2.4 水文測驗

河流水情的變化，可由河流水文因素的觀測資料來反映，對各項水文因素的觀測，稱為水文測驗。水文站是進行水文測驗的觀測站，在固定的測流斷面上，按國家水文測驗規(guī)范的要求，定時進行水位、流速、流向、流量、比降、降雨、蒸發(fā)、泥沙、地下水位等各項水文因素的觀測和資料整編工作。

為了能正確地搜集和應(yīng)用水文站的觀測資料，了解一般的水文觀測工作是必要的。現(xiàn)簡要介紹水位、流速觀測和流量計算的基本知識。

1.水位觀測

水文站觀測的水位，是指某一時刻該水文站測流斷面（水文站固定觀測的河流橫斷面）的水面高程，其水面高程所依據(jù)的水準基面，一般由水文站按實際情況選定，并有可能變動。使用水文站的水位資料時，必須注意它所依據(jù)的水準基面及其換算關(guān)系，必要時可進行換算。一般以黃海平均海平面（青島站）作為我國陸地高程的起算面，即基準面。

水位是河流最基本的水文因素，河流的水位變化反映河道中水量的增減，是工程建設(shè)中不可缺少的水文資料，并可用以推算流量。

目前，廣泛應(yīng)用水尺和自記水位計進行水位觀測，水尺讀數(shù)加水尺零點高程就是水位。常用的水尺有直立式、傾斜式和矮樁式3種，如圖2.17所示。

水位觀測必須連續(xù)進行，以便掌握水位變化的規(guī)律。用水尺觀測時，應(yīng)按要求的次數(shù)和時間，定時觀測；用自記水位計觀測時，應(yīng)定時校測和檢查。平時應(yīng)測得完整的水位變化過程，滿足日平均水位計算的要求；洪水期應(yīng)觀測到洪峰水位和洪水水位變化過程。另外，還需要設(shè)立比降水尺，觀測兩個測流斷面之間的水面落差，用以計算兩斷面之間的水面比降。水文站測流斷面和水尺的布設(shè)情況，如圖2.18所示。

通過水位觀測，能夠得到各種特征水位、平均水位、水位過程線、水面比降等資料。

2.流速測驗

天然河流過水斷面內(nèi)的流速分布，一般是由河岸向河心逐漸增大，由河底向水面逐漸增大，最大流速一般出現(xiàn)在最大水深處的水面附近，流速分布如圖2.19所示。

流速測驗的目的就是通過實際的流速測量，描述過水斷面內(nèi)的流速分布情況，并用以推算通過該斷面的流量。流速測驗常用的方法有流速儀法和浮標法兩種。

（1）流速儀測流。流速儀一般可分為旋杯式和旋槳式兩種，如圖2.20和圖2.21所示。流速儀只能測得斷面中某一點的流速，測流時可將流速儀放到需要測速的位置（測點），水流沖擊旋杯（或旋槳）使其轉(zhuǎn)動，根據(jù)每秒轉(zhuǎn)數(shù)與流速的關(guān)系推算該測點的流速。儀器出廠時均通過檢定，附有檢定公式，可用以計算流速。

在進行流速測驗時，首先要在測流斷面上布設(shè)適當數(shù)量的垂線，測出各條垂線的水深和起點距（各垂線到測流斷面起點樁的水平距離），以便繪制測流斷面圖，這些垂線稱為測深垂線。用流速儀測流時，需要在測流斷面上選擇若干有代表性的垂線施測流速，稱為測速垂線。多數(shù)測深垂線與測速垂線相重合，但測深垂線一般較測速垂線多。對于每一條測速垂線，也要測出水深和起點距，并按不同水深在垂線上布置若干個測點，用流速儀逐點測出流速。但是，測速垂線的水深測量應(yīng)與流速測量同時進行，水位變化較大時，還應(yīng)該同時觀測水位。流速儀測流開始和結(jié)束時，均需觀測水位和比降，必要時還應(yīng)增加觀測次數(shù)。測深垂線、測速垂線、測點的布設(shè)原則和數(shù)量，均應(yīng)根據(jù)測流斷面的實際情況，按有關(guān)規(guī)范確定。

（2）浮標測流。浮標測流的方法簡便，但不如流速儀測流精確，常在沒有條件進行流速儀測流時采用。浮標是觀測標志，凡是能在水中漂浮之物，都可做成浮標，最常用的是水面浮標。

水面浮標測流，可在測流河段上沿河寬均勻投放浮標，測出浮標通過上下游兩斷面間的時間和上下游兩斷面間的距離，就可以計算浮標的漂行速度，作為水面流速。連續(xù)觀測每個浮標的平面位置，還可以繪制河流的流向圖。浮標測流的斷面布置，如圖2.22所示。

3.流量計算

河流的流量是過水斷面面積與斷面平均流速的乘積。過水斷面內(nèi)的流速分布是不均勻的，而上述流速測驗的方法，只能測得某點的流速或水面流速，不能直接量測斷面平均流速，也不能直接利用實測流速計算斷面平均流速。因此，流量計算需采用間接的分塊計算方法：將過水面積劃分成許多較小的面積（稱為部分面積），利用實測流速計算各個部分面積的斷面平均流速和流量，再把各個部分面積的流量總和作為全斷面的流量。

流速儀測流時，流量計算可按下列步驟進行：

（1）以測速垂線將測流斷面劃分成若干部分（n部分），如圖2.22（圖中n=7）所示。計算各部分的過水面積，即部分面積A_i（i=l～n）；岸邊部分可按三角形面積計算，中間部分可按梯形面積計算。

（2）根據(jù)各測點的實測流速，計算各測速垂線的垂線平均流速v_m，可按各測速垂線上測點的數(shù)目，分別采用下列公式計算：

式中——垂線平均流速，m/s；

v_0.0、v_1.0——水面及河底的測點實測流速，m/s；

v_0.2、v_0.5——0.2及0.5垂線水深處的測點實測流速，m/s；其余腳注的意義相同，水深均由水面垂直向下計算；

K——半深流速系數(shù)，可利用多點法實測資料分析確定，無實測資料時，可采用0.90～0.95。

（3）計算各個部分面積的斷面平均流速v_i（稱為部分平均流速）。岸邊或死水邊的部分平均流速，等于自岸邊或死水邊起第一條測速垂速的垂線平均流速乘以系數(shù)α，例如圖2.22中的v₁=αv_m1，v₇=αv_m6系數(shù)α值，死水邊取0.6，斜坡岸邊取0.7，陡岸邊取0.8（不平整的）或0.9（光滑的）。斷面中間的部分平均流速，等于相鄰兩垂線平均流速的算術(shù)平均值。

（4）計算各個部分面積的流量Q_i（稱為部分流量）。部分流量等于部分面積與部分平均流速的乘積。

（5）計算全斷面的流量Q。

則全斷面的過水面積A和斷面平均流速v應(yīng)為

水面浮標測流時，流量計算可按下列步驟進行：

（1）以測深垂線將測流斷面劃分為若干部分（h部分），如圖2.23（圖中為6部分，即n=6）所示，并分別計算各部分面積A_i（i=1～n）。

（2）根據(jù)各浮標的漂行速度和起點距，在測流斷面圖上繪出水面流速分布曲線（圖2.23中流速曲線），并從該曲線上讀出各測深垂線處的水面流速。

（3）把各個測深垂線的水面流速直接作為垂線平均流速，按上述流速儀測流時流量計算的同樣方法，計算部分平均流速、部分流量和全斷面流量。但這樣計算的全斷面流量并不是全斷面的實際流量，稱為全斷面虛流量Q_f，而全斷面實際流量Q應(yīng)為

式中 K_f——浮標系數(shù)，可用浮標與流速儀同時測流對比求得；一般水深較大的大河約為0.85～0.90，而小河約為0.75～0.85。

4.相應(yīng)水位的計算

測流過程中，水位在不斷變化，觀測各條垂線的流速時，水位也各不相同。全斷面流量所對應(yīng)的水位（即相應(yīng)水位），需通過計算確定。可按下列方法進行：

（1）算術(shù)平均法。測流過程中，由水位變化而引起的過水斷面面積的變化，不超過5%～10%（平均水深大于1m時）或10%～20%（平均水深小于1m時），一般可取測流開始和終止時，兩次觀測水位的算術(shù)平均值作為相應(yīng)水位。

（2）加權(quán)平均法。測流過程中，水位變化引起的過水斷面面積的變化，超過上述限度時，可按下式計算相應(yīng)水位H（m）：

式中 B_i——第i條測速垂線所代表的水面寬，對于斷面中間部分的垂線，B_i應(yīng)為該垂線至兩側(cè)相鄰垂線間距的平均值，例如圖2.22中的第3條測速垂線，B₃=；對于岸邊垂線，則為水邊至該垂線的間距加該垂線至相鄰垂線間距的一半，例如圖2.22中的第1條測速垂線，；圖2.22中的b_i（i=1～11）為測深垂線的間距，m；

v_mi——第i條測速垂線的垂線平均流速，m/s；

H_i——第i條測速垂線上測速時觀測的水位，m。

水文站除進行水文測驗工作外，還進行水文調(diào)查（包括匯水區(qū)概況調(diào)查、河段調(diào)查、洪水調(diào)查、冰凌調(diào)查和涉河工程調(diào)查），以獲得全面的水文資料。并通過對觀測和調(diào)查資料的分析計算，整編成系統(tǒng)的水文資料。水利部門每年把各水文站的整編資料匯編為《水文年鑒》出版。1990年以后，各省（市）水資源局建立水文資料計算機數(shù)據(jù)庫，為工程建設(shè)提供服務(wù)。