水文水利行业应用培训

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水文基本概念 水文基本概念 —— —— 为什么要测量水位和流速为什么要测量水位和流速 ??

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Hydrology (水文学 )

Hydrology – 水文学是指对水体的运动 , 分布形态 , 及水质等方面的研究 , 进而可以帮助我们更好的了解水循环及水资源等方面的信息

水文学研究的领域包括 :

• 水位气象学• 地表水文学• 水文地质学• 流域管理 • 水质

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水循环体系

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我们可以用水文测量仪器来测量水循环过程中的各种变量

水循环的主要组成

• 降水 /Precipitation • 水位 /Stage (of open channels)• 流速 /Velocity (of flow)• 地下水 /Groundwater• 蒸发 /Evaporation• 土壤含水量 /Soil moisture

水循环体系

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水文仪器

Rivers

Ground Water

Rain

Sampling Lakes Estuaries and Shallow Ocean

Hydrolab Multiprobe

OTTDatalogger

OTT Portable DataCollection

OTT Rain Gauge

OTT Level Sensor

OTT Flow Sensor

OTT Software

OTTCommunications

Buyout ItemsOTT Ground Station

水循环体系

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水文学是一门用来研究复杂水域系统的科学 , 该学科有助于解决目前存在的水资源问题

水资源我是我最重要的自然资源 , 是生命之源

自然界提供的可利用水资源量非常有限 , 尽管地球上有足够的水 , 但这些水限于时间及空间分布的原因 , 再加上日渐突出的污染和水资源浪费 , 我们能够实际使用的水资源非常有限

为了找到应对全球水资源危机的解决方法 , 我们必须要掌握相关水文数据

为什么需要测量水文数据？

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地下水

Source: The Universities Council on Water Resources (UCOWR)

依据测井中测到的水位 , 结合通过钻井得到的含水沉积层和岩石层的广度 , 深度和厚度 , 水文专家可以估算地下水水量

他们会记录地下水水位 , 收集土壤 , 岩石及水样来进行实验室分析

为什么需要测量水文数据？

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农业农业用水是人类总体使用水量中最大份额的部分。充足良好的供水是农业的基本保障，尤其在干旱地区。人们需要知道河流及地下水能够提供多少水源供给农业，甚至是跨流域调水。

为什么需要测量水文数据？

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Introduction Hydrometry, 05 / 2009

水文数据给决策部门提供洪水预警的必要信息。使得流域内的人们不受或少受洪水的威胁。

洪水预警为什么需要测量水文数据？

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Flood control

http://www.hnd.bayern.de/

为什么需要测量水文数据？

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水力发电

Source: The Universities Council on Water Resources (UCOWR)

为什么需要测量水文数据？

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航运为什么需要测量水文数据？

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水务管理部门的应用实例

Source: River Ruhr Association, Essen

15Source: River Ruhr Association, Essen

水务管理部门的应用实例

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水务管理的主要关注点：• 洪水预警：在雨季、部分水库

的库容需要预留给可能出现的洪水。

• 水力发电：同时，还需要兼顾水力发电，但低水位会导致发电量下降。使得水能资源浪费。

• 经济：要兼顾经济性和安全性。• 水工业：工业冷却水、过程水

以及饮用水都需要大量的水资源 。

水务管理部门的应用实例

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主要水文参数

降水量 / 降水强度

物理指标，通常单位是 mm

雨量站的选址最重要的是什么？

如何衡量雨量的监测？测量的参照是什么？

通常要求多高的精度？

测量降雨的难点在哪里？

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降水量 / 降水强度监测

主要水文参数

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地下水位

物理指标：通常的单位是 m 、 mm 、 cm

地下水位监测的目的是什么？

安装地下水位计时最重要的是什么？

什么样的地下水位计才是好仪器？

如何校验地下水位计？

测地下水的困难在哪里？

- ……

主要水文参数

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参考点

• 地下水：井口

• 手动测量：水位 = 井口标高 - 埋深

• 自动测量： 水位 = 井口标高- 系统长度+ 水深

地下水位

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水位

物理指标，单位是 mm 、 m 、 cm

水位测站选址时最重要的是什么？

水位测站安装至最重要的是什么？

水位测量需要多高的精度？

水位测量如何验证？

水位测量的难点在哪里？……

主要水文参数

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水位测量原理

• 水面以上测量 :光学原理 （在测尺附近安装读数表）浮子原理雷达原理超声波原理

• 水下测量：压力原理气泡原理

影响测量的因素：温度、纬度、盐度

主要水文参数

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• 均匀流 : 沿着流动主方向上的流速分布均匀一致。

• 非均匀流：沿着流动方向上的流速分布不一致，随着坡度等环境的变化发生变化。

、 .

Source: University of Illinois

主要水文参数

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• 恒定流 :流动不随着时间变化人工渠道或管道中可能出现恒定流。部分天然河流也有近似为恒定流的可能。 恒定流的水位和流量有一定的关系。

• 非恒定流 :流动随着时间变化，包括流动的速度和方向。非恒定流通在洪水过程中非常常见。此时，水位和流量的关系被打乱。 W

Q

t1

t2

主要水文参数

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流量定义为单位时间内通过某个断面的水的体积。什么是流量 ?

流量的测量和计算

主要水文参数

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流速分布

• 通常 0.6 倍水深位置上的流速等于垂线上的平均流速。

Source: University of Illinois

主要水文参数

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流速分布

水位

1 2 3 4

1 光滑的混凝土2 泥沙3 岩石4 更大的固体

主要水文参数

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回流OTT ADC 可以用于测量回流。

Level

主要水文参数

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移动式测流

OTT ADC OTT Qliner

主要水文参数

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垂线的选择

serré serrélâche

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12131415

close wide close

为什么靠近河岸的垂线密度大于河中央的垂线密度的 ?

主要水文参数

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断面流速分布

流速梯度大的区域

主要水文参数

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Stage (m) 水位

Time

水位 - 流量曲线 流量 (m³/s)

Time Q

在不同水位下测量当地流量，绘制水位 - 流量曲线。然后只需测量水位即可得出近似流量。

如何通过水位直接得到流量 ?

主要水文参数

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OTT Hydromet 产品总体介绍• OTT

– 水文仪表：• 水位计：气泡式、雷达式、压力式、浮子式• 流量计、流速仪：机械式、电磁式、固定 /走航多普勒• 雨量计：称重法、激光气象仪（粒子滴谱仪）• 小型气象站

– 小型监测系统• 数采仪： DuoSens 、 LogoSens 、 NetLog• 小型工作站• 浮标站： MB1000 、 MB1400

• Hydrolab– 多参数水质分析仪： DS5 、 DS5X 、 MS5– 多参数水质分析仪： Quanta 、 Quanta-G

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水文水利行业中的水文产品

• 地表水基本水文参数– 水位

• 气泡水位计•雷达水位计•压力水位计•浮子水位计

– 流量•固定式 ADCP•走航式 ADCP•便携式流速仪•便携式流量计

•地下水基本参数•水位•盐度

•气象参数•雨量

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山洪预警应用方案

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山洪的爆发的巨大危害

• 山洪是指山区溪沟中发生的暴涨洪水。山洪具有突发性，水量集中流速大、冲刷破坏力强，水流中挟带泥沙甚至石块等，常造成局部性洪灾，一般分为暴雨山洪、融雪山洪、冰川山洪等。

• 汛期 4-9月，特别是主汛期 6-8月，是山洪灾害多发期。在同一流域，甚至同一年内有可能发生多次山洪灾害，所以具有季节性强、频率高的特征。

• 山洪冲毁房屋、田地、道路和桥梁，常造成人身伤亡和巨大的财产损失。

• 我国整体地质条件复杂，由于拓荒不当、水土保持不利、水利设施年久失修、对山洪预警不足等种种原因，去年爆发了许多大规模的山洪和泥石流，造成了巨大的灾害，如甘肃舟曲。

• 基于上述种种原因，国家在十二五期间对于山洪预警十分关注，这对我们水文监测领域提出了新的要求。

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山洪预警的难题

• 季节性– 河道或溪流常年流量很小，甚至没有流量

• 突发性– 一旦形成集中降雨，收到狭窄河床的约束，水量难以在短时

间内迅速排除，形成突发的水位上升，流量瞬间增大许多倍– 急剧上升的水压导致山体滑坡等形成泥石流– 通常设备难以监测– 突发的洪水会损毁水下安装的设备

• 地处偏远山区，人工观测困难– 人员安全得不到保障

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山洪预警方案

• 全方位预警体系– 雨量

• 在上游地区建设一定数量的雨量监测站，监测上游降水情况，一旦发生集中降雨则提高预警等级

– 水位• 在可能出现山洪的地区安装水位计，实时监控水位情况。• 为适应山洪预警的特殊需求，选用非接触式水位测量

– 流速• 在可能出现山洪的地区安装流速仪，实时监控流速，根据流速变化情况进行预警

• 为适应山洪预警的特殊需求，选用非接触式流速仪。

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山洪预警对仪器的特殊要求

• 实时性– 设备必须反应及时，能够及时有效的提供监测数据

• 稳定性– 设备必须能保证长期稳定测量

• 可靠性– 设备必须能在各种恶劣条件下正常运行

• 低功耗– 在太阳能供电条件下长期运行

• 无线传输• 尽可能减少水下安装

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OTT 山洪预警解决方案

• 雨量– OTT Pluvio2 高精度称重法雨量计

• 水位– OTT RLS雷达水位计

• 流速 / 流量– OTT Kalesto V 雷达流速仪