水文实习
（一）河流水文观测
衡量和表示河流水文变化情况的因素，一般包括水位、流速、流量、水温、泥沙和水化学。通过上述因素的观测得到的数据，能定量表示河流水情变化的基本特征。
1．水位观测
水位观测是河流水文实习的重要内容。观测所得的基础资料可直接应用于水利工程建设，如防汛、给水、灌溉、排水等建筑物的设计，通过水面比降的调查测量，还可以根据水位流量关系推测流量。
（1）水位观测断面的布设。一般河道的水位观测应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中,便于布设测验设施的河段。基本水尺断面一般设在测验河段的中央,大致垂直于流向或直接平行于测流断面。若河段内有固定分流,流量超过总流量的20%,且两者之间没有稳定的关系时,一般应分别设立水尺断面。堪闸和水库的观测河段,一般选在建筑物的下游,避开水流紊动影响的地方。水库和湖泊的水位观测点,应选在岸坡稳定、水位有代表性、便于观测和建立测验设备的地方。
（2）水位观测设备及布置。
实践中简便办法多采用水尺和自记水位计观测水位。水尺多用坚硬平直的木板条或用搪瓷铁片制成，并画出间距为2厘米（或1厘米）的刻度，标出米、厘米数。沿江河一带布设基面，多由木桩和水泥墩固定建成，基面保证最高水位和最低水位都可测到。如图3-1所示。 图4-1 水尺的设立
33
（3）水位观测的内容和方法。每次观测水位时，将水尺直立在基面上（木桩或水泥墩），读出水尺读数，水位值等于水尺读数与基面高程之和，即
水位=水尺读数+基面高程
在冬、春平水位时，于每日08时、20时观测水尺两次；夏、秋季节，于每日02、08、14、20时观测四次；在洪水涨落过程中，观测次数增多，甚至半小时观测一次。
自记水位计由浮筒、传递和自记钟3部分组成，在一昼夜内连续纪录（在自记纸上）水位随时间变化过程曲线。每日定时取换下来的自记纸，所纪录的水位过程线，要用水尺观读数据进行校核，保证数据准确。
2．流速测验和资料统计
流速是指单位时间（秒）内河水质点所流动的距离（米），单位为米/秒。流速是表示河水运动快慢的一个重要指标。影响流速的因素很多，主要是河水量的多少，其次同河流比降、河道弯曲、水草多少等因素也有密切关系。因此断面上应均匀分布流速垂线，流速垂线上又应沿水深均匀分布测点，才能正确的掌握断面上流速分布的规律。选择流速垂线时可以参考下列规定（见表六）。
表1 流速垂线数目
河宽（m）
50
50--100
100--300
300--1000
1000以上
垂线数
10
10--15
15--20
20--30
30--40
流速垂线上测点的分布以能算出正确的垂线平均流速为原则，所以测点位置和数目的选择应根据不同的水深、测验目的、精度要求等，通过实验有把握的加以确定。选取时，可参考下列规定。
表2 垂线测点的分布
垂线水深h（m）
设点方法
测点深度
h<1
1点法
0.6 h
1<h<3
2点法
0.2 h 、0.8 h
34
3点法
0.2 h 、0.6 h 、0.8 h
h>3
5点法
水面、0.2 h 、0.6 h 、0.8 h、河底
测定流速的方法很多，一般采用浮标测速法和旋杯式流速仪测速两种方法。
（1）浮标测速法测速原理与方法
首先要选择顺直河段，河底变化比较小，布设测速断面（中断面）和上、下断面。上断面到中断面的距离，同下断面到中断面的距离最好等长。
浮标用木、竹、草捆、泡沫块等漂浮物制成。上断面是投放浮标涌，记录浮标通过中断面的位置和到达下断面所用的时间t秒，浮标流速就是上、下断面的距离（l）与所用时间（t）之比，如下式：
vf(浮标速度)=l/t(米/秒)
浮标所测流速为水面流速，一般比断面平均流速为大，所以使用时要乘上一个浮标系数，一般为0.8（即f=0.80）。因此，实际流速v为：v=f vf
经过实际测算，填写下表：
时间 地点
断面一
断面二
断面三
断面四
t1
t2
t3
t4
表七
由l1=________ l2=___________
l3=________ l4=____________
得v1=_______ v2=________
v3=________ v4=________
（2）旋杯式流速仪测速原理和方法
35
使用旋杯式流速仪（见图3-2）测流时,将流速仪放在水下预定的测点上,并使旋杯对着来水的方向,水流冲击旋杯,使旋杯发生转动,旋杯转动又带动直立的旋轴转动。旋轴的截面呈卵形,轴旁有固定电丝与电源接通。每当旋杯转1周(或5周、20周),卵形的尖端便使旋轴与电丝接触一
次,电路上的灯泡(或电铃、蜂鸣器)即亮(或响)一次。根据灯泡闪亮(或电铃、蜂鸣器发出声响)的次数,即可知旋杯转动的周数。
显然流速越大，旋杯转动越快，单位时间内转数越多。在中等流速的条件下，水流速度v与单位时间内旋杯转数r/s成线性关系即：
v=ar/s+b
式中s一一旋杯转动时间(秒);
r-一旋杯在s秒内的转数;
垂线平均流速计算方法如下：
5点法：v=（v0.0+v0.2+v0.6+v0.8+v1.0）/10
3点法 v=(v0.2+v0.6+v0.8)/4
或 v=(v0.2+v0.6+v0.8)/3
2点法 v=(v0.2+v0.8)/2
1点法 v=v0.6
或 v=k1v0.0 k1=0.84—0.87
3．流量测量方法与原理
流量是指单位时间内流过河道过水断面的水量，是河流的重要水文特征之一。一般流量以米3/秒来表示。
36
河流中的水位与流量有着密切的关系，不同的水位有着不同的流量，是正相关的关系。如果以水位为纵坐标，流量为横坐标，把流量与相应水位点在直角坐标纸上，当测量资料足够长的条件下，便可得到一条抛物线型的水位—流量关系曲线。利用这条水位—流量的相关曲线，通过容易测到的水位值，可以推算出不容易测量的流量值，尤其洪峰流量瞬时v通过时，这条关系线更有实际意义。
目前国内外测量流量的方法很多，实习中主要应用流速面积法进行测量。计算流量公式如下：
q=av
式中q为流量（米3/秒），a为过水断面（米2）；v为全过水断面平均流速（米/秒）。
其中过水断面的测量包括水深测量、测深垂线起点距测量与测深断面水位的观测。在中、小河上测量水深多用测深杆、测深锤、测深铅鱼v等;大河多用回声测深仪。回声测深仪是利用超声波从放射器到河底,再由河底反射回到收音器,由其所经历的时间和超声波在水中传播的速度来计算河水的深度。
断面部分面积计算方法为：
部分面积是指测速垂线间的部分断面面积。
〈l〉面积间没有测深垂线时,则部分面积等于两边垂线水深的平均值和其间距的乘积
式中：
f1、f2――― 为部分面积
h1。h2――― 为垂线水深
b1。b2――― 为垂线间距
(2)部分面积间有测深垂线，则其部分面积应等于欲求部分面积的两测深垂线间各测深垂线间面积的和。即：
f3=（h2+h3）/2*b3+（h3+h4）/2*b4+（h4+h5）/2*b5
f4=（h5+h6）/2*b6+（h6+h7）/2*b7+（h7+h8）/2*b8
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（二）地下水调查
地下水是水资源的重要组成部分，也是河流补给的重要来源。进行地下水调查就是了解调查区的水文地质状况，地下水的补给、径流和排泄条件以及地下水的水位、水量等特点。
首先需要调查区内地质图、地形图、水文地质图、调查区的水利规划报告等资料，通过对资料的分析和野外勘探，了解实习调查区地形起伏、地层出露及分布概况；了解断层、褶皱等地质构造的分布、性质及与地下水的关系；了解含水层的岩性、分布及层位厚度等特点，掌握地下水埋藏条件与区域地质地貌状况的相互关系。
其次进行地下水的观测。观测可在观测井中进行。
1．地下水位的观测。可采用测杆、测锤、测绳等测量工具，每次观测应重复两次，取平均值，两次测量误差不应超过2厘米，否则应重测。地下水位等于井口固定点高程减固定点至水面的距离。固定点至水面距离减去固定点与测井附近地面的平均高差即得地下水埋深。
2．地下水流量调查。
可进行机井出水量观测。首先应事先在井旁沟渠内安装好顶角为90o的三角堰或三角堰箱(图4-4)。抽水前测量静水位。抽水后，当井水位下降保持稳定时，观测动水位和三角堰水头高度，从“三角堰水头与流量换算表”中即可查得流量。
三角堰箱
a．三角堰箱纵剖面结构； b三角堰箱立体图；1 水泵出水管；2隔板；3读数标尺
（三）河流泥沙检测
河流夹带泥沙能直接影响河床变化以及水库、渠道的淤积，给防洪、灌溉、航运带来困难，因此泥沙测验是水文实习的重要项目。描述河流中
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悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用cs表示，单位为kg/m3。单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以qs表示，单位为kg/s。断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。
1．悬移质单位含沙量检测方法。
含沙量测验，一般需要采样器从水流中采取水样。我国目前使用较多的采样器有横式采样器和瓶式采样器。取样位置一般要通过输沙率资料的分析选择。
取样位置选择的原则：（1）在含沙量横向分布较稳定均匀的断面，在主流边附近选取一条垂线取样；（2）在含沙量横向分布变化较复杂，主流分散的河道，可用横渡法或斜航法取样。不论用何种方式取得的水样，都要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，才能得出一定体积浑水中的干沙重量。
2．输沙率测验方法
输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组成的。为了测出含沙量在断面上的变化情况，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，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，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。对于取样垂线的数目，当河宽大于50m时，取样垂线不少于5条；水面宽小于50m时，取样垂线不应少于3条。垂线上测点的分布，视水深大小以及要求的精度而不同，可有一点法、二点法、三点法、五点法等。
（1）垂线平均含沙量计算根据测点的水样，得出各测点的含沙量之后，可用流速加权计算垂线平均含沙量。
（2）断面输沙率计算根据各条垂线的平均含沙量，配合测流计算的部分流量，即可算得断面输沙率。计算公式为：
a．求垂线平均含沙量：
五点法 ρ=（ρ0.0v0.0+3ρ0.2v0.2+3ρ0.6v0.6+2ρ0.8v0.8+ρ1.0v1.0）/10v
三点法 ρ=（ρ0.2v0.2+ρ0.6v0.6+ρ0.8v0.8）/(v0.2+v0.6+v0.8)
二点法 ρ=（ρ0.2v0.2+ρ0.8v0.8）/v0.2+v0.8
一点法 ρ=kρ0.5
式中 ρ为垂线平均含沙量
ρi为相对深度i处的测点含沙量
39
vi为相对深度i处的流量
v垂线平均流速
k由实验得出得系数
b.求断面输沙率:
ρs=[ρm1q0+(ρm1+ρm2)q1/2+…+(ρmn-1+ρmn)qn-1/2+ρmn qn]/1000
式中 ρs为断面输沙率；
ρmi为第i根垂线平均含沙量；
qi为第i根垂线与第i+1根垂线间的流量。
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水文实习
（一）河流水文观测
衡量和表示河流水文变化情况的因素，一般包括水位、流速、流量、水温、泥沙和水化学。通过上述因素的观测得到的数据，能定量表示河流水情变化的基本特征。
1．水位观测
水位观测是河流水文实习的重要内容。观测所得的基础资料可直接应用于水利工程建设，如防汛、给水、灌溉、排水等建筑物的设计，通过水面比降的调查测量，还可以根据水位流量关系推测流量。
（1）水位观测断面的布设。一般河道的水位观测应尽量选择河道顺直、稳定、水流集中,便于布设测验设施的河段。基本水尺断面一般设在测验河段的中央,大致垂直于流向或直接平行于测流断面。若河段内有固定分流,流量超过总流量的20%,且两者之间没有稳定的关系时,一般应分别设立水尺断面。堪闸和水库的观测河段,一般选在建筑物的下游,避开水流紊动影响的地方。水库和湖泊的水位观测点,应选在岸坡稳定、水位有代表性、便于观测和建立测验设备的地方。
（2）水位观测设备及布置。
实践中简便办法多采用水尺和自记水位计观测水位。水尺多用坚硬平直的木板条或用搪瓷铁片制成，并画出间距为2厘米（或1厘米）的刻度，标出米、厘米数。沿江河一带布设基面，多由木桩和水泥墩固定建成，基面保证最高水位和最低水位都可测到。如图3-1所示。 图4-1 水尺的设立
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（3）水位观测的内容和方法。每次观测水位时，将水尺直立在基面上（木桩或水泥墩），读出水尺读数，水位值等于水尺读数与基面高程之和，即
水位=水尺读数+基面高程
在冬、春平水位时，于每日08时、20时观测水尺两次；夏、秋季节，于每日02、08、14、20时观测四次；在洪水涨落过程中，观测次数增多，甚至半小时观测一次。
自记水位计由浮筒、传递和自记钟3部分组成，在一昼夜内连续纪录（在自记纸上）水位随时间变化过程曲线。每日定时取换下来的自记纸，所纪录的水位过程线，要用水尺观读数据进行校核，保证数据准确。
2．流速测验和资料统计
流速是指单位时间（秒）内河水质点所流动的距离（米），单位为米/秒。流速是表示河水运动快慢的一个重要指标。影响流速的因素很多，主要是河水量的多少，其次同河流比降、河道弯曲、水草多少等因素也有密切关系。因此断面上应均匀分布流速垂线，流速垂线上又应沿水深均匀分布测点，才能正确的掌握断面上流速分布的规律。选择流速垂线时可以参考下列规定（见表六）。
表1 流速垂线数目
河宽（m）
50
50--100
100--300
300--1000
1000以上
垂线数
10
10--15
15--20
20--30
30--40
流速垂线上测点的分布以能算出正确的垂线平均流速为原则，所以测点位置和数目的选择应根据不同的水深、测验目的、精度要求等，通过实验有把握的加以确定。选取时，可参考下列规定。
表2 垂线测点的分布
垂线水深h（m）
设点方法
测点深度
h<1
1点法
0.6 h
1<h<3
2点法
0.2 h 、0.8 h
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3点法
0.2 h 、0.6 h 、0.8 h
h>3
5点法
水面、0.2 h 、0.6 h 、0.8 h、河底
测定流速的方法很多，一般采用浮标测速法和旋杯式流速仪测速两种方法。
（1）浮标测速法测速原理与方法
首先要选择顺直河段，河底变化比较小，布设测速断面（中断面）和上、下断面。上断面到中断面的距离，同下断面到中断面的距离最好等长。
浮标用木、竹、草捆、泡沫块等漂浮物制成。上断面是投放浮标涌，记录浮标通过中断面的位置和到达下断面所用的时间t秒，浮标流速就是上、下断面的距离（l）与所用时间（t）之比，如下式：
vf(浮标速度)=l/t(米/秒)
浮标所测流速为水面流速，一般比断面平均流速为大，所以使用时要乘上一个浮标系数，一般为0.8（即f=0.80）。因此，实际流速v为：v=f vf
经过实际测算，填写下表：
时间 地点
断面一
断面二
断面三
断面四
t1
t2
t3
t4
表七
由l1=________ l2=___________
l3=________ l4=____________
得v1=_______ v2=________
v3=________ v4=________
（2）旋杯式流速仪测速原理和方法
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使用旋杯式流速仪（见图3-2）测流时,将流速仪放在水下预定的测点上,并使旋杯对着来水的方向,水流冲击旋杯,使旋杯发生转动,旋杯转动又带动直立的旋轴转动。旋轴的截面呈卵形,轴旁有固定电丝与电源接通。每当旋杯转1周(或5周、20周),卵形的尖端便使旋轴与电丝接触一
次,电路上的灯泡(或电铃、蜂鸣器)即亮(或响)一次。根据灯泡闪亮(或电铃、蜂鸣器发出声响)的次数,即可知旋杯转动的周数。
显然流速越大，旋杯转动越快，单位时间内转数越多。在中等流速的条件下，水流速度v与单位时间内旋杯转数r/s成线性关系即：
v=ar/s+b
式中s一一旋杯转动时间(秒);
r-一旋杯在s秒内的转数;
垂线平均流速计算方法如下：
5点法：v=（v0.0+v0.2+v0.6+v0.8+v1.0）/10
3点法 v=(v0.2+v0.6+v0.8)/4
或 v=(v0.2+v0.6+v0.8)/3
2点法 v=(v0.2+v0.8)/2
1点法 v=v0.6
或 v=k1v0.0 k1=0.84—0.87
3．流量测量方法与原理
流量是指单位时间内流过河道过水断面的水量，是河流的重要水文特征之一。一般流量以米3/秒来表示。
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河流中的水位与流量有着密切的关系，不同的水位有着不同的流量，是正相关的关系。如果以水位为纵坐标，流量为横坐标，把流量与相应水位点在直角坐标纸上，当测量资料足够长的条件下，便可得到一条抛物线型的水位—流量关系曲线。利用这条水位—流量的相关曲线，通过容易测到的水位值，可以推算出不容易测量的流量值，尤其洪峰流量瞬时v通过时，这条关系线更有实际意义。
目前国内外测量流量的方法很多，实习中主要应用流速面积法进行测量。计算流量公式如下：
q=av
式中q为流量（米3/秒），a为过水断面（米2）；v为全过水断面平均流速（米/秒）。
其中过水断面的测量包括水深测量、测深垂线起点距测量与测深断面水位的观测。在中、小河上测量水深多用测深杆、测深锤、测深铅鱼v等;大河多用回声测深仪。回声测深仪是利用超声波从放射器到河底,再由河底反射回到收音器,由其所经历的时间和超声波在水中传播的速度来计算河水的深度。
断面部分面积计算方法为：
部分面积是指测速垂线间的部分断面面积。
〈l〉面积间没有测深垂线时,则部分面积等于两边垂线水深的平均值和其间距的乘积
式中：
f1、f2――― 为部分面积
h1。h2――― 为垂线水深
b1。b2――― 为垂线间距
(2)部分面积间有测深垂线，则其部分面积应等于欲求部分面积的两测深垂线间各测深垂线间面积的和。即：
f3=（h2+h3）/2*b3+（h3+h4）/2*b4+（h4+h5）/2*b5
f4=（h5+h6）/2*b6+（h6+h7）/2*b7+（h7+h8）/2*b8
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（二）地下水调查
地下水是水资源的重要组成部分，也是河流补给的重要来源。进行地下水调查就是了解调查区的水文地质状况，地下水的补给、径流和排泄条件以及地下水的水位、水量等特点。
首先需要调查区内地质图、地形图、水文地质图、调查区的水利规划报告等资料，通过对资料的分析和野外勘探，了解实习调查区地形起伏、地层出露及分布概况；了解断层、褶皱等地质构造的分布、性质及与地下水的关系；了解含水层的岩性、分布及层位厚度等特点，掌握地下水埋藏条件与区域地质地貌状况的相互关系。
其次进行地下水的观测。观测可在观测井中进行。
1．地下水位的观测。可采用测杆、测锤、测绳等测量工具，每次观测应重复两次，取平均值，两次测量误差不应超过2厘米，否则应重测。地下水位等于井口固定点高程减固定点至水面的距离。固定点至水面距离减去固定点与测井附近地面的平均高差即得地下水埋深。
2．地下水流量调查。
可进行机井出水量观测。首先应事先在井旁沟渠内安装好顶角为90o的三角堰或三角堰箱(图4-4)。抽水前测量静水位。抽水后，当井水位下降保持稳定时，观测动水位和三角堰水头高度，从“三角堰水头与流量换算表”中即可查得流量。
三角堰箱
a．三角堰箱纵剖面结构； b三角堰箱立体图；1 水泵出水管；2隔板；3读数标尺
（三）河流泥沙检测
河流夹带泥沙能直接影响河床变化以及水库、渠道的淤积，给防洪、灌溉、航运带来困难，因此泥沙测验是水文实习的重要项目。描述河流中
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悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用cs表示，单位为kg/m3。单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以qs表示，单位为kg/s。断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。
1．悬移质单位含沙量检测方法。
含沙量测验，一般需要采样器从水流中采取水样。我国目前使用较多的采样器有横式采样器和瓶式采样器。取样位置一般要通过输沙率资料的分析选择。
取样位置选择的原则：（1）在含沙量横向分布较稳定均匀的断面，在主流边附近选取一条垂线取样；（2）在含沙量横向分布变化较复杂，主流分散的河道，可用横渡法或斜航法取样。不论用何种方式取得的水样，都要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，才能得出一定体积浑水中的干沙重量。
2．输沙率测验方法
输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组成的。为了测出含沙量在断面上的变化情况，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，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，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。对于取样垂线的数目，当河宽大于50m时，取样垂线不少于5条；水面宽小于50m时，取样垂线不应少于3条。垂线上测点的分布，视水深大小以及要求的精度而不同，可有一点法、二点法、三点法、五点法等。
（1）垂线平均含沙量计算根据测点的水样，得出各测点的含沙量之后，可用流速加权计算垂线平均含沙量。
（2）断面输沙率计算根据各条垂线的平均含沙量，配合测流计算的部分流量，即可算得断面输沙率。计算公式为：
a．求垂线平均含沙量：
五点法 ρ=（ρ0.0v0.0+3ρ0.2v0.2+3ρ0.6v0.6+2ρ0.8v0.8+ρ1.0v1.0）/10v
三点法 ρ=（ρ0.2v0.2+ρ0.6v0.6+ρ0.8v0.8）/(v0.2+v0.6+v0.8)
二点法 ρ=（ρ0.2v0.2+ρ0.8v0.8）/v0.2+v0.8
一点法 ρ=kρ0.5
式中 ρ为垂线平均含沙量
ρi为相对深度i处的测点含沙量
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vi为相对深度i处的流量
v垂线平均流速
k由实验得出得系数
b.求断面输沙率:
ρs=[ρm1q0+(ρm1+ρm2)q1/2+…+(ρmn-1+ρmn)qn-1/2+ρmn qn]/1000
式中 ρs为断面输沙率；
ρmi为第i根垂线平均含沙量；
qi为第i根垂线与第i+1根垂线间的流量。
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