为了满足各方面对水文资料的需要而布设的水文测站体系。水文测站是经常收集和提供固定地点一项或多项水文资料的工作单元。水文测站组成站网,能够解决无测站地点的一些水文问题,发挥比各种单站大得多的作用。水文站网密度是否足够,布设是否恰当,对整个水文工作都有极为重要的影响。测站分类 中国把水文测站按性质分为基本站、专用站两大类。
为了满足各方面对水文资料的需要而布设的水文测站体系。水文测站是经常收集和提供固定地点一项或多项水文资料的工作单元。水文测站组成站网,能够解决无测站地点的一些水文问题,发挥比各种单站大得多的作用。水文站网密度是否足够,布设是否恰当,对整个水文工作都有极为重要的影响。
测站分类 中国把水文测站按性质分为基本站、专用站两大类。基本站组成基本水文站网,其任务是:收集实测资料,探索基本水文规律,满足水资源评价、水文分析计算、科学研究的需要和重要水利枢纽、重要河段、较大区域的水文情报预报的需要。基本站的特点是:统一规划,执行测验规范,资料刊入水文年鉴,站点比较稳定。专用站是为专用目的而设立的,对基本站网起补充作用,不具备或不完全具备基本站的特点。在中国,水文站网主要指基本站,但从广义上说,水文站网也把专用站包括在内。
在中国,还按测站的测验工作内容,将测站分为六类:水文站,观测水位、流量,或兼测降水量、蒸发量、泥沙、水质等项目;水位站,只观测水位,或兼测降水量;雨量站,只观测降水量;实验站,有实验研究任务的站;水质站,只作水质监测;地下水观测井,观测地下水位,或兼测地下水开采量和水质。
有些国家按测站任务分为给规划设计积累资料的站,给工程控制运用提供实时资料的站,还有一种在流域内一直保持天然状态给资料分析提供参证的基准站。还有的按测站的测验精度、系列长短分为主要站、辅助站。
站网规划总原则 为使水文站网布设得经济合理,必须进行水文站网规划(国际上通称站网设计)。规划时有以下几个重要原则。
整体布局。在水文科学发展的早期阶段,往往在有直接需要的地点设站,在近代,则把统一规划布设的各个测站、各个项目看作是一个有机联系着的网,用所收集的资料,借助于相关、内插、移用以及建立水文数学模型等方法,来解决站网所覆盖的区域所有地点对水文的需要问题。
合理密度。站网愈密则内插精度愈高,但所花代价也越大。经济合理的密度同水文因素在地区上变化的急剧程度,国民经济的发展水平,设站条件与费用等因素有关。对于降水量、地下水等较为简单的项目,可以用抽站法进行分析。即在典型区域内密集布设站点,求出某一特征值的区域平均值或绘出等值线图,作为标准,然后计算不同站数下的误差,建立密度同误差的关系。按照允许误差即可确定相应密度。但对于流量、泥沙等较为复杂的项目,一般只能采取在实践中逐步探索的方法。有一种最小损失法,把计算误差可能招致的经济损失和站网的经费支出叠加为目标函数,按其极小值求出最优布站密度。
适时调整,对站网所提供的资料内容和精度要求是随着经济的发展而发展的。在早期,规划设计方面的要求比较突出,在水资源大量开发利用之后,管理运用方面的要求越来越多,要求资料精度越来越高,而且要解决水利工程所带来的测站水账不清的问题。对水文规律的认识,也是随着水文资料的积累不断提高的。所以,要把水文站网看成是一个在不断发展和完善的动态系统。在水文站网规划和布设之后,要根据形势的发展,适时地进行分析、验证、调整、补充。世界气象组织建议,第一步可以根据国家经济条件,参照一般的密度指标,建立一个容许最稀站网,或者说是一个可以避免在水资源开发和管理中发生严重缺陷的最低密度的站网。然后,逐步加以扩展,来满足各个阶段的要求。
站网分项规划原则 水文站网规划通常是分项目进行的,但要注意各个项目站网之间的协调和平衡。
雨量站网 降水量记录是一项基本资料,在水文分析计算和水文预报中,常常是推算流量等资料的依据。雨量站网从作用上看,主要有两类。一类是用来反映降水量的空间变化,提供降水量的各种特征资料的。另一类是与流量测站配套,提供与流量相对应的降水量资料,满足降水径流关系分析的需要。前者一般按气候、地形分区,按适当密度大体均匀布设,并考虑高程、山坡走向等因素,后者则在每个流量测站的集水面积内,按面积大小,布设一定数量的站,要使流域平均雨量的精度与流量精度大体相称。两类站网应互相结合,统一布站。
蒸发站网 包括水面蒸发和陆面蒸发两类。水面蒸发既消耗水资源也消耗热能源,其站网应能反映蒸发量的空间变化。可按气候、地形条件,按一定密度,大体均匀布站。测站普遍使用小型标准蒸发器。为了将观测资料换算为大水体的水面蒸发,还须分大区规划设置少数20平方米的蒸发池与标准蒸发器平行观测,探求折算系数。陆面蒸发亦称蒸散发,是水循环的重要环节。其观测站网可按地理条件分区布设。
流量站网 这是水文站网的重要的部分。泥沙、水质等站网,都必须同流量站网结合,才能很好地发挥作用。规划时,把河流分为大、中、小河,分别布站。在中国,大河的集水面积下限为3000~5000平方公里。这种河流应在集水面积大于上述界限的地方设站,而且从上游到下游,径流量每增加一定比例,就加设一站。在大支流入汇点下游、不同地理景观分界处及有特殊需要的地方,酌情增设。中河的集水面积下限在湿润区为100~200、干旱区为300~500平方公里。对中河可按气候、自然地理景观划分水文区,按集水面积分级,选择有代表性的河流布站,探索地区径流规律。对于集水面积更小的小河,流域下垫面诸因素(植被、土壤、地质等)往往对径流特性起主导作用。因之,可按气候划分大区,按下垫面性质分类,按集水面积分级,并考虑流域形状、比降等因素,选择有代表性的河流布站,探索各类下垫面条件下的径流规律。当流量测站上游的蓄水、引水工程改变了天然径流状况时,要布置补充观测,来解决水量还原计算的问题。此类观测应尽量同工程上的专用站结合。对于集水区界限不明显的平原水网区,可根据资料使用的要求和测量工作的方便,划定有闭合边界的水量平衡区。对进出平衡区边界的各条河渠的流量、区内水网的蓄水量等因素进行观测,用水量平衡方程式计算径流资料。对于感潮河段,根据河口开发整治的要求,布设潮流量站。
水位站网 流量测站均观测水位。但由于防洪和研究洪水演进等需要,在重要河流上要加布一些水位站。为反映水体的蓄水量和水面的变化,要在较大的湖泊、水库、水网区布站。为研究潮汐对河流的影响,可据潮波传播特性,在感潮河段布设潮水位站。
泥沙站网 要求站网资料能够反映河流挟带泥沙特征的地区分布。规划时,可按气候、下垫面因素分区或分类,在流量站网中选择一定比例,布设泥沙测站。在一些主要河流,还要求站网资料能够反映泥沙输移的沿程变化情况,要按此原则布站。泥沙测站在流量站网中的比例,依河流挟沙多少而定。象黄河这样的多沙河流,特别在水土流失严重地区,原则上每个流量测站都应测沙;在少沙河流,比例可显著减少。泥沙站网普遍施测的是悬移质。推移质测验还处于研究阶段,只在少数站上进行。另外,要在泥沙站网中选定部分测站进行泥沙颗粒级配分析。
水质站网 站网既要了解河流天然水化学特征的地区分布,又要监测河流的水质污染情况。两者应尽量结合。对于前者,可按流域的土壤、地层岩性和水文条件分区,在流量站网中选定部分测站。一般来说,河水矿化度愈高,所需站网密度愈大。对于后者,应在干流控制河段,重点城市、主要风景游览区、大型灌区、大中型水库湖泊、大中型工矿企业和重大水利设施所在河段,河口区及河流出入国境线的地点布站,此类测站也应尽量与流量站网结合。
地下水井网 在水文站网中,为掌握地下水动态,预报变化趋势,研究地下水同地表水的关系等需要,应与雨量、流量站网相配合,设置地下水的观测井网。井网一般可按水文地质特征和地下水开发情况分区,按一定密度大体均匀布设。必要时可沿地下水流向,或垂直于分区边界、地表水体边界,设置一些观测线。每线由排成一行的几个观测井组成。如果地下水由不透水层分隔为几层,则要考虑分层布设井网。井网上普遍观测水位,一部分井同时观测开采量、水质等项目。
专用站可以在基本站网的基础上考虑设置。对一个水库、一个灌区来说,也要参照前述的规划思想,针对专用目的,作小范围的站网规划。
此外,为了水文研究的目的,还要设立各种实验站,对水文现象进行系统的以至有控制的观测和试验。
中国在秦代就有全国各郡县向中央报雨的制度,说明当时对雨量已有广泛观测。至明代,沿黄河已有观察、传递水情的制度。至1937年,有水文站403处(缺台湾省数字,下同),其后受战争影响,大部分被破坏。1949年以后,水文站网迅速发展。1956年进行了全国水文站网规划,除边远地区外,于1959年基本建成。1965、1978年对站网作过两次较大范围的资料分析验证,站网陆续有所发展和调整。1982年底,基本站网中有水文站3401处,水位站1373处,雨量站16437处,实验站60处。近期根据生产的需要还布设了一万多处地下水观测井和一批水质监测站。另外,还有大量的水库、渠道专用站和农村专用雨量站。在世界上,近代由于水源紧张和污染严重,对水文的需求提高,站网迅速发展。如美国地质调查局所属水文站数,1929年为2238处、1980年为16500处。英国水文站数,1935年为100处,1980年为1200处。有些国家的站网是统一规划的,如苏联于1946、1968年作过两次全苏基本站网规划。有些国家,由于行政、经济等方面的原因,难以统一规划和布设站网。
中国基本水文站的密度,若以每万平方公里的站数为指标,则全国平均为3.5。东部较密,一些省市在10以上,在世界上,根据世界气象组织1977年出版的123个国家和地区的资料统计(有些国家包括专用站在内),密度指标总平均为4.0,德国、瑞士、荷兰等国家均在50以上。
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