第四節 海洋水與陸地水：普通水文實驗

一、河道流速測量

（一）目的要求

以甬江為例，熟練使用LS H10-1型超聲波多普勒流速儀測量并記錄河段流速的變化，掌握感潮河段流速的變化與潮周期的關系。

（二）實習用具

LS H10-1型超聲波多普勒流速儀。

（三）原理

本實習主要利用聲學多普勒效應原理。當超聲波射入水中時，水中存在著的不均體（如懸浮物等）將對聲波產生不規則散射，散射聲波的一部分被接收換能器接收。由于水流存在，散射體與發射器、接收器之間有相對運動。根據多普勒效應原理，接收到的反射信號頻率有一定偏高，即多普勒頻移。根據多普勒頻移方程，頻移的大小：

Δ Fd=（2F0×V×cosθ）/（C—V×cosθ）

式中：Δ Fd——多普勒頻移；

F0——發射超聲波的頻率；

C——水中的聲速；

V ——水的流速；

θ——發射波束和接收波束相對于河水水流方向的夾角。

當C?V×cosθ時，上式可簡化為

Δ Fd=（2 F0×V×cosθ）/C

所以

V=（C×ΔFd）/（2F0×cosθ）=K×C×ΔFd

發射超聲波的頻率 F0為常數，換能器安裝后夾角固定不變，所以K 為常數。

由上式可知，流速與多普勒頻移 Δ Fd、水的聲速C成正比，只要檢測出多普勒頻移 Δ Fd和水的聲速 C，即可計算出流速。

（四）實習內容

1．實習地點

選取寧波大學本部西南至寧波大學西校區之間甬江沿岸水泥平臺為儀器設置地點，測量甬江流速變化。

2．水上主機的連接

將電纜的一端接入主機后板電纜插座并旋緊，取出配件紅黑線將其插頭插入主機后板的相應插座并旋緊，另一端的紅線接蓄電池的正極（+），黑線接蓄電池的負極（-）（注意：正、負極性不能接反）。

3．探頭的懸吊

將探頭放入水中，看探頭是否呈水平狀。如不是，可松開吊桿下方的兩顆固定螺母，移動吊桿位置至探頭保持水平，然后鎖緊固定螺母（必須在水中調定，因為探頭在水中和空氣中的平衡點是不一樣的），待探頭平衡點調定后，將探頭放至測量水深。

注：當水流較小時，可不加掛鉛魚；但當水流大于0．5m/s時，要根據水流的大小選掛不同重量的鉛魚。為了確保測量精度，在每次投放探頭入水后，需等待2min待探頭與水的溫度相平衡時方可測量。儀器在測量過程中探頭（導流罩）務必對準水流的方向，且探頭應處于水平狀態。

4．初始設置

安裝完畢，檢查無誤后，可打開主機后板上的電源開關，進入初始設置階段。初始設置包括時間設置、站點設置和模式設置。

（1）時間設置。系統顯示時間應與北京時間保持一致，如時間存在偏差可進行調整，即在主機前面板按“取消”鍵進入，修改當前時間。

（2）站點設置。設置完時間則進入站號界面，系統默認的站號為00號站，光標處于閃爍跳動狀態，可以通過數字鍵盤的輸入進行站號設置。

（3）測量模式設置。設置站號后，系統進入功能選擇界面，進行自動、手動和查詢工作模式的選定。

5．自動測量

在模式設置中按下前面板上的“自動”鍵，則進入自動測量界面。自動測量需設置間隔時間和采樣時間。

測量間隔時間最小為0.00min（即不停地測量），最大為120min。在初始情況下，默認為0.30min，每按一下數字鍵“1”可使測量間隔時間遞減5min，每按一下數字鍵“2”可使間隔時間增加5min。

設置完測量間隔后，按“確定”鍵，進入采樣歷時時間的設置。本儀器采樣時間為60s和100s兩種，默認為60s。當光標位置在60s上時，按下數字鍵“1”即可設置為60s，按下數字鍵“2”即可設置為100s。設置完成后，按“確定”鍵，流速儀即進入工作狀態。

首先進行水溫測量，此時界面中的“T”處于閃爍狀態，約10s后測溫穩定。“T”閃爍結束后，進入測流速狀態，此時“V”一直處于閃爍狀態，閃爍時間即設定的采樣歷時時間。測量結束后，出現存儲界面，此界面保持25s，同時保存數據，然后屏幕背光燈熄滅，進入待機狀態，測量間隔時間到后，重新進入新的測量階段。

注：當系統處于自動測量狀態時，除“復位”鍵外，任何按鍵都是無效的，若想退出測量狀態，按“復位”鍵即可，但為了保證系統內部存儲數據有效，建議不要輕易使用“復位”鍵。在自動測量待機模式下，除了“查詢”和“返回”鍵，其他設置均無效，若想退出自動測量模式，可以按“返回”+“確定”或者“復位”鍵強行退出。

重要提示：本儀器禁止在空氣中進行測量，以免燒壞換能器。6．手動測量

在模式設置中按下前面板上的“手動”鍵，則進入手動測量界面。手動測量僅需設置采樣歷時時長，默認為60s。每按一下數字鍵“1”可使采樣歷時遞減10s，每按一下數字鍵“2”采樣歷時遞增10s。最小采樣歷時為10s，最大為120s。設置完成后，按“確認”鍵，進入測量狀態。其中水溫和流速的測量同自動測量模式。不同的是，手動測量結束后，顯示存儲界面，此界面將一直保存，直到進行下次操作。

下次操作有三種可選方式：

（1）繼續測量（緊接上次采樣時間，不再重新測溫）。直接按“手動”鍵即可，系統直接進入測流速狀態，不再重新測溫，溫度為上次測量數值。

（2）繼續測量（重新設置采樣時間，不再重新測溫）。按“返回”鍵，重新設置采樣歷時，方法同前。設置完畢后，按“確認”鍵，系統再次進行測量。

（3）結束測量。按“取消”鍵，系統進入待機界面，如需再次測量，直接按“確定”鍵即可。

7．查詢操作

（1）一般查詢。按“查詢”鍵，屏幕顯示最近一次測量結果，按數字鍵“1”向前查詢記錄，按數字鍵“2”向后查詢，按“返回”鍵可退出查詢操作。

（2）自動測量模式待機狀態下的查詢。此狀態下，按“查詢”鍵，系統會發出“滴滴”兩聲，出現查詢結果，并在保持15s后繼續進入待機狀態。

如需退出待機狀態，則可按“返回”鍵，系統發出“滴滴”兩聲，屏幕出現詢問是否退出自動測量的界面。選擇“確定”鍵則退出自動測量模式，選擇“取消”鍵則系統重新待機，紅色待機指示燈處于閃爍狀態，下次測量間隔時間到后，系統自動測量。

注：如在查詢狀態下到了測量時間，系統會強制停止查詢，進入測量狀態進行測量。

（3）手動測量模式下的查詢。此狀態下，直接按“查詢”鍵無效，需連按兩次“返回”鍵，再按“查詢”鍵。

8．存儲數據的讀取

將數據線一端連接到主機數據輸出接口，另一端連接至電腦USB接口，雙擊桌面軟件圖標。打開主機殼后面板開關，主機在復位界面，按“下載”鍵可將數據載入數據庫，按“清除”鍵可將主機中的數據清除。在軟件頁面點擊“保存”按鈕，可以選擇Excel或者PDF格式，將數據保存。點擊“查詢”按鈕，按輸入條件查詢，可以進行篩選，顯示最后查詢結果。

二、繪制海水溫度隨水深度變化關系曲線圖

（一）目的要求

通過分析三大洋部分地區的平均垂直水溫，進一步了解海水溫度的垂直變化規律。

（二）資料（表1-6）

（三）方法步驟

1．以縱坐標為水深，橫坐標為水溫，把各大洋平均水溫按順序點繪在圖上，然后按順序把各坐標點連成一條光滑曲線。

2．分析所繪制的曲線，找出它們的共同特點、它們之間的區別，并分析原因。

三、水系與流域特征測定與計算

（一）目的要求

水系及流域的測定與計算是研究河流水文必須具備的基本技能。通過實習讓學生掌握地形圖上分水線的劃分方法及流域面積、延長系數、河網密度、流域、流域寬度等的計算方法。

（二）已知資料

1∶10000《水系與流域特征測定與計算地形圖》（插圖1）一幅。

（三）實習內容

1．在圖上繪出鳳浦湖流域界線；

2．用方格法計算該流域面積（F）；

3．根據流域形狀（Ke）系數值說明流域的形狀特征；

4．算出河網密度（D），流域長度（L）及流域寬度（B）。

四、繪制水位—流量關系曲線圖

（一）目的要求

掌握水位—流量關系曲線圖的繪制和使用方法，加深對課堂學習理論知識的理解。

（二）主要內容

1．繪制水位—流量關系曲線圖；

2．分析在一次漲落水過程中，水位—流量關系點的分布及其原因；

3．用水位推求其流量。

（三）方法步驟

1．為分析水位—流量關系的變化規律，取用一次漲落水過程的水位和相應的流量資料，以縱坐標為水位（H），橫坐標為流量（Q），把水位和對應流量點繪在坐標紙上，再經過點群中心畫出一條平滑的曲線，并寫上圖的名稱。

2．分析在漲落水過程中，水位相同時，水位—流量關系點分布情況及其原因。

3．用水位73m、74m和75m在已繪制的水位—流量關系曲線圖上，推求流量的相應數值。

（四）作業

1．用給定的水位、流量資料（表1-7）繪制水位—流量關系曲線圖；

2．分析所繪曲線圖，說明在漲落水過程中點分布的不同及原因；

3．在所繪曲線圖上，用已知水位值推求流量。

五、潛水等水位線圖的繪制與分析

（一）目的要求

使學生初步掌握潛水等水位線圖的繪制及其分析方法。

（二）內容

1．根據同時間的潛水水位資料（表1-8），繪制間隔為2m的等水位線圖。

2．確定潛水流向及潛水面的坡度。

（三）方法

1．繪制潛水等水位線圖（比例尺1∶25000）

（1）填圖。根據表中資料，將各觀測點的編號、潛水水位和潛水埋藏深度填入地形圖中。鉆孔左上方是編號，右方分子是潛水位絕對標高，分母為潛水埋藏深度。

（2）繪制潛水等水位線。填好圖后，用插入法把潛水位相同的點連起來，即得等水位線。

繪制等水位線時應注意：

（1）以插入法（用透明方格紙）插點時，應按水力坡度方向插入。

（2）繪等水位線時，必須考慮地形的起伏情況，由于潛水面具有與地形起伏較一致的特點，因此在一般情況下它絕不能與地形等高線正交。

（3）在沼澤地區，若地下水出露于地表，則等水位線應與地形等高線重合。

（4）等水位線不應直接穿過河床，只能連到兩岸為止，連到河岸的位置，必須按水文站水位標高依河水比降求得，不能以地面標高來代替河水水位標高。

（5）等水位線用鉛筆以圓滑實線繪出，線條的粗細應大致均勻，線的中間接頭處應力求不要太明顯。

（6）等水位線應繪到圖邊或閉合（沒有資料的地方除外），并標注出等水位線的數值。對于閉合的等水位線，數值應標注在等水位線缺口的中間，對于不閉合的等水位線，數值可以標注在等水位線的兩端，或其缺口的中間。

2．確定潛水的流向

在各觀測點（泉除外）及河流的兩岸處，繪制潛水流向線。流向線用帶箭頭的線條表示，箭頭的方向表示潛水的流向。

3．確定潛水面的平均坡度

求出 A B及CD地段內潛水的平均坡度，若 A B或CD不在潛水流向線上，則應對其做適當修改（如圖1-25）。

六、用等流時線法計算出口斷面流量過程

（一）目的要求

流域匯流是降水徑流形成過程的主要環節之一。在流域徑流計算中，等流時線法是被廣泛采用的方法。通過實習使學生加深對等流時線概念的理解，掌握由凈雨量推求流域出口斷面流量過程線的計算方法。

（二）已知資料

某河流流域面積為F=611.4km2。經計算，流域平均匯流速度 v=1.57m/s，流域內最遠點到出口斷面的距離L=117.8km，則最大匯流歷時τM=117.8km/1.57m/s≈20.84h≈21h。取匯流時段 Δτ=3h，則 Δ S=v ·Δτ=16.956km，以 Δτ為等流時線間距，繪制等流時線，將流域分為七塊等流時面積。1957年8月19日在流域上有一場降雨，取降雨段 Δ t= Δ τ=3h，則四個時段的流域平均凈雨深分別為6.2mm、10.5mm、8.3mm、3.4mm。

（三）計算結果

推求出流域出口斷面流量過程線，并繪制成圖。

（四）計算步驟（表1-9）