《水信息采集与处理》课设报告

《水信息采集与处理》

课

程

设

计

报

告

学院：水利与能源动力工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导老师：李帆

目录

1. 测站概况 (1)

2. 测站特性分析 (1)

2.1水位-流量关系分析 (1)

2.2测验河段断面冲淤变化规律分析 (2)

2.3流速分布规律分析 (3)

2.4含沙量分布规律分析 (3)

3. 处理方法说明 (3)

3.1连时序法 (3)

3.1.1 连时序法的分段与计算 (4)

3.1.2各段连时序中方法论证 (4)

3.1.3 难点论证和对实测数据的质疑 (4)

3.1.4与刊印处理成果比较 (5)

3.1.5存在问题 (5)

3.2水力因素型方法 (5)

3.2.1方法选择的依据 (5)

3.2.2精度分析 (7)

3.2.3突出点分析及处理的依据 (8)

3.2.4误差来源 (9)

3.2.5连时序法与水力因素法比较及说明 (9)

3.2.6存在问题 (10)

3.3悬移质泥沙处理说明 (10)

3.3.1处理站的悬沙测站特性 (10)

3.3.2单、断沙关系法的定线精度统计 (10)

3.3.3突出点分析及处理的依据 (11)

4.心得体会 (11)

5.参考文献 (13)

6.附录 (13)

1 测站概况

衡山水位站于1952年由湖南省人民政府农林厅水利局设立，基本水尺设于衡山县城北湘江左岸，白马头下游附近，1956年5月1日将水位站改为水文站时，基本水尺迁至湘江右岸粤汉码头下游100m处。1957年1月1日将基本水尺迁回至湘江左岸，原水位站水尺下游约80m处。

测验河段长700m，河段顺直长达1500m。基本水尺断面兼流速仪测流断面，无分流串沟，水位达54.00m以上时，测验河段上下游均漫滩，但系死水。上游10km，洣水由右岸汇入，下游4km，江心有一洲，名曰观湘洲，洲顶高程约为52.00m。【1】

图1衡山站测验河段平面图

2 测站特性分析

水文测站特性分析一般包括:水位-流量关系分析、测验河段断面冲淤变化规律分析、流速分布规律分析、含沙量分布规律分析等。【2】

2.1水位-流量关系分析

从1984年衡山水文站5月25日-6月10日的Z-Q关系图可看出，Z-Q关系散乱，但一一对应，所选的洪水过程中，涨水点在落水点右边，依时序可练成逆时针走向的绳套曲线，【3】由此可知其受洪水涨落的影响。从图2（1984年湘江衡山站逐日平均流量图）中可看出，5月25日至5月30日有一次小的洪水过程，31日又紧接着来了一场大的洪

水过程，前一次的洪水上涨后退水过程还没有完全完成，另一次洪水又接踵而至，因而形成复式绳套。当出现连续洪水时，由于河槽调蓄作用使河谷壅水，产生顶托作用，导致后一次洪水的稳定比降减小，流量偏小，Z-Q 关系线偏左。即由于复式洪水的后一次洪水受到洪水涨落与河槽调蓄的双重影响，洪水过程也受变动回水的影响。当两次洪峰的时间间隔很近，这种影响就更显著，甚至成为主要的影响因素。由测站概况可知，衡山站地处湘江，上下游均为漫滩，但系死水，下游有江心洲，全年高温多雨，江面很难结冰，但低水时是否受水草影响引起变动回水无法判断。故综上所述，衡山站主要受洪水涨落影响，部分可以当成变动回水处理。

04000

8000

12000

16000流量(m 3/s )日期(年/月/日)

流量(m 3

/s)

图2 1984年湘江衡山站逐日平均流量图

2.2测验河段断面冲淤变化规律分析

由Z-A 关系图可知，水位面积关系基本呈单一线，没有反曲点，可以看出测验断面不受冲淤因素影响，测验河段稳定。由附图1（1984年湘江衡山站水位过程线图）可知，1984年最高水位为51.93m ，出现在6月2号，低于54.00m ，所以该测验河段没有发生明显的漫滩情况，同时最高水位也低于52.00m ，表明下游处的江心洲也没有被淹没，与Z-A 关系图形成很好的呼应。

2.3流速分布规律分析

由Z-V 关系图可知，Z-V 关系散乱，但一一对应，所选的洪水过程中，涨水点在落水点右边，依时序可连成与Z-Q 关系图相似的逆时针走向的绳套曲线。

2.4含沙量分布规律分析

衡山站的泥沙情况表现为全年单断沙呈较明显的单一线关系，如图3（年单断沙关系图）所示。4、5月份测验河段含沙量较大，6月份开始含沙量就有明显的减小。泥沙的运动状况与水流流速之间存在很大的相关性，总体而言，处理站的洪峰滞后于沙峰，因为一般一次洪水中最大流速比最大流量先出现，而沙峰主要取决于最大流速，所以处理站的洪峰滞后于沙峰。

01

2

3

4

单沙(k g /m 3)断沙(kg/m 3)

单沙(kg/m 3)

图3 年单断沙关系图

3 处理方法说明

3.1 连时序法

3.1.1 连时序法的分段与计算

本组选择处理的数据是1984年湘江衡山站的水文数据。根据测站概况和水位过程线、水位-面积曲线、水位-流速曲线综合分析，本站主要受洪水涨落影响，偶尔也会受变动回水影响。根据这一特性和相应的水位过程线，全年可分成五段进行连时序，其时段分别为：4月3日-4月17日、4月17日-4月26日、4月26日-5月13日、5月13日-5月25日、5月25日-6月10日。我处理的是5月25日-6月10日的水文数据，计算见附表1连时序法计算。

3.1.2各段连时序中方法论证

所选时段内的实测Z～t点据分布相对均匀，且能反映出水位的变化趋势，连线时只需按时间依次连成平滑的曲线即可，无需另作分析。在Z～Q关系定线时，时间段内的实测点不够多，且5月25日-5月30日的洪水过程小，数据点聚集在一起，因此要结合水位过程线的走势。当时段内水位过程线上最低点、峰值点有实测流量值，可直接定线；最低点、峰值点无实测流量值，则需要根据水位过程线和水位面积、水位流速关系曲线来推算流量值，确定水位流量关系点位置和关系线的走向，从而定线。所画的绳套曲线应遵循逆时针走向的原则，尽可能多的穿过或接近实测流量点，使水位-流量线与实际最为接近。根据水文要素中的逐时水位在连时序法定出的绳套曲线上推求逐时流量，计算逐日平均流量，将其结果与刊印的逐日平均流量进行对照，计算相对误差。

3.1.3 难点论证和对实测数据的质疑

实测流量成果表中，56号测点水位51.08米，57号测点水位51.86米，但57号测点的流量却与56号测点的流量值相同。我一开始依时序连绳套曲线时，56、57、58三个点号处形成了顺时针绳套，询问老师后，了解到连线时并不一定要全部通过实测点，因为实测Z-Q关系点是有误差的，甚至可能会有错误，所以该处应该仍连接成逆时针绳套曲线，即在经过57号测点前绕一圈再连接57、58号测点。因此对于57号测点流量不变，水位变化较大的情况，我认为有两种可能，一是特殊水情影响；二是测量误差大或数据错误。6月1日原刊印实测流量成果表水位为48.78米，而根据水位过程表，6月1日2时的水位为48.08米，6月1日4时水位为48.57米，6月1日6时的水位为49.06

米，可推断6月1日3时-5时45分原刊印水位可能存在错误应改为48.66米或者测量时有特殊水情。

3.1.4与刊印处理成果比较

所选时段连时序法计算的日平均流量误差绝大多数满足±5%以内的要求，仅5月28日与29日误差分别达到-5.60%和-7.49%。总的来说，推流效果良好。

3.1.5存在问题

1、连时序法适用于受某一因素或综合因素影响而连续变化时的情况，要求测流次数较多，并能控制Z-Q关系的转折点。【3】但我们小组的每个洪水过程测流点不多，由于连时序法连接Z -Q关系点要求高，故有时无法准确连接，因而定线时存在误差。

2、连线时，主要依据是实测Z-Q关系点，因此要求测次能控制流量变化的转折处。如上述的57号测点至58号测点间的转折处未测到，故连线时要分析定线。特别是实测Z-Q关系点与分析的影响因素有较大出入时，更要深入分析，参照水位面积曲线和水位流速曲线定线。【3】

3、分析定线时，水位过程线是必不可少的。实测点在峰、谷前后的位置，有时会对水位流量关系线有较大影响。【3】

3.2水力因素型方法

3.2.1方法选择的依据

本次课设所采用的方法为校正因数法。

1、适用范围

适用于单式洪水绳套，测次较少。将受洪水涨落影响的实测流量通过校正因素的校正后，便可转化成同水位下稳定流的流量。当一次洪水绳套测次不多，连绳套曲线有困难时，可用此法。对于复式绳套分解成单式绳套后亦可用此法。本次课程设计所选择的洪水过程的连时序绳套的嵌套绳套较小，所以可用校正因素法定线推流。

2、原理及过程

由圣维南方程进行一系列变形可以推出

dt

dz 11c m ?+

=c US Q Q (1) 式中：

Q m 为实测流量，m 3/s;

Q c 为稳定流对应的流量，m 3/s; dt

dz 11c ?+US 称为校正因子。 已知Z 、Q m 、

dt dz ，求Q c 、c US 1。一个方程两个未知数，无法求出。先通过0=dt dz 的点（峰顶、谷底是已知的，而其余dt dz 有正有负，其间必有0=dt

dz 的点），初定一条Z-Q c 线。在初定的Z-Q c 关系曲线上，根据各测点的水位Z i ，查出其相应的Q ci 。计算得各测点的i

c US ???? ??1。

i ci mi i

c dt dz Q Q US ??? ??-???? ??=???? ??1

12 (2) 点绘Z-i

c US ???? ??1的关系电据，并通过点群中心定线Z-c US 1。检验Z-c US 1：（1）根据各测点水位Z i ，在Z-c US 1查出其相应的c US 1。（2）计算i i c mi ci dt dz US Q Q ??? ?????? ??+=11（称为

校正点）。（3）根据各测点的水位Z i 、校正点Q ci ，点绘在初定Z-Q c 关系图中，并判断：1）若这些点据集中在初定Z-Q c 关系曲线两侧，符合单一线要求，则通过；2）若这些点据散乱，不符合单一线要求，则修正；3）若这些点据仍然涨水点在落水点右边，依时序仍可连成逆时针走向的绳套曲线，只是绳套幅度变小，则将Z-c

US 1修大，直至符合单一线要求；4）若这些点据落水点在涨水点右边，依时序可连成顺时针走向的绳套曲线，则将Z-c

US 1修小，直至符合单一线要求；5）若这些点据无论怎样调整，都无法

达到符合定单一线的要求，则重新定Z-Q c 关系曲线。

已知Z 、dt

dz 、Z-Q c 、Z-c US 1。由Z 分别从Z-c US 1关系曲线和Z-Q c 关系曲线上查得c

US 1、Q c 。代入式 dt

dz U S K Q c m 1+= dt

dz US S K c c 11+= dt

dz US Q c c 11+

= (3) 求得Q m 。【3】

3.2.2精度分析

1、定线精度分析

符号、适线检验表

1）定线检验

9=K ，当05.0=α时，96.121=-α

μ；

80.05.05.05.0=--=

n n K μ (4)

通过符号检验，定线合理。

2）适线检验 8=K ，当05.0=α时，64.11=-αμ；

55.015.05

.015.0=----=n n K ）（μ (5)

通过适线检验，定线合理。

3）偏离数值检验

平均相对偏离值（即平均相对误差）为

00123.011

i ==∑=n

i X n X (6) X 的标准差为 ()00245.0)1(12i =--=

∑=n n X X S n i i

X (7) 构造统计量t ， 502.0==X

S X t (8) 05.0=α，由131=-=n K 查出761.121=-α

t 。

通过偏离数值检验，定线合理。

定线后，各测次查读的流量与实测流量进行对比统计，绳套上所绘点据较散乱，为了保证线形的连贯性，在高水位部分出现了反曲，但精度较好，误差小。

2、推流精度分析

在用校正因素法推流的时候，多日日平均流量不满足精度要求，其中6月1日流量误差最大，超过10%，故用校正因素法推流效果不好。

3.2.3突出点分析及处理的依据

从5月31日到6月1号逐时推流值整体偏小，导致相对误差较大，均在10%左右。这可能是由于水位过程线上有一小段小涨小落，在定线时只考虑了绳套曲线的平滑性而没有表示出来，从而产生误差，导致整体偏小。

首先要假设一条稳定线，根据公式??

? ?????? ??-???? ??dt dz Q Q c m 12，计算出c US 1，找出Z 和c US 1之间

的关系曲线，然后再利用i i c mi

ci dt dz US Q Q ??? ?????? ??+=11，将Q ci 回点到绳套当中，如果Q ci 与

Q c 正好重合或者正好均匀分布在Q c 两侧，说明定线成功，否则需重新定线。这样反复进行更改并最终定线成功以后利用dt

dz US Q Q c c m 11+

= 即可进行推流计算。 3.2.4误差来源

根据所得数据分析得出：

1、定线有所偏差导致误差出现；

2、水位过程线连线误差及水位涨率读数偏差；

3、Z ～

c

US 1点据分散，定线存在很大的主观能动性，有较大偏差。 3.2.5连时序法与水力因素法比较及说明

连时序法主要根据流量变化的连续性，按实测流量点的时间顺序平滑连接Z-Q 关系曲线，之后用水位-流量关系曲线进行推流，因此适用范围广，无论对于受单一因素影响的测站还是受多种因素综合影响的测站都适用。其制作过程单一，简单直观，不需要单值化定线推流，推求的精度很高。对于湘江衡山站来说，86.7%的日平均流量值满足精度要求＜5%，故连时序法是一种效果很好的推流方法。但对资料的连续性以及数据的充分性要求很高。在绘制Z-Q 关系曲线时非常复杂，有时无法准确连接，导致出现较大误差，因此需同时考虑水位过程线和Z-V 关系线；另外连时序法推流的应用性不强，不同时间、不同场次的洪水特性不一样，本次洪水的绳套难以适用于下一次。

水力因素法的主要思想是通过某些中间因素将绳套曲线转化为单一线，进而推流,而不用考虑洪水涨落过程。本组采用的是校正因素法。校正因数法适用于受洪水涨落影响的单式洪水绳套曲线的流量资料的整编,对于施测点数有限且较少的测站水力因素型方法适用性更强。但是在定线过程中，我们发现在水位历时过程线上读取涨落率的人为误差对定线推流有很大影响，原因可能是Z-c

US 1线的调整对Z-Q 曲线的作用没有理论

中的那么好，它们的变化不是很同步。且在实际过程中，单次洪水可能会受到下游回水顶托的影响，此时使用校正因素法推流精度不高。因此，从绳套推流精度的比较来看，连时序法对于本站适用性更好。

3.2.6存在问题

校正因素法应用起来比较麻烦，需要不断的调整定线。虽然我们使用了计算机Excel 进行调试，但计算过程也还是比较繁琐，很难快速得到满意的效果。另外，在定线的过程中，发现校正因素法受人为因素影响较大，原因可能是Z-c

US 1线的调整对Z-Q 曲线的作用没有理论中的那么好，它们的变化不是很同步。绳套在高水位部分出现小范围的反曲，导致整条曲线不够平滑，对后面的流率表编制有很大影响。

3.3悬移质泥沙处理说明

3.3.1处理站的悬沙测站特性

泥沙的运动状况与水流流速之间存在很大的相关性。通过对数据的分析，绘出单沙与断沙之间的关系曲线，进而推求断沙与输沙率数据。操作中采用单沙、断沙关系曲线法，由给定数据点出单沙、断沙关系点，清楚的发现点据几乎成线性关系，故采用单一线，通过点群中心定出一条直线，使直线两旁点子的数目差不多，并经过适线、符号、偏离数值检验。最后定出满足要求的一条曲线。用10%的外包线检验精度，发现满足要求，超过75%的点在外包线内，即定线成功。进而推求日平均含沙量，由于含沙量日变化不大，可将一日的测得值看作日平均含沙量，而其他没有测次的日子，就用线性内插求得当日的日平均含沙量。总体而言，测站的洪峰滞后于沙峰，因为一般一次洪水中最大流速比最大流量先出现，而沙峰主要取决于最大流速，所以测站的洪峰滞后于沙峰。

3.3.2单、断沙关系法的定线精度统计

我负责的时间段内一共含有7个点，根据《1984年湘江衡山站实测输沙率出成果表》的单样含沙量和断面平均含沙量，可以用计算机软件绘出单、断沙之间的函数关系，如

图4(单断沙关系图)所示。本组数据的单、断沙关系呈比较明显的单一关系，定线结果为单一直线，断沙=168169*单沙168023 ，因此定线较为方便准确，精度也比较高。

01

2

3

4

单沙(k g /m 3)断沙(kg/m 3)

单沙(kg/m 3)

图3 5月25日-6月10日单断沙关系图

3.3.3突出点分析及处理的依据

所选时段单、断沙的线性对应关系良好，无突出点。

4 心得体会

这是第一次接触到课设，但感觉与以往的实习没有太多差别。短短的两周稍纵即逝，整体的感受是任务分配均匀，时间安排的相对轻松。在做课设的过程中，通过自己积极思考，主动询问同学或者老师，让我学会了之前书上的难点内容，对之前已掌握的知识也有了更深刻的理解。尤其是几种重要的流量数据处理方法——连时序法和校正因素法，正是通过这次课程设计，我才真正掌握了其原理、步骤及结果分析。

我们小组分到的是1984年湘江衡山站水文数据，每位组员根据年流量变化选择洪水过程，因每个人选择的洪水过程尽量不要相同，所以我只好选择剩下的5月25日至6月10日的洪水过程，这个洪水过程是年流量变化中最大(从2650m 3/s 到15300m 3/s)的一

个洪水过程，其时间跨度也比较大，因而在点绘的水位-流量关系图、水位-面积关系图、水位-流速关系图使各关系线间横坐标的夹角满足45°、60°、60°的要求时比较麻烦，反反复复选择了好几次比例尺才满足要求。因最大流量值大，最终选择的比例尺也较大，而后续流量推算时只能保留三位有效数字，因而推流时会造成较大误差，不能使之满足精度要求。

我们先从连时序法开始，一开始以为要点绘逐日水位过程线，因而花了很多时间计算所选时段的逐日水位，询问老师后才了解到我们需要绘制的是水位过程表中所选时段的所有测点时刻的水位。因为连时序法任务分配的时间周期较长，所以我们重绘水位过程线再进行后续计算时间也没有很赶。在点绘连时序水位流量关系曲线时，对不稳定水位流量关系的分析不够深入，没有很好的结合水位-面积与水位-流量关系曲线，所以一开始绘制的绳套曲线在56、57及58号测点处出现了顺时针的走向，经过老师的提醒，我才了解到应该在57号测点处绕一圈后再连接58号测点，也清楚了这是由于中间缺少了能控制水位-流量关系的转折点，因此连线时一定要灵活分析定线。

做完连时序法，大家都逐渐进入了状态，对后面校正因素法的进行也有了一定的基础。但其中也出现了许多问题，如刚开始用校正因素法推流，误差很大，且

c US 1值出现负数，后来经分析是水位过程线连线有较大误差，导致dt

dz 误差较大，并且读数过程也出现部分误差。因此我重新检查绘制了水位过程线，并重新读数，最终大部分问题得以解决。但6月1日原刊印实测流量成果表水位为48.78米，而根据水位过程表，6月1日2时的水位为48.08米， 6月1日4时水位为48.57米，6月1日6时的水位为49.06米，所以我认为6月1日3时-5时45分原刊印水位可能存在错误应改为48.66米或者测量时有特殊水情。校正因素法定线时需要反复试算定线，修改Z-c

US 1曲线，以使得推流精度较小，虽然过程较为繁琐，但最后通过三项检验，定线成功时的心情还是很愉悦自豪的。

这次课程设计过程中试算、调线、误差计算基本都运用Excel 表格完成，提高了工作效率，也保证了计算的准确性，还提升了我的计算机的操作能力。此外，在绘制图形时，我也运用了在科创项目中学习的绘图软件OriginPro 8，使图形及最后报告更加正式美观。通过这次课程设计，我自己也养成了认真、严谨的工作态度和科学客观的处理数据，不因为了满足要求而凑数据，而是当不满足要求是从根源寻找原因，重新试算、定

线，对于突出点，不擅自修改数据，而是根据测站特性和数据特征分析原因。

总而言之，两周的课程设计过程中我遇到了名种各样问题，但我学会了独立思考，与同学老师沟通交流，最终解决了问题。我也发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，通过这次课程设计之后，我充分的掌握了所学的知识并能很好的运用。

作为一名水文与水资源工程专业大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。还有一年多我们就要毕业，目前的我们还不能很好的将所学的理论知识与实践相结合，而课设就为我们将来面对现实中的各种水文要素的改变和处理奠定基础，所以我们要珍惜这样黄金时刻，脚踏实地的学习，为今后成为一名优秀的水文工作者打下坚实基础！

5 参考文献

[1]《水文与水资源工程专业水信息采集与处理课程设计指导书》——扬州大学水利与能源动力工程学院

[2]陈莉红,杨彪,王阳阳.浅谈水文测站特性分析[J].河南水利与南水北调,2015(19):40-41.

[3]谢悦波.水信息技术[M].北京:中国水利水电出版社,2009

6 附录列表

1、表

（1）附表1：连时序法计算日平均流量相对误差计算表

（2）附表2-1：校正要素法校正计算表

（3）附表2-2：校正因素法推流计算表

（4）附表2-3：校正要素法相对误差表

（5）附表3：日平均流量、日平均输沙率和日平均含沙量计算表

2、图

（1）附图1：1984年湘江衡山站水位过程线图

（2）附图2：连时序法水位流量关系图

（3）附图3：校正因素法水位流量关系图

（4）附图3：单沙断沙关系图