河流水情要素-《水文学概论》

用于表述河流的水文变化情势的变量称为河流的水情要素。最常用的水情要素为河流的水位、流速和流量，一般称为河流的水情三要素。

1.水位

水位指水体的自由水面高出某一基面以上的高程，以m计。基面是高程起算的固定零点，目前全国统一采用1985国家高程基准黄海基面，但各流域由于历史原因，多沿用以往使用的大沽基面、废黄河口基面、吴淞基面、珠江基面等，也有使用假定基面、测站基面或冻结基面的。查用水位资料时一定要确认其基面。

影响河流水位变化的主要因素有：河流水量的变化；河流的冲淤变化；潮汐变化；人类活动影响等。不同河流的水位变化特点不同。平原河流水位变化缓慢，洪水过程常相对平缓，山区河流则相反；大流域的水量调节能力强，水位变化比较缓慢，小流域则相反。

常用水位特征值反映水位变化规律，如起涨点水位、最高水位（或洪峰水位）、最低水位、平均水位、警戒水位、保证水位等。起涨点水位指一次洪水过程中，涨水前的最低水位。最高、最低水位指研究期内出现的瞬时最高、最低值，可以是一次洪水过程中出现的最高和最低水位值，也可以是按日、月、年进行统计的日、月、年最高和最低水位。平均水位是研究期内水位的平均值，如以日、月、年为统计时段的平均值，甚至以多年为统计时段的平均水位。当水位继续上涨达到某一水位，防洪堤可能出现险情，此时防汛护堤人员应加强巡视，严加防守，随时准备投入抢险，这一水位即定为警戒水位。警戒水位主要是根据地区的重要性、洪水特性、堤防标准及工程现状而确定。按照防洪堤防设计标准计算得到的为保证水位，表示水位小于等于此水位时堤防不溃决。有时也把历史最高水位定为保证水位。

常用水位过程线和水位历时曲线研究水位变化规律。以时间为横坐标，水位为纵坐标，将水位按时间顺序点绘而成的曲线称为水位过程线。根据需要可以有日、月、年、多年等不同时段的水位过程线和瞬时水位过程线等。应用水位过程线可以分析水位随时间的变化规律，还可以分析水位与其影响因素（如降雨、融雪、气温等）间的对应关系。

水位历时曲线中的历时是指一年中大于等于某一水位出现的次数之和。绘图时，将一年内逐日平均水位按递减顺序排列，并将水位分成若干等级，分别统计各级水位发生的次数，再由高水位至低水位依次计算各级水位的累积次数（历时），以水位为纵坐标，历时为横坐标，即可绘制水位历时曲线。根据该曲线，可以查得一年中，大于等于某一水位的总天数（历时），这个数据对航运、桥梁、码头、引水工程的设计和运行管理具有重要意义。

水位过程线常与水位历时曲线绘在同一图上，如图3.7所示。通常在水位过程线上需要标出统计时段内的最高水位、平均水位、最低水位等特征值以供生产、科研等应用。

图3.7　水位过程线与水位历时曲线

2.流速

流速指河流中水质点在单位时间内运动的距离。由于天然河流过水断面的形态、河床表面特性、河底纵坡、河道弯曲情况以及冰情等，都会对断面内各点流速产生影响，因此，过水断面上，流速随水平及垂直方向的位置不同而变化，即v=f（b，h）。其中v为断面上某一点的流速，b为该点至左岸或右岸水边的水平距离，在水文站上，则是指该点的起点距，h为该点至水面的垂直距离。

河流横断面上的流速分布不均匀。沿深度方向的分布称为垂线流速分布。正常情况下，垂线上的最大流速出现在水面以下0.1～0.3倍相对水深处，其平均流速一般相当于0.6倍相对水深处流速，如图3.8所示。如果河面封冻，则最大流速下移。河流横断面上的流速分布一般是由河底向水面、由两岸向河心逐渐增加，河面封冻则较大的流速常出现在断面中部，如图3.9所示。

图3.8　流速在垂线上的分布示意图

图3.9　河面封冻前后断面流速分布示意图

获得河道断面平均流速的方法有两种：实测或水力学公式计算。实测方法一般是采用流速仪或其他方法，首先测量断面各点流速，实测并计算过水断面面积A，然后计算断面流量Q，用流量公式Q=AV计算出断面平均流速V。如果采用水力学公式计算，前提是假定河道水流为均匀流，用Chery公式V=C或Manning公式V=R2/3S1/2/n计算断面平均流速。其中V为断面平均流速，C为谢才系数，R为水力半径，S为水面比降，n为糙率。(www.xing528.com)

3.流量

流量指单位时间内通过河流某断面的水量，常用Q表示，以m3/s计。它是反映水资源和江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据，也是河流最重要的水文特征值。因断面流速分布不均匀，断面流量一般用下式计算

式中　A——过水断面面积；

d A——A内的单元面积（宽d b，高d h），m2；

v——垂直于d A的流速，m/s；

B——水面宽度，m；

h——水深，m。

因为v=f（b，h）的关系复杂，到目前为止还没有可用来表达的数学公式，应用中把积分变为有限差分形式推求断面流量，即

式中　qi——第i部分流量，m3/s；

Ai——第i部分面积，m2；

vi——第i部分平均流速，m/s。

获得断面流量的方法一般有两种：实测与利用水位-流量关系推求。利用断面流量公式实测断面流量，首先根据横断面变化特点将断面分成若干部分，测各部分的流速与过水面积，然后利用式（3.5）计算。而利用水位-流量关系推求流量，前提是断面水位-流量关系曲线已知，根据实测的水位，在曲线上读出相应流量，同时还可以用断面的水位-面积关系曲线与水位-流速关系曲线加以校正。

流量随时间的变化也可以用流量过程线和历时曲线表示，如图3.10所示。

图3.10　流量过程线与流量历时曲线