3.5 水文信息处理

各种水文测站测得的原始信息，都要按科学的方法和统一的格式整理、分析、统计、提炼成为系统、完整、有一定精度的水文信息资料，供水文水资源计算、科学研究和有关国民经济部门应用。这个水文信息的加工、处理过程，称为水文信息处理（资料整编）。

水文站每次施测的水文资料，只能代表当时的情况，这些零星的、片断的甚至有时是错误的资料，不能直接提供给有关部门使用。这些水文资料必须进行审查和分析计算，并按统一的格式进行整理为有足够精度的、系统的、连续的流量资料，供有关部门使用。

本节主要介绍流量资料的信息处理，简要介绍泥沙信息处理。

3.5.1 水位流量关系曲线的绘制

根据实测流量成果点绘水位-流量关系（Z-Q），可以发现水位与流量之间存在稳定与不稳定两种关系。

1.稳定的水位流量关系曲线

稳定的水位流量关系是指在一定条件下水位和流量之间呈单值函数关系，即一个水位对应一个流量，它们之间呈现单一关系。在实际工作中，常以水位为纵坐标，流量为横坐标建立坐标系，将实测资料点绘在普通方格纸上，若点据密集分布成一带状，75%以上的中高水流速仪测流点据与平均关系线的偏离不超过±5%，75%的低水点或浮标测流点据偏离不超过±8%（流量很小时可适当放宽），且关系点没有明显的系统偏离，这时即可通过点群中心定一条单一线。点图时在同一张图纸上依次点绘水位-流量、水位-面积、水位-流速关系曲线，并用同一水位下的面积与流速的乘积，校核水位-流量关系曲线中的流量，使误差控制在±（2%～3%）。以上3条曲线比例尺的选择应尽量使它们与横轴的夹角分别近似为45°、60°、60°，且互不相交（图3.8）。

图3.8 某站某年水位-流量关系曲线图

2.不稳定的水位流量关系曲线

所谓不稳定的水位流量关系，是指同一水位情况下，断面通过的流量不是定值，点绘出来的水位流量关系不是单一的曲线。

根据水力学中的曼宁公式，天然河道的流量可用下式表示：

式中：Q为流量，m³/s；F为过水断面面积，m²；R为水力半径，m；n为糙率；I为水面比降。

从上式可知，影响流量的因素很多，即使在同一水位时，只要其中某因素发生变化，流量就会发生变化。一般来说，Z-Q关系之所以不稳定，最主要的是受冲淤、变动回水、洪水涨落的影响，如图3.9～图3.11所示。

图3.9 受冲淤影响时的水位-流量关系

图3.10 受变动回水影响时的水位-流量关系曲线图

图3.11 受洪水涨落影响时的水位流量关系

图3.12 连时序法水位流量关系曲线图

3.不稳定的水位流量关系曲线的处理方法

不稳定的水位流量关系曲线的处理方法很多，也比较灵活。这里介绍一种适用性较广的连时序法。此法是按实测流量时间的顺序连接Z-Q曲线，连线时应参照水位过程的起伏变动情况和水位面积曲线的变动情况，如图3.12所示。图中点旁注明的是测次号数，如4表示第4次测流。使用时按水位发生的时间在Z-Q曲线的相应位置查读流量。

3.5.2 水位流量关系曲线的延长

水位流量关系是根据实测的水位和流量资料建立的，但是在水位特高时，施测流量往往有困难，因此缺乏高水时的实测流量资料；最枯流量也可能由于某种原因缺测。在这种情况下，需将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能推得完整的流量过程。

1.根据水位面积、水位流速关系延长

河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点据常较密集，曲线趋势较为明显，此时可根据这两条曲线来延长水位流量关系曲线。首先根据大断面资料，绘出需要延长的高水部分的水位面积曲线，然后按水位流速曲线上端的趋势外延，最后根据延长部分的各级水位的面积与相应的流速乘积来延长水位流量关系曲线，如图3.13中的虚线部分。

图3.13 用水位面积、流速法延长Z-Q关系曲线图

2.用曼宁公式延长

此法是利用曼宁公式计算出需要延长部分的断面平均流速v（m/s）的值，计算时常用断面平均水深代替水力半径R。由于大断面资料已知，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降I。

在有比降观测资料的测站，可根据流量、比降以及断面资料，分析各测次的糙率值，点绘水位糙率关系曲线，并顺势延长，以此确定高水位时的河床糙率。再利用高水位时的实测比降I，以及由大断面资料算得的平均水深、断面面积F，计算高水位时的流速、流量，这样便可延长水位流量关系曲线。

对于未进行比降观测，也没有糙率资料的测站，可将曼宁公式改为下列形式：

根据实测流量资料，可计算出每次测流时的值，也就得出各次测流时的值，故可点绘出关系曲线。当测站河段顺直、断面均匀、坡度平缓时，高水部分若糙率增大，则比降I亦应作相应增加，近似于常数。此时关系曲线的高水部分可沿平行纵轴的趋势外延。根据断面测量的资料，可得高水时的。于同水位时相应的相乘，就可得出相应的流量，从而使Z-Q线得到延长，如图3.14所示。

图3.14 用曼宁公式延长Z-Q关系曲线图

3.水位流量关系曲线的低水延长方法

低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位（Z₀）是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零，当河流中有死水存在时，断流水位的水深显然不等于零。如能求得断流水位，则以坐标（0，Z₀）为控制点，将水位流量关系曲线向下延长。

此法的关键在于如何确定断流水位。最好的方法是根据测站纵横断面确定。如测站下游有浅滩或石梁，则以其高程作为断流水位；如果测站下游很长距离内河底平坦，则取基本水尺断面河底最低点高程作断流水位；有时也可通过查勘、调查得出断流水位。

3.5.3 水位流量关系曲线的移用

工程规划设计及施工时，往往需要河流某些断面处的水位流量关系曲线，而这些断面不会恰巧就是水文站，通常没有实测资料，这时就需要设法将邻近水文站的水位流量关系移用到设计断面。

当设计断面与水文站距离不远，河段内无大的入流和出流，这时可在设计断面设立临时水尺，与水文站同时观测水位。由于中、低水时河流中的流量在短距离内沿程变化不大，故认为各断面同一时刻的水位对应的流量相同，于是可根据与设计断面同时观测的水文站水位，在水文站的水位流量关系曲线上查得流量，将此流量与设计断面所观测的水位点绘曲线，即可得出设计断面中，低水的水位流量关系曲线。至于高水部分的水位流量关系，则可用前面介绍的延长方法进行延长。

如果设计断面与水文站之间有水流流入或流出，就不能用上述转移水位流量关系的办法来推求设计断面的水位流量关系了，这时主要是靠水力学方法来计算设计断面的水位流量关系，如对稳定流，可先将设计断面到水文站之间的河段分成若干河段，分段时应尽可能使各段具有一致的平均底坡和粗糙度，过水断面的形状大小无急剧变化，且同一段内流量基本保持不变；其次假定设计断面的流量，根据支流流入或流出情况确定每个流段的流量；最后利用明渠稳定非均匀流方程，由水文站断面的水位开始，逐段试算求解水位值，这样便可得到设计站的水位流量关系。对非稳定流，则可通过解圣维南方程组求水位流量关系。

3.5.4 流量资料整编

按照上述方法定出水位流量关系曲线后，就可将水位资料转换为我们所需要的流量资料，并进行各种统计整理工作。

1.日平均流量的推求

当一日内流量变化平稳时，可用日平均水位从水位流量关系曲线上查得日平均流量。当一日内流量变化较大时，可由瞬时水位在水位流量关系曲线上查得瞬时流量，再用瞬时流量按算术平均法或面积包围法求得日平均流速，进而可求得逐月平均流量及全年平均流量。

2.洪水水文要素摘录表

在进行洪水分析时，仅有上述流量资料是不够的，还应了解全年各次主要洪水的流量过程，常以表格形式给出，如水文年鉴中的洪水水文要素摘录表。

3.5.5 悬移质泥沙信息处理

在整编悬移质输沙率资料时，应对实测资料进行分析。通常是着重进行单断沙关系的分析。经过分析，如果查明突出点的原因属于测验或计算方面的错误，可以适当改正和酌情处理。

有了单断沙关系曲线，便可根据经常观测的单沙成果计算出逐日断面平均含沙量，再与相应的平均流量相乘，即得各日的平均输沙率。这种算法比较简单，当一日内流量变化不大时是完全可以的。如在洪水时期，一日内流量、含沙量的变化都较大时，应先由各测次的单沙推出断沙，乘以相应的断面流量，得出各次的断面输沙率。根据日内输沙率过程求得日输沙总量，再除以一日的秒数，即可得日平均输沙率。

将全年逐日平均输沙率之和除以全年的天数，即得年平均输沙率。

3.5.6 水文资料收集

收集水文资料是水文分析计算的基本工作之一。水文资料的来源有水文年鉴、水文手册、水文图集和各种水文调查资料等。

各次水文要素观测后必须进行整理、统计、刊布，才能供各部门使用，这就是资料整编。国家布设的水文站网的观测记录，经过整编后，由主管单位逐年刊布成册称《水文年鉴》。水文年鉴按全国统一规定，分水系、流域、干支流及上下游刊印。经过1964年调整后，全国共分10卷75册如长江流域属第六卷，分20册、20世纪90年代随着计算机在水文资料整编、存储和水文数据库的快速发展，水文年鉴曾停刊，拟用建成的水文数据库为社会提供服务，暂时取代了水文年鉴。2001年后，为了满足不同使用单位的需要，水文年鉴重新刊印。

1.《水文年鉴》

《水文年鉴》刊印的主要内容如下：

（1）说明资料。水位、水文、地下水测站一览表；降水量、蒸发量测站一览表；水位、水文、地下水测站分布图；降水量、蒸发量测站分布图；年降水量等值线图；各站月年水位统计表；各站月年平均流量对照表；各站月年平均输沙率对照表；各站洪水流量统计表；各站枯水流量统计表。

（2）正文。

1）考证资料：说明表及位置图。

2）水位资料：逐日平均水位表；逐日潮水位表；潮水位月年统计表。

3）流量资料：实测流量成果表；实测大断面成果表；堰闸流量率定成果表；逐日平均流量表；洪水水文要素摘录表；堰闸洪水水文要素摘录表；水库水文要素摘录表。

4）输沙率资料：实测悬移质输沙率成果表；逐日平均输沙率表；逐日平均含沙量表。

5）泥沙颗粒级配资料：实测悬移质颗粒级配成果表；实测悬移质单样颗粒级配表；月年平均悬移质颗粒级配表。

6）水温冰凌资料：水温月年统计表；冰厚及冰情要素摘录表。

7）水化学资料：水化学分析成果表。

8）地下水资料：地下水位表。

9） 降水量资料：逐日降水量表；降水量摘录表；各时段最大降水量表（一）；各时段最大降水量表（二）。

10）蒸发量资料：逐日水面蒸发量表。

11）水文调查资料：水利工程年调节用水量调查汇总表。

12）潮水位资料：逐日潮水位表；潮水位月年统计表。

需用近期尚未刊布的水文资料，可向有关省（自治区、直辖市）的水文总站或有关流域机构收集。

2.水文手册和水文图集

中小型水库的建设起点，一般是没有水文站的。为了适应中小型工程发展的需要，各省（自治区、直辖市）都编制了各地区的水文手册或水文图集，它们是应用现有的水文分析方法，总和本地区各水文站的水文资料，以简明的图、表和公式形式，提供全省（自治区、直辖市）各地点的降水、蒸发、径流量、洪水等水文要素的设计数据。