河流观测

第四章河流观测第一节河道水流观测一、水文站水文测站是进行水文观测的基层单位。

水文站在地区上的分布网称水文站网。

按测站的性质，水文站可分为基本站、专用站和实验站三类。

基本站是根据国民经济各方面的需要经统一规划而设立的。

专用站是为某项专门目的或某特定工程的需要而设立的。

实验站是为了深入研究某种水文现象的变化过程而设立的，如径流实验站、河床实验站等。

水文站应设在事先选择好的测验河段内。

测验河段应河身顺直，河床稳定，水流集中，便于布设测验设施。

在测验河段上布设测验断面，如图4-1所示。

按用途，测验断面可分为基本水尺断面、测流断面和比降断面。

基本水尺断面用来进行水位观测，一般位于测验河段的中部，与流向大致垂直。

测流断面用于观测流速、流量，可分为流速仪测流断面和浮标测流断面。

其中流速仪测流断面通常与基本水尺断面重合；浮标测流断面又分上、中、下三个断面，其中间断面—般与流速仪测流断面重合。

比降断面分为上比降断面和下比降断面，分别设立比降水尺，用来观测河流水面纵比降。

此外，在测验河段的岸上应布设基线。

基线的作用是，以便于用经纬仪或六分仪测角交会法时，推求测验垂线在断面上的位置（起点距）。

基线宜垂直于测流横断面，其起点应在测流断面的延长线上。

二、水位观测水位是指河流、湖泊、水库等水域的自由水面相对于某固定基面的高程。

水位是水利工程建设和防汛抗洪斗争的重要依据。

基面是计算水位的起点。

常用的基面有两种，即绝对基面和测站基面。

绝对基面是以某一海滨地点的海平面为零点，如黄海基面、吴淞基面等。

测站图4-1 测验断面布设示意图基面是水文站专用的一种固定基面，属假定基面，可取当地历年最低水位以下0.5~1.0m处的水面作为测站基面。

此外，有些测站，从水文观测资料的连续性与可比性考虑，将测站第一次使用的基面冻结下来并沿用下去，这种基面称为冻结基面，冻结基面也是水文测站专用的一种固定基面。

在实际运用时，要注意各种基面高程的换算关系。

观测水位常用的设备有水尺和自记水位计两大类。

水尺可分为直立式、倾斜式、矮桩式与悬锤式四种。

其中以直立式水尺构造最简单，因其观测方便，采用最为普遍。

观测时，水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程，即为当时水面的水位值。

自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，具有连续、完整和节省人力等优点。

其种类很多，主要有横式自记水位计、电传自记水位计、超声波自记水位计和水位遥测计等。

水位实时观测资料要进行整编。

整编内容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的计算。

常用的计算方法是算术平均法。

其中日平均水位的计算，还常用面积包围法，这种方法是将当日0~24h内水位过程线所包围的面积除以24h 的时间，即可得到日平均水位。

在日（月、年）平均水位整编好后，连同月（年）最高（最低）水位等资料一起刊于水文年鉴中，供有关部门查用。

三、流量测验流量是每秒钟通过河流某一断面的水量，常用符号Q表示，单位为m3/s。

流量Q等于过水断面面积A和断面平均流速U的乘积，即Q = AU （4-1）因此，流量测验应包括断面测量和流速测验两方面工作。

流量测验的方法很多，其中最常用的是流速-面积法。

在这类方法中，又有流速仪测流法、浮标测流法等多种方法，其中以流速仪测流法最为常用。

下面简要介绍流速仪测流法。

流速仪测流法，是以式(4-1)为依据，将过水断面划分为若干部分，用普通测量的方法测算出各部分断面的面积，用流速仪测算出各部分面积上的平均流速，部分面积乘以相应部分面积上的平均流速，称为部分流量。

部分流量的总和即为全断面的流量。

1. 断面测量河道断面测量主要包括测量水深、起点距和水位，如图4-2所示。

施测时，先在断面上布设若干条测深垂线，分别测得每条垂线的水深H和起点距D，再将施测的水位减去水深，即得各测深垂线处的河底高程，据此可绘出测量水深的方法，通常采用测深杆、测深锤(或铅鱼)，或回声测深仪等器具施测。

测深杆测深精度较高，适于水深小于5m、流速小于3.0 m／s的河段；测深锤(或铅鱼)可用于流速、水深较大的河段；回声测深仪则广泛应用于水深较大、含沙量不是很高的河段。

起点距是指断面上测深垂线到断面起点桩的水平距离。

起点距可用断面索法和仪器交会法测定。

断面索法是利用架设在横断面上空的钢丝缆索，缆索上系好表示起点距的标志，据此可直接读得各测深垂线的起点距，如图4-3所示。

仪器测角交会法包括经纬仪前方交会法和六分仪后方交会法等方法。

其原理是根据测量的方向角φ和巳知的基线长度L，算出测深垂线所在位置的起点距D，如图4-4所示。

图4-3 断面索法示意图图4-4 测角交会法示意图2. 流速测验流速测验就是利用流速仪测定水流中任意位置沿流向的水平流速。

我国的流速仪主要有旋杯式和旋桨式两类，如图4-5、图4-6所示。

当流速仪放入水中时，旋杯或旋桨受水流冲击而旋转，流速越大，旋转越快。

野外测流时，对于某一测点，记下仪器的总转数N和测速历时T，即可求得转速n＝N／T，再据实验率定的流速仪的转速n与流速v的关系，便可算出测点流速v。

图4-7为工作人员正在野外操作流速仪的照片。

图4-5 旋杯式流速仪(LS68-2型)图4-6 旋浆式流速仪(LS25-1型)流速仪测速时必须在断面上布设测速垂线和测点，以测量断面积和流速。

测速垂线的数目根据水面宽度大小而定，水面较宽时，测速垂线数目应适当增加。

每条垂线的测点数目，需根据水深和测验精度要求而定。

生产上，垂线测点数目常见有一点、二点、三点、五点等等。

其中一点法测点的相对水深位置为0.6；二点法测点的相对水深位置为0.2，0.8；三点法测点的相点的相对水深位置为0.0（水面），0.2，0.6，0.8和1.0（河底）。

所谓相对水深，是指垂线上自水面到某点的深度h 与垂线水深H 之比。

3. 流量计算流量计算广泛应用的方法是分析法。

其基本思路是，由测点流速推求垂线平均流速，由垂线平均流速推求部分面积上的平均流速，部分平均流速和部分面积相乘得部分流量，各部分流量之和即为全断面流量。

垂线平均流速按一点法、二点法、三点法和五点法等方法，以各测点代表水深为权计算得。

部分面积和部分面积的平均流速，分别指两测速垂线间的面积及其平均流速，分别据两垂线的水深、间距和平均流速算得。

流量及部分面积计算示意图，如图4-8所示。

第二节 河流泥沙测验天然河流挟带的泥沙直接影响河流的发展变化，并给人类开发利用和治理河流带来许多问题。

因此，必须对河流泥沙特性及其输移规律进行研究。

河流泥沙测验，就是对天然河流泥沙进行直接观测，为分析研究工作和河流工程规划设计搜集基本资料。

河流中的泥沙，按其运动属性有悬移质、推移质和床沙三类。

这三类泥沙的运动学特性不同，故其测验及计算方法也不同。

现分别介绍如下。

图4-7 工作人员正在野外操作流速仪图4-8 流量及部分面积计算示意图一、悬移质泥沙测验1.含沙量测验悬移质泥沙测验的设备称为采样器。

悬移质采样器的类型，有瞬时式采样器和积时式采样器两大类。

我国目前使用较多的横式采样器属瞬时式采样器，呈圆筒形，如图4-9所示。

野外取样前，把仪器安置在悬杆上或悬吊着铅鱼的悬索上，用撑爪将取样筒两边的盖子打开。

操作时，先将采样器放至测点处，水从筒中自然流过；然后击落撑爪，使两筒盖在弹簧的牵拉下快速关闭，将取样器提出水面，筒内的水即为采取到的测点处悬移质水样。

最后将水样送试验室分析。

图4-10为工作人员正在野外采集悬移质水样的照片。

图4-9 横式悬移质采样器图4-10 工作人员正在野外采集悬移质水样含沙量是指单位体积水样中所含泥沙的质量，即/V （4-2） s = Ms为水样中干沙的质量（kg）；V为水样的体积（m3）。

式中：s为含沙量（kg/m3）；Ms水样含沙量的测算方法是，先用量筒测出水样的体积V，然后经沉淀、过滤、，再按式（4-2），即可算得该测点的含沙量s。

烘干，称出干沙样的质量Ms2.输沙率测验单位时间内通过测验断面的悬移质质量，称为断面悬移质输沙率，常用符号表示，单位为t/s或kg/s。

断面悬移质输沙率的测算依据是实测流速及含沙Gs量。

由于断面内各点含沙量不同，因此输沙率测验和流量测验相似，也需在断面上布设一定数量的测沙垂线，通过测定各垂线、各测点的流速及含沙量，计算垂线平均流速及垂线平均含沙量，然后计算部分流量及部分输沙率，对各部分输沙。

率求和即得断面输沙率Gs后，除以断面流量Q，即可得到断面平均含沙量。

在求得断面悬移质输沙率Gs/Q （4-3）S=Gs二、推移质泥沙测验推移质泥沙测验主要是测定天然河道的推移质输沙率。

推移质输沙率是指单位时间内通过测验断面的推移质泥沙质量，单位为t／s。

测验推移质时，在断面上布设若干垂线，施测各垂线的单宽推移质输沙率；计算部分宽度上的推移质输沙率gb ；最后累加求得断面推移质输沙率Gb。

推移质的取样方法，是将采样器放到河底直接采集推移质沙样。

由于推移质粒径差别很大，故常将推移质泥沙分为沙质推移质和卵石推移质两类。

相应地，推移质采样器可分为沙质推移质采样器和卵石推移质采样器两类。

我国自制的推移质采样器形式很多。

其中沙质推移质采样器，又有开敞式、网式和匣式等形式。

我国目前使用的沙质推移质采样器属匣式，图4-11 所示的黄河59型沙质推移质采样器便是其中一种。

卵石推移质采样器主要采用网式采样器，品种较多，图4-12为其中之一。

图4-11 沙质推移质采样器（黄河59型）图4-12 卵石推移质采样器这里需要说明的是，现阶段看来，无论在国内或国外，在天然河道尤其是大江大河中施测推移质，是一件绝非易事的工作。

目前无论是测验的仪器设备，还是测验工作的组织布置，都欠完善和不成熟，可以说，天然河流的推移质泥沙测验工作还处于探索阶段，能够组织实施推移质泥沙测验工作的测站尚属少数。

由此看来，天然河流实测推移质资料不多，已有资料也只能供科研和生产设计参考使用。

三、床沙测验床沙是在特定的水流泥沙条件下所形成的河床物质。

床沙测验的基本工作是，采取测验河段河床上的沙样，并进行颗粒分析。

泥沙颗粒分析工作是，将不同沙粒组成的沙样通过分析计算，确定沙样中各种粒径的泥沙各占多少(百分比)的分配情况，然后再据以绘出反映这种级配情况的曲线，这种曲线称为颗粒级配曲线。

床沙的颗粒级配资料是研究河流输沙及河床冲淤变化的基本资料。

采取床沙沙样，可使用专门的床沙采样器。

这种采样器应能取得河床表层0.1~0.2m以内的沙样，仪器向上提起时里面的沙样不得流失。

国内目前使用的沙质河床的床沙采样器有圆锥式、钻头式、悬锤式等；卵石河床的床沙采样器有锹式、蚌式等。

床沙测验的测次，一般与悬移质和推移质测验作颗粒分析的测次相同。

床沙取样垂线位置，也尽可能和悬移质、推移质输沙率测验的垂线位置相同。

第三节河道地形观测在进行河道演变分析和河道整治规划时，必不可少地要用到河道地形资料。