河川径流和水文测验.ppt
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1、1,河川径流和水文测验,软件业务部 杨丽,北京慧图信息科技有限公司,2,河川径流基本概念 径流的形成过程 径流的表示方法和度量单位 水文测验的基本概念 水文测站的设立 水文测验的方式 水位观测 流量测验 水文调查与水文遥感 水文资料处理(水位流量关系曲线的确定),主要内容:,3,河川径流基本概念,径流 指降水所形成的,沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。 地面径流(地表径流) 沿着地面流动的水流。 地下径流 沿土壤岩石孔隙流动的水流称为地下径流。 河川径流 汇集到河流后,在重力作用下沿河床流动的水流。,北京慧图信息科技有限公司,4,径流的形成过程,流域内,自降雨开始到水流汇
2、集到流域出口断面的整个物理过程,称为径流形成过程。它是一个极为复杂的过程,为了便于认识,一般把它概化为产流阶段和 汇流阶段。,5,净雨 降雨经植物截留、下渗、填洼、蒸发等损失过程,降雨扣除这些损失后,剩余的部分为净雨。净雨在数量上等于它所形成的径流量。 产流阶段 当降雨满足了植物截留、洼地蓄水和表层土壤储存后,后续降雨强度又超过下渗强度、其超过下渗强度的雨量,降到地面以后,开始沿地表坡面流动称为坡面漫流,是产流的开始。如果雨量继续增大,漫流的范围也就增大,形成全面漫流,这种超渗雨沿坡面流动注入河槽,称为坡面径流。地面漫流的过程,即为产流阶段。,6,汇流阶段 净雨沿坡面从地下汇入河网,然后再沿着
3、河网汇集到流域出口断面,这一完整的过程,称为流域汇流过程。前者称为坡地汇流,后者称为河网汇流。,7,坡地汇流过程,坡面漫流:超渗雨满足了填洼后产生的地面净雨沿坡面流到附近河网的过程。 表层流径流:表层流净雨沿坡面侧向表层土壤孔隙流入河网形成的径流。 坡地地下汇流:地下净雨向下渗透到地下潜水面或深层地下水体后,沿水力坡度最大的方向流入河网,形成坡地地下汇流。 对净雨在时程上进行的第一次再分配。降雨结束后,坡地汇流仍将持续一定时间。,8,河网汇流过程,定义: 各种成分径流经坡地汇流注入河网,从支流到干流,从上游向下游,最后流出流域出口断面,这个过程称为河网汇流或河槽集流过程。 河槽调蓄作用: 坡地
4、水流进入河网后,使河槽水量增加,水位升高,这就是河流洪水的涨水阶段。在涨水段,由于河槽贮蓄一部分水量,所以对任一河段,下断面流量总小于上断面流量。随降雨和坡地漫流的逐渐减少直至完全停止,河槽水量减少,水位降低,这就是退水阶段。这种现象称为河槽调蓄作用。 河槽调蓄作用是对净雨在时程上进行的第二次再分配。,9,径流的表示方法和度量单位,河川径流在一年内和多年期间的变化特性,称为径流情势,前者称为年内变化或年内分配,后者称为年际变化。 河川径流情势:流量、径流量、径流深、流量模数、径流系数。,10,流量: 单位时间内通过河流某一断面的水量。记为Q,以m3/s计。 日、月、年、多年平均流量、指定时段的
5、平均流量。 径流量: 时段T内通过河流某一断面的总水量。记为W,以m3、万m3 、亿m3计,有时也用时段平均流量与时段的乘积为单位,如(m3/s)d、 (m3/s)M等。,11,径流深: 将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度,记为R,以mm计。 径流模数: 流域出口断面流量与流域面积之比值, 记为M,以L/(skm2)计。 径流系数: 某一时段的径流深R与相应时段内流域平均降雨深度P之比值。记为。,12,水文测验基本概念,北京慧图信息科技有限公司,水文测验:对各种水文要素进行系统观测及对观测资料进行整编的总称。水文测验是水文工作的基础。根据水文测验资料,可以掌握各地水文要素变化规律,为水
6、资源评价和开发利用、防洪抗旱、水源保护、生态建设提供情报。 水文测站:组织进行水文测验的基层单位,也是收集水文资料的基本场所。水文测站的主要任务是按照统一标准对指定地点(或断面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸发 、水温、冰凌、水质、地下水位等项目进行观测及资料整编。水文测站观测的水文资料,经过系统地分析计算和整编,才能作为正式的水文资料刊布或存贮入数据库。 水文测站按其观测项目可分为水位站、流量站、雨量站等;按其性质又可分为基本站和专用站两类。专用站在面上辅助基本站,而基本站在时间系列上辅助专用站。 基本站:是综合国民经济各方面需要,由国家统一规划建立,它执行水文测验标准,进行较长时期连续观测,
7、资料编成水文年鉴刊布或以其它形式长期存贮。 专用站:是为科学研究、工程建设、管理运用等特定目的而设立的。其观测项目、观测要求及观测年限,由设站部门依据设站目的自行规定。,13,水文站网: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,这些测站在地理上的分布网称为水文站网。广义的站网是指测站极其管理机构所组成的信息采集与处理体系。 水文站网布站的原则: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
8、问题。,水文站,水文站自计台,水文站测站比测洪水,14,水文测站的设立 水文测站的设立包括选择测验河段和布设观测断面。 1、测验河段的选择: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)。 2、观测断面的布设:水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面,即基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。,(1)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
9、河宽B而定,一般应为0.6B; (2)水准点:分为基本水准点和校核水准点,基本水准点是测定测站上各种高程的基本依据,校核水准点是经常用来校核水尺零点的高程。,水文测站基线与断面布设示意图,15,(3) 基本水尺断面上设立基本水尺,用来进行经常的水位观测。 (4) 测流断面应与基本水尺断面重合,且与断面平均流向垂直。 (5) 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的5080倍。 (6) 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。 水文测验的方式 收集水文信息的基本途径可分为: 1、驻测:在河流或
10、流域内的固定点上对水文要素所进行的观测。这是我国收集水文信息的最基本方式,但存在着用人多、站点不足、效益低等缺点。 对于为了探索各种水文特征值在时间上的变化规律和防汛需要而设立的基本水文站。特别是对于干、支流大河控制站,要求水文观测人员常驻水文观测站点,对流量等水文要素进行较长时期的连续观测。,16,2、巡测:水文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。如有些水文站一年内的水位与流量呈单一线型关系,可用水力学公式推算流量,以及枯水期流量变化不大,采用定期测流可以满足精度要求等情况,均可采用巡测方式。 3、间测:中小河流水文站有10年以上资料分析
11、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 。 某些水文站在取得多年实测资料以后,经分析证明某二个水文要素(如水位与流量)间历年关系稳定,或其变化在允许误差范围之内,对其中某一水文要素(如流量)采取停测一个时期再行校测的测验方式 。,17,4、自动测报系统:随着电子计算机技术、通讯技术及传感器的发展,在国内已建成不同形式的水文自动测报系统。该系统通常由传感器、编码器、传输系统和资料接收设备等部分组成。遥测站的传感器将感应的水文变量(如水位、雨量等)转换成电讯号 ,经过编码、调制、发射,直接或通过中继站、卫星将数据传送到资料接
12、收中心。经解调、解码、鉴别,还原水文变量,并对搜集到的数据及时地进行适当处理。 自动测报系统具有效率高、速度快、节省人力的特点。可以实时地获取水文信息,有效地提高预报精度和增长预见期,对防洪、工程管理和水利调度发挥巨大作用 。,18,一、水位 水位:是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程,以m计。 水位与高程数值一样,要有一个基面作为起点。 水文测验中采用的基面有下列四种: 绝对基面:将某一海滨地点平均海水面的高程定为0.000m,作为水准基面。我国曾沿用过大沽、吴淞、珠江基面,现在统一规定的基面为青岛黄海基面。 假定基面:这是在水文测站附近没有国家水准点或一时还不具备接测条件的情况
13、下暂时假定的一个水准基面。 测站基面:某些水文测站专用的一种假定基面,一般选择在河床最低点或历年最低水位以下0.51.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。 冻结基面:将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的一种基面,也属水文测站专用的另一种假定基面。使用冻结基面可保持测站水位资料的历史连续性。,水位观测,19,基面、水准点、水尺零点和水位的关系图,二、水位观测设备 水位观测的常用设备有水尺和自记水位计。 1、水尺: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。其中应用最广泛的是直立式水尺,如图所示。观测时记录水尺读数,水位即为水尺读数加上水尺零点高程。水尺零点高程是指水
14、尺板上刻度起点的高程,可以预先测量出来。,直立式水尺分级设置示意图,注意: 全河上下游或相邻测站应尽可能采用一致的固定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。基面、水准点、水尺零点和水位的关系如右图所示。,20,2、自记水位计:能将水位变化的连续过程自动记录下来,不遗漏任何突然的变化和转折,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。,三、水位的观测 水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。 基本水尺的观测是分段定时观测。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
15、.06m以内,用 1 段制观测;日变幅在 0.120.24m 时,用 4 段制观测;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。其观测时间和次数,视需要而定 。,21,四、水位观测数据整理 得到水位观测数据后,需要计算日平均水位、月平均水位和年平均水位。计算日平均水位的方法有算术平均法和面积包围法。 若一日内水位变化缓慢,或虽然水位变化大,但系等时距人工观测或从自记水位计上摘录,采用算术平均值; 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,如右图所示,其计算公式为: 根据逐日
16、平均水位可算出月平均水位和年平均水位及保证率水位。,面积包围法示意图,22,一、概述 流量:单位时间内流过江河某一横断面的水量,以 m3/s 计。 测量流量的方法很多,常用的方法为流速面积法,其中包括流速仪测流法、浮标测流法、比降面积法等,这是我国目前使用的基本方法。此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等。 二、流速仪法测流 在过水断面上,流速随水平及垂直方向的位置不同而变化。从水平方向看,中间流速大,两岸流速小;从水深方向看,河床流速最小。 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,用流速仪施测水流速度并计算各部分面积上的平均流速,两者的乘积为各部
17、分流量,部分流量的和为全断面的流量。因此流速仪测流工作包括断面测量和流速测量两部分。它是目前国内外广泛使用的测流方法,也是最基本的测流方法。,流量测验,23,1、断面测量 断面测量工作包括水道断面测量和大断面测量两种,如图所示。水道断面是指自由水面线与河床线之间的范围,大断面为历年最高洪水位以上0.51.0m的水面线与岸线、河床线之间的范围 。 (1)水道断面测量 水道断面的测量,是在断面上布设一定数量的测深垂线,施测各条垂线的水深,同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点(断面的起点桩,一般设在左岸)的水平距离(称为起点距),并同时观测水位,用施测时的水位减去水深,得到各测深垂线处的河底高程 。
18、,过水断面流速分布图 (a)断面等流速线 (b)垂线流速分布,断面测量示意图,24,水深测量 :通常用测深杆、测深锤、铅鱼直接测出每根测深垂线的水深。当水很深、流速很大时,可用超声波回声测深仪测量水深。 起点距的测定 断面索法:是在断面上架设钢丝缆索,每隔适当距离做上标记,并事先测量好它们的位置,测量水深的同时,直接在断面索上读出起点距。这种方法适合于河宽较小、水上交通不多、有条件架设断面索的河道测站,精度较高 。 交会法 (i) 经纬仪岸上交会法:水文站在布设测流断面时,同时布设基线(AC),并用精确方法量出基线的长度L,测角时,将经纬仪安放在基线的终点C,测出角度,则起点距为 D = Lt
19、an( );,回声测深仪测量示意图,交会法示意图,25,(ii) 六分仪船上交会法: 当河道较宽时,岸上与船上联络困难, 风浪较大时用经纬仪瞄准河中活动的目标, 施测有些困难,此时可使用六分仪交会法, 它的主要优点是测量时施测人员全部上船, 不用支架,只需手握仪器即可测出角,也 能在摇动的船上使用,因此水文勘测中经 常使用。右图为六分仪结构示意图。 (2)大断面测量 大断面测量是单独进行的,一般在汛前、汛后或较大洪水过后施测,包括水上及水下两部分,水下部分同上述水道断面的施测方法,水上部分采用水准测量方法进行。,六分仪结构示意图,26,2、流速仪测速 常用的有流速仪法和浮标法。 (1) 流速仪
20、 目前我国使用最多的是重庆水文仪器厂生产的LS68-2型旋杯式流速仪和LS25-1型旋桨流速仪 。 流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨,同时带动转轴转动,在装有信号的电路上发出讯号,便可知道在一定时间内的旋转次数,流速愈大,转轴转得愈快,流速与转速之间有一定的关系,这种关系是由厂家在仪器出厂之前,把流速仪放在特定的检定水槽里,通过实验方法来确定流速与转速间的函数关系。关系式如下: 式中: K 水力螺距,表示流速仪的转子旋转一周时,水质点的行程长度;N 流速仪在测速历时内的总转数,一般是根据信号数,再乘上每一信号代表的转数求得;T测速历时,为了消除水流脉动的影响,测速历时一般不超过1
21、00S;C附加常数,表示仪器在高速部分内部各运动件之间的摩阻,称仪器的摩阻常数;系数C、K是通过水槽实验事先率定的。,旋桨式流速仪,旋杯式流速仪,27,(2) 流速测量 流速仪只能测得某点的流速,为了求得断面平均流速,首先在断面上布设一些测速垂线(一般在测深垂线中选择若干条同时兼作测速垂线),在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速,最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速,再由测线平均流速求得部分面积平均流速,进而推得断面流量。 测速垂线数目,根据河宽、水深来确定。测速垂线上的测点数,根据垂线的水深,流速仪的悬吊方式和测量精度的要求来确定。具体规定见表1和表2。,部分面积 ai、部分流
22、速 Vi,及部分流量 qi 计算示意图,表1 我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定,28,表2 流速测点的位置,注:h为该测速垂线的有效水深。,29,(3) 流量计算 流速仪测流时有专用的记录和计算表格,通常在测流时随即计算流量,计算过程包括(1)垂线平均流速计算;(2)部分面积上的平均流速计算;(3)部分流量计算;(4)全断面流量。 垂线平均流速的计算 一点法: 二点法: 三点法: 五点法: 六点法: 各式中 为垂线平均流速, 、 、 为各相对水深处的测点流速。,30,三、 浮标法测流 在洪水较大或水面漂浮物较多,特别是在使用流速仪测流有困难的情况下,浮标法测流是一种切实可行的办法。浮标
23、测流的主要工作是观测浮标漂移速度,测量水道横断面,以此来推估断面流量。 凡能漂浮在水面上的物体都可以制成浮标。用水面浮标法测流时,测得的是浮标在水面的漂移速度,这种流速称浮标虚流速,它不能代表断面平均流速,将它与过水断面相配合,计算出断面虚流量,然后乘上浮标系数 才能得到断面实际的流量,即与浮标类型、风力风向等因素有关。 值的确定有实验比测法、经验公式法和水位流量关系曲线法 。,浮标测流示意图,31,在踏勘河流时,为了估算河流流量,有时采用临时浮标简测法。就地选一简易的浮标,用步测距离,然后测量浮标走完该距离所需要的时间,计算出流速。水浅时,可涉水测量过水断面,水深可行船时,也可乘船测量断面,
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