3.3 水文观测及计算
3.3.1 概述
水文观测是采集水体有关数据的一项工作，它是以江、河、湖、海的各种水文要素为主进行的观测。江河湖泊水文要素有水深、水位、流向、流速、流量、水温、冰情、比重、含沙量、降水量、蒸发量、水色、透明度、水的化学组成等；海洋水文要素有潮汐、潮流、波浪、海流、海水温度、盐度、海上气温、气压、风向、风速、浮游生物等。通常以一定条件在江河湖海的一定地点或断面上布设水文观测站，进行长期不间断的水文观测，各种水文观测资料经整理分析后，不仅是各种水文预报的依据，而且也是研究海床、河床、河岸变迁、海流、径流规律和进行各种水利工程、海岸工程设计计算以及编写航路指南等的重要资料。
水文观测的项目很多，如水位、流量、泥沙、降水、蒸发、冰情、水质等，对某种测站，只观测其中一项或几项，本节主要介绍水位观测和降水观测两项。
3.3.2 水位观测
水位是指江河、湖海、水库等自由水体的表面离开某一基准面的距离，单位为m，常计至小数点后两位。通常是以河流入海处接近海面平均高度的某一固定点作为起点，称为绝对基面。目前全国统一规定用青岛黄海基面作为计算标准（简称黄海基面），但由于历史的原因，还有的采用其他基面，如大沽基面、吴松基面等，也有的采用假定基面或测站基面。因此，使用时应注意查明，并找出它们间的换算关系。
1.水位观测设备
常用的水位观测设备有水尺和自计水位计两种。使用最广的为直立式水尺，直立式水尺是将水尺板钉在木桩（或绑在混凝土柱）上而成。当河岸平坦或水位变化较大时，用1根水尺往往不能观测到水位的全部变化，此时可设1组水尺进行观测，如图3.5所示。最高和最低水尺要能满足最高水位和最低水位的观测。施工截流时水浪很大，为了准确观测水位，需采用防浪设备，常用1个白铁制的多孔圆筒罩在水尺上，使筒内形成静水面以便观读。
水位观测的时间和次数，要根据水情变化来确定。当水情变化不大时，可采取两次定时观测（每日8时及20时，俗称两段制）；洪水时期水位变化较大，应增加观测次数，以能观测到洪峰水位和完整的水位变化过程，施工截流时水位变化急剧，甚至每15min观测1次。
水尺是用人工来观测的，目前很多水文站都设有自计水位计，自动将水位变化的全过程记录下来。但即使是使用自记水位计，也应设水尺来比照。
图3.5 直立式水尺设立示意图
2.水位资料的整理
（1）水位的计算。
式中，水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以事先测量出来。
（2）日平均水位的计算。由于观测水位是某一瞬时的水位，要研究水位的长期变化过程必须计算日平均水位。当1日内水位变化缓慢时，或水位变化虽大，但观测或从自记水位资料上摘录的时间间隔大体相等，可采用算术平均法计算，即由1日观测的各次水位相加，除以观测次数。若1日内水情变化较大，且观测的时间间隔又不相等，可采用面积包围法（又称梯形面积法）计算。如图3.6所示，将本日0～24时的水位过程线所包围的面积，除以24h即得本日平均水位。其计算公式为：
式中：Z日为日平均水位，m；Z0、Z1、…、Zn为各时刻所观测的水位值，m；a、b、…、n为两次观测的时距，h。
图3.6 面积包围法推求日平均水位示意图
（3）年、月平均水位的计算。
水文年鉴中载有各站逐日平均水位表，汛期内水位详细变化过程则载于水文年鉴中的汛期水文要素摘录表内。
3.3.3 降水观测
1.概述
降水量观测是水文要素观测的重要组成部分，一般包括测记降雨、降雪、降雹的水量。单纯的雾、露、霜可不测记（有水面蒸发任务的测站除外）。必要时，部分站还应测记雪深、冰雹直径、初霜和终霜日期等特殊观测项目。
降水量单位以mm表示，其观测记载的最小量（以下简称记录精度），应符合下列规定：
1）需要控制雨日地区分布变化的雨量站必须记至0.1mm。
2）当有蒸发站记录时，降雨的记录精度必须与蒸发观测的记录精度相匹配。
降水量的观测时间是以北京时间为准。记起止时间者，观测时间记至分；不记起止时间者，记至小时。每日降水以北京时间8时为日分界，即从本日8时至次日8时的降水为本日降水量。观测员观测所用的钟表或手机的走时误差每24h不应超过2min，并应每日与北京时间对时校正。
2.仪器及观测
（1）仪器组成、分类及适用范围。降水量观测仪器由传感、测量控制、显示与记录、数据传输和数据处理等部分组成。各种类型的降水量观测仪器，可根据需要，选取上述组成单元，组成具备一定功能的降水量观测仪器，如图3.7所示。降水量观测仪器按传感原理分类，常用的可分为直接计量（雨量器）、液柱测量（主要为虹吸式，少数是浮子式）、翻斗测量（单翻斗与多翻斗）等传统仪器，还有采用新技术的光学雨量计和雷达雨量计等。按记录周期分类，可分为日记和长期自记。
图3.7 雨量器及量雨杯
（a）雨量器；（b）量雨杯
1—承雨器；2—漏斗；3—储水筒；4—储水器；5—承雪器；6—器盖
常用降水量观测仪器及适用范围见表3.2。
表3.2 常用降水量观测仪器及适用范围
（2）雨量器观测降水量。
1）观测时段。用雨量器观测降水量，可采用定时分段观测，段次和相应时间见表3.3。
表3.3 降水量分段次观测时间
2）观测注意事项。每日观测时，注意检查雨量器是否受碰撞变形，检查漏斗有无裂纹，储水筒是否漏水。暴雨时，采取加测的方法防止降水溢出储水器。如遇特大暴雨灾害，无法进行正常观测工作时应尽可能及时进行暴雨调查，调查估算值应记入降水量观测记载簿的备注栏，并加以文字说明。每次观测后，储水筒和量雨杯内不可有积水。
3.降水量数据处理
（1）一般规定。审核原始记录，在自记记录的时间误差和降水量误差超过规定时，分别进行时间订正和降水量订正，有故障时进行故障期内的降水量处理。统计日、月降水量，在规定期内，按月编制降水量摘录表。用自记记录整理者，在自记记录线上统计和注记按规定摘录期间的时段降水量。
指导站应按月或长期自记周期进行合理性检查，检查内容如下：
1）对照检查区域内各雨量站日、月、年降水量、暴雨期的时段降水量以及不正常的记录线。
2）同时有蒸发观测的站应与蒸发量进行对照检查。
3）同时用雨量器和自记雨量计进行对比观测的雨量站，相互校对检查。
按月装订人工观测记载簿和日记型记录纸，降水稀少季节，也可数月合并装订。长期记录纸，按每一自记周期逐日折叠，用厚纸板夹夹住，时段始末之日分别贴在厚纸板夹上。指导站负责编写降水量数据整理说明。
兼用地面雨量器（计）观测的降雨量数据，应同时进行处理。资料整理必须坚持随测、随算、随整理、随分析，以便及时发现观测中的差错和不合理记录，及时进行处理、改正，并备注说明。对逐日测记仪器的记录资料，于每日8时观测后，随即进行昨日8时至今日8时的资料整理，月初完成上月的资料整理。对长期自记雨量计或累计雨量器的观测记录，在每次观测更换记录纸或固态存储器后，随即进行资料整理，或将固态存储器的数据进行存盘处理。
各项整理计算分析工作，必须坚持一算两校，即委托雨量站完成原始记录资料的校正，故障处理和说明，统计日、月降水量，并于每月上旬将降水量观测记载簿或记录纸复印或抄录备份，以免丢失，同时将原件用挂号信邮寄至指导站，由指导站进行一校、二校及合理性检查。独立完成资料整理有困难的委托雨量站，由指导站协助进行。降水量观测记载簿、记录纸及整理成果表中的各项目应填写齐全，不得遗漏，不做记载的项目，一般任其空白。资料如有缺测、插补、可疑、改正、不全或合并时，应加注统一规定的整编符号。各项资料必须保持表面整洁、字迹工整清晰、数据正确，如有影响降水量数据精度或其他特殊情况，应在备注栏说明。
（2）雨量器观测记载资料的整理。有降水之日于8时观测完毕后，立即检查观测记载是否正确、齐全。如检查发现问题，应加注统一规定的整编符号。
计算日降水量，当某日内任一时段观测的降水量注有降水物或降水整编符号时，则该日降水量也注相同符号。每月初统计填制上月观测记载表的月统计栏各项目。