第三章水文信息采集与处理
水文信息采集与处理是：研究各种水文信息的测量、计算与数据处理的原理和方法的-门科学,是水文学与水资源学的重要组成部分。
水文信息的采集有两种情况:一种是对水文事件当时发生情况下实际观测的信息;另一种是对水文事件发生后进行调查.所得的信息。
猎取水文信息的方法多种多样。现代科学技术的不断进展,新技术、新仪器的不断出现,更促进了猎取水文信息手段不断更新。
第一节测站与站网
一、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猎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,则按其要紧观测项目而分不称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。
依照测站的性质,河流水文测站又可分为差不多站、专用站两大类。
差不多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,专用站在面上辅助差不多站,而
差不多站在时刻系列上辅助了专用站。.
二、水文站网
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治理机构所组成的信息采集与处理体系。
布站的原则是通过所设站网采集到的水文信息通过整理分析后,达到能够内插流域内任何地点水文要素的特征值,
这也确实是水文站网的作用。
水文站网规划的任务：确实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,当流域面积超过3000--~5000km2,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。
可能将修建水利工程的地段,一般应布站观测。
关于较小流域,尽管不可能全部设站观测,应在水文特征分区的基础上,选择有代表性的河流进行观测。
在中、小河流上布站时还应当考虑暴雨洪水分析的需要,如对小河应按地质、土壤、植被、河网密集程度等下垫面因素分类布站。
布站时还应注意雨量站与流量站的配合。
关于平原水网区和建有水利工程的地区,应注意按水量平衡的原则布站。也能够依照实际需要,安排部分测站每年只在部分时期(如汛期或枯zk期)进行观测。
又如水质监测站的布设,应以监测目标、人类活动对水环境的阻碍程度和经济条件这三个因素作为考虑的基础。
我国水文站网于1956年开始统一规划布站,通过多次调整,布局已比较合理,对国民经济进展起积极作用。但随着我国水利水电进展的情况,大规模人类活动的阻碍,不断改变着天然河流产汇流、蓄水及来水量等条件,因此对水文站网要进行适当调整、补充。
三、水文测站的设立
建站包括选择测验河段和布设观测断面。
在站网规划规定的范围内, 具体选择测验河段时,要紧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。
具体地讲,确实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操纵,前者称为断面操纵,后者称为河槽操纵。
断面操纵的原理是在天然河道中,由于地质或人工的缘故,造成河段中局部地形突起,如石梁、卡口等,使得水面曲线发生明显转折,形成临界流,出现临界水深,从而构成断面操纵。
河槽操纵：当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来操纵,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。这就属于河槽操纵。
在河流上设立水文测站：
平原地区应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中,便于布设测验的河段,且尽量避开变动回水、急剧冲淤变化、分流、斜流、严峻漫滩等以及阻碍测验工作的地貌、地物。
结冰河流,还应避开容易发生冰塞、冰坝的地点。
山区河流应在有石梁、急滩、卡口、弯道上游附近规整河段上选站。
水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面,即差不多水尺断面、
流速仪测流断面、
浮标测流断面
比降断面。
差不多水尺断面上设立差不多水尺,用来进行经常的水位观测。
测流断面应与差不多水尺断面重合,且与断面平均流向垂直。若不能重合时,亦不能相距过远。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50~80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。
上、下比降断面间的河底和水面比降,不应有明显的转折,其间距应使
得所测比降的误差能在±15%
以内。
水准点分为差不多水准点和校核水准点,均应设在基岩或稳定的永久
性建筑物上,也可埋设于土中
的石柱或混凝土桩上。
差不多水准点是测定测站上各种高程的差不多依据,
校核水准点是经常用来校核水尺零点的高程。
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。
图3-1水文测站基线与断面布设示意图
四、收集水文信息的差不多途径
驻测：上述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。
这是我国收集水文信息的最差不多方式。但存在着用人多、站点不足、效益低等缺点。为了更好提高水文信息采集的社会效益和经济效益,通过20多年的实践,采取驻测、巡测、
间测及水文调查相结合的方式收集水文信息,可更好地满足生产的要求。
巡测是观测人员以巡回流淌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。
间测是中小河流水文站有10年以上资料分析证明其历年水位流量关
系稳定,或其变化在同意误差范围内,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。停测期间,其值由另一要素(水位)的实测值来推算。
水文调查是为弥补水文差不多站网定位观测的不足或其他特定目的,采纳勘测、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：目前全国统一采纳黄海基面,但各流域由于历史的缘故,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、Z l 分不为上、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,要定期依照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,而这些又几乎差不多上无人驻守测站。
水位的观测包括差不多水尺和比降水尺的水位。
差不多水尺的观测,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时是差不多时);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,采纳算
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,则采纳面积包围法,立即当日0~24小时内水位过程
线所包围的面积,除以一日时刻求得(见图3-2),其计算公
式为：
[]n n n n n t z t t z t t z t t z t z z ?+?+?++?+?+?+?+?=--)()()(48
11132221110
(3
-1
)如0时或24时无实测数据,则依照前后相邻水位直线内插求得。
依照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。这些通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
流量是单位时刻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差不多数据,也是河流最重要的水文特征值。
流量是依照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,通过分析、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。
测流方法专门多,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。