測驗時制、度量單位、精度要求、計算方法和工作程序等），使得到的各項資料能在同一基礎上進行比較和分析。

水文測站上的觀測：按設站要求分別在站上進行水位觀測，流量測驗，泥沙測驗，水質、水溫、冰情、降水量、蒸發(fā)量、土壤含水量和地下水位等觀測。

水文調查。

水文資料整編：按照統(tǒng)一的方法和格式，對測得的資料進行整理，匯編成為系統(tǒng)的成果。水文信息采集與處理3.1.1水文測站與站網水文測站：組織進行水文測驗的基層單位，也是收集水文資料的基本場所。水文測站的主要任務是按照統(tǒng)一標準對指定地點(或斷面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、冰凌、水質、地下水位等項目進行觀測及資料整編。水文信息采集與處理站網：就是測站在地理上的分布網，站網把測站有機地聯系起來，使測站發(fā)揮更大作用布站原則：通過所設站網采集到的水文信息經過整理分析后，達到可以內插領域內任何地點水文要素的特征值的目的。水文信息采集與處理國家水文站網按測站性質分為：基本站網、專用站網和實驗站網?；菊臼蔷C合國民經濟各方面需要，由國家統(tǒng)一規(guī)劃，以合理經濟的方式建立的?；菊緢?zhí)行水文測驗標準，進行較長時期的連續(xù)觀測，資料編成《水文年鑒》刊布或以其它形式長期存貯。水文信息采集與處理基本站網（basicstation）基本水文站網中，根據測驗內容分為流量站網、水位站網、泥沙站網、雨量站網、蒸發(fā)站網和水質站網。http:///

水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理專用站是為科學研究、工程建設、管理運用等特定目的而設立的。其觀測項目、觀測要求及觀測年限，由設站部門依據設站目的自行規(guī)定。實驗站是為了深入研究某些專門問題而設立的一個或一組水文測站。實驗站也可兼作基本站。

水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理3.1.2水文測站的設立測驗河段的選擇設站地點要服從總體布局的要求;便于水文測驗（保證測驗結果有必要的精度）和資料的整理。保證工作安全和測驗精度，有利于簡化水文要素的觀測和信息的整理分析工作，測站的水位流量之間呈良好的穩(wěn)定關系（單一關系）。河道順直、穩(wěn)定、水流集中，河段規(guī)整。水文信息采集與處理布設觀測斷面：設置水準點并引測高程；設置橫斷面及基線；布設測量標志及高程基點；安裝觀測設備，填寫登記卡。觀測斷面的布設：基本水尺斷面、流速儀測流斷面、浮標測流斷面、比降斷面。測站的設備是指流速儀測流所需的渡河設備，一般分有船只測流設備、岸上測流設備、架空測流設備和涉水測流設備等幾種。水文信息采集與處理過河索吊船設備水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理水文信息采集與處理測定河流水位，及橫斷面面積測定水流的流速測定河段的水面比降，進而估算河床的糙率測定水流的流速水文信息采集與處理3.2水位的觀測水位：河流、湖泊、水庫及海洋等水體的自由水面的高程，以m計。水位與高程數值一樣，要有一個基面作為起點。標準基面：我國目前一般統(tǒng)一采用青島附近黃海海平面作為基準面，但有些流域仍然采用大沽、吳淞基準面。測站基面：以低于水文測站所在河道的最低水位或河床最低點0.5～1.0m處的水平面作為零高度。水文信息采集與處理3.2.1水位觀測的設備水尺：直立式、傾斜式、矮樁式、懸錘式水位=水尺零點高程+水尺讀數自記水位計：能自動記錄水位的連續(xù)變化過程；浮子式、壓力式、超聲波式水文信息采集與處理水文信息采集與處理振弦傳感器

壓阻傳感器

水文信息采集與處理非接觸式水文信息采集與處理3.2.2水位觀測的內容基本水尺&比降水尺基本水尺觀測時間：人工觀測：分段定時觀測水位平緩變化緩慢時一段式：日變幅<0.06m，每日8時一次二段式：日變幅<0.12m，8時、20時兩次水位變化較大時：每日2、8、14、20時觀測4次，洪水期加密觀測水位觀測的精度一般準確到0.1m水文信息采集與處理3.2.3水位觀測資料整理平均水位：日、月、年平均水位的計算算術平均法面積包圍法

水位過程線水文信息采集與處理日平均水位的計算（1）算術平均法：適合于水位變化緩慢或變化大但等時距觀測的情況。式中，Zi～第i次水位觀測值；

n～一日內水位觀測的次數。水文信息采集與處理（2）時間加權法（面積包圍法）：該法適合于水位變化大且不等時距觀測的情況。

Z0Z1Z2…Zi…Zn-1Zn△t1△t2△t3…△ti…△tn-1△tnZ(m)t時間加權法求日平均水位示意圖式中，Z0,Z1,…Zn

~一日內各次觀測的水位值(m)△t1,△t2…△tn~相鄰二次水位觀測間的時距(hr)水文信息采集與處理編制“逐日平均水位表”水文信息采集與處理3.3流量的測驗流量是單位時間內流過江河某一橫斷面的水量，以m3/s計。測量流量的方法很多，常用的方法為流速面積法，其中包括流速儀測流法、浮標測流法、比降面積法等。此外還有水力學法、化學法、物理法、直接法等。測流工作分為：河道斷面測量、流速測量。水文信息采集與處理3.3.1測流斷面的測量斷面：水道斷面：是指某水位下水面線與河床線之間的范圍；大斷面：為歷年最高洪水位以上0.5～1.0m的水面線與岸線、河床線之間的范圍。水文信息采集與處理測量水位沿斷面寬度選若干個測點及測深垂線測量各垂線的水深和各測深點的橫向位置(起點距)將水位減去水深得到河底高程繪制河槽斷面圖計算過水斷面面積水文信息采集與處理起點樁b1bi起點距WiH1HiHi+1測流斷面示意圖測深垂線斷面索水位起點距水文信息采集與處理測深垂線起點距：測深垂線至基線上的起點樁之間的水平距離，常用經緯儀、平板儀、六分儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）等測量。水深測量的方法：通常用測深桿、測深錘、鉛魚直接測出每根測深垂線的水深。兩次測深不等值不超1%~3%。當水很深、流速很大時，可用回聲測深儀測量水深。L=C×T水文信息采集與處理水文信息采集與處理流速分布斷面流速具有脈動現象和空間分布的規(guī)律性；一般自由水面的流速大于河底，垂線流速分布曲線常呈一定形狀，如拋物線形、對數形、指數形等。河底與岸邊附近流速最??；近兩岸邊的流速小于中泓，在最深處水面流速最大；暢流期垂線上最大流速出現在水面至0.2H范圍；等流速曲線呈閉合狀。3.3.2流速的測量Q=VA斷面流速用哪個？？水文信息采集與處理測定流速的方法很多，常用的有流速儀法和浮標法水文信息采集與處理水文信息采集與處理q1q2q3q4q5q6水文信息采集與處理斷面上測速垂線和測速點的布設當水面寬度>5m，測速垂線的數目≥5測速垂線上測速點的布置，常有一點式，二點式，三點式和五點式。>5m水文信息采集與處理3.3.3流量計算流量計算，常用的方法有圖解法、分析法及流速等值線法等，分析法應用廣泛。點流速

垂線平均流速

部分面積平均流速乘以對應的部分斷面面積

部分流量

全斷面流量水文信息采集與處理（1）求垂線平均流速按測點數區(qū)分的公式名稱計算公式適合的水深(m)一點法Vm=V0.6<1.5二點法Vm=(V0.2+V0.8)/21.5~2.0三點法Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/32.0~3.0五點法Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10>3.0水文信息采集與處理已知各垂線平均流速，則可繪出流速分布

H1H2H3H4H5W2W3W4W5W1W6

b1b2b3b4b5b6Vm1Vm5Vm4Vm3Vm2斷面流量計算示意圖水文信息采集與處理（2）求測流面積上的部分面積

中間部分面積按梯形面積公式計算：

岸邊的部分面積按三角形面積計算：水文信息采集與處理

中間部分面積上的平均流速計算：

靠岸邊部分面積上的平均流速計算：式中，

Vm1~靠岸邊第一條測線的平均流速

~流速系數(岸邊系數):斜坡岸，

=0.7陡坡岸，

=0.8光滑坡岸，

=0.9死水邊，

=0.6（3）求部分面積上的平均流速水文信息采集與處理式中，

Wi~斷面上的部分面積(m2)（4）過水斷面流量的計算：~部分面積上的平均流速(m/s)水文信息采集與處理3.3.4浮標法測速和流量計算利用水面虛流速推求斷面虛流量，然后乘以浮標系數得到測流斷面流量。水面虛流速按下式計算：式中，式中，Vj為浮標虛流（m/s）；L為上、下浮標斷面間距（m）；T為各浮標流經上、下斷面的時間（s）。根據斷面垂線起點距、水深和內插求得的虛流速，算出測流斷面虛流量Qj再乘以浮標系數Kj＝0.85～0.95之間，即得測流斷面流量水文信息采集與處理3.4河流泥沙的測算河流中的泥沙，按其運動形式可分三類：懸移質泥沙浮于水中并隨之運動；推移質泥沙受水流沖擊沿河底移動或滾動；河床質泥沙則相對靜止而停留在河床上。三者沒有嚴格的界線，隨水流條件的變化而相互轉化。一般情況，河流中泥沙以懸移質為主。水文信息采集與處理懸移質泥沙測驗與計算描述河流中懸移質的情況，常用的兩個定量指標是含沙量和輸沙率。含沙量：單位體積內所含干沙的質量，稱為含沙量，用Cs表示，單位為kg/m3。輸沙率：單位時間流過河流某斷面的干沙質量，稱為輸沙率，以Qs表示，單位為kg/s。斷面輸沙率是通過斷面上含沙量測驗配合斷面流量測量來推求的。

水文信息采集與處理水文信息采集與處理含沙量的測驗式中

Cs

---

水樣含沙量，g/L或kg/m3；

Ws

---

水樣中的干沙重量，g或kg；

V

---

水樣體積，L或m3；水文信息采集與處理輸沙率測驗由含沙量測定和流量測驗兩部分組成。懸移質輸沙率測驗：布設測速和測沙垂線，在各垂線上施測起點距、水深、流速，采集水樣。取樣垂線數目不少于規(guī)范規(guī)定測速垂線數的1/2；水面寬大于50m時，不少于5條；否則，不少于3條。取樣點分布視水深大小以及要求的精度而定。取樣主要在洪水期進行。水文信息采集與處理Cs0Cs1Cs2q0q1q2q3Qs水文信息采集與處理輸沙率測驗暢流期的垂線平均含沙量的計算式為：三點法：式中Csm---垂線平均含沙量，kg/m3；

Csj---測點含沙量，腳標j為該點的相對水深，kg/m3；

Vj

---測點流速，m/s，腳標j的含意同上；

Vm

---垂線平均流速，m/s；

水文信息采集與處理根據各條垂線的平均含沙量Csmj，配合測流計算的部分流量，即可算得斷面輸沙率Qs(t/s)為：qi---第i根垂線與第i-1根垂線間的部分流量，m3/s；

Csmi---第i根垂線的平均含沙量，kg/m3。斷面平均含沙量：水文信息采集與處理推移質泥沙河床質泥沙水文信息采集與處理3.5水文數據處理（整編）水文數據的加工、處理過程，稱為水文數據處理。水文數據屬國家公益性數據。處理工作包括：收集校核原始數據；編制實測成果表；確定關系曲線；推求逐時、逐日值；編制逐日表及洪水水文要素摘錄表；合理性檢查；編制處理說明書。本節(jié)重點是流量資料整編：水位流量關系、逐時、逐日值的推求。水文信息采集與處理3.5.1水位流量關系曲線的繪制水位～流量關系曲線可分為穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩類。(1)穩(wěn)定的水位～流量關系曲線Q～ZZ～AV～Z︱Q-AV︱≦0.01水文信息采集與處理

在天然河道里，由于河床沖淤，洪水漲落、變動回水、結冰等影響使水位流量關系難以保持單一關系。同一水位不同時期通過斷面的流量不是定值，點繪出的水位流量關系曲線，其點據分布比較散亂，這種情況稱為不穩(wěn)定的水位流量關系?？梢哉f，天然河道的水位流量關系一般是不穩(wěn)定的。（2）不穩(wěn)定的水位流量關系水文信息采集與處理不穩(wěn)定的水位流量關系曲線確定：曼寧公式：式中，Q~流量；A~過水斷面；R~水力半徑；n~糙率；J~水面比降；R=A/X，A=bh（矩形）結論：由上式可以判斷，水位一定，流量仍受到許多因素的影響，故水位和流量不是單一的函數關系，即不穩(wěn)定的水位流量關系。不穩(wěn)定的水位流量關系曲線的處理方法很多，經常使用的有以下兩種。水文信息采集與處理臨時曲線法：若水位流量關系受不經常的沖淤影響或比較穩(wěn)定的結冰影響，在一定時期內關系點子密集成一帶狀，能符合定單一線的要求時，可以分期定出Z～Q曲線。水文信息采集與處理受河床沖淤影響的水位～流量關系水文信息采集與處理受變動回水影響的水位～流量關系？v1v2水文信息采集與處理受洪水漲落影響的水位～流量關系洪水水面是在河道沿程發(fā)生高低起伏的一種波動，稱為洪水波。穩(wěn)定流水面比降i0、洪水波的水面比降i、i△＝i－i0為附加比降。波前部分i>i0，波后部分i<i0。當河流穩(wěn)定時，i△＝0；漲洪時，i△≥0；落洪時，i△≤0。同一斷面上水文信息采集與處理受多種因素混合影響而連續(xù)變化時291011126782tZZQ134513456711109128水文信息采集與處理連時序法：當測流次數較多，能控制水位流量關系變化的轉折點時，一般多用連時序法。其繪制過程如下：這種情況的Z～Q曲線一般為繩套形，使用時按水位發(fā)生時間在Z～Q曲線的相應位置查讀流量。水文信息采集與處理(2)水位流量關系的延長實際中，最高水位(洪水流量)和最低水位(枯水流量)施測困難，故需對水位～流量關系曲線進行外延。高水延長：影響洪水流量過程，包括洪峰。延長幅度不應超過當年實測流量所占水位變幅的30%。低水延長：相對誤差較大且影響歷時長。延長幅度不超過10%。水文信息采集與處理高水延長根據水位面積、水位流速關系延長當河床比較穩(wěn)定，河槽形狀無很大變化的測站，在高水位時，水位～過水斷面面積，水位～流速的關系曲線常為一線性關系，而且水位～流速的關系直線近似平行于垂軸，則可按此趨勢延長。水文信息采集與處理由實測資料繪制水位－面積關系曲線；根據水位－流速關系曲線，從上端按直線趨勢延長；按延長部分各級水位和相應的過水斷面積相乘，即得到延長部分的流量－水位的關系曲線。Z(m)Q/F/VZ~QZ~VQ=VFZ~F水文信息采集與處理用水力學公式高水延長水文信息采集與處理低水位Z~Q

的延長方法趨勢法：以斷流水位(Q=0)作為控制水位點，從實測部分向下延長。QaQbQcZZcZbZaZ0石梁/淺灘測站下游的淺灘、石梁及取基本水尺斷面的最低點均可作為斷流水位Z0水文信息采集與處理

假定中低水位部分的水位和流量的關系可表示為：式中，Z0

~斷流水位；n,K~經驗常數。在實測Z–Q關系曲線上，取(Za,Qa),(Zb,Qb),(Zc,Qc)三個點，使?jié)M足：將(A)代入上式得：分析法:QaQbQcZ0ZZcZbZa(A)水文信息采集與處理（3）日平均流量計算及合理性經驗當流量變化平穩(wěn)時，可用日平均水位在水位流量關系曲線上推求日平均流量。當流量關系變化較大時，則用逐時水位推求得逐時流量，再按算術平均法或面積包圍法求得日平均流量。據此計算月平均流量和年平均流量。水文信息采集與處理(4)水文數據處理成果的刊布

由主管單位分流域、干支流及上下游，每年刊布一次水文年鑒。

年鑒中載有：測站分布圖，水文站說明表及位置圖，各站的水位、流量、泥沙、水溫、冰凌、水化學、地下水、降水量、蒸發(fā)量等資料。

水文信息采集與處理3.7

水文調查水文調查是補充定位觀測的不足，使水文資料更加系統(tǒng)完整，更好地滿足水資源開發(fā)利用、水利水電建設及其它國民經濟建設的需要的一種有效手段。水文調查內容：（1）流域調查；——基本情況（2）水量調查；——水利設施、分洪決口影響（3）洪水調查和暴雨調查；——特大洪水、特大暴雨（4）專項水文調查?！{查、巖溶地區(qū)水文調查水文信息采集與處理1.洪水的調查

洪水調查工作包括：調查洪水痕跡洪水發(fā)生的時間、災情測量、洪水痕跡的高程、了解調查河段的河槽情況；了解流域自然地理情況；測量調查河段的縱橫斷面；必要時應在調查河段進行簡易地形測量；對調查成果進行分析，推算洪水總量、洪峰流量、洪水過程及重現期，最后寫出調查報告。水文信息采集與處理當洪水痕跡高程確定以后，可推算出相應于此洪水位的洪峰流量。常用的方法有：

水位流量關系法：如果調查河段附近有水文站，則可利用水文站的水位流量關系曲線加以延長，以求得洪峰流量。比降法：當能夠確定調查河段的水面比降或者在沒有水文站的河段上，可采用下式計算。

水文信息采集與處理潰壩、決口和分洪洪水調查（1）潰壩洪水調查：水庫概況、潰壩前庫內水情、決口斷面的測量和調查。（2）河堤決口調查：決口位置和數量、原因、口門擴展過程；決口發(fā)生時間和相應河道水位、決口前后水情、分洪水量去向；決口洪量的估算等。（3）分洪滯洪調查：人工扒口無建筑物控制的調查與河堤決口調查相同；有建筑物控制的應調查閘門開孔高度及孔數、分洪滯洪開始時間及河道水位的變化過程，滯洪區(qū)蓄水情況；估算分洪、滯洪的洪量。水文信息采集與處理歷史洪水考證收集宮廷檔案、實錄、文書、水利河道專著、地方志、歷史水文氣象記錄、古建筑物附近保留的碑文、刻記、地區(qū)性歷史檔案等。對洪峰流量、洪水總量的量級及重現期進行分析，當定量分析有困難時，可定性的將洪水分為非常洪水、特大洪水、大洪水、一般洪水。水文信息采集與處理2.暴雨調查暴雨調查有兩種：調查歷史暴雨和調查現代暴雨。暴雨調查的主要內容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄時間、暴雨變化過程及前期雨量情況、暴雨走向及當時主要風向風力變化等。

水文信息采集與處理3.枯水調查歷史枯水的調查工作必須在水位極枯或較枯的時候才能進行，不象對洪水的調查那樣，隨時都可以進行。河流沿岸的古代遺址、古代墓葬、古代建筑物、記載水情的碑刻題記等考古實物以及文獻資料，都是進行歷史水文調查的重要資料。調查方法與洪水調查方法基本相似，一般比歷史洪水調查更為困難。水文信息采集與處理四川涪陵白鶴梁上部分石刻題記

四川涪陵白鶴梁上部分石刻題記

葛洲壩水電站和三峽工程都有參考

碑文："涪江石魚，鐫于波底，現則歲豐，數千百年來傳為盛事?？滴跻页蟠何逅?，而魚復出。望前二日，偕同人往觀之，仿佛雙魚冥蓮隱躍。蓋因歲久剝落，形質模糊幾不可問，遂命石工可而新之，碑不至湮沒無傳，且以望豐亨之永兆云爾?！?

水文信息采集與處理公元

朝代紀元高程（m）題刻摘要764.3.8～4.5

唐廣德□□春二月歲次甲辰

-0.08謝昌瑜等狀申：古記云：江水退，石魚出見。下去水四尺971.3.9

宋開寶四年二月辛卯朔十日丙□（子）-0.08謝昌瑜等狀申：今又復見者1074.2.22宋熙寧七年正月廿四日-0.08

韓震題記：廣德年魚去水四尺，今又過之1074～75宋熙寧七年-0.13

水齊至此1086.2.23宋元豐九年次丙寅二月七日-0.16鄭顓等題記：江水至此魚下五尺1107.1.30宋大觀元年正月壬辰-0.32龐恭孫等題記：水去魚下七尺1129.2.11

宋建炎巳酉正月廿一日-0.24陳似題記：時魚去水六尺1138.1.23～2.1宋紹興丁巳十二月中休日

-0.16賈思誠等題記：魚出水面數尺1138.1.23～2.1宋紹興丁巳十二月中休日+0.13賈思誠等題記1138.1.24宋紹興丁巳季冬十有二日＜+0.33

賈思誠題記1140.2.9紹興賡申首春巳末＜-0.63孫仁宅等題記（橫刻）1140.3.2宋紹興賡申仲春十有二日

＜+0.23

張彥中等題記1144.2.3宋紹興十三年除夕前二日+0.38李景等題記：魚在水尚一尺1