第四节 海洋水与陆地水：普通水文实验

一、河道流速测量

（一）目的要求

以甬江为例，熟练使用LS H10-1型超声波多普勒流速仪测量并记录河段流速的变化，掌握感潮河段流速的变化与潮周期的关系。

（二）实习用具

LS H10-1型超声波多普勒流速仪。

（三）原理

本实习主要利用声学多普勒效应原理。当超声波射入水中时，水中存在着的不均体（如悬浮物等）将对声波产生不规则散射，散射声波的一部分被接收换能器接收。由于水流存在，散射体与发射器、接收器之间有相对运动。根据多普勒效应原理，接收到的反射信号频率有一定偏高，即多普勒频移。根据多普勒频移方程，频移的大小：

Δ Fd=（2F0×V×cosθ）/（C—V×cosθ）

式中：Δ Fd——多普勒频移；

F0——发射超声波的频率；

C——水中的声速；

V ——水的流速；

θ——发射波束和接收波束相对于河水水流方向的夹角。

当C≫V×cosθ时，上式可简化为

Δ Fd=（2 F0×V×cosθ）/C

所以

V=（C×ΔFd）/（2F0×cosθ）=K×C×ΔFd

发射超声波的频率 F0为常数，换能器安装后夹角固定不变，所以K 为常数。

由上式可知，流速与多普勒频移 Δ Fd、水的声速C成正比，只要检测出多普勒频移 Δ Fd和水的声速 C，即可计算出流速。

（四）实习内容

1．实习地点

选取宁波大学本部西南至宁波大学西校区之间甬江沿岸水泥平台为仪器设置地点，测量甬江流速变化。

2．水上主机的连接

将电缆的一端接入主机后板电缆插座并旋紧，取出配件红黑线将其插头插入主机后板的相应插座并旋紧，另一端的红线接蓄电池的正极（+），黑线接蓄电池的负极（-）（注意：正、负极性不能接反）。

3．探头的悬吊

将探头放入水中，看探头是否呈水平状。如不是，可松开吊杆下方的两颗固定螺母，移动吊杆位置至探头保持水平，然后锁紧固定螺母（必须在水中调定，因为探头在水中和空气中的平衡点是不一样的），待探头平衡点调定后，将探头放至测量水深。

注：当水流较小时，可不加挂铅鱼；但当水流大于0．5m/s时，要根据水流的大小选挂不同重量的铅鱼。为了确保测量精度，在每次投放探头入水后，需等待2min待探头与水的温度相平衡时方可测量。仪器在测量过程中探头（导流罩）务必对准水流的方向，且探头应处于水平状态。

4．初始设置

安装完毕，检查无误后，可打开主机后板上的电源开关，进入初始设置阶段。初始设置包括时间设置、站点设置和模式设置。

（1）时间设置。系统显示时间应与北京时间保持一致，如时间存在偏差可进行调整，即在主机前面板按“取消”键进入，修改当前时间。

（2）站点设置。设置完时间则进入站号界面，系统默认的站号为00号站，光标处于闪烁跳动状态，可以通过数字键盘的输入进行站号设置。

（3）测量模式设置。设置站号后，系统进入功能选择界面，进行自动、手动和查询工作模式的选定。

5．自动测量

在模式设置中按下前面板上的“自动”键，则进入自动测量界面。自动测量需设置间隔时间和采样时间。

测量间隔时间最小为0.00min（即不停地测量），最大为120min。在初始情况下，默认为0.30min，每按一下数字键“1”可使测量间隔时间递减5min，每按一下数字键“2”可使间隔时间增加5min。

设置完测量间隔后，按“确定”键，进入采样历时时间的设置。本仪器采样时间为60s和100s两种，默认为60s。当光标位置在60s上时，按下数字键“1”即可设置为60s，按下数字键“2”即可设置为100s。设置完成后，按“确定”键，流速仪即进入工作状态。

首先进行水温测量，此时界面中的“T”处于闪烁状态，约10s后测温稳定。“T”闪烁结束后，进入测流速状态，此时“V”一直处于闪烁状态，闪烁时间即设定的采样历时时间。测量结束后，出现存储界面，此界面保持25s，同时保存数据，然后屏幕背光灯熄灭，进入待机状态，测量间隔时间到后，重新进入新的测量阶段。

注：当系统处于自动测量状态时，除“复位”键外，任何按键都是无效的，若想退出测量状态，按“复位”键即可，但为了保证系统内部存储数据有效，建议不要轻易使用“复位”键。在自动测量待机模式下，除了“查询”和“返回”键，其他设置均无效，若想退出自动测量模式，可以按“返回”+“确定”或者“复位”键强行退出。

重要提示：本仪器禁止在空气中进行测量，以免烧坏换能器。6．手动测量

在模式设置中按下前面板上的“手动”键，则进入手动测量界面。手动测量仅需设置采样历时时长，默认为60s。每按一下数字键“1”可使采样历时递减10s，每按一下数字键“2”采样历时递增10s。最小采样历时为10s，最大为120s。设置完成后，按“确认”键，进入测量状态。其中水温和流速的测量同自动测量模式。不同的是，手动测量结束后，显示存储界面，此界面将一直保存，直到进行下次操作。

下次操作有三种可选方式：

（1）继续测量（紧接上次采样时间，不再重新测温）。直接按“手动”键即可，系统直接进入测流速状态，不再重新测温，温度为上次测量数值。

（2）继续测量（重新设置采样时间，不再重新测温）。按“返回”键，重新设置采样历时，方法同前。设置完毕后，按“确认”键，系统再次进行测量。

（3）结束测量。按“取消”键，系统进入待机界面，如需再次测量，直接按“确定”键即可。

7．查询操作

（1）一般查询。按“查询”键，屏幕显示最近一次测量结果，按数字键“1”向前查询记录，按数字键“2”向后查询，按“返回”键可退出查询操作。

（2）自动测量模式待机状态下的查询。此状态下，按“查询”键，系统会发出“滴滴”两声，出现查询结果，并在保持15s后继续进入待机状态。

如需退出待机状态，则可按“返回”键，系统发出“滴滴”两声，屏幕出现询问是否退出自动测量的界面。选择“确定”键则退出自动测量模式，选择“取消”键则系统重新待机，红色待机指示灯处于闪烁状态，下次测量间隔时间到后，系统自动测量。

注：如在查询状态下到了测量时间，系统会强制停止查询，进入测量状态进行测量。

（3）手动测量模式下的查询。此状态下，直接按“查询”键无效，需连按两次“返回”键，再按“查询”键。

8．存储数据的读取

将数据线一端连接到主机数据输出接口，另一端连接至电脑USB接口，双击桌面软件图标。打开主机壳后面板开关，主机在复位界面，按“下载”键可将数据载入数据库，按“清除”键可将主机中的数据清除。在软件页面点击“保存”按钮，可以选择Excel或者PDF格式，将数据保存。点击“查询”按钮，按输入条件查询，可以进行筛选，显示最后查询结果。

二、绘制海水温度随水深度变化关系曲线图

（一）目的要求

通过分析三大洋部分地区的平均垂直水温，进一步了解海水温度的垂直变化规律。

（二）资料（表1-6）

（三）方法步骤

1．以纵坐标为水深，横坐标为水温，把各大洋平均水温按顺序点绘在图上，然后按顺序把各坐标点连成一条光滑曲线。

2．分析所绘制的曲线，找出它们的共同特点、它们之间的区别，并分析原因。

三、水系与流域特征测定与计算

（一）目的要求

水系及流域的测定与计算是研究河流水文必须具备的基本技能。通过实习让学生掌握地形图上分水线的划分方法及流域面积、延长系数、河网密度、流域、流域宽度等的计算方法。

（二）已知资料

1∶10000《水系与流域特征测定与计算地形图》（插图1）一幅。

（三）实习内容

1．在图上绘出凤浦湖流域界线；

2．用方格法计算该流域面积（F）；

3．根据流域形状（Ke）系数值说明流域的形状特征；

4．算出河网密度（D），流域长度（L）及流域宽度（B）。

四、绘制水位—流量关系曲线图

（一）目的要求

掌握水位—流量关系曲线图的绘制和使用方法，加深对课堂学习理论知识的理解。

（二）主要内容

1．绘制水位—流量关系曲线图；

2．分析在一次涨落水过程中，水位—流量关系点的分布及其原因；

3．用水位推求其流量。

（三）方法步骤

1．为分析水位—流量关系的变化规律，取用一次涨落水过程的水位和相应的流量资料，以纵坐标为水位（H），横坐标为流量（Q），把水位和对应流量点绘在坐标纸上，再经过点群中心画出一条平滑的曲线，并写上图的名称。

2．分析在涨落水过程中，水位相同时，水位—流量关系点分布情况及其原因。

3．用水位73m、74m和75m在已绘制的水位—流量关系曲线图上，推求流量的相应数值。

（四）作业

1．用给定的水位、流量资料（表1-7）绘制水位—流量关系曲线图；

2．分析所绘曲线图，说明在涨落水过程中点分布的不同及原因；

3．在所绘曲线图上，用已知水位值推求流量。

五、潜水等水位线图的绘制与分析

（一）目的要求

使学生初步掌握潜水等水位线图的绘制及其分析方法。

（二）内容

1．根据同时间的潜水水位资料（表1-8），绘制间隔为2m的等水位线图。

2．确定潜水流向及潜水面的坡度。

（三）方法

1．绘制潜水等水位线图（比例尺1∶25000）

（1）填图。根据表中资料，将各观测点的编号、潜水水位和潜水埋藏深度填入地形图中。钻孔左上方是编号，右方分子是潜水位绝对标高，分母为潜水埋藏深度。

（2）绘制潜水等水位线。填好图后，用插入法把潜水位相同的点连起来，即得等水位线。

绘制等水位线时应注意：

（1）以插入法（用透明方格纸）插点时，应按水力坡度方向插入。

（2）绘等水位线时，必须考虑地形的起伏情况，由于潜水面具有与地形起伏较一致的特点，因此在一般情况下它绝不能与地形等高线正交。

（3）在沼泽地区，若地下水出露于地表，则等水位线应与地形等高线重合。

（4）等水位线不应直接穿过河床，只能连到两岸为止，连到河岸的位置，必须按水文站水位标高依河水比降求得，不能以地面标高来代替河水水位标高。

（5）等水位线用铅笔以圆滑实线绘出，线条的粗细应大致均匀，线的中间接头处应力求不要太明显。

（6）等水位线应绘到图边或闭合（没有资料的地方除外），并标注出等水位线的数值。对于闭合的等水位线，数值应标注在等水位线缺口的中间，对于不闭合的等水位线，数值可以标注在等水位线的两端，或其缺口的中间。

2．确定潜水的流向

在各观测点（泉除外）及河流的两岸处，绘制潜水流向线。流向线用带箭头的线条表示，箭头的方向表示潜水的流向。

3．确定潜水面的平均坡度

求出 A B及CD地段内潜水的平均坡度，若 A B或CD不在潜水流向线上，则应对其做适当修改（如图1-25）。

六、用等流时线法计算出口断面流量过程

（一）目的要求

流域汇流是降水径流形成过程的主要环节之一。在流域径流计算中，等流时线法是被广泛采用的方法。通过实习使学生加深对等流时线概念的理解，掌握由净雨量推求流域出口断面流量过程线的计算方法。

（二）已知资料

某河流流域面积为F=611.4km2。经计算，流域平均汇流速度 v=1.57m/s，流域内最远点到出口断面的距离L=117.8km，则最大汇流历时τM=117.8km/1.57m/s≈20.84h≈21h。取汇流时段 Δτ=3h，则 Δ S=v ·Δτ=16.956km，以 Δτ为等流时线间距，绘制等流时线，将流域分为七块等流时面积。1957年8月19日在流域上有一场降雨，取降雨段 Δ t= Δ τ=3h，则四个时段的流域平均净雨深分别为6.2mm、10.5mm、8.3mm、3.4mm。

（三）计算结果

推求出流域出口断面流量过程线，并绘制成图。

（四）计算步骤（表1-9）