3.2 水文测验
3.2.1 概述
水文资料是水文分析计算的基本依据。因此，进行水文分析计算时，应掌握水文资料的测验和资料收集方法，以便正确使用各种水文资料。
水文测验是收集和整理水文资料的各种技术工作的总称。狭义的水文测验指水文要素的观测。基本的测验项目有水位、流量、泥沙、降水、冰情、蒸发、水温、水质、土壤含水量、地下水等。如对某水体的测验有其他特殊要求可另行增设测验项目。
应用水文测验取得各种水文要素的数据，通过分析、计算，综合后为水资源的评价和合理开发利用，为工程建设的规划、设计、施工、管理运行及防汛、抗旱提供依据。如桥涵的高程和规模、河道的航运、城市的给水和排水工程等都以水位、流量、泥沙等水文资料作为设计的基本依据。
水文测验包括：
（1）为了获得水文要素各类资料，建立和调整水文站网。
（2）为了准确、及时、完整、经济地观测水文要素和整理水文资料并使得到的各项资料能在同一基础上进行比较和分析，研究水文测验的方法，制定出统一的技术标准。
（3）为了更全面、更精确地观测各水文要素的变化规律，研制水文测验的各种测验仪器、设备。
（4）按统一的技术标准在各类测站上进行水位观测，流量测验，泥沙测验和水质、水温、冰情、降水量、蒸发量、土壤含水量、地下水位等观测，以获得实测资料。
（5）对一些没有必要作驻站测验的断面或地点，进行定期巡回测验，如枯水期和冰冻期的流量测验、汛期跟踪洪水测验、定期水质取样测定等。
（6）水文调查，包括测站附近河段和以上流域内的蓄水量、引入引出水量、滞洪、分洪、决口和人类其他活动影响水情情况的调查。也包括洪水、枯水和暴雨调查。水文测验得到的水文资料，按照统一的方法和格式，加以审核整理，成为系统的成果，刊印成水文年鉴，供用户使用。
本节主要介绍水文要素流量的测验，掌握其基本方法和计算。
3.2.2 流量测验与计算
1.概述
流量是指单位时间内流过河流某一断面的水量，以m3/s计。测量流量的方法有很多，常用的方法有流速面积法，它包括流速仪测流法、浮标测流法、比降面积法、航空测流法等。流速仪测流法和浮标测流法是通过测量流速和断面来推求流量，目前在我国使用广泛。此外，还有水力学法、化学法和物理法等。
下面着重介绍流速面积法中的流速仪法。这类方法的基本原理是流量等于过水断面面积A与断面平均流速V的乘积，即
2.流速仪测流法及流量计算
河道断面各点的流速是变化的，它与断面形状、水深大小、河道弯曲、河床糙率、风力风向、冰冻等情况有关，一般的规律是：
1）水面流速在岸边较小，朝着最大水深方向增加。
2）流速从水底向水面增加。
3）垂线上最大流速常在水面以下约0.2倍的水深处。
目前尚无很好的方法直接测出断面平均流速。用流速仪测量实际上是将过水断面划分为若干部分，并计算出各部分面积，然后用流速仪近似的测算出各部分面积上的平均流速，两者的乘积为通过部分面积的流量，累计部分面积上的流量而得全断面流量。因此用流速仪测流的主要工作，一是断面测量，二是流速测量。
（1）断面测量。断面测量包括水道断面测量和大断面测量两种。水道断面是指某水位下的过水断面，与测流同时进行施测。大断面是指历年最高水位以上0.5～1.0m所包含的河道及岸边地形。
1）水道断面测量。水道断面的测量方法是：在断面上布置若干条测深垂线，施测各垂线的水深及各垂线与岸上某一固定点（测量断面用的起点桩）的水平距离（称为起点距），并同时观测水位，水位高程减去各测深垂线的水深，得各测深垂线的河底高程。有了测深垂线的河底高程和起点距，就可绘出断面图，如图3.2所示。
测深垂线的分布以能准确测定断面为原则，垂线的数目与河床宽度有关，《水文测验（试行）规范》中有所规定。
图3.2 断面测量起点距示意图
a.起点距的测定。在中等以下的河道，常用断面索的方法测定起点距，其特点是在测流断面架设一条过河缆索，在缆索上标定事先测定好的起点距，然后利用渡河设备在各起点距处进行断面和流速测量。渡河设备一般有船只测流设备、岸上测流设备等。在施工截流河段，因水势湍急、水流紊乱，同时还受截流抛石等因素的影响，为了保证水文观测者的安全，一般采用此法。黄河三门峡工程施工截留时，就是采用流速仪过河的断面索法。
在中等以上河道常用交会法（又称测角法）测定起点距。具体方法参见有关书籍。
b.水深测量。测量水深一般用测探杆、测深锤或测深铅鱼。当水深、流速较小时，尽量用测探杆；当水深、流速较大时，可用测深锤、测深铅鱼。铅鱼重量视流速大小而定。施工截流时，由于断面不断减小，流速增大，所用铅鱼的重量往往很大。如三峡工程截流时，最重的铅鱼达450kg，最小的也有100kg。
当水深超过10m时一般用回声测深仪测量水深。它是利用超声波振荡器发射超声波至河底，再从河底反射到水面的收声振荡器，由声波在水中所经历的时间及传播速度来计算水深。
2）大断面测量。大断面测量是单独进行的，一般在汛前、汛后或在较大洪水后加测。它包括水上及水下两部分，水下部分与上述水道断面的施测方法相同，水上部分一般采用水准测量方法进行。
（2）流速仪测速。测定流速的方法有多种，下面介绍常用的流速仪法。
1）流速仪。流速仪是一种专门用来测定水流速度的仪器，目前我国采用最多的是重庆水文仪器厂生产的LS68型旋杯式流速仪和LS25-1型旋桨式流速仪，如图3.3所示。
图3.3 流速仪示意图
（a）旋杯式流速仪；（b）旋桨式流速仪
流速仪主要构件可分为两部分：旋转器（旋杯、旋桨）和计数器。
流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋转器，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出信号，便可知道在一定的时间内的旋转次数。流速越大，旋转越快，说明转速越大。流速与转速之间有一定的关系，这种关系是由厂家在仪器出厂前，将流速仪安放在特定的水槽里，通过检定得出的，关系式如下：
式中：V为水流速度，m/s；N为流速仪在测速历时T内的转数 （转），一般是根据信号数，再乘上每一信号代表的转数求得；T为测速历时，s，为了消除水流脉动影响，测速历时一般应不少于100s；K、C为常数，是将检定时采用的各种V值以及与其一一对应的
值点绘在方格纸上，点群接近一条直线，该直线的斜率为K，直线在纵轴上的截距为C。
每架仪器都附有检定公式，仪器使用一段时间后，应送去再行检定。
2）流速测量。流速仪只能测得某点的流速。为了求得断面平均流速，现多采用积点法，即在断面上沿水面宽布置一些测速垂线（一般在测深垂线中选择若干根同时兼做测速垂线），以控制流速在水面宽上的变化。又在每一根测速垂线上布置一定数目的测速点，以控制流速在水深上的变化。最后根据测点流速的平均值求得测速平均流速Vmj，再由测线平均流速求得部分面积上的平均流速Vj，进而推的断面流量。
测速垂线的数目与水面宽度有关，测速垂线上的测点数目与垂线处的水深、流速仪的悬吊方式和测验精度要求有关。
当测速垂线的水深为h，测速点的位置从水面算起，一点法为0.6h处；二点法为0.2h及0.8h处；三点法为0.2h、0.6h及0.8h；五点法为0.0h、0.2h、0.6h、0.8h及1.0h。
（3）流量计算。
1）垂线平均流速计算。
一点法
二点法
三点法
五点法
上述公式前3个为算术平均，最后1个通过与求日平均水位相似的面积包围法求得。
2）部分面积上平均流速的计算。部分面积上的平均流速是指两测速垂线间部分面积的平均流速，以及紧靠岸边或死水边部分的平均流速，如图3.4所示。图的下半部表示断面图，上半部实线箭头表示垂线平均流速，虚线箭头表示部分面积的平均流速。
紧靠岸边部分的平均流速由距岸边最近的垂线流速乘以系数而得，如
式中：α为岸边流速系数，可根据试验资料确定，对斜坡岸边一般采用0.7，陡坡岸边一般采用0.8，岸壁光滑可用0.9，死水边可用0.6。
图3.4 部分面积平均流速计算示意图
中间部分的平均流速为相邻两垂线平均流速的算术平均，如：
3）部分面积计算。部分面积是以测速垂线为分界。若岸边有死水，则部分面积只能计算到死水边，如图3.4中的b4。
岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算，如：
4）断面流速计算。
5）断面平均流速计算。
式中：Q为全断面流量，m3/s；A为全断面面积，m2；V为全断面平均流速，m/s；Ai为部分面积，m2；Vi为部分面积上的平均流速，m/s；qi为部分面积上的流量（称部分流量），m3/s。
【例3.1】 某站施测记录见表3.1中左侧数据，岸边系数α取0.7，按上述方法计算的结果见表中右侧。
3.浮标测流法
浮标测流法是一种简便有效的测流方法。在洪水较大或水面漂浮物多，特别是在没有流速仪或流速仪无法施测的情况下，是一种切实可行的方法。浮标测流的主要工作是观测浮标漂移的速度，测量水道横断面，与水道断面面积来推估断面流量。
凡能漂浮在水面上的物体都可能制成浮标。用水面浮标法测流时，测的是浮标在水面的漂移速度，这种流速称浮标虚流速，它不能代表断面平均流速。将它与过水断面相配合，计算出断面虚流量，然后乘上浮标系数K′ 才能得到断面实流量，即
表3.1 某站测深测速记载及流量计算表
K′与浮标类型、风力风向等因素有关，在测站上应进行浮标系数的比测。