水文学实验指导

水文学实验指导（西华师大地理科学专业）许武成实验实习一降水资料的整理（必做，3学时）•1.掌握绘制降水过程线•2.掌握绘制降水累积曲线•3.理解并掌握面降水计算方法一、实验实习目的二、实验内容•降水过程线：指以时间为横坐标，降水量为纵坐标绘制成的降水量随时间的变化曲线。可用降水量柱状图或曲线图表示。根据每日降水量可绘制逐日降水量过程线，根据每月降水量可绘制逐月降水量过程线，根据历年降水量可绘制逐年降水量过程线。逐日降水量过程线大都不连续，因为在一月内或一年中不是每日都有降水。常用逐时降水量过程线（雨强过程线）反映暴雨过程。1.降水过程线2.降水累积曲线•以时间为横坐标，纵坐标表示自降水开始到各时刻降水量的累积值，如图1.1所示。•自记雨量计记录纸上的曲线，即是降水量累积曲线。•降水量累积曲线上每个时段的平均坡度是各时段内的平均降水强度，即•i=ΔP/Δt（1-1）•如果所取时段很短，即Δt→0，则可得出瞬时雨强i，即i=dP/dt。即累积曲线上任一点的斜率就是该时刻的降水强度。•如果将相邻雨量站的同一次降水的累积曲线绘在一起，可用来分析降水的空间分布与时程的变化特征。图1.1降水量累积曲线3.面降水的计算对于一个固定区域内的平均降水量，常采用算术平均法、泰森多边形法（垂直平分法）、等雨量线法和客观运行法（距离平方倒数法）进行计算，其主要计算方法和步骤如下。（1）算术平均法多用于地势起伏不大，雨量站分布稠密且分布均匀的地区，即每个雨量站控制代表相同面积区域的降水量，计算公式如图1.2所示，P为一个区域的平均降水量，P1~Pn为各个雨量站降水量，n为雨量站数量。图1.2算术平均法（2）泰森多边形法如区域内的观测点分布不均匀，采用泰森多边形法计算平均降水量较算术平均法更为合理，用不同的雨量站代表不同面积区域的降水量。操作步骤如下（图1.3）：步骤1：连接各相邻雨量站步骤2：作垂直平分线步骤3：连接各垂直平分线交点步骤4：计算图1.3泰森多边形法步骤1：连接各相邻雨量站步骤2：作垂直平分线步骤3：连接各垂直平分线交点步骤4：计算ffwiiniiiPwP1（3）等雨量线法•一般说来是计算区域平均雨量最完善的方法。优点是考虑了地形变化对降水的影响，因此适用于地形变化较大（一般是大流域）、流域内又有足够数量的降水观测站。图1.4等雨量线法计算步骤如下：步骤1：绘制等降雨量线步骤2：求出两条等雨量线间的面积和平均降雨量步骤3：计算niiiPff11P计算公式如图1.4所示，fi为相临等雨量线之间区域的面积，Pi为相临等雨量线之间的平均降雨量，f为观测区域总面积。三、实习实验完成成果1.下表是某流域1953年水文站的降水资料：月123456789101112月降水量（mm）0.110.07.19.553.974.1189.6351.325.34.719.61.5完成并回答下列问题：（1）在同一坐标纸上，绘制该流域全年的月降水量和累积降水量曲线。（2）在同一坐标纸上，绘制该流域全年的月降水量，计算全年降水量.2.某流域面积20.0km2，设有10个雨量站，各站控制面积与一次实测降雨过程列入下表中。求：（1）本次降雨的流域平均降雨过程和总降雨量；（2）在同一坐标图中，绘制时段平均雨强过程线和累积降雨量过程线。雨量站及编号控制面积fi(km2)权重wi(=fi/F)时段雨量13-14时14-15时15-16时16-17时PiwiPiPiwiPiPiwiPiPiwiPiN12.23.481.19.71.4N21.79560110.7N32.357.533.521.30.9N41.680.521.59.71.8N51.9711.546.5151.7N61.7714.165.9171.6N72.838.545.79.80.2N81.581.136.87.80.9N91.331.128.112.70.8N102.514.540.99.40.7全流域F20全流域降水mm总雨量mm实验二水文测站与站网（4学时）内容提要•1.水文测站的内容和分类；•2.水文站网的定义和布设原则；•3.水文测站的设立；•4.收集水文信息的基本途径。学习要求•掌握水文测站和站网的定义、布设原则和内容以及水文信息收集的基本途径。一、水文测站•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获取信息并进行处理为即时观测信息，这些指定的地点称为水文测站（如图2.1）。图2.1某一水文测站图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,则按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。根据测站的性质,河流水文测站又可分为：（1）基本站：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。（2）专用站：是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。这两类测站相辅相成，专用站在面上辅助基本站，而基本站在时间系列上辅助了专用站。二、水文站网•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，这些测站在地理上的分布网称为水文站网（如图2.2和2.3）。广义的站网是指测站及其管理机构所组成的信息采集与处理体系。图2.2丹江口水库流域雨量分布图图2.3丹江口水库流域水位测站分布图水文站网布站的原则是：通过所设站网采集到的水文信息经过整理分析后，达到可以内插流域内任何地点水文要素的特征值，这也就是水文站网的作用。水文站网规划的任务：就是研究测站在地区上分布的科学性、合理性、最优化等问题。三、水文测站的设立水文测站的设立包括选择测验河段和布设观测断面。1.测验河段的选择在站网规划规定的范围内,具体选择测验河段时，主要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。具体地说，就是测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系(单一关系)。2.观测断面的布设•水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面(图2.4)，即基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。图2.4水文测站基线与断面布设示意图(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。(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，用来观测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径收集水文信息的基本途径可分为：(1)驻测：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基本方式，但存在着用人多、站点不足、效益低等缺点。(2)巡测：观测人员以巡回流动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。(3)间测: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，或其变化在允许误差范围内，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。(4)水文调查：为弥补水文基本站网定位观测的不足或其他特定目的,采用勘测、调查、考证等手段进行收集水文信息的工作。实验实习三水位资料整理（必做，3学时）1、下表是某日水位观测数据，求日平均水位。时水位(m)时水位(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、绘制水位—流速、水位—流量关系曲线，并将高水位延长水位断面面积平均流速流量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实验四水位观测与水深测量（4学时）内容提要1.水位的定义和使用的基面；2.观测水位的设备和方法；3.日平均水位的计算；学习要求掌握水位观测的设备、方法和计算日平均水位的两种计算方法。一、水位水位是指河流、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，水文测验中采用的基面有下列4种：(1)绝对基面：将某一海滨地点平均海水面的高程定为0.000m，作为水准基面。我国曾沿用过大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等基面，现在统一规定的基面为青岛黄海基面。(2)假定基面：这是在水文测站附近没有国家水准点或在一时还不具备接测条件的情况下暂时假定的一个水准基面。(3)测站基面：某些水文测站专用的一种假定基面，一般选择在河床最低点或历年最低水位以下0.5～1.0m处的水平面作为零点来计算水位高度。(4)冻结基面：将测站第一次使用的基面冻结下来作为永久固定基面的—种基面，也属水文测站专用的另一种假定基面。使用冻结基面可保持测站水位资料的历史连续性。全河上下游或相邻测站应尽可能采用一致的固定基面。使用水位资料时一定要查清其基面。基面、水准点、水尺零点和水位的关系如图4.1所示。图4.1基面、水准点、水尺零点和水位的关系图水位观测的作用：(1)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；(2)为推求其他水文数据而提供间接运用资料，如水资源计算，水文预报中的上、下游水位相关法等。二、观测水位的设备和方法（一）观测水位的设备水位观测的常用设备有水尺和自记水位计两类。1.水尺图4.2直立式水尺分级设置示意图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，如图4.2所示。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。2.自记水位计图4.3各种型号的自记水位计自记水位计（图4.3）能将水位变化的连续过程自动记录下来，不遗漏任何突然的变化和转折，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。（二）水位的观测（南充水位站观测）水位的观测包括基本水尺和比降水尺的水位。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。比降水尺观测的目的是计算水面比降，分析河床糙率等。其观测时间和次数，视需要而定。三、日平均水位的计算日平均水位的计算方法有两种:1.算术平均法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，可采用算术平均法计算。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，则采用面积包围法，即将当日0～24小时内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得(见图4.4)，其计算公式为：(4-1)式中Z0，Z1，…，Zn---各测次观测的水位，m；Δt1,Δt2,…，Δtn---相邻两测次间的时距，h。如0时或24时无实测数据，则根据前后相邻水位直线内插求得。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