2.5　测站的设立

从水文资料自身的系列一致性、可靠性要求来说,其测站具体位置的选设,是非常重要的。选设“测站”的位置,涉及精度条件、观测环境条件、作业便利条件等诸多方面。测站的设立首先不是一个水文测站办公和生活地点的选设,而是水文要素观测位置“观测站”的确定。站网规划设计阶段、规划方案付诸实施或测站迁移时,首先开展的工作是测验河段和观测场的查勘,分析所有观测断面、站位是否可以理想布置。在确定了断面位置、观测场具体地点具备技术上的要求后,才是站房建设、交通便利等生活配套条件的综合考量。

2.5.1　测站控制

对于多数水文站而言,流量是通过水位流量关系推算的,流量测验的主要目的是确定水位流量关系。水位流量关系稳定与否,对测站流量测验的工作量和流量成果的资料质量影响很大。天然河道中水位流量关系在许多情况下是不稳定的。这是因为流量不仅随水位而变化,同时还受比降、河床糙率等水力因素的影响。但是,天然河道中还是能够找到一些河段,其水力因素在同一水位保持不变,或虽有变化但可以相互补偿,使得该河段的水位流量关系呈稳定的单一关系。因此,测站控制就是对水文站水位流量关系稳定性起控制作用的断面或河段的水力因素综合影响的总称。

测站控制有断面控制和河槽控制两种。当测站控制仅因一个横断面底面作用而形成的测站控制,称为断面控制。当测站控制由一段河槽的底坡、糙率、断面形状等水力因素的组合所构成的测站控制,称为河槽控制。

1.断面控制

由水力学可知,产生临界流处的弗劳德数为1,即

假定,临界水深处横断面为矩形断面时,水面宽为B,其断面面积A=BhK,则临界流流量为

由此可见,此时流量为水深的函数,即

如果某一断面的临界水深仅随临界水位ZK而变,则

即该断面的流量与水位呈单一关系,即形成了断面控制作用。

这种构成断面控制作用的水力因素处于一个断面上,则这个断面被称作控制断面。当水流经过天然石梁、潜坝、急滩等,由于河底坡度发生明显转折,前后水面曲线呈现为壅水曲线和降水曲线,如图2.1所示,则在其上游会出现临界流。当出现高水时,石梁等被深埋水中,因此靠它们产生临界流的条件消失,其控制作用随之消失。但我们也常常可以看到,很多河流流经卡口、缩窄处,明显的断面收缩使得其前后水面曲线呈现为转折,也相应出现临界流,形成了测站控制作用。对于控制断面,只要其结构稳定不变,一定的流量就会对应固定的水头,如果水尺断面离开控制断面不远,两者的落差很小且变化不大,因此水尺断面的水位流量关系也是稳定的,即使区间有冲淤变化,只要控制断面不变,面积变化可为流速变化所补偿,水位流量关系仍可基本不变。

2.河槽控制

对于天然河道,水流近似于缓变不均匀流,其平均流速由曼宁公式表示为

因为A、R由断面因素Ω及水位Z决定,因此流量的水力因素的函数关系为

这说明影响河道流量大小的水力因素有:水位、断面因素、糙率和水面比降。因此,要使水位流量关系呈单一关系,必须满足下列条件之一。

(1)在同水位Z下,Ω、n、S恒定不变。

(2)在同一水位下,Ω、n、S虽不恒定,但它们对流量大小的影响恰好互相补偿。

符合上述条件的一段河槽,能够使水位流量关系保持稳定,这就形成河槽控制作用。构成河槽控制作用的这些水力因素,它们所处的这一河段,被称作控制河段。对于控制河段,水尺断面下游的河槽的阻力实现其控制,底坡、糙率、断面形状比较稳定,水位流量关系也比较稳定。

3.测站控制的变化

我们希望测站无论什么水位级都具有良好的测站控制作用,断面上的水位与流量始终能够呈现单一关系,但自然界理想测站控制条件并不多,一个水文站的测站控制条件客观上是变化的,很少有固定不变的测站控制。有的站低水是断面控制,中高水时则断面控制消失,可能转变为河槽控制,或者随着水位升高受到下游的另一个断面控制。如,某测验断面低水时受石梁控制;中水时随着水位的升高,石梁被淹没,其控制作用丧失,但此时河槽控制又起主要作用;高水位时,控制河段延长,其下游可能另一个卡口又起控制作用。有的测站,河段内没有形成断面控制条件的石梁、卡口等地形,只要有顺直均匀的河槽,虽然中低水的控制河槽与高水的控制河槽长度可能不同,也能使水位流量关系保持稳定,同样是理想的测站控制。

4.测站控制的灵敏度

流量大小是水位变化的结果,水位高低是流量变化的标志。测站流量稍有变化,水位相应变化比较显著的,为测站控制灵敏度高。反之,测站流量有明显变化,水位相应变化却较小的,为测站控制灵敏度低。通常,同等水流条件下,窄深河段的测站控制灵敏度比宽浅河段要高。所以选择测站控制灵敏度高的河段,可以减少水位误差造成的流量推算误差,尤其是低水情况。

2.5.2　测验河段

由于断面瞬时流量施测需要付出较大的人力、物力,因此,测站流量并不完全依赖实测,而是需要依靠由水位通过由实测流量所确定的水位流量关系进行计算。因此,流量站的设立就需要选择具有测站控制的河段。在测站选址时,选择测验河段的原则是需要满足站网规划目的和要求,保证资料的精度,并且便于实施流量测验和资料整编。

对于自然河流,河道站要尽量选择顺直、稳定、水流集中和便于布置测验设施的河段,顺直长度一般不少于高洪时主槽宽度的3～5倍,山区河流尽量选择在石梁、潜坝、下游急滩等控制断面的上游。测验河段需要避开回水、急剧冲淤变化、分汊分道、严重漫滩、流向多变、水流分散的不利条件,测站地形条件要有利于测验作业的开展,避开容易发生危险冰情、地质灾害的地点。水库站一般选在其下游稳定河段没有紊流、回流的地点。堰闸站的上下游顺直、稳定、无紊流的地点均可选择,但上游应在稳定水头以外、下游应在稳定水头以内。

即使是水位站,水尺断面的代表性也需要得到保障。河道水位站需要选择河道顺直、河床稳定、岸坡稳定、水流平稳的测验河段,水库水位站需要选择相同情态的岸边条件,堰闸站除了这些要求外,还需要注意避免水尺断面处于动能水头的影响范围。

2.5.3　观测场

降水量和蒸发量观测都是以地面观测为准的,降水量和蒸发量的观测最容易受气流影响,对观测场的要求,核心是观测场的空气流通要不受影响,使得观测结果尽量避免观测误差影响、资料具有代表性。通常,要求周围空旷、平坦,没有突出地形、地物的影响,障碍物所造成的遮挡率小于10%,避开山口、陡坡、峡谷、建筑群等可能存在强风影响的地点,在附近有城市和工矿区时,观测场选在城市或工矿区最多风向的上风向。陆上水面蒸发场需要离较大水体(水库、湖泊、海洋等)最高水位线的水平距离应大于100m。选择蒸发观测场地还需要考虑用水方便,水源的水质应符合观测用水要求。

对于观测场附近不可避免出现地物的,观测仪器至地物边缘的距离要大于地物顶部与仪器器口高差的2倍。对于附近有山坡的,山坡至观测场应该为平缓的坡面,且观测仪器器口对坡顶的仰角小于30°。

2.5.4　站址勘测与调查

设站前的站址查勘任务包括:流域面上情况调查、河流特性勘察、测验断面下游回水变动情况调查、洪枯水情况调查、流域自然地理情况调查、流域内工程建设及河道航运情况调查、测量控制调查及测站工作与生活条件调查等,并根据调查了解情况,提出勘测报告。

1.流域面上情况调查

勘测工作一般在枯水期进行。现场勘测之前应收集流域的流域地质、地物、地貌、河流特性、工程措施等资料,了解测站所在流域的水资源开发规划等情况,并勘测河势,了解河道弯曲和顺直段长度,两岸和堤防控制洪水的能力,以及有无溢流缺口等。

2.测站控制条件查勘

查勘调查测站的控制情况,测验河段是否存在急滩、石梁、卡口、弯道、人工堰、闸坝等断面控制。查清测验河段附近顺直河段的长度。分析推断断面控制或河槽控制的作用情况,并鉴别测站控制的稳定程度。

3.河流特性勘测

调查测验河段附近分流、串沟、回流、死水,调查勘测不同级别的洪水是否出现漫滩以及漫滩的宽度,初步拟定这些特殊水流现象测验的对策,在初步选定的河段内布测若干个河道断面,并测绘其中一个断面的流速分布。了解河床组成、断面形状、沙洲消涨历史和河道变迁史,调查各级水位的主泓、流速、流向河势及其变化情况。查勘河床上岩石、砾石、卵石、漂石、砂、壤土、黏土、淤泥等沿测验河段的分布情况,了解河床级配组成、河床冲淤变化情况。收集了解水草生长的季节和范围,封冻、开河和流冰的时间,冰坝、冰塞的地点和壅水高度等情况。

4.测验断面下游变动回水情况调查

测验河段下游有水工建筑物时,应参考下游最近地点水工建筑物设计校核洪水位相应的回水计算资料,判别是否受其影响,并向工程管理单位或有关人员询问目测或观测到的回水影响距离。

测验河段下游一定距离内有河流或湖泊汇合时,应向当地群众了解回水发生概率、回水影响的极限距离等情况。通过调查掌握回水的起源、影响程度、范围、时间等情况。

一般情况下,非潮流站的测验河段应选在变动回水范围以外,避免变动回水的影响。

5.洪水情况调查

了解洪水涨落缓急程度、洪水持续时间等洪水特性。调查历史最高洪水位、洪水漫滩水位、漫滩流量及最大漫滩边界。估算最大洪峰流量、不同历时的洪量,调查洪水来源、洪水组成情况。调查洪水期波浪大小、含沙量、泥石流等情况。调查收集或估算最大水深、最大流速、最大含沙量及最大水面宽度。

6.枯水情况调查

调查了解历史上最枯水位、最小流量、最小水深和最小流速等情况。了解是否发生断流现象及断流的时间、历时等情况。

7.流域自然地理情况调查

收集流域地物、地貌、地形等资料,了解分水岭闭合情况,有无客水引入及内水分出。勘查土壤分布、植被情况,了解水土流失及上游产沙情况。了解地质及水文地质情况,对石灰岩地区要重点了解喀斯特发育程度及分布情况。

8.流域内工程建设及河道航运情况调查

调查了解流域内已有水利工程规模、数量,蓄水、引水情况,调查流域内水利工程近期计划、长期规划。了解农田水利、水土保持措施的类型及其可能对洪水、泥沙产生的影响。调查河道通航、木材流放季节及其放运方式。

9.测量控制调查及实地测量

实地查勘拟建测站附近的高程控制点、平面控制点的位置,收集平面和高程控制点的数据资料及其等级。在实地查看调查的基础上,进行拟设站附近的地形测量、大断面测量。进行流向测量和比降观测。

10.测站工作生活条件调查

了解拟设站附近城镇、居民点、交通、医疗、学校等情况。了解拟设站址的供水、供电、通信等情况。调查了解当地生活、生产、经济状况,了解土地、建筑等价格。

11.勘测报告编写

查勘结束后应及时编写勘测报告,应包括下列主要内容。

(1)本次勘测的目的、任务、主要工作人员的专业类别及技术水平,勘测时间和范围。

(2)整理各项调查资料,分类归纳成简明成果。

(3)推荐勘选的测验河段,阐述分析意见。

(4)提出水文测验项目、测验方法和观测方案。

(5)提出基本设施等布置的建议和仪器设备的配置。

(6)提出设站方案,编制建站经费概算。

2.5.5　断面布设

根据观测需要,一个流量站会设立不同用途的观测断面:基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降水尺断面等,如图2.2所示。有的站可能兼有设置在别处的辅助测流断面,有的站不一定需要布置所有类型的观测断面,水位站则仅有基本水尺断面或辅助水尺断面。

1.基本水尺断面

河道站的基本水尺断面需要设置在水流平顺处,两岸水面无横比降,无漩涡、回流、死水等发生,地形条件便于观测及安装自记水位计和其他测验设备,水尺沿断面展开,垂直于流向。基本水尺断面设在测验河段中央且与测流断面重合或者接近,当基本水尺断面与测流断面不能重合时,两断面上的水位应有稳定的关系。为了水位资料系列的一致性,基本水尺断面是不能轻易变动断面位置的,所以初次布设要注意选址的可靠。当遇特殊情况必须迁移断面位置时,进行新旧断面水位比测,比测的水位级应达到平均年水位变幅的75%左右。对于测验河段内无法避免有固定分流的站,分流量超过断面总流量的20%且两者之间没有稳定关系时,需要分别设立水尺断面。

水库站的基本水尺需要建立在坝上跌水范围以外水流平稳的地方。湖泊站、潮位站的基本水尺应该设置在水流平稳、具有水位代表性的位置,避免受附近水闸、泵站等影响,并且需要方便建造观测设施。

堰闸站的上游基本水尺应该代表堰上或闸上稳定水位,不得进入堰闸上游的水面降落区域,通常与堰闸的距离要大于最大水头的3倍以上,对于动能水头影响比较大的,需要延长距离;堰闸站下游基本水尺应该代表堰下或闸下稳定水位,需要选在水流平稳处,距离效能设施末端的距离应不少于消能设施总长的3倍,宜为5倍以上。

2.流速仪法测流断面

流速仪法测流断面选择在河岸顺直、等高线走向大致平顺、水流集中的河段中央,应尽量与基本水尺断面重合,特殊情况可以分别设置,但两者之间不能有水量的增减量。断面对于不可避免的分汊河段,按照不同汊道垂直各自的流向设置不同方向的断面。流速仪法测流断面上可以采用定位船测、缆道测流、走航ADCP测流。当需进行浮标法测流或比降水位观测时,可将浮标法测流断面、比降断面与流速仪法测流断面重叠布设,配合使用。

流速仪法测流断面在高、中、低水位,断面都应垂直于断面平均流向,偏角不得超过10°,超过时可根据不同时期的流向分别布设测流断面,不同时期的测流断面之间不应有增减水量。低水期时河段内出现分流、串流的,分别垂直于流向布设不同的测流断面。水库、堰闸等水利工程的下游布设流速仪法测流断面,需要避开水流紊动影响,存在不同泄水出口的,分别布设测流断面。

3.浮标法测流断面

浮标法测流断面是为浮标法测定流量而设置,一般设上、中、下3个断面。浮标法测流的中断面尽可能与流速仪法测流断面、基本水尺断面重合。当有困难时分别设置的,两断面之间不应有水量加入或分出。

上、下浮标断面必须平行于浮标中断面并等距,且其间河道地形的变化需要尽量小,河段规整均匀、断面基本一致。上、下浮标断面的距离,应大于最大断面平均流速数值的50倍,条件困难时可适当缩短,但不得小于最大断面平均流速数值的20倍。中、高水位的断面平均流速相差悬殊时,可分别设置不同水位级使用的上、下浮标断面。

4.比降水尺断面

比降水尺断面是为观测计算河段水面比降和河床糙率而在测验河段设置的水尺断面,一般设置上、中、下3个比降断面。比降断面应在基本水尺断面的上、下分别设置,并可取流速仪测流断面或基本水尺断面兼作比降中断面。比降断面之间的河底与水面,不应有明显的转折,上、下比降断面的间距,应使水面落差远远大于落差的观测误差。上、下比降断面间距可按照下式进行估算:

2.5.6　基线布设

基线是用前方交会法来测算垂线及浮标在断面上起点距而在岸上设置的测量起算边。在测验河段进行水文测验和断面测量时,基线一般用于全站仪、经纬仪、平板仪或六分仪等测角交会推算测验垂线在断面上的位置(起点距)。

基线通常布置成垂直于断面,基线的起点为与断面线的交点,这样构成的直角三角形对于计算非常简单。绝大部分测站都具有布设垂直断面的基线的条件,也有受地形条件限制而基线不垂直于断面的特殊情况。基线长度的确定,取决于测量精度的考虑,应使基线上的观测点,对断面上最远一点的仪器视线与断面线的夹角大于30°,特殊情况下亦应大于15°。不同水位时水面宽度相差悬殊的测站,可在岸上和河滩上分别设置高、低水位的基线,其中高水位的基线桩需要设在历年最高洪水位以上。基线长度的测量以前采用钢尺往返测量,往返测量误差不超过1/1000,现在基本采用全站仪直接测量,虽然对中误差成为基线长度误差的主要因素,但10m以上长度基线即可忽略正常对中误差的影响。

2.5.7　测量标志

1.测站高程控制点

高程基准是推算地区或国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据,它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。有水准网覆盖的地区,水文测站应采用国家或地区的高程控制系统,且应使用本地区经济建设和社会生活普遍使用和公共应用的高程基准。

一个水文测站应建立稳固的测站基本水准点群,至少有3个以上水准点组成自校系统,基本水准点的相互间距应在300～500m之间。当水尺断面离基本水准点较远时可设置校核水准点。测站基本水准点按照三、四等水准测量规范要求的规格、尺寸和要求埋设,其高程以不低于三等的方法从国家水准网引测。

2.基线桩与断面桩

当基线、断面位置确定后,应设立基线桩、断面桩、断面标志桩以及其他必要的测量标志。在基线的起点和终点处设置基线桩,基线起点桩通常兼作断面桩。各种水尺断面和流速仪、浮标测流断面,在两岸分别设立永久性的断面桩。断面桩中的高水位桩设在历年最高洪水位以上0.5～1.0m处。漫滩较远的河流,设在洪水边界以外。有堤防的河流,设在堤防背河侧的地面上。

3.示位标

流速仪、浮标测流断面的两岸均设立坚固、醒目的断面标志杆。当河面较窄时,可在同一岸设立两个断面标志杆,两杆的间距为近岸标志杆到最远测点距离的5%～10%,并不得小于5m。

4.保护标志

水文测验河段的保护标志分两种,一种是警示公告标志,另一种是助航标志。警示标志主要提示过往人员注意安全、不要触碰设施、不要进入测验区域、禁止破坏测验设施、不准占用测验河段等。助航标志是按照国家水上交通信号和标志有关规范规定,设置的通航指示标志,主要包括航行浮标、占位浮标、禁航信号、障碍信号、禁止抛锚、架空线标志、水线标志等。