水文學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)課件

水文學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（西華師大地理科學(xué)專業(yè)）許武成實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)一降水資料的整理

（必做，3學(xué)時(shí)）1.掌握繪制降水過(guò)程線2.掌握繪制降水累積曲線3.理解并掌握面降水計(jì)算方法一、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)目的二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容降水過(guò)程線：指以時(shí)間為橫坐標(biāo)，降水量為縱坐標(biāo)繪制成的降水量隨時(shí)間的變化曲線?？捎媒邓恐鶢顖D或曲線圖表示。根據(jù)每日降水量可繪制逐日降水量過(guò)程線，根據(jù)每月降水量可繪制逐月降水量過(guò)程線，根據(jù)歷年降水量可繪制逐年降水量過(guò)程線。逐日降水量過(guò)程線大都不連續(xù)，因?yàn)樵谝辉聝?nèi)或一年中不是每日都有降水。常用逐時(shí)降水量過(guò)程線（雨強(qiáng)過(guò)程線）反映暴雨過(guò)程。1.降水過(guò)程線2.降水累積曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示自降水開始到各時(shí)刻降水量的累積值，如圖1.1所示。

自記雨量計(jì)記錄紙上的曲線，即是降水量累積曲線。降水量累積曲線上每個(gè)時(shí)段的平均坡度是各時(shí)段內(nèi)的平均降水強(qiáng)度，即

i=ΔP/Δt

（1-1）

如果所取時(shí)段很短，即Δt→0，則可得出瞬時(shí)雨強(qiáng)i，即i=dP/dt。即累積曲線上任一點(diǎn)的斜率就是該時(shí)刻的降水強(qiáng)度。

如果將相鄰雨量站的同一次降水的累積曲線繪在一起，可用來(lái)分析降水的空間分布與時(shí)程的變化特征。圖1.1降水量累積曲線3.面降水的計(jì)算對(duì)于一個(gè)固定區(qū)域內(nèi)的平均降水量，常采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法（垂直平分法）、等雨量線法和客觀運(yùn)行法（距離平方倒數(shù)法）進(jìn)行計(jì)算，其主要計(jì)算方法和步驟如下。（1）算術(shù)平均法多用于地勢(shì)起伏不大，雨量站分布稠密且分布均勻的地區(qū)，即每個(gè)雨量站控制代表相同面積區(qū)域的降水量，計(jì)算公式如圖1.2所示，P為一個(gè)區(qū)域的平均降水量，P1~Pn為各個(gè)雨量站降水量，n為雨量站數(shù)量。圖1.2算術(shù)平均法（2）泰森多邊形法如區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)分布不均勻，采用泰森多邊形法計(jì)算平均降水量較算術(shù)平均法更為合理，用不同的雨量站代表不同面積區(qū)域的降水量。操作步驟如下（圖1.3）：步驟1：連接各相鄰雨量站步驟2：作垂直平分線步驟3：連接各垂直平分線交點(diǎn)步驟4：計(jì)算圖1.3泰森多邊形法步驟1：連接各相鄰雨量站步驟2：作垂直平分線步驟3：連接各垂直平分線交點(diǎn)步驟4：計(jì)算（3）等雨量線法一般說(shuō)來(lái)是計(jì)算區(qū)域平均雨量最完善的方法。優(yōu)點(diǎn)是考慮了地形變化對(duì)降水的影響，因此適用于地形變化較大（一般是大流域）、流域內(nèi)又有足夠數(shù)量的降水觀測(cè)站。圖1.4等雨量線法計(jì)算步驟如下：步驟1：繪制等降雨量線步驟2：求出兩條等雨量線間的面積和平均降雨量步驟3：計(jì)算計(jì)算公式如圖1.4所示，fi為相臨等雨量線之間區(qū)域的面積，Pi為相臨等雨量線之間的平均降雨量，f為觀測(cè)區(qū)域總面積。三、實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)完成成果1.下表是某流域1953年水文站的降水資料：月123456789101112月降水量（mm）0.110.07.19.553.974.1189.6351.325.34.719.61.5完成并回答下列問(wèn)題：（1）在同一坐標(biāo)紙上，繪制該流域全年的月降水量和累積降水量曲線。（2）在同一坐標(biāo)紙上，繪制該流域全年的月降水量，計(jì)算全年降水量.2.某流域面積20.0km2，設(shè)有10個(gè)雨量站，各站控制面積與一次實(shí)測(cè)降雨過(guò)程列入下表中。求：（1）本次降雨的流域平均降雨過(guò)程和總降雨量；（2）在同一坐標(biāo)圖中，繪制時(shí)段平均雨強(qiáng)過(guò)程線和累積降雨量過(guò)程線。雨量站及編號(hào)控制面積

fi(km2)權(quán)重wi(=fi/F)時(shí)段雨量13-14時(shí)14-15時(shí)15-16時(shí)16-17時(shí)PiwiPiPiwiPiPiwiPiPiwiPiN12.2

3.4

81.1

9.7

1.4

N21.79

5

60

11

0.7

N32.35

7.5

33.5

21.3

0.9

N41.68

0.5

21.5

9.7

1.8

N51.97

11.5

46.5

15

1.7

N61.77

14.1

65.9

17

1.6

N72.83

8.5

45.7

9.8

0.2

N81.58

1.1

36.8

7.8

0.9

N91.33

1.1

28.1

12.7

0.8

N102.5

14.5

40.9

9.4

0.7

全流域

F20

全流域降水

mm

總雨量

mm

實(shí)驗(yàn)二水文測(cè)站與站網(wǎng)（4學(xué)時(shí)）內(nèi)容提要1.水文測(cè)站的內(nèi)容和分類；2.水文站網(wǎng)的定義和布設(shè)原則；3.水文測(cè)站的設(shè)立；4.收集水文信息的基本途徑。學(xué)習(xí)要求掌握水文測(cè)站和站網(wǎng)的定義、布設(shè)原則和內(nèi)容以及水文信息收集的基本途徑。一、水文測(cè)站在流域內(nèi)一定地點(diǎn)(或斷面)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所需要的水文要素作系統(tǒng)觀測(cè)以獲取信息并進(jìn)行處理為即時(shí)觀測(cè)信息，這些指定的地點(diǎn)稱為水文測(cè)站（如圖2.1）。圖2.1某一水文測(cè)站圖水文測(cè)站所觀測(cè)的項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、冰凌、水質(zhì)、地下水位等。只觀測(cè)上述項(xiàng)目中的一項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)的測(cè)站,則按其主要觀測(cè)項(xiàng)目而分別稱為水位站、流量站(也稱水文站)、雨量站、蒸發(fā)站等。根據(jù)測(cè)站的性質(zhì),河流水文測(cè)站又可分為：（1）基本站：是水文主管部門為全國(guó)各地的水文情況而設(shè)立的,是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需要服務(wù)的。（2）專用站：是為某種專門目的或用途由各部門自行設(shè)立的。這兩類測(cè)站相輔相成，專用站在面上輔助基本站，而基本站在時(shí)間系列上輔助了專用站。二、水文站網(wǎng)因?yàn)閱蝹€(gè)測(cè)站觀測(cè)到的水文要素其信息只代表了站址處的水文情況，而流域上的水文情況則須在流域內(nèi)的一些適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布站觀測(cè)，這些測(cè)站在地理上的分布網(wǎng)稱為水文站網(wǎng)（如圖2.2和2.3）。廣義的站網(wǎng)是指測(cè)站及其管理機(jī)構(gòu)所組成的信息采集與處理體系。圖2.2丹江口水庫(kù)流域雨量分布圖圖2.3丹江口水庫(kù)流域水位測(cè)站分布圖水文站網(wǎng)布站的原則是：通過(guò)所設(shè)站網(wǎng)采集到的水文信息經(jīng)過(guò)整理分析后，達(dá)到可以內(nèi)插流域內(nèi)任何地點(diǎn)水文要素的特征值，這也就是水文站網(wǎng)的作用。水文站網(wǎng)規(guī)劃的任務(wù)：就是研究測(cè)站在地區(qū)上分布的科學(xué)性、合理性、最優(yōu)化等問(wèn)題。三、水文測(cè)站的設(shè)立水文測(cè)站的設(shè)立包括選擇測(cè)驗(yàn)河段和布設(shè)觀測(cè)斷面。1.測(cè)驗(yàn)河段的選擇在站網(wǎng)規(guī)劃規(guī)定的范圍內(nèi),具體選擇測(cè)驗(yàn)河段時(shí)，主要考慮在滿足設(shè)站目的要求的前提下，保證工作安全和測(cè)驗(yàn)精度，并有利于簡(jiǎn)化水文要素的觀測(cè)和信息的整理分析工作。具體地說(shuō)，就是測(cè)站的水位與流量之間呈良好的穩(wěn)定關(guān)系(單一關(guān)系)。2.觀測(cè)斷面的布設(shè)水文測(cè)站一般應(yīng)布設(shè)基線、水準(zhǔn)點(diǎn)和各種斷面(圖2.4)，即基本水尺斷面、流速儀測(cè)流斷面、浮標(biāo)測(cè)流斷面、比降斷面。圖2.4水文測(cè)站基線與斷面布設(shè)示意圖(1)基線：通常與測(cè)流斷面垂直，起點(diǎn)在測(cè)流斷面線上。其用途是用經(jīng)緯儀或六分儀測(cè)角交會(huì)法推求垂線在斷面上的位置?；€的長(zhǎng)度視河寬B而定,一般應(yīng)為0.6B。(2)水準(zhǔn)點(diǎn):分為基本水準(zhǔn)點(diǎn)和校核水準(zhǔn)點(diǎn)，基本水準(zhǔn)點(diǎn)是測(cè)定測(cè)站上各種高程的基本依據(jù)，校核水準(zhǔn)點(diǎn)是經(jīng)常用來(lái)校核水尺零點(diǎn)的高程。(3)基本水尺斷面上設(shè)立基本水尺，用來(lái)進(jìn)行經(jīng)常的水位觀測(cè)。(4)測(cè)流斷面應(yīng)與基本水尺斷面重合，且與斷面平均流向垂直。(5)浮標(biāo)測(cè)流斷面有上、中、下三個(gè)斷面，一般中斷面應(yīng)與流速儀測(cè)流斷面重合，上、下斷面之間的間距不宜太短，其距離應(yīng)為斷面最大流速的50～80倍。(6)比降斷面設(shè)立比降水尺，用來(lái)觀測(cè)河流的水面比降和分析河床的糙率。四、收集水文信息的基本途徑收集水文信息的基本途徑可分為：(1)駐測(cè)：在河流或流域內(nèi)的固定點(diǎn)上對(duì)水文要素所進(jìn)行的觀測(cè)稱駐測(cè)。這是我國(guó)收集水文信息的最基本方式，但存在著用人多、站點(diǎn)不足、效益低等缺點(diǎn)。(2)巡測(cè)：觀測(cè)人員以巡回流動(dòng)的方式定期或不定期地對(duì)一地區(qū)或流域內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流量等水文要素的觀測(cè)。(3)間測(cè):中小河流水文站有10年以上資料分析證明其歷年水位流量關(guān)系穩(wěn)定，或其變化在允許誤差范圍內(nèi)，對(duì)其中一要素(如流量)停測(cè)一時(shí)期再施測(cè)的測(cè)停相間的測(cè)驗(yàn)方式。(4)水文調(diào)查：為彌補(bǔ)水文基本站網(wǎng)定位觀測(cè)的不足或其他特定目的,采用勘測(cè)、調(diào)查、考證等手段進(jìn)行收集水文信息的工作。實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)三水位資料整理

（必做，3學(xué)時(shí)）1、下表是某日水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，求日平均水位。時(shí)水位(m)時(shí)水位(m)13.21134.9123.14145.0432.96155.4143.02166.1053.21176.0363.34185.9773.56195.8183.89205.6494.15215.32104.37224.91114.46234.68124.78244.372、繪制水位—流速、水位—流量關(guān)系曲線，并將高水位延長(zhǎng)水位斷面面積平均流速流量322.0953.70.9651.5322.3662.91.2780323.371431.66238322.69901.27114324.072241.77397328.356742.71820326.484592.371090327.75912.561510325.233282.08681325.984172.14892330.6910實(shí)驗(yàn)四水位觀測(cè)與水深測(cè)量

（4學(xué)時(shí)）內(nèi)容提要1.水位的定義和使用的基面；2.觀測(cè)水位的設(shè)備和方法；3.日平均水位的計(jì)算；學(xué)習(xí)要求掌握水位觀測(cè)的設(shè)備、方法和計(jì)算日平均水位的兩種計(jì)算方法。一、水位水位是指河流、湖泊、水庫(kù)及海洋等水體的自由水面的高程，以m計(jì)。水位與高程數(shù)值一樣，要有一個(gè)基面作為起點(diǎn)，水文測(cè)驗(yàn)中采用的基面有下列4種：(1)絕對(duì)基面：將某一海濱地點(diǎn)平均海水面的高程定為0.000m，作為水準(zhǔn)基面。我國(guó)曾沿用過(guò)大連、大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等基面，現(xiàn)在統(tǒng)一規(guī)定的基面為青島黃海基面。(2)假定基面：這是在水文測(cè)站附近沒(méi)有國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)或在一時(shí)還不具備接測(cè)條件的情況下暫時(shí)假定的一個(gè)水準(zhǔn)基面。(3)測(cè)站基面：某些水文測(cè)站專用的一種假定基面，一般選擇在河床最低點(diǎn)或歷年最低水位以下0.5～1.0m處的水平面作為零點(diǎn)來(lái)計(jì)算水位高度。(4)凍結(jié)基面：將測(cè)站第一次使用的基面凍結(jié)下來(lái)作為永久固定基面的—種基面，也屬水文測(cè)站專用的另一種假定基面。使用凍結(jié)基面可保持測(cè)站水位資料的歷史連續(xù)性。全河上下游或相鄰測(cè)站應(yīng)盡可能采用一致的固定基面。使用水位資料時(shí)一定要查清其基面?；?、水準(zhǔn)點(diǎn)、水尺零點(diǎn)和水位的關(guān)系如圖4.1所示。圖4.1基面、水準(zhǔn)點(diǎn)、水尺零點(diǎn)和水位的關(guān)系圖水位觀測(cè)的作用：(1)直接為水利、水運(yùn)、防洪、防澇提供具有單獨(dú)使用價(jià)值的資料，如堤防、壩高、橋梁及涵洞、公路路面標(biāo)高的確定；(2)為推求其他水文數(shù)據(jù)而提供間接運(yùn)用資料，如水資源計(jì)算，水文預(yù)報(bào)中的上、下游水位相關(guān)法等。二、觀測(cè)水位的設(shè)備和方法（一）觀測(cè)水位的設(shè)備水位觀測(cè)的常用設(shè)備有水尺和自記水位計(jì)兩類。1.水尺圖4.2直立式水尺分級(jí)設(shè)置示意圖按水尺的構(gòu)造形式不同可分為直立式、傾斜式、矮樁式與懸錘式4種。其中應(yīng)用最廣泛的是直立式水尺，如圖4.2所示。觀測(cè)時(shí)記錄水尺讀數(shù)，水位按下式計(jì)算：水位

=水尺零點(diǎn)高程

+水尺讀數(shù)式中，水尺零點(diǎn)高程是指水尺板上刻度起點(diǎn)的高程，可以預(yù)先測(cè)量出來(lái)。2.自記水位計(jì)圖4.3各種型號(hào)的自記水位計(jì)自記水位計(jì)（圖4.3）能將水位變化的連續(xù)過(guò)程自動(dòng)記錄下來(lái)，不遺漏任何突然的變化和轉(zhuǎn)折，有的還能將所觀測(cè)的數(shù)據(jù)以數(shù)字或圖像的形式遠(yuǎn)傳室內(nèi)，使水位觀測(cè)工作趨于自動(dòng)化和遠(yuǎn)傳化。（二）水位的觀測(cè)

（南充水位站觀測(cè)）水位的觀測(cè)包括基本水尺和比降水尺的水位。基本水尺的觀測(cè)是分段定時(shí)觀測(cè)。當(dāng)水位變化緩慢時(shí)(日變幅在0.12m以內(nèi))，每日8時(shí)和20時(shí)各觀測(cè)一次(稱2段制觀測(cè)，8時(shí)是基本時(shí))；枯水期日變幅在0.06m以內(nèi)，用1段制觀測(cè)；日變幅在0.12～0.24m時(shí)，用4段制觀測(cè)；有峰谷出現(xiàn)時(shí)，還要加測(cè)。比降水尺觀測(cè)的目的是計(jì)算水面比降，分析河床糙率等。其觀測(cè)時(shí)間和次數(shù)，視需要而定。三、日平均水位的計(jì)算日平均水位的計(jì)算方法有兩種:1.算術(shù)平均法若一日內(nèi)水位變化緩慢，或水位變化較大，但系等時(shí)距人工觀測(cè)或從自記水位計(jì)上摘錄，可采用算術(shù)平均法計(jì)算。2.面積包圍法若一日內(nèi)水位變化較大，且系不等時(shí)距觀測(cè)或摘錄，則采用面積包圍法，即將當(dāng)日0～24小時(shí)內(nèi)水位過(guò)程線所包圍的面積，除以一日時(shí)間求得(見圖4.4)，其計(jì)算公式為：(4-1)式中

Z0，Z1，…，Zn---各測(cè)次觀測(cè)的水位，m；Δt1,Δt2,

…，

Δtn---相鄰兩測(cè)次間的時(shí)距，h。如0時(shí)或24時(shí)無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則根據(jù)前后相鄰水位直線內(nèi)插求得?？嫉乃哪觇b中，均載有各站的日平均水位表、年平均水位、年及各月的最高、最低水位等。圖4.4面積包圍法示意圖四、水深測(cè)量－便攜式數(shù)字聲納深度計(jì)HondexDigitalDepthSounderHondex便攜式數(shù)字聲納深度計(jì)簡(jiǎn)介1、概述：該儀器是一種小巧的便攜式野外測(cè)量工具，采用聲波測(cè)距原理，變頻器發(fā)射高頻脈沖，并接水底返回信號(hào)來(lái)快速測(cè)量水深。儀器采用LCD數(shù)字顯示讀數(shù)，采用英制或公制單位，使用9V干電池，可進(jìn)行約500次測(cè)量操作。儀器具有自動(dòng)關(guān)機(jī)功能，在停止操作后10秒自動(dòng)關(guān)機(jī)。儀器采用防水設(shè)計(jì)，防水深度50米。該儀器有兩種類型：變頻器內(nèi)置型：信號(hào)發(fā)生器與儀器一體；變頻器外置型：信號(hào)發(fā)生器外置，有3.5米纜線；2、可選件：變頻器外置型儀器附件：船體安裝附件，供變頻器外置型儀器使用。

3、基本技術(shù)指標(biāo)：最小測(cè)深：1.8英尺（0.6米）；最大測(cè)深：260英尺（79米）；精度：1%；信號(hào)頻率：400KHz（波束角度：12o）；尺寸：1.7英尺×7.8英尺（42mm×198mm）；實(shí)驗(yàn)五河流斷面流速、流量測(cè)量（4學(xué)時(shí)）流量是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)江河某一橫斷面的水量，以m3/s計(jì)。測(cè)量流量的方法很多，常用的方法為流速面積法，其中包括流速儀測(cè)流法、浮標(biāo)測(cè)流法、比降面積法等，這是我國(guó)目前使用的基本方法。此外還有水力學(xué)法、化學(xué)法、物理法、直接法等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.練習(xí)流速儀的安裝、調(diào)整、讀數(shù)、計(jì)算2.掌握點(diǎn)流速測(cè)定，了解潮汐河流水文觀測(cè)設(shè)計(jì)的基本要求3.掌握垂線流速計(jì)算，斷面平均流速計(jì)算，以及流量的計(jì)算

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

旋漿式（旋杯式）流速儀；秒表三、流速測(cè)量流速儀法是用流速儀測(cè)定水流速度，并由流速與斷面面積的乘積來(lái)推求流量的方法。它是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的測(cè)流方法，也是最基本的測(cè)流方法。在過(guò)水?dāng)嗝嫔?，流速隨水平及垂直方向的位置不同而變化。從水平方向看，中間流速大，兩岸流速??；從水深方向看，河床流速最小，如圖5.1所示。用流速儀測(cè)流實(shí)際上是將過(guò)水?dāng)嗝鎰澐譃槿舾刹糠郑?jì)算出各部分面積，然后用流速儀近似地測(cè)算出各部分面積上的平均流速，兩者的乘積為通過(guò)各部分面積的流量，累積各部分面積上的流量即得全斷面的流量。因此流速儀測(cè)流工作包括斷面測(cè)量和流速測(cè)量?jī)刹糠止ぷ?。圖5.1流速分布圖(a)斷面等流速線圖；(b)垂線流速分布圖流速儀只能測(cè)得某點(diǎn)的流速，為了求得斷面平均流速，首先在斷面上布設(shè)一些測(cè)速垂線（一般在測(cè)深垂線中選擇若干條同時(shí)兼作測(cè)速垂線），在每一條測(cè)速垂線上布設(shè)一定數(shù)目的測(cè)速點(diǎn)進(jìn)行測(cè)速，最后根據(jù)測(cè)點(diǎn)流速的平均值求得測(cè)線平均流速，再由測(cè)線平均流速求得部分面積平均流速，進(jìn)而推得斷面流量。測(cè)速垂線數(shù)目，根據(jù)河寬、水深來(lái)確定。測(cè)速垂線上的測(cè)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)垂線的水深，流速儀的懸吊方式和測(cè)量精度的要求來(lái)確定。具體規(guī)定見表5.1和表5.2。水面寬(m)＜5.05.0501003001000＞1000精測(cè)法561012～1515～2015～25＞25常測(cè)法3～556～87～98～138～13＞13測(cè)點(diǎn)數(shù)暢

流

期冰

期十一點(diǎn)0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0h六(七)點(diǎn)0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、(0.9)、1.0h0.0h或冰底或冰花底0.2、0.4、0.6、0.8、1.0h五點(diǎn)0.0、0.2、0.6、0.8、1.0h三點(diǎn)0.2、0.6、0.8h0.15、0.5、0.85h二點(diǎn)0.2、0.8h0.2、0.8h一點(diǎn)0.6或0.5h0.5h表5.1我國(guó)精測(cè)法、常測(cè)法最少測(cè)速垂線數(shù)目的規(guī)定表