工程水文与水利计算(武大版教材)03(2)

水文调查是为弥补水文基本站网定位观测的不足或其他特定目的,采用勘测、调查、考证等手段进行收集水文信息的工作。

第二节 水位观测

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。水位与高程数值一样,要指明其所用基面才有意义。

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、吴淤基面、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。

水位观测的作用一是直接为水利、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),s=(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;S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。

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。观测时,水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程即为当时的水位值。可见水尺零点高程是一个重要的数据,要定期根据测站的校核水准点对各水尺的零点高程进行校核。

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。在荷兰水文信息服务中心,从计算机屏幕上可直接调看或用电话直接询问全国范围内各测站当时的水位,而这些又几乎都是无人驻守测站。

水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。

基本水尺的观测,当水位变化缓慢时(日变幅在0.12m以内),每日8时和20时各观测一次(称2段制观测,8时是基本时);枯水期日变幅在0.06m以内,用1段制观测;日变幅在0.12~0〃24m时,用4段制观测;依次8段、12段制等。有峰谷出现时,还要加测。

比降水尺观测的目的是计算水面比降,分析河床糙率等。其观测次数,视需要而定。

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。

日平均水位的计算方法有二: 1.

算术平均法计算：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; 2.

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0~24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：

z?1?z0?t1?z1(?t1??t2)?z2(?t2??t3)???zn?1(?tn?1??tn)?zn?tn? 48(3-1)

如0时或24时无实测数据,则根据前后相邻水位直线内插求得。

根据逐日平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保证率水位。这些经过整理整理分析处理后的水位资料即可提供各生产单位应用。如刊布的水文年鉴中,均载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。汛期内水位详细变化过程则载于水文年鉴中的汛期水文要素摘录表内。

图3-2面积包围法示意图

第三节 流量测验

一、概述

流量是单位时间内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。

流量是根据河流水情变化的特点,在水文站上用各种测流方法进行流量测验取得实测数据,经过分析、计算和整理而得的资料,用于江河流量变化的规律,为国民经济各部门服务。

测流方法很多,按其工作原理,可分为下列几种类型。

(1 )流速面积法。有流速仪法、航空法、比降面积法、积宽法(动车法、动船法和缆道积宽法)、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)。

(2 )水力学法。包括量水建筑物和水工建筑物测流。 (3 )化学法。又称溶液法、稀释法、混合法。 （4）物理法。有超声波法、电磁法和光学法。

（5）直接法。有容积法和重量法，适用于流量极小的沟涧。 本节主要介绍流速仪法测流。 二、流速仪法测流

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:

ABHQ??v?dA????f(b,h)dh?db (3-2)

000式中A一一水道断面面积,dA则为A内的单元面积(其宽为db,高为dh),m2; V一一垂直于dA的流速,m/s; B一一水面宽度,m; H一一水深,m。

因为f(b,h)的关系复杂,目前尚不能用数学公式表达,实际工作中把上述积分式变成有限差分的形式来推求流量。

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wi,用流速仪施测流速并计算出各部分面积上的平均流速v,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:

i

?Q??qi??wivi (3-3)

i?1i?1nn?式中qi一一第i个部分的部分流量,m3/s ;

n一一部分的个数。

需要注意的是,实际测流时不可能将部分面积分成无限多,而是分成有限个部分,所以实测值只是逼近真值;河道测流需时间较长,不能在瞬时完成,因此实测流量是时段的平均值。

由此可见,测流工作实质上是测量横断面及流速测验两部分工作。 (二)断面测量

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,各测深垂线处的河底高程为：

河底高程=水位-水深

测深垂线的位臵,应根据断面情况布设于河床变化的转折处,并且主 槽较密,滩地较稀。

测深垂线的起点距是指该测深垂线至基线上的起点桩之间的水平距离。

测定起点距的方法有多种：

断面索法，适宜中小河流，可在断面上架设过河索道,并直接读出起

点距,称此法为断面索法;

仪器测角交会法，大河上常用仪器测角交会法。常用仪器为经纬仪,平板仪、六分仪等。如用经纬仪测量,在基线的另一端(起点距是一端)架设经纬仪,观测测深垂线与基线之间的夹角。因基线长度已知,即可算出起点距;

目前最先进的是用全球定位系统(GPS)定位的方法,它是利用全球定位仪接收天空中的三颗人造定点卫星的特定信号来确定其在地球上处位臵的坐标,优点是不受任何天气气候的干扰,24小时均可连续施测,且快速、方便、准确。

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