Transcript 水文信息的采集
水文信息的采集 黎坤、马淑琴 第一节 气象观测 一、观测场 二、百叶箱 三、气温的测量 四、气压的测量 （一）气压的定时测量 （二）气压连续变化的测量 五、空气湿度的测量 空气湿度是表示空气中水汽含量和潮湿程度的物理量。 六、风的测量 七、降雨的观测 八、蒸散发的观测 水由液态或固态转化为气态的过程称为蒸发，被 植物根系吸收的水分，经植物的茎叶散逸到大 气中的过程称为散发或蒸腾。 蒸发面为水面时称为水面蒸发，蒸发面为土壤表 面时称为土壤蒸发；蒸发面为植物茎叶则称为 植物散发。 由于植物是生长在土壤中，植物散发与植物所生 长的土壤上的蒸发总是同时存在，通常将二者 合称为陆面蒸发。 （一）、水面蒸发 （二）、土壤蒸发 土壤蒸发过程的三个阶段： 第一阶段，土壤湿润，水分从表面蒸 发后，能得到下层的充分供应。 发生在表层，蒸发速度稳定。 第二阶段，当土壤含水量降到田间持 水量以下时，土壤蒸发率越来越 小，土壤蒸发随土壤含水量的减 少而减少。 第三阶段，当土壤含水量的减少至毛 管断裂含水量，毛管水完全不能 达到地表后。 E 0.02 (G1 G2 ) ( R q) P （三）、植物散发的测定和估算 1.器测法 2.水量平衡法 （四）、流域总蒸发 1.水量平衡法 流域水量平衡方程： P E1 RS1 RG1 S1 E0 RS 0 RG0 q S 2 闭合流域水量平衡方程： P E R S 2.模式计算 一层模式、二层模式、三层模式 九、日照时数的观测 太阳在大地实际照射地面的时数，称为日照时数。 十、地温的观测 地面和地中不同深度的土壤温度统称地温。 第二节 水位观测 水位是指河流、湖泊、水库、海洋等水体的自由水面在某 一指定基面以上的高程，以m计。 一、基面的概念 基面是作为水位和高程数值起算零点的一个固定基准面。 水文测验中采样的基面有4中： （一）绝对基面 绝对基面是将某一海滨地点平均海面的高程定为0.000 m 作为水准基面。我国曾用过：大连、大沽、黄海、废黄 河口、吴淞、珠江等基面。现在统一规定的基面为青岛 黄海基面。 （二）假定基面 暂时假定的一个水准基准面。 （三）测站基面 某些水文测站专用的一种假定基面，一般选择在河床最底点 或历年最低水位以下1m处作为零点计算水位高度。 （四）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。 二、水位观测方法 1.人工观测 2.自记水位计记录 3.水位数据编码存储 4.水位自动测报系统 三、水位观测设备 （一）水尺 水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。水位观测 次数，视水位变化情况，以能测得完整的水位变化过 程，满足测量目的和要求为原则加以确定。 （二）、自计水位计 四、水位观测的要求 1.水位观测的次数以能完整控制水位的涨落变化 过程，满足测量目的和要求为原则加以确定。 2.水位观测精度，以满足使用要求为准。 3.根据观测对象的特点，必要时，应将明显影响 水位观测精度与水位变化的水文气象要素和现 象作为附属项目，进行简要的观测和记载，以 供分析和资料整编时查证。 五、潮水位观测 要求能得到潮水涨落的完整过程。 用水尺观测时，一般每半小时或1小时观测一次。 在接近高、低潮前后，每5~15分钟观测一次， 以便测得最高、最低潮水位。 用自计水位计时，要定时更换纪录纸，同时观 测校验水尺读数，以校正自计水位计水尺读数。 第三节 流量测验 流量是单位时间内流过江河某一断面的水量，以m3/s计 算。是河流最重要的水文特征值。 一、流量测验方法 1.面积法 2.水力学法 3.化学法 4.物理法 5.直接法 二、流速仪法测流 （一）测流原理 通过全断面的流量Q为： Q 0 v dA 0 0 f (b, h)dhdb A B H 实际中把上式积分公式变成有限差分的形式来求流量。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，用流速仪施测流速 并计算出各部分面积上的平均流速，两者相乘，称为部 分流量，各部分流量的和为全断面的流量，即： n Q qi i 1 （二）断面测量 1.水深测量 （1）测深垂线的布设 当水面宽大于25m时，垂线数目不应少于50条，当水面 宽度小于等于25m时，不得少于30~40条，但最小间距不 得小于0.5m。 （2）水深测量的方法 测深杆、测深锤测深 铅鱼测深 超声波测深仪测深 2.起点距的测量 起点距是指测验断面上的固定起始点至某一垂线的水平距 离。测量的方法主要有：直接量距法、建筑物标志法、地 面标志法、计数器测距法、仪器测角交会法、无线电定位 法等。 （1）断面索法 （2）仪器测角交会法 （3）无线电定位法 （4）GPS卫星定位法 （三）流速仪测速 （1）流速仪 2.流速测量 （1）测速垂线的布设 布设原则：应能控制断面地形和流速沿河宽分布的主要 转折点。 测速垂线布设位置应大致均匀，主槽比河滩密。 当断面形状或流速横向分布随水位级不同时而有较明显 的变化规律时，可分高、中、低水位级分别布设测速 垂线。 （2）积点法测速与测速点位置的选择 积点法测速 积点法测速是指在断面的各垂线上将流速仪放在不同 水深点处逐点测速，然后计算流速和流量。 按测速度点的不同，有十一点法、六点法、五点法、 三点法、两点法和一点法。 垂线上测速点位置选择的依据 根据水力学中渠道流速分布公式，垂线上各点的 流速与水深有一定关系，在自水面算起相对水 深为0.6处的测点流速接近垂线平均流速，0.2 与0.8水深的测点流速的平均也接近垂线平均流 速 测速历时的确定 一般不少于100秒。 （四）流量计算（分析法） 1.垂线平均流速的计算 一点法 二点法 三点法 五点法 六点法 十一点法 v m v0 . 6 1 vm (v0.2 v0.8 ) 2 1 vm (v0.2 v0.6 v0.8 ) 3 1 vm (v0.0 3v0.2 3v0.6 2v0.8 v1.0 ) 10 1 vm (v0.0 2v0.2 2v0.4 2v0.6 2v0.8 v1.0 ) 10 1 vm (0.5v0.0 v0.1 v0.2 v0.3 v0.4 v0.5 v0.6 10 v0.7 v0.8 v0.9 0.5v1.0 ) 2.部分平均流速的计算 岸边部分为距岸第一条垂线所构成部分，它们的部分平 均流速v1（或vn）为自岸边起第一条垂线平均流速vm1 （或vmn）乘以岸边流速系数α , v1 vm1 若岸边垂线平均流速沿河宽分布为直线，则岸边 流速系数α =0.67。 若岸边垂线平均流速沿河宽分布为指数曲线，则 岸边流速系数α =0.75。 斜坡岸边α 取0.7； 陡岸，不平整， α取0.8，光滑岸壁， α 取0.9； 在死水与流水交界处的死水边， α 取0.6。 中间部分是指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测速垂 线的垂线平均流速的算术平均值。 1 vi (vmi 1 vmi ) 2 3.部分面积的计算 4.部分流量的计算 各部分的平均流速与面积的乘积就是流量。 1 1 qi vi Ai (vmi 1 vmi ) (hi1 hi )bi 2 2 5.断面流量及其它水力要素的计算 n 断面面积 断面流量 A Ai i 1 n Q qi i 1 断面平均流速 v Q/ A 断面平均水深 h A/ B 在一次测流过程中，与该次实测流量相等的、某 一瞬时流量所对应的水位称为相应水位。 （六）流向的测量 1.测定流向的仪器 2.流向资料整理 （1）垂线平均流向的确定 v sin tan v cos i i i i （2）断面平均流向的确定 矢量叠加法 由所测流速和部分面积（以两垂线见的中点为分界， 得部分宽b及平均水深h，两者的乘积为部分面积）计 算部分流量q1,q2,…其方位由实测流向决定。断面平均 流向以部分流量的大小按比例作矢量的长度，流向方 位角作为矢量的方向，逐个叠加，求矢量和。 （三）浮标法测流 在上游投放浮标，沿断面均匀投放，投放的浮标数目 与流速仪测流时的测速垂线数目相当。用秒表观测各 浮标流经浮标上、下断面间的运行历时Ti，用经纬仪 测定各浮标流经浮标中断面的位置。 将上、下浮标断面的距离L除以Ti，得到各浮标的虚流 速vf，同时绘制浮标虚流速沿河宽的分布图，从虚流 速分布图上内插出相应各测深垂线处的水面虚流速， 计算两条测深垂线间的部分面积Ai和部分平均流速vfi， 则部分虚流量为qi=Aivfi。全断面的虚流量为Qf=Σqi， 断面流量Q为断面虚流量乘浮标系数 Kf， Q=KfQf Kf与浮标类型、风力风向等因素有关，Kf的确定有实验 比测法、经验公式法和水位流量关系曲线法。 一般湿润地区可取0.85~0.90，小河取0.75~0.85； 干旱地区大、中河流可取0.80~0.85，小河取0.70~0.80。 四、溶液法测流 溶液法又称稀释法、化学法测流。在稳定流条件下使用。 原理：将浓度为C1的指示剂，以流量q在一定时段内等速 注入上游断面，在稳定时段内测得取样断面指示剂浓 度为C2。取样断面天然状态下的指示剂浓度为C0，则 在单位时间内，流入测验河段的指示剂总量为P1， P1=qC1+QC0，流出测验河段的指示剂数量P2=(Q+q)C2, 根据质量守恒定律，P1=P2,则 C C2 Q 1 q C2 C0 五、ADCP（声学多普勒流速剖面仪）测流速 ADCP代表着当今声学测量的前沿技术，系统由ADCP主 机、数传无线电收发单元和计算机组成。是通过4个传感 器向水中发射超声波，利用声学多普勒原理，实现在测船 行进过程中的连续测量，并将不同层面测出的单元流速和 流向改正后累加，得出一份完整的实测流量。 ADCP 微型ADCP StreamPro 渠道流量计 Channel Master 在黄河的测量实例： 随着载有ADCP仪器的测船行进，计算机屏幕上清楚地显 示出河底图形，水深、单元流速、流向、累计流量等数 据，仅用10分钟时间，测验船抵达对岸，一份完整的河 底形态图和一份实测流量成果表就在计算机屏幕上显示 出来。