第三节 水文测站的设立
水文测站的设立包括测验河段的选择和观测断面的布设。
一、水文测验河段选择
（一）选择条件
（1）满足设站目的的要求。
（2）稀遇洪水和枯水季节，均能测得所要的信息。
（3）在保证工作安全和测验精度的前提下，尽可能有利于简化水信息要素的观测和观测数据的整理分析工作。如具体对水文测站来说，就是要求测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系（单一关系），从而可由水位过程推求出流量过程，大大减轻流量测验及资料整编的工作量。为此，要求水文站具有良好的测站控制。
（4）交通方便，测站易于到达。
（二）考虑因素
要根据设站的目的要求和河流特性综合考虑，灵活掌握，慎重选择。如水文测站选择一般从以下几个方面考虑。
（1）平原河流。应尽量选择河道顺直、匀整、稳定的河段，其顺直长度应不小于洪水时主横河宽的3～5倍，以保证比降一致。河段最好是窄深的单式断面，并尽可能避开不稳定的沙洲和冲淤变化过大的断面。河段内应不易生长水草，不受变动回水影响。目的是尽量保证测验河段内的断面、糙率、比降保持稳定。
（2）山区河流。应选在石梁、急滩、卡口、弯道的上游附近规整的河段上，避开乱石阻塞、斜流、分流影响处。
石梁、急滩，一般在中、低水起控制作用，高水时失去控制；而卡口、急弯则在高水时起控制作用。在选择断面控制时，应综合考虑。
（3）其他因素。避开受人为干扰的码头、渡口等处。对北方河流还应尽量避开易发生冰坝、冰塞的河段。选择测验河段还应尽可能靠近居民点。
总之，在选择水文测站时，最理想的是选择在各级水位均具备较好控制的河段。
（三）勘测调查
选择测验河段，应进行现场勘测调查。为了能充分了解河道情况和测量工作的方便，查勘工作最好在枯水期进行。勘测调查工作的主要内容有以下几个。
1.勘测前的准备工作
明确设站的目的任务，查阅有关文件资料，尤其是有关地形图、水准点、洪水情况等，确定勘测内容与调查大纲，制订工作计划，然后到现场调查。
为全面了解河道概况，对测验河段进行现场调查，调查内容包括以下几点。
（1）河流控制情况的调查。了解测站控制情况，控制断面位置，顺直河段长度，漫滩宽度，分流串沟等情况。
（2）河流水情的调查。了解历年最高、最低水位情况，估算最大流量、最小流量；了解变动回水的起源和影响范围、时间，估算变动回水向上游传播的距离；调查沙情、水草生长情况和冰凌情况。
（3）河床组成，河道的变迁及冲淤情况的调查。
（4）流域自然地理情况、水利工程、测站工作条件的调查。
2.野外测量
在勘测中，应进行简易地形测量、大断面测量、流向测量、瞬时水面纵比降测量等工作。
3.编写勘测报告
把调查的情况及测量出的成果分析整理，提出意见，为选择站址提供依据。
二、水文测站控制
（一）定义
水文测站控制是对测站的水位与流量关系起控制作用的断面或河段的水力因素总称。前者称为断面控制，后者称为河槽控制。
（二）断面控制
1.控制原理
在天然河道中，由于地质或人工的原因，造成河段中局部地形突起，如石梁、卡口等，使得水面曲线发生明显转折，形成临界流，出现临界水深hk，从而构成断面控制 （图1-3）。
图1-3 低水断面控制示意图
2.公式表达
由水力学得知，产生临界流处，弗劳德数Fr=1，即
设临界水深处河道横断面为矩形断面，断面面积A=Bhk，则临界流量为
式中：B为矩形河道横断面宽度，m；hk为临界水深，m；Vk为临界流速，m／s。
石梁无冲淤，所以，临界水深hk随临界水位Zk而变，故Q为
3.控制灵敏度
对式(1-2)两边取对数为
两边取微分为
式(1-4)说明，产生临界流时，其临界流量Qk的相对误差是临界水深hk相对误差的1.5倍。
【思考题1-1】 若河道中同时有两处河段可以进行断面控制，但临界水深hk2=2hk1，应选何处作为断面控制?
解：由式(1-4)计算为
由此引出推论：在河道中同时有两处河段可以进行断面控制时，断面窄深的控制灵敏度高。
（三）河槽控制
1.控制原理
当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来控制，如该河段的底坡、断面形状、糙率等因素比较稳定，则水位流量关系也比较稳定。这就属于河槽控制。
2.公式表达
天然河道中的水流近似为缓变不均匀流，其平均流速为
对宽浅河道有
式中：n为糙率；R为水力半径，m；h为断面平均水深,m；A为河道过水断面面积，m2；χ为河道过水断面湿周长，m；Se为能面比降，对缓变不均匀流，可用水面比降S代替。
于是，通过断面的流量为
式中：Ω为断面形状因素，其他符号含义同前。
式（1-7）表明，天然河道决定流量大小的基本水力因素有四个：水位、断面因素、糙率、水面比降。因此，要使水位流量关系呈单一关系，也就是使式（1-7）最终能够成为Q=f（Z），必须具备下列条件之一：
（1）当水位Z增加或者减小时，断面因素、糙率、水面比降均不变。
（2）当水位Z增加或者减小时，虽然断面因素、糙率、水面比降均有变化，但它们对流量大小的影响作用恰好互相补偿。
【思考题1 2】 上述两种情况中，哪一种比较容易发生？给出理由。
3.灵敏度
取宽浅河道，水深h取断面平均水深
，则
同断面控制灵敏度的推求相同，最后为
三、水文测站设立
水文测站的设立就是在测验河段，根据现场勘测调查结果，利用河段地形图、水流平面图等，合理确定各种横断面，并设立相应测量标志，设置水准点，引测其高程，设立水位观测设备、测流渡河设备等。
这里只介绍一般河道站的断面、基线布设等内容。对水库站、堰闸站的设立，参考《水文测验手册》。
（一）设立内容
（1）埋设水准点，并引测其高程。水准点分为基本水准点和校核水准点，均应设在基岩或稳定的永久性建筑物上，也可埋设于土中的石柱或混凝土桩上。前者是测定测站上各种高程的基本依据，后者是经常用来校核水尺零点的高程。
（2）测量河段地形。
（3）绘制地形图和水流平面图。
（4）依据地形图和水流平面图确定断面布设方向。
（5）布设测验断面、基线、高程基点、各种测量标志。
（6）设立各种观测设备（水位、流量等）。
（7）填写测站考证簿。
（二）断面布设
1.基本水尺断面
经常观测水文测站水位而设置的断面称为基本水尺断面。它一般设在测验河段的中央水位流量关系较好的断面上，大致垂直于流向。
2.流速仪测流断面
流速仪测流断面应与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。若不能重合时，亦不能相距过远。
3.浮标测流断面
浮标测流断面有上、中、下3个断面，一般中断面应与流速仪测流断面重合。上、下断面之间的间距不宜太短，其距离应为断面最大流速的50～80倍。
4.比降测流断面
比降断面设立比降水尺，用来观测河流的水面比降和分析河床的糙率。上、下比降断面间的河底和水面比降，不应有明显的转折，其间距应使得所测比降的误差能在±15%以内。
（三）基线布设
在测验河段进行水文测验时，为用测角交会法推求测验垂线在断面上的位置(距起点L)而在岸上布设的线段，称为基线(图1-4)。
图1-4 水文测站基线、断面布设示意图
基线宜垂直于测流横断面；基线的起点应在测流断面线上。
从测定起点距的精度出发，基线的长度应使测角仪器瞄准测流断面上最远点的方向线与横断面线的夹角不小于30°(即应使基线长度L不小于河宽B的0.6倍)；在受地形限制的个别情况下，基线长度最短也应使其夹角大于15°。
基线的长度及丈量误差，都直接影响断面测量精度，间接影响到流沙率、输沙率测验的精度。因此，基线除要求有一定长度外，基线长度的丈量误差不得大于1/1500。视河宽B而定，一般应为0.6B。在受地形限制的情况下，基线长度最短也应为0.3B。基线长度的丈量误差不得大于1／1000。
图1-4是水文测站基线、断面布设示意图。