工程水文及水利计算-第4讲.ppt

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1、工程水文及水利计算,王俊奇可再生能源学院水利水电工程教研室,提 纲,第一章 绪论 第二章 气象与水文第三章 水文观测及其资料收集第四章 水文统计基本原理与方法第五章 年径流分析与计算第六章 水文过程随机模拟第七章 由流量资料推求洪水第八章 流域产汇流计算第九章 由暴雨资料推求设计洪水第十章 河流泥沙计算 第十一章 水文预报第十二章 水库兴利调节计算第十三章 水库防洪计算 第十四章 水库调度,第四讲：水文观测及其资料收集,主要内容,3-1 水文测站与站网3-2 水位观测3-3 流量测验3-4 流量资料整编3-5 泥沙测验及计算3-6 水下地形测量3-7 水文资料收集,3-1 水文测站与站网,1、

2、水文测站、站网,测站,测站：在流域内一定地点(或断面)按统一标准对所需要的水文要素作系统观测以获取信息并进行处理为即时观测信息。这些指定的地点称为测站。,水文测站所观测的项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等。只观测上述项目中的一项或少数几项的测站，则按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。,根据测站的性质,河流水文测站又可分为基本站、专用站两大类。,基本站是水文主管部门为全国各地的水文情况而设立的,是为国民经济各方面的需要服务的。,专用站是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。这两类测站是相辅相成的,专用站在面上辅助基本站,而基

3、本站在时间系列上辅助了专用站。,3-1 水文测站与站网,1、水文测站、站网,测站,测站在地理上的分布网称为站网。,理由：因为单个测站观测到的水文要素其信息只代表了站址处的水文情况，而流域上的水文情况则须在流域内的一些适当地点布站观测。,广义的站网是指测站及其管理机构所组成的信息采集与处理体系。,3-1 水文测站与站网,1、水文测站、站网,站网,布站的原则是通过所设站网采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征值，这也就是水文站网的作用。,水文站网规划的任务：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题。,按站网规划的原则布设测站,例如：河道流量站的布设，

4、当流域面积超过30005000km2，应考虑能够利用设站地点的资料，把干流上没有测站地点的径流特性插补出来。,3-1 水文测站与站网,1、水文测站、站网,站网,在站网规划规定的范围内，具体选择测验河段时，主要考虑在满足设站目的要求的前提下，保证工作安全和测验精度，并有利于简化水文要素的观测和信息的整理分析工作。,具体地说，就是测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系(单一关系)。该关系往往受一断面或一个河段的水力因素控制，前者称为断面控制，后者称为河槽控制。,3-1 水文测站与站网,选择测验河段,断面控制的原理是在天然河道中，由于地质或人工的原因，造成河段中局部地形突起，如石梁、卡口等，使得水面曲

5、线发生明显转折，形成临界流，出现临界水深，从而构成断面控制。,河槽控制：当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来控制，如该河段的底坡、断面形状、糙率等因素比较稳定，则水位流量关系也比较稳定。这就属于河槽控制。,2、水文测站的布设,水文测站一般应布设基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。,基本水尺断面上设立基本水尺，用来进行经常的水位观测。,测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。若不能重合时，亦不能相距过远。,3-1 水文测站与站网,布设断面,浮标测流断面有上、中、下三个断面，一般中断面应与流速仪测流断面重合。上、下断面之间的间距不宜太短，其距篱应为断面最大流速

6、的5080倍。,比降断面设立比降水尺，用来观测河流的水面比降和分析河床的糙率。,2、水文测站的布设,基线通常与测流断面垂直，起点在测流断面线上。,其用途是用经纬仪或六分仪测角交会法推求垂线在断面上的位置。,基线的长度视河宽B而定，一般应为0.6B。当受地形限制的情况下,基线长度最短也应为0.3B。基线长度的丈量误差不得大于1/1000，见图3-1所示。,3-1 水文测站与站网,2、水文测站的布设,布设基线,驻测,驻测：在河流或流域内的固定点上对水文要素所进行的观测称驻测。,巡测是观测人员以巡回流动的方式定期或不定期地对一地区或流域内各观测点进行流量等水文要素的观测。,巡测,间测是中小河流水文站

7、有10年以上资料分析证明其历年水位流量关系稳定，或其变化在允许误差范围内，对其中一要素(如流量)停测一时期再施测的测停相间的测验方式。,间测,3-1 水文测站与站网,3、收集水文资料的基本途径,水位，是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固定基面的高程，以m计。,3-2 水位观测,1、水位,基面：目前全国统一采用黄海基面,但各流域由于历史的原因，多沿用以往使用的大沽基面、吴淞基面、珠江基面，也有使用假定基面、测站基面或冻结基面的。使用水位资料时一定要查清其基面。,3-2 水位观测,1、水位,一是直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资料,如堤防、坝高、桥梁及涵洞、公路路面标

8、高的确定；,二是为推求其他水文数据而提供间接运用资料。如Q=f(Z)，J=(Z2-Z1)/L，水资源计算，水文预报中的上、下游水位相关法等。,其中Q为流量,以m3/s计；J为比降，以千分率或万分率表示;Z2、Zl分别为上、下比降断面的水位；L为上、下比降断面的间距，单位均以m计。,3-2 水位观测,1、水位,水位观测的作用,水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。,按水尺的构造形式不同，可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式等。,3-2 水位观测,2、水位观测的方法,自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化

9、。,3-2 水位观测,2、水位观测的方法,算术平均法,水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的计算。,若一日内水位变化缓慢，或水位变化较大，但系等时距人工观测或从自记水位计上摘录，采用算术平均法计算。,日平均水位的计算,3-2 水位观测,3、水位资料的整理,面积包围法,若一日内水位变化较大、且系不等时距观测或摘录,则采用面积包围法,即将当日024小时内水位过程线所包围的面积,除以一日时间求得(见图3-2),其计算公式为：,日平均水位的计算,3-2 水位观测,3、水位资料的整理,3-2 水位观测,3、水位资料的整理,通天河直门达站1957年逐日平均水位,流量是单位时间内

10、流过江河某一横断面的水量，以m3/s计。它是反映水资源和江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据，也是河流最重要的水文特征值。,测流方法很多，在天然河道中测流一般采用流速仪法、浮标法（按浮标的形式可分为水面浮标法、小浮标法、深水浮标法）等。,3-3 流量测验,1、概述,由于河流过水断面的形态、河床表面特性、河底纵坡、河道弯曲情况以及冰情等，都对断面内各点流速产生影响，因此在过水断面上,流速随水平及垂直方向不同而变化，即v=f(b,h)。其中v为断面上某一点的流速，b为该点至水边的水平距离，h为该点至水面的垂直距离。因此，通过全断面的流量Q为：,测流原理,3-3 流量测验,2、流速仪法测流及流量

11、计算,测流原理,3-3 流量测验,2、流速仪法测流及流量计算,流速仪法测流,就是将水道断面划分为若干部分,用普通测量方法测算出各部分断面的面积,用流速仪施测流速并计算出各部分面积上的平均流速,两者的乘积,称为部分流量,各部分流量的和为全断面的流量,即：,测流工作实质上是测量横断面及流速测验两部分工作。,测流原理,3-3 流量测验,2、流速仪法测流及流量计算,河道水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线，施测各条测深垂线的起点距和水深并观测水位。,断面测量,3-3 流量测验,2、流速仪法测流及流量计算,大断面：河道水道断面扩展至历年最高洪水位以上0.51.0m的断面称为大断面。它是用于研

12、究测站断面变化的情况以及在测流时不施测断面可供借用断面。,道孚站大断面图,断面测量,3-3 流量测验,2、流速仪法测流及流量计算,河道中一般采用流速仪法测定水流的流速。它是国内外广泛使用的测流速方法，是评定各种测流新方法精度的衡量标准。,旋杯式流速仪,流速测量,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,河道中一般采用流速仪法测定水流的流速。它是国内外广泛使用的测流速方法，是评定各种测流新方法精度的衡量标准。,旋桨式流速仪,流速测量,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,流速测量时，要根据河流宽度、水深以及精度要求，在测流断面上布设足够数量的测速垂线，为求得垂线平均流速，要在各条测速

13、垂线上，将流速仪放置在不同的水深点测速。,测速垂线及测点,点流速测算,流速测量,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,流量的计算方法有图解法、流速等值线法和分析法。前两种方法在理论上比较严格,但比较繁琐,这里主要介绍常用的分析法。,垂线平均流速的计算,一点法 或二点法 vm=0.5*(v0.2+v0.8)三点法 vm=0.33*(v0.2+v0.8+v0.6)五点法 vm=0.1*(v0.0+3v0.2+3v0.6+2v0.8+v1.0),流速计算,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,部分面积平均流速的计算,岸边部分:由距岸第一条测速垂线所构成的岸边部分(两个,左岸和右岸，多

14、为三角形，按下列公式计算：,vl=vmlvn+1=vmn,流速计算,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,岸边系数，斜岸边=0.670.75，陡岸边=0.80.9，死水边=0.50.67,部分面积平均流速的计算,中间部分:由相邻两条测速垂线与河底及水面所组成的部分，部分平均流速为相邻两垂线平均流速的平均值，按下式计算：,vi=0.5*(vmi-l+vmi),流速计算,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,部分面积计算,因为断面上布设的测深垂线数目比测速垂线的数目多，故首先计算测深垂线间的断面面积。计算方法是距岸边第一条测深垂线与岸边构成三角形，按三角形面积公式计算(左右岸各一个

15、）;其余相邻两条测深垂线间的断面面积按梯形面积公式计算。,其次以测速垂线划分部分，将各个部分内的测深垂线间的断面积相加得出各个部分的部分面积。,流速计算,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,部分流量的计算,由各部分的部分平均流速与部分面积之积得到部分流量。,qi=viAi,断面流量及其他水力要素的计算,断面流量,断面平均流速,断面平均水深,流速计算,2、流速仪法测流及流量计算,3-3 流量测验,当使用流速仪有困难时（如发生大洪水），可采用浮标法测流。水面浮标常用木板、稻草等材料做成十字形、井字形，上插小旗以便观测。,用秒表测定浮标流经上、下断面之间的运行时间，用经纬仪测定上下浮标断面

16、之间的距离，用距离除以时间，即得浮标水面流速。,3、浮标法测流,3-3 流量测验,3-3 流量测验,通天河直门达站1957年实测流量成果,各种水文测站测得的原始数据,都要按科学的方法和统一的格式整理、分析、统计、提炼成为系统、完整，有一定精度的水文资料，供水文水资源计算、科学和有关国民经济部门应用。这个水文数据的加工、处理过程,称为水文数据处理。,水文数据处理的工作内容包括：收集校核原始数据；编制实测成果表；确定关系曲线，推求逐时、逐日值；编制逐日表及洪水水文要素摘录表；合理性检查;编制处理说明书。水位数据处理较简单，在第二节已述，本节主要介绍流量资料整编，简要介绍泥沙数据处理。,3-4 流量

17、资料整编（水文数据处理）,目的1建立水位流量关系曲线ZQ 2推求流量过程Qt 3求日、月、年、Qmax、Qmin,稳定的水位流量关系,是指在一定条件下水位和流量之间呈单值函数关系，简称为单一关系。,1、水位流量关系曲线的确定,稳定的水位流量关系曲线,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,不稳定的水位流量关系,是指测验河段受断面冲淤、洪水涨落、变动回水或其他因素的个别或综合影响,使水位与流量间的关系不呈单值函数关系。,不稳定的水位流量关系曲线,1、水位流量关系曲线的确定,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,（3）变动回水,连时序法,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

18、水位的流量缺测或漏测。为取得全年完整的流量过程，必须进行高低水时水位流量关系的延长。,高水延长的结果，对洪水期流量过程的主要部分，包括洪峰流量在内，有重大的影响。高水部分的延长幅度一般不应超过当年实测流量所占水位变幅的30%。,低水流量虽小，但如延长不当，相对误差可能较大且影响历时较长。因此延长均需慎重。低水部分延长的幅度一般不应超过10%。,2、水位流量关系曲线的延长,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,低水延长一般是以断流水位作控制进行水位流量关系曲线向断流水位方向所作的延长。断流水位是指流量为零时的相应水位。假定关系曲线的低水部分用以下的方程式来表示：,水位流量关系曲线的低水延长法,Q

19、=K(ZZ0)n,2、水位流量关系曲线的延长,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,在水位流量曲线中、低水弯曲部分取三各点（Za，Qa）、（Zb，Qb）、（Zc，Qc）代入上式，得：以（Z0，0）为控制点，延长得低水曲线。,适用于河床稳定,水位面积、水位流速关系点集中,曲线趋势明显的测站。其中,高水时的水位面积关系曲线可以根据实测大断面资料确定,高水时水位流速关系曲线常趋近于常数,可按趋势延长。可是,某一高水位下的流量,便可由该水位的断面面积和流速的乘积来确定。,由水位面积和水位流速关系作高水位延长,2、水位流量关系曲线的延长,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,此法可避免水位面积与水位流速

20、关系高水延长中水位流速顺趋势延长的任意性,用水力学公式计算出外延部分的流速值来辅助定线。,水力学公式高水位延长,曼宁公式外延,延长时,用上式计算流速,用实测大断面资料延长水位面积关系曲线,从而达到延长水位流量关系的目的。,2、水位流量关系曲线的延长,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,水力学公式高水位延长,斯蒂文斯（Stevens）法,对断面无明显冲淤、水深不大但水面较宽的河槽,以断面平均水深h代替R。,2、水位流量关系曲线的延长,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,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。,当设计断面与水文站相

21、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。,3、水位流量关系曲线的移用,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,在水位流量关系曲线确定后，即可根据水位资料来推求流量资料。首先应推求日平均流量。,逐日平均流量的计算:当流量变化平稳时,可用日平均水位在水位流量关系线上推求日平均流量;当一日内流量变化较大时,则用逐时水位推求得逐时流量,再按算术平均法或面积包围法求得日

22、平均流量。据此计算逐月平均流量和年平均流量。,合理性检查:单站检查可用历年水位流量关系对照检查;综合性检查以水量平衡为基,础,对上、下游或干、支流上的测站与本站流量数据处理成果进行对照分析,以提高流量数据处理成果的可靠性。本站成果经检查确认无误后,才能作为正式资料提供使用。,4、流量资料整编,3-4 流量资料整编（水文数据处理）,3-5 泥沙测验与计算,泥沙：悬移质、推移质、床沙悬移质泥沙：悬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：相对静止而停留在河床上,3-5 泥沙测验与计算,一、悬移质泥沙 测验各垂线不同深度的点流速v、含沙量计算各垂线的平均流vi及平均含沙量m

23、i悬移质泥沙断面输沙率Qs由垂线平均含沙量和测沙垂线间的部分流量，求断面输沙率,3-5 泥沙测验与计算,泥沙：悬移质、推移质、床沙二、推移质泥沙 测验各垂线单宽推移质输沙率qbi断面推移质输沙率Qb,三、河床泥沙：采取河床沙样后，进行颗粒级配分析四、泥沙颗粒分析,3-6 水下地形测量,一、控制网的布设二、测深点的布设与平面定位,三、测点水深测量与高程计算1.测深：测深杆：水深5米测深锤：水深10米回声测深仪：水深流急 2.测点高程=水位-水深四、水下地形图,水文资料的来源，主要是由国家水文站网按全国统一规定对观测的数据进行处理后的资料，即由主管单位分流域、干支流及上下游,每年刊布一次的水文年鉴

24、。1986年起陆续实行计算机存储、检索。,年鉴中载有：测站分布图，水文站说明表及位置图，各站的水位、流量、泥沙、水温、冰凌、水化学、地下水、降水量、蒸发量等资料。,1.水文年鉴,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,1.水文年鉴 10卷74册,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,水文数据库是以电子计算机为基础的水文数据存储检索系统。,水文数据库按系统设置形式可分为集中式水文数据库和分布式水文数据库。根据中国国情并借鉴国外经验，我国水文数据库采用分布式数据库系统。,2.水文数据库,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,各地区水文部门编制的水

25、文手册和水文图集，以及历史洪水调查、暴雨调查、历史枯水调查等调查资料，是在分析研究该地区所有水文站的数据基础上编制出来的。它载有该地区的各种水文特征值等值线图及计算各种径流特征值的经验公式利用水文手册和水文图集，便可以估算无水文观测数据地区的水文特征值。,3.水文手册和水文图集,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,天然水体特征：数量、质量,4.水质资料,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,历史洪水调查暴雨调查历史枯水调查,5.水文调查,水文数据处理成果的刊布存储和汇集,3-7 水文资料收集,目前收集水文资料的主要途径是定位观测，由于定位观测受到时间、空间

26、的限制，收集的资料往往不能满足生产需要，因此必须通过水文调查来补充定位观测的不足，使水文资料更加系统完整，更好满足水资源开发利用、水利水电建设及其他国民经济建设的需要。,水文调查的内容分类：流域调查、水量调查、洪水与暴雨调查、其他专项调查。,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,洪水调查工作包括:调查洪水痕迹、洪水发生的时间和灾情、测量洪水痕迹的高程、了解调查河段的河槽情况；了解流域自然地理情况；测量调查河段的纵横断面；必要时应在调查河段进行简易地形测量；对调查成果进行分析，推算洪水总量、洪峰流量、洪水过程及重现期，最后写出调查报告。,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文

27、遥感,匀直河段洪峰流量计算：,洪峰流量估算,比降法,Qm=KS1/2=A S1/2R2/3/n=AV（曼宁公式）,非匀直河段洪峰流量计算：,Qm=KSe1/2,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,若考虑扩散及弯曲损失时洪峰流量推算：,洪峰流量估算,比降法,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,当所调查的河段较长且洪痕较少，各河段河底坡降及断面变化、洪水水面曲线比较曲折时，不宜用比降法计算，可用水面曲线法推求洪峰流量。,洪峰流量估算,水面曲线法,水面曲线法的工作原理是: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点起，向上游逐段推算水面线，

28、然后检查该水面线与各洪痕的符合程度。如大部分符合，表明所假定流量正确；否则，重新修定Q值，再推算水面线直至大部分洪痕符合为止。,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,与上下游、干支流邻近地区的相同因素对照比较。,洪峰流量的检查和洪水过程的推求,洪峰流量的检查,绘制QmF关系图检查。,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,由调查的洪水水位过程线来估算。,洪峰流量的检查和洪水过程的推求,洪水过程的推求,由调查的洪水类型来估算。,重现期的确定,洪水重现期的确定，将在第七章中介绍。,洪水调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,暴雨调查的主要内容有；暴雨成

29、因、暴雨量、暴雨起讫时间、暴雨变化过程及前期雨量情况、暴雨走向及当时主要风向风力变化等。,暴雨调查,1、水文调查,3.7.5 水文调查与水文遥感,遥感技术,特别是航天遥感的发展，使人们能从宇宙空间的高度上，大范围、快速、周期性的探测地球上各种现象及其变化。遥感技术在水文科学领域的应用称为水文遥感。水文遥感具有以下特点；如动态遥感，从定性描述发展到定量分析，遥感遥测遥控的综合应用，遥感与地理信息系统相结合。,近20多年来，遥感技术在水文水资源领域得到广泛应用并已成为收集水文信息的一种重要手段，尤其在水资源水文调查的应用，更为显著。,2、水文遥感,3.7.5 水文调查与水文遥感,小 结,1、水文测站、站网2、水位观测3、流量测验4、流量资料整编5、泥沙测验及计算6、水下地形测量7、水文资料收集,