水文測驗第一章測站布設(shè)第一講

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1、第 一 章 測 站 布 設(shè)第一講一、水文測站 水文測站是在河流上或流域內(nèi)設(shè)立的，按一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常收集和提供水文要素的各種水文觀測現(xiàn)場的總稱。按目的和作用分為基本站、實驗站、專用站和輔助站。 基本站是為綜合需要的公用目的，經(jīng)統(tǒng)一規(guī)劃而設(shè)立的水文測站?；菊緫?yīng)保持相對穩(wěn)定，在規(guī)定的時期內(nèi)連續(xù)進(jìn)行觀測，收集的資料應(yīng)刊入水文年鑒或存入數(shù)據(jù)庫長期保存。 實驗站是為深入研究某些專門問題而設(shè)立的一個或一組水文測站，實驗站也可兼作基本站。 專用站是為特定的目的而設(shè)立的水文測站。不具備或不完全具備基本站的特點。 輔助站是為了幫助某些基本站正確控制水文情勢變化而設(shè)立的一個或一組站點。輔助站是基本站的補(bǔ)充，彌補(bǔ)基

2、本站觀測資料的不足。計算站 網(wǎng)密度時，輔助站不參加統(tǒng)計。 基本水文站按觀測項目可分為流量站、水位站、泥沙站、雨量站、水面蒸發(fā)站、水質(zhì)站、地下水觀測井等。其中流量站（通常稱作水文站）均應(yīng)觀測水位，有的還兼測泥沙、降水量、水面蒸發(fā)量及水質(zhì)等；水位站也可兼測降水量、水面蒸發(fā)量。這些兼測的項目，在站網(wǎng)規(guī)劃和計算站網(wǎng)密度時，可按獨立的水文測站參加統(tǒng)計；在站網(wǎng)管理和刊布年鑒和建立數(shù)據(jù)庫時，則按觀測項目對待。 二、水文站網(wǎng)及其作用 水文站網(wǎng)是在一定地區(qū)，按一定原則，用適當(dāng)數(shù)量的各類水文測站構(gòu)成的水文資料收集系統(tǒng)。由基本站組成的站網(wǎng)，稱為基本水文站網(wǎng)。 把收集某一項資料的水文測站，組合在一起，則構(gòu)成該項目的站

3、網(wǎng)。如流量站網(wǎng)，水位站網(wǎng)，泥沙站網(wǎng)，雨量站網(wǎng)，水面蒸發(fā)量站網(wǎng)，水質(zhì)站網(wǎng)，地下水觀測井網(wǎng)等。通常所稱的水文站網(wǎng)，就是這些單項觀測站網(wǎng)的總稱，有時也簡稱為“站網(wǎng)”。 以滿足水資源評價和開發(fā)利用的最低要求，由起碼數(shù)量的水文測站組成的水文站網(wǎng)，是容許最稀站網(wǎng)。 首先應(yīng)建成容許最稀站網(wǎng)，然后，根據(jù)需要與可能，逐步發(fā)展并優(yōu)化站網(wǎng)。力求在適應(yīng)于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平的投入條件下，使站網(wǎng)的整體功能最強(qiáng)。 水文站網(wǎng)密度，可以用“現(xiàn)實密度”與“可用密度”這兩種指標(biāo)來衡量。前者是指單位面積上正在運行的站數(shù)，后者則包括雖停止觀測，但已取得有 代表性的資料或可以延長系列的站數(shù)。站網(wǎng)密度通常是指現(xiàn)實密度。 三、水文站網(wǎng)的規(guī)劃與

4、調(diào)整 水文站網(wǎng)規(guī)劃是制定一個地區(qū)（流域）水文測站總體布局而進(jìn)行的各項工作的總稱。其基本內(nèi)容有：進(jìn)行水文分區(qū)，確定站網(wǎng)密度，選定布站位置，擬定設(shè)站年限，各類站網(wǎng)的協(xié)調(diào)配套，編制經(jīng)費預(yù)算，制定實施計劃。 水文站網(wǎng)規(guī)劃的主要原則是根據(jù)需要和可能，著眼于依靠站網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮站網(wǎng)的整體功能。提高站網(wǎng)產(chǎn)出的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 制定水文站網(wǎng)規(guī)劃或調(diào)整方案應(yīng)根據(jù)具體情況，采用不同的方法，相互比較和綜合論證；同時，要保持水文站網(wǎng)的相對穩(wěn)定。 水文站網(wǎng)的調(diào)整，是水文站網(wǎng)管理工作的主要內(nèi)容之一。水文站網(wǎng)的管理部門，應(yīng)當(dāng)在使用水文資料解決生產(chǎn)、科研問題的實踐中，在經(jīng)濟(jì)水平、科學(xué)技術(shù)、測驗手段日益提高和對水文規(guī)律不斷

5、加深認(rèn)識的過程中，定期地或適時地分析檢驗站網(wǎng)存在的問題，進(jìn)行站網(wǎng)調(diào)整。 分析檢驗站網(wǎng)存在的問題主要有：測站位置是否合適，測站河段是否滿 足要求，水賬是否能算清，測站間配套是否齊全等。 四、基本水文站網(wǎng)的布設(shè)原則 基本水文站網(wǎng)中，流量站網(wǎng)是最主要的站網(wǎng)，因此重點介紹流量站網(wǎng)，并簡要介紹水位站網(wǎng)和泥沙站網(wǎng)。 （一）基本流量站網(wǎng)的布設(shè)原則 由于河流有大小、干支流的區(qū)分，因此流量站網(wǎng)的布設(shè)原則也不相同。 控制面積為3000km2以上的大河干流流量站，稱為大河控制站。 干旱區(qū)在500km2以下，濕潤區(qū)在300km2以下的河流上設(shè)立的流量站，稱為小河站。 其余天然河流上設(shè)立的流量站，稱為區(qū)域代表站。 大河

6、控制站的主要任務(wù)，是為江河治理，防汛抗旱，制定大規(guī)模水資源開發(fā)規(guī)劃以及重大工程的興建，系統(tǒng)地收集資料。在整個站網(wǎng)布局中，居首要地位。大河控制站按線的原則布設(shè)。 小河站主要任務(wù)是為研究暴雨洪水、產(chǎn)流、匯流，產(chǎn)沙、輸沙的規(guī)律，而收集資料。在大中河流水文站之間的空白地區(qū)，往往也需要小河站來補(bǔ)充，滿足地理內(nèi)插和資料移用的需要。因此，小河站是整個水文站網(wǎng)中不可缺少的組成部分。小河站按分類原則布設(shè)。 區(qū)域代表站的主要作用，是控制流量特征值的空間分布，探索徑流資料的移用技術(shù)，解決任何水文分區(qū)內(nèi)任一地點流量特征值，或流量過程資料的內(nèi)插與計算問題。區(qū)域代表站，按照區(qū)域原則布設(shè)。 1線的原則 在干流沿線，布站間距

7、不宜過小，布站數(shù)量不宜過多，任何兩個相鄰測站之間流量特征值的變化，不應(yīng)小于一定的遞變率。否則這種變化和測驗誤差，將很難區(qū)分。由此可以確定布站數(shù)量的下限。 同時布站間距也不能過大，布站數(shù)量不能過少，否則將難以保證按5%10%的精度標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)插干流沿線任一地點的流量特征值。由此，又可以確定布站數(shù)量的上限。 當(dāng)估計出布站數(shù)量的上限和下限之后，還應(yīng)綜合考慮重要城鎮(zhèn)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪的需要，大支流的入?yún)R，大型湖泊、水庫的調(diào)蓄作用以及測驗通訊和交通、生活條件等因素，選定布站位置。 把上述原則匯集在一起，稱為線的原則。 2區(qū)域原則 在任一水文分區(qū)之內(nèi)，沿徑流深等值線的梯度方向，布站不宜過密，也不宜過稀。決定站網(wǎng)

8、密度下限的年徑流特征值內(nèi)插允許相對誤差采用510%。決定密度上限的年徑流特征值遞變率采用10%15%。 對于分析計算較困難的地區(qū)，在水文分區(qū)內(nèi)，可按流域面積進(jìn)行分級，一般情況下，分為47級，每級設(shè)12個代表站。 選擇布設(shè)代表站的河流和河段，應(yīng)符合以下要求： 有較好的代表性和測驗條件；能控制徑流等值線明顯的轉(zhuǎn)折與走向，盡量不遺漏等值線的高、低中心；控制面積內(nèi)的水利工程措施少；無過大的空白地區(qū)；綜合考慮防汛，水利工程規(guī)劃、設(shè)計、管理運用等需要；盡量照顧交通和生活條件。 3分類原則 布設(shè)小河站，應(yīng)在水文分區(qū)的基礎(chǔ)上，參照植被、土壤、地質(zhì)及河床組成等下墊面的性質(zhì)進(jìn)行分類，再按面積分級，并適當(dāng)考慮流域形

9、狀、坡度等因素。選擇河流布設(shè)測站。 小河站址的選擇應(yīng)符合下列要求： 代表性和測驗條件較好。 水利工程影響小。 面上分布均勻。 按面積分級布站時，要兼顧到坡降和地勢高程的代表性。 盡量照顧交通和生活條件。 （二）基本水位站網(wǎng)的布設(shè)原則 在水文測驗中，水位往往是用于推求流量的工具，絕大多數(shù)流量站都有水位觀測。因此，流量站網(wǎng)的基本水尺，是水位站網(wǎng)的組成部分。 在大河干流、水庫湖泊上布設(shè)水位站網(wǎng)，主要用以控制水位的轉(zhuǎn)折變化。滿足內(nèi)插精度要求、相鄰站之間的水位落差不被觀測誤差所淹沒為原則，確定布站數(shù)目的上限和下限。其設(shè)站位置，可按下述原則選擇： 滿足防汛抗旱、分洪滯洪、引水排水、水利工程或交通運輸工程的

10、管理運用等需要。 滿足江河沿線任何地點推算水位的需要。 盡量與流量站的基本水尺相結(jié)合。 （三）基本泥沙站網(wǎng)布設(shè)原則 在泥沙站網(wǎng)上進(jìn)行測驗，是為流域規(guī)劃、水庫閘壩設(shè)計、防洪與河道整治、灌溉放淤、城市供水、水利工程的管理運用、水土保持效益的估計、探索泥沙對污染物的解吸與遷移作用以及有關(guān)的科學(xué)研究，提供基本資料。 泥沙站也分為大河控制站，區(qū)域代表站和小河站。 大河控制站以控制多年平均輸沙量的沿程變化為主要目標(biāo)，按直線原則確定布站數(shù)量，并選擇相應(yīng)的流量站觀測泥沙。 區(qū)域代表站和小河站，以控制輸沙模數(shù)的空間分布，按一定精度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)插任一地點的輸沙模數(shù)為主要目標(biāo)，采用與流量站網(wǎng)布設(shè)相類似的區(qū)域原則，確定布站

11、數(shù)量；并考慮河流代表性，面上分布均勻，不遺漏輸沙模數(shù)的高值區(qū)和低值區(qū)，選擇相應(yīng)的流量站，觀測泥沙。 五、測驗河段的選擇原則 對水文觀測現(xiàn)場的作業(yè)和觀測成果，具有顯著影響控制作用的河段，稱為測驗河段。選擇測驗河段，應(yīng)遵循以下原則： 1首先要滿足設(shè)站目的 根據(jù)這一原則，可確定測驗河段大致范圍。例如黃河下游伊洛河沁河匯入后，必須及時掌握大洪峰流量的確切數(shù)值，才能對下游，作出重大決策。因此，該河段水流條件不論如何，都必須設(shè)站觀測。 2能保證各級洪水安全操作與測驗精度;有利于建立盡可能穩(wěn)定、簡單的水位流量關(guān)系。 這一原則，對于取得可靠的觀測資料，簡化內(nèi)業(yè)整理工作，節(jié)約人力物力，具有重要作用。 3在滿足上

12、述要求的前提下，盡可能照顧生活、交通、通訊上的方便。 六、測站控制 天然河道中水文現(xiàn)象十分復(fù)雜的，水位流量的關(guān)系在許多情況下是不穩(wěn)定的。這是因為流量不僅隨水位的變化而變化，它還受比降、河床糙率、水力因素的影響。而同 一水位下，這些水力因素往往又是在變化的。因此，表現(xiàn)出水位流量關(guān)系的復(fù)雜性。但我們在天然河道中還能夠找到一些河段，其水力因素在同一水位下保持不變或 雖有變化但可以相互補(bǔ)償，隨水位的變化而變化，從而保持單一性。 假如在測站附近（通常在其下游）有一個斷面或一段河槽，其水力特性能夠使得測站的水位流量關(guān)系保持單一關(guān)系，則這個斷面或河段便稱為測站控制。如測站控制作 用發(fā)生在一個橫斷面上，則稱為

13、斷面控制。如測站控制作用靠一段河槽的底坡、糙率、斷面形狀等因素的共同作用來實現(xiàn)，稱為河槽控制。 那我們選擇測站最佳的位置在哪？ 設(shè)在形成測站控制的地點或其上游附近。 天然河道中一些河段為什么會形成測站控制呢？下面我們從水力學(xué)原理加以分析。 1斷面控制 天然河道中，如有突起的石梁、急灘、卡口、人工堰壩等。當(dāng)水流通過該處時，將使水面曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，形成臨界流，出現(xiàn)臨界水深，構(gòu)成斷面控制。 以石梁為例，當(dāng)水流行近石梁處，水流被石梁抬升，過水?dāng)囡@著縮小，石梁上游形成壅水。當(dāng)水流通過石梁后，斷面擴(kuò)大，水流跌落。所以石梁處水面線由壅水曲線變?yōu)榈€。由水力學(xué)知，在此產(chǎn)生臨界流，出現(xiàn)臨界流深d k ，此

14、時弗勞德數(shù)Fr等于1，即 式中 Q斷面流量，m3/s； A斷面面積，m2； B水面寬，m； G重力加速度，m/s2； 動能校正系數(shù)。 注意：弗勞德數(shù)在水利學(xué)中是一個極為重要的判別數(shù)，它是斷面平均流速和相對波速的比值。 若=1變換上式，則寫為： 由上式可以看出，F(xiàn)r反映了過水?dāng)嗝嫔蠁挝恢亓康囊后w所具有的平均動能v2/2g和平均勢能之比。 當(dāng)h=2 v2/2g時，水流的平均動能等于平均勢能，水流為臨界流； 當(dāng)h2v2/2g時，水流為緩流； 當(dāng)h2v 2/2g時，水流為急流。它也代表了慣性力和重力相對大小的比值。 式中: dk 臨界水深，等于 。 A和dk 是水位Z和斷面因素的函數(shù)，即 =f(Z,

15、) 在斷面穩(wěn)定，無沖淤變化的情況下，斷面因素是水位的函數(shù)，即 =(Z) 則 Q=f(Z) 上式表明，在石梁處，流量僅是水位的函數(shù)。因此，水位流量關(guān)系呈單一關(guān)系。 但必須指出，由于石梁、急灘等都是靠河槽特殊地形產(chǎn)生臨界流來維持水位流量關(guān)系為單一關(guān)系。一但產(chǎn)生臨界流條件消失，則它們的控制作用也隨之消失。所以低水時有的控制作用，高水時則不然。 卡口、彎道及堰壩等在高水時，也能造成水面曲線的轉(zhuǎn)折，產(chǎn)生臨界流，從而形 成測站控制作用。 由此可見，選擇水文測站，最理想的是選在高水、低水都有測站控制的河段上。 那么，為什么測流斷面不設(shè)在斷面控制或其下游，而設(shè)在其上游附近呢？ 這是因為在斷面控制處，水面縱坡較

16、陡，流速大，測深測速都不方便，且誤差較大，也不安全。而其下游則沒有控制作用。所以測驗河段通常選在其上游附近。 上式表明，天然河道決定流量大小的基本水力因素有四個：水位、斷面因素、糙率、水面比降。因此，要使水位流量關(guān)系呈單一關(guān)系，必須具備下列條件之一： 什么樣的河段能具備上述條件而產(chǎn)生河槽控制作用呢？ （1）在同一水位下，n，S維持不變； （2）在同一水位下，雖有所變動，但它們對流量大小的影響恰好互相補(bǔ)償。 必須有相當(dāng)長的順直河段，河床穩(wěn)定，不生水草，不受變動回水影響等。 七、選擇測驗河段具體要求 根據(jù)設(shè)站目的要求，在野外選擇河段時，應(yīng)根據(jù)河流特性，靈活掌握，慎重選定。 對一般河道站，應(yīng)盡量選擇

17、河道順直、穩(wěn)定、水流集中，便于布設(shè)測驗設(shè)施的河段。順直長度一般應(yīng)小于洪水時主槽寬的35倍；山區(qū)河流，在保證測驗工作安全的前提下，盡可能選在石梁、急灘、卡口、彎道的上游。要盡量避開有變動回水、急劇沖淤變化、分流、斜流、嚴(yán)重漫灘等不利因素的河段及妨礙測驗工作的地形、地物；結(jié)冰河段還應(yīng)避開容易發(fā)生冰塞、冰壩的地點。 八、測驗河段勘測調(diào)查工作 設(shè)立水文測站之前，應(yīng)進(jìn)行勘測調(diào)查，內(nèi)容包括： 查勘前準(zhǔn)備：明確設(shè)站目的，查閱有關(guān)文件資料，特別是有關(guān)地形圖、水準(zhǔn)點、洪水情況等。確定勘測內(nèi)容和調(diào)查大綱，制定工作計劃，然后到現(xiàn)場勘查。勘測工作一般在枯水期進(jìn)行。 測驗河段現(xiàn)場調(diào)查：該項工作是全面了解河道概況，以便初步選定測驗河段。調(diào)查內(nèi)容：測站控制情況，歷年最高洪水位和最大漫灘邊界，變動回水影響的起因和范圍，河床組成、水草生長及沙情、冰凌情況，流域自然地理概況、水利工程的近況和遠(yuǎn)景規(guī)劃等。 野外測量：包括簡易地形測量、大斷面測量及流向測量、水面縱比降測量等。測量范圍，兩岸應(yīng)測至歷年最高洪水位以上，沿河長應(yīng)比選定的河段略長。 編寫勘測報告：把調(diào)查的情況及測量結(jié)果分析整理，提出方案，作為最 后確定站址依據(jù)。