水资源开发与保护第二章.

第二章水资源调查与分析第一节：地表水调查内容第二节：水文分析与计算第三节：地下水调查的任务及原则第四节:水文地质调查的方法第五节：水文地质调查成果水资源调查的目的是查明水资源各部分的形成、时空分布与变化的特点及基本水量转化关系，为地区（流域）水资源综合利用与保护、统一规划与管理提供基础依据。第一节地表水调查内容一、河川径流的形成过程径流是指降水形成的水流汇集于流域出口断面的物理过程。按水流形成及水流途径可分为：①地面径流②表层流（壤中流）③地下径流。表层流下渗水在不连续界面上受阻,形成临时饱和带,产生表层流。薄而易透水的土层，降雨强度小，土层未达到整层饱和，容易产生壤中流。在浙江姜湾高坞村（实验）小流域的29次洪水中，表层流占总径流量85％以上者有13次。径流由降水、流域蓄渗、坡地汇流和河网汇流等环节组成。（一）降水降水是各种径流的重要水量提供者，是流域生成径流的必要条件。（二）流域蓄渗流域蓄渗是雨水耗于植物截留、水分下渗和填洼等综合作用的过程。降雨的损失：①植物截留②填洼③雨期蒸发。净雨过程:即降雨过程减去损失过程，得净雨过程。产流过程。净雨沿坡面和坡地汇入河网，称坡地汇流，然后沿河网汇集到流域出口，称河网汇流。汇流过程。（三）坡地汇流坡地汇流是指降雨产生的水流从它产生地点沿坡地向河槽的汇流过程。坡地汇流包括地面、表层和地下三种径流组成。表层汇流和地下汇流是在有孔介质中受重力控制的水流运动。地下汇流沿地下潜水层流入河网，流速很小，形成比较稳定的地下径流，是无雨期的基本径流，称基流。（四）河网汇流水流沿河网各级河槽向流域出口断面的聚集过程称为河网汇流。地下径流不一定汇入本流域的河槽。坡面汇流与河网汇流的作用与流域大小有关。水文测验是对各种水文要素进行系统观测及对观测资料进行整编的总称。水文测验是水文工作的基础。根据水文测验资料，可以掌握各地水文要素变化规律，为水资源评价和开发利用、防洪抗旱、水源保护、生态建设提供情报。水文资料是水利工程规划设计和管理运用的基础资料。二、水文测验站网布设（一）测站与站网水文测站是组织进行水文测验的基层单位，也是收集水文资料的基本场所。水文测站的主要任务是按照统一标准对指定地点(或断面)的水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等项目进行观测及资料整编。站网就是测站在地理上的分布网，站网把测站有机地联系起来，使测站发挥更大作用国家水文站网按测站性质分为：基本站网、专用站网和实验站网。基本站是综合国民经济各方面需要，由国家统一规划，以合理经济的方式建立的。基本站执行水文测验标准，进行较长时期的连续观测，资料编成《水文年鉴》刊布或以其它形式长期存贮。专用站是为科学研究、工程建设、管理运用等特定目的而设立的。其观测项目、观测要求及观测年限，由设站部门依据设站目的自行规定。实验站是为了深入研究某些专门问题而设立的一个或一组水文测站。实验站也可兼作基本站。（二）基本站网（basicstation）基本水文站网中，根据测验内容分为流量站网、水位站网、泥沙站网、雨量站网、蒸发站网和水质站网。1、流量站网是进行河流水情研究的重要站网。布设主要依据河流流域大、中、小与流域特性的差异而选择不同的布设。2、水位站网基本水位站的布设与基本流量站配合进行。通过所设站网采集到的水位信息经过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水位要素的特征值。3、泥沙站网布设泥沙站网主要考虑流域的产沙特性及规律，以及测验仪器的精度。基本泥沙站在流域上宜均匀布设，泥沙量较大的地区可密些。在建或拟建的水库和灌区的上游都须考虑设泥沙站。基本水文站网，常要布设雨量站和蒸发站。（三）测站设立与设备设立一个水文测站的主要内容：设置水准点并引测高程；设置横断面及基线；布设测量标志及高程基点；安装观测设备，填写登记卡。观测断面的布设：基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。测站的设备是指流速仪测流所需的渡河设备，一般分有船只测流设备、岸上测流设备、架空测流设备和涉水测流设备等几种。基本布设要求：(1)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推求垂线在断面上的位置。基线的长度视河宽而定,一般应为0.6B。(2)水准点:分为基本水准点和校核水准点，基本水准点是测定测站上各种高程的基本依据，校核水准点是经常用来校核水尺零点的高程。(3)基本水尺断面上设立基本水尺：用来进行经常的水位观测。(4)测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。(5)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，其距离应为断面最大流速的50～80倍。(6)比降断面设立比降水尺：比降断面跨过测流断面，用来观测河流的水面比降和分析河床的糙率三、水文测验内容及方法（一）水位观测与资料整编水位是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面的高程，以m计。水位与高程数值一样，要有一个基面作为起点。（见图2.1）一、基本的概念1、水位：指基准面至水体自由水面的高度标准基面：测站基面：以海平面为零高度,现在统一规定的基面为青岛黄海基面。以低于水文测站所在河道的最低水位或河床最低点0.5～1.0m处的水平面作为零高度水位z与H的关系为：z=H+z02z01▽z△xz02H0102zzix水位、水深与坡降基面2、过水断面（A）：3、湿周（X）：4、水力半径（R）：ARX5、流量与过水断面的平均流速u=Q/AU－流速（m/s）Q－流量（m3/s）A－面积（m2）水位观测的常用设备：水尺和自记水位计1、水尺gauge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4种。其中应用最广泛的是直立式水尺，观测时记录水尺读数，水位按下式计算：水位=水尺零点高程+水尺读数式中，水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以预先测量出来。水位的观测基本水尺的观测是分段定时观测。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时是基本时)；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；有峰谷出现时，还要加测。日均水位计算t1t2tn))((481)2)(2)((24121110221110ttGtGtGGtGGGt0水文资料整编的内容1、校核原始记录及各项特征值2、编制逐日平均水位表3、绘制水位过程线（图P2.2）4、编制洪水水位摘录表5、编写水位资料整编说明书（二）流量测验流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量，以m3/s计。测量流量的方法很多，常用的方法为流速面积法，其中包括流速仪测流法、浮标测流法、比降面积法等。此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等。1、断面测量断面测量又分为水道断面测量和大断面测量两种。水道断面是指某水位下水面线与河床线之间的范围;大断面为历年最高洪水位以上0.5～1.0m的水面线与岸线、河床线之间的范围。水道断面的测量，是在断面上布设一定数量的测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点（断面的起点桩，一般设在左岸）的水平距离（称为起点距），并观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。水深测量的方法，测量水深的方法通常用测深杆、测深锤、铅鱼直接测出每根测深垂线的水深。当水很深、流速很大时，可用回声测深仪测量水深。垂线起点距的测定①交会法：水文站在布设测流断面时，布设基线(AC),计算起点距。②断面索法：断面索法是在断面上架设钢丝缆索，每隔适当距离做上标记，并事先测量好它们的位置，测量水深的同时，直接在断面索上读出起点距。这种方法适合于河宽较小、水上交通不多、有条件架设断面索的河道测站，精度较高。2、流速分布断面流速具有脉动现象和空间分布的规律性；一般自由水面的流速大于河底，垂线流速分布曲线常呈一定形状，如抛物线形、对数形、指数形等。（见图2.3)河底与岸边附近流速最小；近两岸边的流速小于中泓，在最深处水面流速最大；畅流期垂线上最大流速出现在水面至0.2H范围；等流速曲线呈闭合状。（见图2.4）3、流量计算流量计算，常用的方法有图解法、分析法及流速等值线法等，分析法应用广泛。分析法依据相关公式进行平均流速计算，通过部分面积（平均流速、流量）计算，得到水道断面面积、断面流量的计算。点流速---垂线平均流速------部分面积平均流速乘以对应的部分断面面积---部分流量-----全断面流量1）垂线平均流速的计算假设两测点流速之间呈直线变化，就可按梯形面积计算出每条垂线平均流速（Vm)：六点法:五点法：三点法:二点法:10.00.20.40.60.81.0102222mvvvvvvv10.20.82mvvv2）部分断面面积、部分平均流速和部分流量的计算两垂线之间的平均流速为两垂线平均流速的算术平均值。岸边平均流速需乘以岸边流速系数，一般为0.67～0.75。断面面积,在岸边的按三角形面积计算，在中间部分的按梯形面积计算。部分流量：部分面面积乘以部分平均流速bhhVVqmm)2)(2(21213）断面面积、断面流量及断面平均流速的计算断面面积为各部分面积代数之和断面流量为各部分流量的代数之和断面平均流速为断面流量除以断面面积四、水文资料收集（一）流域基本情况收集1、流域范围:分水岭2、流域平面特征：河系、河网3、流域地形：比降、坡度4、流域自然地理位置及下垫面：地质、地貌、植被5、流域湖泊和沼泽6、其它：水利工程（二）气候特征1、降水降水是流域水资源的主要来源，降水量是指某时段内降落在某面积上总的水体积，一般用降水深度来表示，即降水总体积除以对应的面积，以mm为单位。2、蒸发蒸发分为水面蒸发、土面蒸发和植物蒸发，三者统称为总蒸发或蒸散发。目前全国蒸发站网上使用的观测仪器，主要有E-601型蒸发器、口径为80厘米带套盆的蒸发器和口径为20厘米的蒸发皿三种。一般每日8时观测蒸发量和降水量一次，蒸发量以毫米计，测记至0.1毫米。（三）水文资料收集1、水文年鉴2、水文图册和水文图集3、以往调查资料（四）水文调查1、水文站定位观测补充调查(人工影响)2、洪水、暴雨、枯水调查第二节水文分析与计算进行水文分析计算的目的：研究河川径流的统计变化规律，预估径流未来的变化趋势，以满足水利水电工程规划、设计、施工和运行管理的需要。本节主要介绍水文频率计算分析、相关计算分析。一、常用方法简介（一）概率统计分析方法概率表示随机事件的可能性的数值。概率统计分析方法是依据水文现象具有随机性和不重复性的特点，将水文数据视为相互独立的随机变量，根据统计学原理对实测的水文系列资料进行计算，研究其统计规律的方法。频率：在若干次试验或观测中，某一事件重复出现的次数与试验总次数之比。频率分析是数理统计的主要方法，当样本无限接近母本时，频率稳定地接近概率。水文资料整理、水文计算与预报中最常用的方法。频率分析常用的特征值见如下的几个表示。1、经验频率在一个水文样本系列中某水文变量X大于或等于一定数值Xm(即X≥Xm)的可能性，即为频率。设系列共有n项，其中第m项Xm的频率常用下列公式计算：Pm称为系列中第m项的经验频率，m+1？。（30、28、25、21、17、11）1nmpm序号流量经验频率137.34.4231.28.7323.513…228.495.6P56表2.1重现期是指某水文变量的取值（即X≥Xm)在多少年内出现一次。一般指对工程不利情况(1)研究暴雨洪水问题时，一般设计频率P小于50％。则T=1/P式中：T——重现期，以年计；P——频率，以小数或百分数计。2、重现期(2)研究枯水问题时，为了保证灌溉、发电及给水等用水需要，设计频率P常常用大于50％，则T=1/(1-P)例:当灌溉设计保证率P＝80％时，代入上式T＝5年，称作以五年一遇