2.4 水文测验
河流水情的变化，可由河流水文因素的观测资料来反映，对各项水文因素的观测，称为水文测验。水文站是进行水文测验的观测站，在固定的测流断面上，按国家水文测验规范的要求，定时进行水位、流速、流向、流量、比降、降雨、蒸发、泥沙、地下水位等各项水文因素的观测和资料整编工作。
为了能正确地搜集和应用水文站的观测资料，了解一般的水文观测工作是必要的。现简要介绍水位、流速观测和流量计算的基本知识。
1.水位观测
水文站观测的水位，是指某一时刻该水文站测流断面（水文站固定观测的河流横断面）的水面高程，其水面高程所依据的水准基面，一般由水文站按实际情况选定，并有可能变动。使用水文站的水位资料时，必须注意它所依据的水准基面及其换算关系，必要时可进行换算。一般以黄海平均海平面（青岛站）作为我国陆地高程的起算面，即基准面。
水位是河流最基本的水文因素，河流的水位变化反映河道中水量的增减，是工程建设中不可缺少的水文资料，并可用以推算流量。
目前，广泛应用水尺和自记水位计进行水位观测，水尺读数加水尺零点高程就是水位。常用的水尺有直立式、倾斜式和矮桩式3种，如图2.17所示。
水位观测必须连续进行，以便掌握水位变化的规律。用水尺观测时，应按要求的次数和时间，定时观测；用自记水位计观测时，应定时校测和检查。平时应测得完整的水位变化过程，满足日平均水位计算的要求；洪水期应观测到洪峰水位和洪水水位变化过程。另外，还需要设立比降水尺，观测两个测流断面之间的水面落差，用以计算两断面之间的水面比降。水文站测流断面和水尺的布设情况，如图2.18所示。
图2.17 水尺示意图
通过水位观测，能够得到各种特征水位、平均水位、水位过程线、水面比降等资料。
图2.18 测流断面和水尺布设示意图
2.流速测验
天然河流过水断面内的流速分布，一般是由河岸向河心逐渐增大，由河底向水面逐渐增大，最大流速一般出现在最大水深处的水面附近，流速分布如图2.19所示。
流速测验的目的就是通过实际的流速测量，描述过水断面内的流速分布情况，并用以推算通过该断面的流量。流速测验常用的方法有流速仪法和浮标法两种。
（1）流速仪测流。流速仪一般可分为旋杯式和旋桨式两种，如图2.20和图2.21所示。流速仪只能测得断面中某一点的流速，测流时可将流速仪放到需要测速的位置（测点），水流冲击旋杯（或旋桨）使其转动，根据每秒转数与流速的关系推算该测点的流速。仪器出厂时均通过检定，附有检定公式，可用以计算流速。
图2.19 天然河流断面流速分布
图2.20 旋杯式流速仪
图2.21 旋桨式流速仪
在进行流速测验时，首先要在测流断面上布设适当数量的垂线，测出各条垂线的水深和起点距（各垂线到测流断面起点桩的水平距离），以便绘制测流断面图，这些垂线称为测深垂线。用流速仪测流时，需要在测流断面上选择若干有代表性的垂线施测流速，称为测速垂线。多数测深垂线与测速垂线相重合，但测深垂线一般较测速垂线多。对于每一条测速垂线，也要测出水深和起点距，并按不同水深在垂线上布置若干个测点，用流速仪逐点测出流速。但是，测速垂线的水深测量应与流速测量同时进行，水位变化较大时，还应该同时观测水位。流速仪测流开始和结束时，均需观测水位和比降，必要时还应增加观测次数。测深垂线、测速垂线、测点的布设原则和数量，均应根据测流断面的实际情况，按有关规范确定。
（2）浮标测流。浮标测流的方法简便，但不如流速仪测流精确，常在没有条件进行流速仪测流时采用。浮标是观测标志，凡是能在水中漂浮之物，都可做成浮标，最常用的是水面浮标。
水面浮标测流，可在测流河段上沿河宽均匀投放浮标，测出浮标通过上下游两断面间的时间和上下游两断面间的距离，就可以计算浮标的漂行速度，作为水面流速。连续观测每个浮标的平面位置，还可以绘制河流的流向图。浮标测流的断面布置，如图2.22所示。
3.流量计算
河流的流量是过水断面面积与断面平均流速的乘积。过水断面内的流速分布是不均匀的，而上述流速测验的方法，只能测得某点的流速或水面流速，不能直接量测断面平均流速，也不能直接利用实测流速计算断面平均流速。因此，流量计算需采用间接的分块计算方法：将过水面积划分成许多较小的面积（称为部分面积），利用实测流速计算各个部分面积的断面平均流速和流量，再把各个部分面积的流量总和作为全断面的流量。
图2.22 测流断面
流速仪测流时，流量计算可按下列步骤进行：
（1）以测速垂线将测流断面划分成若干部分（n部分），如图2.22（图中n=7）所示。计算各部分的过水面积，即部分面积Ai（i=l～n）；岸边部分可按三角形面积计算，中间部分可按梯形面积计算。
（2）根据各测点的实测流速，计算各测速垂线的垂线平均流速vm，可按各测速垂线上测点的数目，分别采用下列公式计算：
式中
——垂线平均流速，m/s；
v0.0、v1.0——水面及河底的测点实测流速，m/s；
v0.2、v0.5——0.2及0.5垂线水深处的测点实测流速，m/s；其余脚注的意义相同，水深均由水面垂直向下计算；
K——半深流速系数，可利用多点法实测资料分析确定，无实测资料时，可采用0.90～0.95。
（3）计算各个部分面积的断面平均流速vi（称为部分平均流速）。岸边或死水边的部分平均流速，等于自岸边或死水边起第一条测速垂速的垂线平均流速乘以系数α，例如图2.22中的v1=αvm1，v7=αvm6系数α值，死水边取0.6，斜坡岸边取0.7，陡岸边取0.8（不平整的）或0.9（光滑的）。断面中间的部分平均流速，等于相邻两垂线平均流速的算术平均值。
（4）计算各个部分面积的流量Qi（称为部分流量）。部分流量等于部分面积与部分平均流速的乘积。
（5）计算全断面的流量Q。
则全断面的过水面积A和断面平均流速v应为
水面浮标测流时，流量计算可按下列步骤进行：
（1）以测深垂线将测流断面划分为若干部分（h部分），如图2.23（图中为6部分，即n=6）所示，并分别计算各部分面积Ai（i=1～n）。
（2）根据各浮标的漂行速度和起点距，在测流断面图上绘出水面流速分布曲线（图2.23中流速曲线），并从该曲线上读出各测深垂线处的水面流速。
图2.23 测流断面和水面流速曲线
（3）把各个测深垂线的水面流速直接作为垂线平均流速，按上述流速仪测流时流量计算的同样方法，计算部分平均流速、部分流量和全断面流量。但这样计算的全断面流量并不是全断面的实际流量，称为全断面虚流量Qf，而全断面实际流量Q应为
式中 Kf——浮标系数，可用浮标与流速仪同时测流对比求得；一般水深较大的大河约为0.85～0.90，而小河约为0.75～0.85。
4.相应水位的计算
测流过程中，水位在不断变化，观测各条垂线的流速时，水位也各不相同。全断面流量所对应的水位（即相应水位），需通过计算确定。可按下列方法进行：
（1）算术平均法。测流过程中，由水位变化而引起的过水断面面积的变化，不超过5%～10%（平均水深大于1m时）或10%～20%（平均水深小于1m时），一般可取测流开始和终止时，两次观测水位的算术平均值作为相应水位。
（2）加权平均法。测流过程中，水位变化引起的过水断面面积的变化，超过上述限度时，可按下式计算相应水位H（m）：
式中 Bi——第i条测速垂线所代表的水面宽，对于断面中间部分的垂线，Bi应为该垂线至两侧相邻垂线间距的平均值，例如图2.22中的第3条测速垂线，B3=
；对于岸边垂线，则为水边至该垂线的间距加该垂线至相邻垂线间距的一半，例如图2.22中的第1条测速垂线，
；图2.22中的bi（i=1～11）为测深垂线的间距，m；
vmi——第i条测速垂线的垂线平均流速，m/s；
Hi——第i条测速垂线上测速时观测的水位，m。
水文站除进行水文测验工作外，还进行水文调查（包括汇水区概况调查、河段调查、洪水调查、冰凌调查和涉河工程调查），以获得全面的水文资料。并通过对观测和调查资料的分析计算，整编成系统的水文资料。水利部门每年把各水文站的整编资料汇编为《水文年鉴》出版。1990年以后，各省（市）水资源局建立水文资料计算机数据库，为工程建设提供服务。