水文学实习指导

　　实习内容

　　一、小流域基本特征确定

　　(一)勾绘流域分水线

　　(二)流域基本特征值的确定

　　1、流域面积量算

　　2、流域长度和平均宽度

　　3、流域性状系数

　　4、流域平均高度

　　5、流域平均坡度

　　(三)小流域产流量估算

　　采用下式估算小流域洪水

　　式中：Qp为设计洪峰流量，m3/s;

　　f为流域形状系数，f=F/L2;F流域面积，km2;L为流域长度，km;

　　H1，p为流域设计频率p条件下1小时降雨量;根据频率计算确定，假定 =56mm，

　　v=0.56，Cs=3Cv;

　　Cp为经验系数，试验地取为0.82;

　　N为综合面积指数， ，α为经验系数，取0.82，b为经验指数，取0.060。

　　试利用上式计算设计流域20年一遇和50年一遇设计洪水。

　　二、河流径流泥沙测定

　　采用示范与专家讲解相结合的形式，学习中型河道的径流泥沙测定方式，帮助学生掌握河流泥沙测定的具体技能。

　　(一)水位观测

　　1、目的与要求

　　掌握基本的水位观测方法，学会应用水位推求流量，以便简化测流工作。

　　2、主要内容

　　(1) 用直立式水尺和自记水位计观测河流水位。

　　(2)计算水位与日平均水位，有潮汐影响的河段，，统计每日出现的各次高低潮位。

　　3、仪器用品

　　直立式水尺、自记水位计、记录表、铅笔等。

　　4、原理方法

　　水位是指河流某处的水面高程。因此，设立水尺时要先测出水尺的零点高程，每次观测水位时，把水尺读数+水尺零点高程：水位用水尺观测时，应按要求的测次观读、记录水尺读数。观测次数，视河流及水位涨落变化情况而定，以能测得完整的水位变化过程，满足日平均水位计算的要求为原则。在水位子稳时，每日08h观测一次。水位变化缓慢时，每日08h、20h观测二次。水位变化较大时，每日02h、08h、14h、20h观测4次。洪水期或水位变化急剧时，要增加观测次数，以能测得各次峰谷和完整的水位变化过程为原则。

　　(1)用水尺观测水位 直立式水尺是应用最普遍的水尺形式。在水位年变幅不大、流冰、浮运、航运等对水尺危害不严重的河流上多采用。这种水尺多用木料或搪瓷等材料制成，安装在河谷边坡，打人地下的靠桩上。如河谷边坡陡，设一根水尺即可。河谷边坡缓，可分段设立若干水尺。

　　(2)用自记水位计观测水位

　　自记水位计是能自动、连续记录水位变化过程的仪器，用它测水位具有观测方便、节省人力的特点。使用自记水位计观测水位时，要定时校测、换纸、调整仪器，并对自记记录进行订正、摘录。

　　A、自记水位计的校测次数 一般每日定时进行一次校测、检查和换纸。每日校测时，可在自记过程线的末端记上校测的准确时间和校核水尺水位，在记录纸时间坐标上划一竖线记号，以便进行时间和水位订正。每次换纸时，上紧自计钟，并将自记笔尖调整到当时的准确时间和水位的坐标上;在记录纸上记明换纸日期、时间和校核水尺水位。

　　B、自记水位记录的订正和摘录 在进行订正前，对受风浪影响，自记线呈锯齿形变化的，需用红色铅笔通过中心的位置划一细线;由于浮筒触及井壁或其他原因，线段呈阶梯状时，应以红色铅笔按形成原因加以改正;一张记录纸连续使用数日，记录线彼此交叉者，需用不同的彩色铅笔分别描绘，以便区别。

　　订正：一日内时间误差超过10分钟且水位变化急剧时，应按时距比例作时间订正。当自记水位与校核水尺水位相差超过2cm时，需根据检查的原因，作水位订正。

　　水位订正后，进行水位记录的摘录。摘录的成果，应能反映水位变化的完整过程，满足准确计算日均水位和推算流量的需要。具体要求在水位变化不大时，按等时距摘录;

　　在水位变化急剧时，应摘录转折点，08h及一日内峰、谷水位必须摘录。摘录的点次在记录线上逐一标出，并注明水位值。

　　(3)日平均水位的计算，或统计各次高、低潮位

　　一日内水位变化缓慢时，或水位变化虽较大，但属等时距观测或摘录时(如2h，8h，14h，20h4次等)，日平均水位的计算采用算术平均法求得;一日内水位变化较大，而且不等时距观测(摘录)时，采用面积包围法，即将0-24h内水位过程线所包围的面积，除以一日时间求得。受潮汐影响的河段，需统计各次高、低潮位。

　　5、操作步骤

　　(1)在河谷边坡设置水尺或到附近水文站进行水位观测;

　　(2)用肉眼直接读取水面截于水尺上的读数并记录;

　　(3)自记水位计校测、换纸和调整;

　　(4)计算水位、日平均水位或统计每日出现的各次高低潮位;

　　(5)分析水位变化特征。

　　6、注意事项

　　(1)直接用肉眼读取水面截于水尺上的读数时，应注意折光的影响;在有风浪且无静水设备时，应读记波浪的峰顶和谷底在水尺上所截两个读数的均值;或以水面出现瞬间平静的读数为准，并应连续观读2-3次，取其均值。

　　(2)自记水位计的校测次数。当仪器性能良好、记录周期较长时，可适当减少校测和检查次数。水位涨落急剧或仪器性能较差时，应适当增加校测和检查次数。

　　(二)流量测验

　　1、目的与要求

　　通过流量测验实习，掌握测验流量的最基本方法，学会根据流速和过水断面面积计算流量。为自然地理环境研究和水资源调查打基础。

　　2、主要内容

　　测定河流过水断面面积和流速，根据公式计算出流量。 ‘

　　3、仪器用品

　　流速仪、秒表、浮标若干个、船只或过河测流缆道、测验记录表、铅笔等。

　　4、原理方法

　　目前国内外测流量的方法很多，从学校和学生实习的实际情况出发，本实习主要采用流速面积法。

　　(1)断面测量

　　测流断面应选在无支流汇人的顺直河段上。流量测验只要求测出过水断面。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。

　　垂线号间距/m起点距/m实测水深/m水位/m涨落修正数/m计算水深/m河底高程/m

　　A、测深垂线起点距测量 测深垂线与断面起点桩间的距离称垂线起点距。应用经纬仪法测量垂线起点距须先在河岸上打一基线，使之与所测断面垂直。用钢(皮)尺量出基线的长度。置经纬仪于基线末端，后视基线起点(对准0°0′0″)，再分别前视各测深垂线，读出各水平角度0(图5.3)，然后用以下公式计算： L=ltgθ (m)

　　式中：L为测深垂线起点距;l为基线AB的长度;θ为仪器视线与基线夹角。

　　B、垂线水深测量 在中、小河上测量水深多用测深杆、测深锤、测深铅鱼等;大河多用回声测深仪。

　　C、测深时观测水位 以便计算各垂线的河底高程。

　　D、绘制断面图 根据测得的各条测深垂线的起点距和各垂线河底高度，便可绘制断面图。

　　E、计算断面积

　　先算出各部分的面积：wi=(hi+hi+1)bi/2

　　求出各部分面积后，再累加为整个断面积，即：w=Σwi 断面测量除采用上述方法外，有条件的还可采用自记断面仪。自记断面仪是能直接测量和记录断面的仪器。使用这种仪器测断面，可以节省人力和时间，同时又可省去繁琐的计算。

　　(2)流速测验

　　流速测验可分为流速仪法、浮标法和水力学法。本实习用流速仪法。

　　A、测速垂线数目的确定 测速垂线是反映断面地形和流速变化的主要因素。故基本河槽应较河滩密一些，在地形和流速有显著变化之处要适当取线。常测法最少测速垂线数目规定如表所示。

　　常规法测速垂线数

　　B、测速垂线上测点的决定 测点位置和数目的选择应根据水深决定。选取时，可参考以下规定(下表)。

　　测速垂线的测点数目和位置

　　垂线水深/m方法名称测点位置

　　C、流速的测定 确定了测点之后，便可把流速仪放到预定位置，用记数器测定流速仪的转数，用秒表计出测速历时，并把各垂线号、测得的水深、测点相对位置、相对水深、测点流速仪转数和历时填入表中。

　　流速仪测流记录表

　　测速时，每点的历时必须在120s以上。若流速仪放下在5分钟内没有信号时，则视流速为零。

　　E、流速仪测流的流量计算

　　1)审查原始记录。

　　2)根据流速仪“检定公式”计算出各测点流速(vd)。即：Vd=aN/T+b

　　式中：N为旋杯在T秒内的转数;T为旋杯转动时间(s);a,b为流速仪出厂前经过检定得出的系数。

　　3)根据测点流速，计算测速垂线上的垂线平均流速V，并填入表。

　　二点法：Vs=(V0.2+V0.8)/2

　　三点法：Vs=(V0.2+V0.6+V0.8)/3

　　五点法：Vs=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10

　　4)计算部分平均流速

　　岸边或死水部分平均流速：等于自岸边或死水边起第一条测速垂线的平均流速乘以流速系数a，即Vi=a·V

　　其中：a值在缓坡时为0.7，陡坡时为0.9，死水边时为0.6。中间部分平均流速：为相邻两垂线平均流速的算术平均值，即：

　　5)计算部分流量：部分流量为部分平均流Vi与相应部分面积wi，的乘积，即：qi=viwi

　　6)计算断面流量：断面流量为各部分流量的代数和，即： Q=Eqi=EwiVi

　　5、操作步骤

　　(1)选定测流断面。

　　(2)进行过水断面测量(根据上述原理方法，先测测深垂线起点距，然后测水深同时观测记录测深断面水位，记录在表;绘制断面图;计算断面面积。

　　(3)用流速仪法测定流速。

　　(4)根据测得的测流断面面积和流速计算流量。

　　6、注意事项

　　(1)流速仪法是精度较高的测流方法。当流速、水深、设备条件适合，测流时机允许时，应尽量采用此法。当洪水期因受设备条件及仪器性能等限制，或结冰期因受流水影响，不能用此法时，则可用水面浮标法。在无法用以上两种方法情况下，才采用水力法。

　　(2)用流速仪法测流时，为减少悬索偏角对测深的影响，可在上游加牵引索，加重铅鱼，或改用悬杆悬吊仪器。

　　(3)用流速仪法，应注意在流速超出流速仪适用范围时，随即更换仪器或测流方法。

　　(4)用流速仪法测速前，应检查测速计数仪器是否正常。测速时也应注意讯号是否正常。例如，讯号周期突然加长，往往是水草、漂浮物缠绕仪器，要及时排除。

　　(5)应注意流速仪的养护。在每次测流后，应立即将仪器拆洗干净，并重上仪器润滑油，以防生锈。仪器的拆洗与安装应按仪器说明书进行。

　　(三)河流泥沙含量测验

　　1、目的与要求

　　通过实习初步掌握河流悬移质含沙量测验的基本方法，学会根据测量资料计算河流泥沙含量。为自然资源开发利用调查和流域自然地理特征分析打基础。

　　2、主要内容

　　(1)河流悬移质的取样和处理。

　　(2)计算河流悬移质含沙量及输沙率。

　　3、仪器用品

　　采样器、水瓶若干个、船只、测验记录表，以及室内分析用的烘箱、滤纸、量筒等。

　　4、原理方法

　　(1)河流含沙量的测验与计算

　　含沙量是指单位体积浑水中所含泥沙的重量。因此，含沙量的测验基本方法就是取水样和水样的处理分析取得泥沙的重量。测定悬移质含沙量的方法很多，有泥沙采样器测量法、含沙量光度测量法、放射性同位素测量法、放射性同位素示踪法等，本实习主要用采样器测量法，以横式和瓶式采样器为主。

　　A、取水样 利用采样器在预定的测点或垂线上取水样。取样时，应同时观测水位及取样处的水深，并测定取样垂线的起点距，并做好记录。最好与测流同时进行。

　　B、水样处理 水样处理的方法有过滤法、置换法等。本实习主要用过滤法处理水样。

　　1)量积：用量筒量出水样容积，并记入表。量积时要注意倾倒水样不得使每个水样的水量和泥沙有所增减，同时应将水样及容器编号记录清楚，以免混乱。

　　水样处理记录表(过滤法)

　　2)沉淀：将全部水样自量筒倒入澄清筒.内，进行沉淀。沉淀所需要的时间根据泥沙颗粒的大小及不同的沉降速度由

　　试验而定。水样经沉淀后，将清澈的水用虹吸管吸出。注意不要扰动沉淀的泥沙。

　　3)过滤：把经过沉淀浓缩后的水样进行过滤。滤纸必须事先烘干秤重，并进行编号。

　　4)烘干：将滤纸上的泥沙(连滤纸)放到烘杯内，再放到烘箱内烘干。烘箱温度保持100-110%。烘干时间一般为5小时。烘干后的沙样放在干燥器内冷却，以免湿空气侵入。

　　5)秤重：烘干以后的沙样连滤纸一起放到天平上秤重，秤得的重量减去滤纸的重量，即为干沙的重量。

　　C、含沙量计算 测得干沙重量后，按下式计算含沙量：

　　p=Ws/v × 1000

　　式中：p——实测含沙量(kg/m3);ws——水样中干沙重(g);v----水样体积(cm3)1000——单位换算系数。

　　(2)断面输沙率的测验计算

　　输沙率是含沙量和流量的乘积。输沙率的测验除要同时测含沙量和流量外，还需要考虑取样垂线的数目应不少于流速仪精测法测速垂线的一半，河宽大于50m时取样垂线应不少于5条;河宽小于50m时，取样垂线不少于3条。垂线上取水样用积点法，取样点的分布按表规定。

　　表 积点法测点位置与适用水深

　　三、流域下垫面基本特征测量

　　(一)入渗量观测

　　目前、测定土壤入渗的方法有同心环法、人工降雨法及径流场法，简便而常用的为同心环法。

　　在流域内根据土壤、地形、植被及农作物等不同情况，分别选择有代表性的地点进行实验。观测点附近的地面应平整，要避开村庄、道路、跌坎、积水和其他不符自然情况的各种地物的影响。

　　1、目的与要求

　　入渗量直接影响到降雨时产流与否、以及产流产沙量多少，因而在小流域监测是具有较重要的观测价值。通过本次实验，了解不同土地利用对于流域土壤入渗的影响，掌握土壤入渗测定方法。

　　2、主要内容

　　土壤入渗速率测定、绘制土壤入渗曲线、流域平均入渗强度推求

　　3、仪器用品

　　入渗双环或单环、量筒、测针、秒表、榔头。

　　4、原理与方法

　　根据入渗量和时距，即可求得瞬时突然入渗强度，根据各店突然入渗强度，便可绘制出入渗曲线，把流域上若干点测得的入渗曲线进行综合，即得到流域平均入渗曲线。

　　5、操作步骤

　　在无雨时，将内外环用木锤钉入土中约10cm，外环与内环距离应尽可能保持四周相等，严格注意环口水平。实验开始时，土壤较干，其入渗强度变化较大，可先采用“定量加水法”。然后，用“定面加水法”。内环定量加水，外环不定量，但应同时加水，注意保持内外环水面大致相等。

　　定量加水时，可参考如下数据：

　　粘土，第一次加水1000cm3; 第二次加水300—500cm3;

　　沙土;第一次加水1500—2000cm3; 第二次加水500—1000cm3。

　　定面加水法，可根据内环中所设里的测针，作为固定标志，每次加水至针尖，用秒表测定入渗时间，即可测得入渗量。

　　观测时距视土壤入渗强度变化而定。入渗初期，土壤入渗强度大，每3—5min测记一次，以后根据内环水位变化，时距可以长些。当土壤含水量增大，内外环水头变化较小时，每10—20min测记一次，水头趋于平稳时，每半小时或一小时测记一次，直至最后2—3次入渗强度基本为常数为止。根据入渗量和时距，便可绘制出入渗曲线，把流域上若干点测得的入渗曲线进行综合，即得到流域平均入渗曲线。

　　(二)土壤含水量观测

　　土壤中由土粒和团聚体构的疏松多孔体，颗粒之间彼此存在着孔隙，因而，地表土层为多孔介质，它能吸水、蓄水和向任何方向输送水分，土壤水对降水起着调节作用，并对水量进行空间(主要垂向)和时间上的再分配，土壤水的增长，消退及动态变化同降水，蒸散发，地下水和径流有密切联系。本次实习采用烘干法测定。

　　通过实习，测定单点的土壤含水量，然后再进行流域的时空上各点的测值的综合分析，了解流域中水分动态的变化及其规律，分析其在径流形成中的作用。

　　1、目的与要求

　　烘干法是测定土壤含水量最常用的方法，也是其它方法进行烘干至恒重，一般需烘烤7-12h，土样较大时需增加烘烤时间，根据烘烤前后土样的重量，求得重量含水量。

　　此法简单、易于应用，所测得的土壤含水量准确，对任何类型的土壤含水量均可使用。缺点是土样受到扰动且不能在一点重复观测，在取样过程中，含水量容易变化，在非均质剖面中取土样时，不完全有代表性。

　　2、主要内容

　　土壤含水量测定、土壤容重测定、计算土壤体积含水量

　　3、仪器用品

　　土钻、铝盒、天平、烘箱(或采用酒精烧干)

　　4、原理与方法

　　同一土样中，水分重量Ww占干土重量Ws百分数，即

　　利用称重的方法，测量湿土样重量Wm和其烘干后的重量Ws，容易求得Ww、Ws值。

　　断面测深、流速记载及流量计算表