水文信息技术-5

张利平武汉大学水文水资源系水文信息技术Hydrologicinformationtechnology第三章水文信息数据处理各种测站测得的水文信息原始数据，都要按科学的方法和统一的格式整理、分析、统计，提炼成为系统、完整且有一定精度的水文信息资料，供有关国民经济部门应用。这个水文信息数据的加工、处理过程，称为水文信息数据处理。水文信息数据处理的工作内容包括：收集校核原始数据，编制实测成果表，确定关系曲线，推求逐时、逐日值，编制逐日表及水文信息要素摘录表，合理性检查，编制整编说明书。第一节测站考证和水位数据处理（二）日平均水位的计算由各次观测或从自记水位资料上摘录的瞬时水位值Zi（i=1，2，3，…，n）计算日平均水位Zdm的方法有算术平均法和面积包围法两种。1、算术平均法如一日内水位变化平缓，或变化虽较大，但观测或摘录时距相等时，可采用算术平均法，公式为nZZnidm1第一节测站考证和水位数据处理（二）日平均水位的计算2、面积包围法如一日内水位变化较大且为不等时距观测或摘录时，应采用面积包围法。面积包围法又称梯形面积法，它是将本日0-24时内的水位过程线所包围的面积，除以一日时间（即24小时）而得，计算公式为])(........)()([4811132221110nnnnndmtZttZttZttZtZZ计算题某河某站7月5日～7日水位变化过程如图所示，试用面积包围法推求6日的平均水位。计算题按照下图资料计算断面流量和断面平均流速。计算题第二节河道流量数据处理实测流量资料是一种不连续的原始水文资料，一般不能满足国民经济各部门对流量资料的要求。流量数据处理就是对原始流量资料按科学方法和统一的技术标准与格式进行整理、分析、统计、审查、汇编和刊印的全部工作，以便得到具有足够精度的、系统的、连续的流量资料。第二节河道流量数据处理流量数据处理的方法很多，归纳起来大体可分为两类：即基本方法和辅助方法。基本方法以水位流量关系曲线法应用最广，它是通过实测资料建立水位与流量之间的关系曲线，用水位变化过程来推求流量变化过程。辅助方法是在难于建立水位流量关系时，通过其它途径来间接推求流量，如流量过程线法、上下游测站水文要素相关法、降雨径流相关法等。一般说来，处理方法的选择与测验河段的水力特性、测站控制条件及测验条件有关，在满足控制精度的前提下应力求简单、合理，全年可视情况分期选用不同的整编方法。第二节河道流量数据处理流量数据处理主要包括定线和推流两个环节。定线是指建立流量与某种或两种以上实测水文要素间关系的工作推流则是根据已建立的水位或其它水文要素与流量的关系来推求流量。一、河道流量数据处理的工作内容编制实测流量成果表和实测大断面成果表；绘制水位流量、水位面积、水位流速关系曲线；水位流量关系曲线分析和检验；数据整理；整编逐日平均流量表及洪水水文要素摘录表；绘制逐时或逐日平均流量过程线；单站合理性检查；编制河道流量资料整编说明表。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析一个测站的水位流量关系，是指测站基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系。水位流量关系可分为稳定和不稳定两类，它们的性质可以通过水位流量关系曲线分析得出。V第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（一）稳定的水位流量关系稳定的水位流量关系是指同一水位只有一个相应流量，其关系呈单一的曲线，并应满足水力学中的曼宁公式：Q=A21321sRnVV第二节河道流量数据处理Q-流量；A-断面面积；-断面平均流速；n-河床糙率；R—水力半径,通常用平均水深d代替；s—水面比降。上式表明，要使水位流量关系保持稳定，必须在同一水位下，断面面积A、水力半径R、河床糙率n和水面比降s等因素均保持不变，或者各因素虽有变化，但对流量的影响能互相补偿。在测站控制良好、河床稳定的情况下，该测站的水位流量可以保持稳定的单一关系，点绘出的水位流量关系曲线，其点据比较密集，分布成一带状，没有系统的偏差。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（一）稳定的水位流量关系作图时，以同一水位为纵坐标，自左至右，依此以流量、面积、流速为横坐标点绘于坐标纸上，选定适当比例尺，使水位流量、水位面积、水位流速关系曲线分别与横坐标大致成450、600、600的交角，并使三曲线互不相交。推流时，在稳定的水位流量关系曲线上，由已知的水位过程便可求得相应的流量过程。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（一）稳定的水位流量关系第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（二）不稳定的水位流量关系在天然河道里，测流断面各项水力因素的变化对水位流量关系的影响不能相互补偿，是位流量关系难以保持稳定。因此，同一水位不同时期断面通过的流量不是一个定值，点绘出的水位流量关系曲线，其点据分布比较散乱.一般说来，天然河道的水位流量关系是不稳定的，其原因是：1、河槽冲淤影响受冲淤影响的水位流量关系，由于同一水位的断面面积增大或减小，使水位流量关系受到断面冲淤变化的影响。当河槽受冲时，断面面积增大，同一水位的流量变大；当河槽淤积时，断面面积减小，同一水位的流量变小。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（二）不稳定的水位流量关系若冲淤时段有规律，水位流量关系能保持稳定状态，则可分别确定不同时段的水位流量关系曲线，从各自相应时段的水位流量关系曲线上，由水位推求相应的流量。2、洪水涨落影响受洪水涨落影响的水位流量关系，受洪水涨落影响时，由于洪水波产生附加比降的影响，使洪水过程的流速与同水位下稳定流相比，涨水时流速增大，流量也增大；落水时，则相反。即涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中间，一次洪水过程的水位流量关系曲线依时序形成一条逆时针方向的绳套曲线。受洪水涨落影响的水位流量关系可按涨落过程定线，然后由水位推求流量。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（二）不稳定的水位流量关系2132*)(1ssRnQmdtdZVSQQccm113、变动回水影响受变动回水影响的水位流量关系，由于受下游干支流涨水，或下游闸门关闭等影响，引起回水顶托，致使水位抬高，水面比降变小，与不受回水顶托影响比较，同水位下的流量变小。回水顶托愈严重，水面比降变得愈小，同水位的流量较稳定流时减少得愈多。所以，受变动回水影响的水位流量关系点据偏向稳定的水位流量关系曲线的左边。在受变动回水影响下，可以比降为参数确定出一组水位流量关系曲线，以备由水位推求流量时使用。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（二）不稳定的水位流量关系4、水生植物影响受水生植物影响的水位流量关系，在水生植物生长期，过水面积减小，糙率增大，水位流量关系点据逐渐左移；在水生植物衰枯期，水位流量关系点据则逐渐右移。5、结冰影响受结冰影响的水位流量关系，水位流量关系点据的分布，总的趋势是偏在畅流期水位流量关系曲线的左边。上述影响因素往往是同时存在，称为受混合因素影响的水位流量关系。在混合因素的影响下，随着起主导作用的某种主要因素的变化，其水位流量关系点据亦随之变化。第二节河道流量数据处理二、水位流量关系分析（二）不稳定的水位流量关系三、稳定的水位流量关系曲线的确定对于测站控制良好，各级水位流量关系都保持稳定的测站，定线精度符合规范要求，可采用单一曲线法定线推流。在实际应用中，单一曲线法有图解法和解析法两种型式。第二节河道流量数据处理三、稳定的水位流量关系曲线的确定（一）单一曲线图解法第二节河道流量数据处理①将各次测流时的实测水位、过水断面面积、断面平均流速和流量成果进行审查，并列出实测水位、面积、流速和流量成果表。②根据水位、面积、流速和流量成果表，以水位为纵坐标，横坐标用三种比例尺分别代表面积、平均流速和流量，将水位面积、水位流速和水位流量相应数据点绘在坐标纸上，通过点群中心分别绘出相应的三条平滑的关系曲线。③检查水位流量关系图。所绘的三条关系曲线，应互相对照，使在曲线上查读的各级水位的流量，应等于面积和流速的乘积，即Q≈AV，其偏差应不超过2%-3%。第二节河道流量数据处理三、稳定的水位流量关系曲线的确定（一）单一曲线图解法解析法就是用数学模型来拟合曲线，常用的数学模型有以下几种：1、指数方程Q=CZenInQ=lnC+nInZe2、对数函数方程Y=b0+b1X+b2X2+……+bmXmY=InQX=nZe3、多项式方程Q=a0+a1Ze+a2Ze2+…….+amZem第二节河道流量数据处理三、稳定的水位流量关系曲线的确定（二）单一曲线解析法对于稳定的水位流量关系，其基本关系线为单一关系线，人工整编一般是通过实测关系点的点群中心，用适线法定出关系曲线；用计算机整编时，一般用一定的数学方程（公式）或称数学模型对实测关系点进行拟合（模拟）。三、稳定的水位流量关系曲线的确定（二）单一曲线解析法单一曲线法推流，应结合测站特性，应用插值法或通过选用下列适当的数学模型来拟合水位流量关系曲线，然后用水位推算流量。1、指数方程Q=CZen或lnQ=lnC+nlnZeQ—流量Ze—水位Z与一常数Z0（断流水位）之差，即Ze=Z-Z0C、n—待定系数、指数，为常数。三、稳定的水位流量关系曲线的确定（二）单一曲线解析法2、对数函数方程Y=b0+b1X+b2X2+…+bmXmY=lnQX=lnZeb0、b1、b2、…、bm—待定系数。3、多项式方程Q=a0+a1Ze+a2Ze2+…+amZema0、a1、a2、…、am—待定系数。4、幂指数方程Q=c(Ze+α)βc、α、β—待定系数、指数。5、抛物线方程Q=A0+A1Ze+A2Ze2A0、A1、A2—待定系数。三、稳定的水位流量关系曲线的确定（二）单一曲线解析法（二）正交函数法在数学上，“正交”即垂直之意。n维矢量a、b正交的条件是：Σaibi=0若取3阶对数函数方程，则有Y=b0+b1X+b2X2+b3X3Y=lnQX=lnZe将上式通过变换，找到一组相互正交的变量X的函数，对3阶曲线而言，便有P0=1P1=(X-α1)P0=X-α1P2=(X–α2)P1-β1P0P3=(X–α3)P2–β2P1nX121212PXPnPPP212021122223PXP21222PP单一关系线的拟合可以证明，式中∑P0P1、∑P0P2、∑P1P2、∑P0P3、∑P1P3、∑P2P3各项均为零，即对P0、P1、P2、P3之间，任意两函数都相互正交。于是，可以将式用正交函数表示为Y=a0+a1P+a2P2+a3P3式中参数a0、a1、a2、a3分别为nYa02111PYPa2222PYPa2333PYPa实际应用中，可将测点按水位Z从低到高排列，在最低水位与河底之间选择断流水位Z0值，计算X、Y，计算P0、P1、P2、P3诸值，并计算参数a0、a1、a2、a3，代入方程式，即可求得选配方程的具体表达式。单一关系线的拟合如果正交函数为m阶，即Y=a0+a1P+a2P2+a3P3+…+amPm正交函数Pi(i=0…m)可用下面的通式确定：P0=1P1=X-α1Pi=(X–αi)Pi-1–βi-1Pi-2nX12121iiiPXP22211iiiPP而参数ai(i=0、1、2、3、…、m)可用下面的通式确定：2iiiPYPa单一关系线的拟合用正交函数选配曲线的突出优点是可以进行“递推”计算。对于水位流量关系曲线来说，可以先从X-Y的一阶直线（Y=a0+a1P）开始，如不满意，可配二阶曲线（Y=a0+a1P+a2P2），如仍不满意，再选配三阶至更高阶曲线，直至满意为止。实际上，一般用到三阶即可满足要求。用正交函数选配曲线的结果也要在进行适当检验后，才能用所建立的数学模型进行推流。单一关系线的拟合单一关系线的拟合当测验河段受断面冲淤、洪水涨落、变动回水或其它因素的个别或综合影响，使水位流量关系不呈单一关系时，水位流量关系的确定方法归纳起来分为两种类型。(1)水力因素型，这一类型的方法均可表示为Q=f(Z，x)的形式，x为某一水力因素