CN114659568A - 一种估算小流域地表水单位流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种估算小流域地表水单位流量的方法，包括以下步骤：S1、确定监测断面位置；S2、测量断面宽度；S3、测量断面平均高度；S4、确定断面平均高度所处点位；S5、测量断面水体流速；S6、计算流量；S7、二次测量；S8、测得平均高度点位水层高度和流速；S9、计算二次测量时的单位流量。本发明设计科学合理，简单易行，能利用常见的装备器材完成小流域地表水流量的测定，能有效避免大量重复性工作，大大提高工作效率。

Description

一种估算小流域地表水单位流量的方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种估算小流域地表水单位流量的方法。

背景技术

小流域是环境管理的基本单元，而流域内的水体环境则是反映流域总体环境的重要指标。在开展环境评价的过程中，对小流域内地表水进行采集分析是进行水资源普查、开展水体质量检测、划定水环境功能分区，进而模拟生态敏感性的关键环节。而其中，对流域内水体流量进行估算则是完成以上工作时无法回避的必要步骤。

现有的技术手段可以借助超声波液位计来测量水位高度，再结合水域宽度、流速仪计算得到沟渠流量，但在现实工作中，尤其是在缺乏基础水文资料的地区，该方法至少存在以下几个方面的不足。一是由于沟渠截面往往是不规则的，且限于不同的地形地貌、光线直射、周围环境干扰、降雨量动态演变带来的水域宽度变化等客观因素的影响，采用超声波液位计定位测量的水位高度难以完全准确地反应某一断面的平均水层厚度。二是在野外开展移动式作业时，超声波设备携带不便，为防丢失，需做到测量一次安装一次，重复性工作繁重。三是超声波液位计造价相对较高，有故障风险，设备维护投入精力大。因此，十分有必要设计一种成本低廉、便于操作、可避免重复性工作、提升工作效率、适于不同断面形状的小型沟渠流量测定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种估算小流域地表水单位流量的方法，该方法简单易行，测量效率高，数据结果准确可靠，适用范围广，测量兼具规律性和随机性，贴合实际情况，能有效避免大量的重复性工作，可在地表水环境监测领域推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定监测断面位置：在小流域地表水汇集区，选择岸边开阔无遮挡、无杂物、水流平缓的位置作为竖直方向的监测断面位置；

S2、测量监测断面的宽度w₁：在监测断面所处的水域边界的两侧设置点位p₁和p₂，通过标记杆标记定位点位p₁和p₂，通过皮尺测量p₁和p₂的直线距离即w₁；

S3、测量监测断面的平均高度：沿皮尺拉伸方向，通过钢卷尺在监测断面的宽度方向即p₁和p₂点位的连接线方向上等距测得多个水层深度，多个水层深度的平均值即为监测断面的平均高度H₁；

S4、确定监测断面平均高度所处位置：沿皮尺拉伸方向，将钢卷尺锁定在H₁刻度，确定水深为H₁的点位记为p，通过立柱或标记杆标记定位；若监测断面上测得多个点位水层高度与平均高度H₁相同，选取最靠近监测断面中心位置的点位作为p点；

S5、测量监测断面的水体流速：使用流速测量装置测量p点下方水深H₁/2处的水体流速v₁；

S6、计算监测断面水体流量：根据S5得到的水体流速v₁、w₁和H₁得到初次测量的单位流量S₁；

S7、二次测算：间隔一定时长后，监测断面的宽度发生变化，测量p₁距离同侧水域边界的距离y₁，p₂距离同侧水域边界的距离y₂，根据y₁、y₂和w₁再次计算监测断面的宽度w₂，当监测断面水域宽度变大时y₁和y₂记为正值，反之记为负值；

S8、通过钢卷尺测量p点的水层高度H₂，重复S5和S6操作再次测量p点下方水深H₂/2处的水体流速v₂，根据H₂、v₂和w₂计算得到二次测量的单位流量S₂；

S9、根据实际需要重复S7-S8的操作进行两次以上的监测断面流量测算。

优选地，所述S2的具体操作方式为：p₁和p₂点位的连接线垂直于水流流向，点位p₁和p₂连接线的长度即为监测断面的宽度w₁。

优选地，所述S3的具体方式为：沿p₁和p₂点位的连接线等距确定n个水深测量点并得到n个水深测量点对应的n个水层深度h₁、h₂、h₃……h_n，则

当w₁≤1m时n＝5，当1m＜w₁≤2m时n＝7，当2m＜w₁≤3m时n＝9，当3m＜w₁≤4m时n＝11，当4m＜w₁≤5m时n＝13。相邻测量点间隔距离为w₁/(n+1)。

优选地，所述S6中计算单位流量S₁的方法为：S₁＝w₁×H₁×v₁。

优选地，所述S7中w₂＝w₁+y₁+y₂，所述S8中S₂＝w₂×H₂×v₂。

优选地，通过皮尺测量w₁，通过钢卷尺确定点位p，通过标记杆对p₁、p₂和p进行标记定位。标记杆为直径3-10cm、颜色醒目、质地坚硬耐磨耐腐蚀的圆柱杆，标记杆设置后高出水面20cm以上，标价杆插入土层40cm以上，确保标记杆布设牢固，不因水体冲刷移位丢失。

优选地，为得到较为准确的不规则图形面积，需要沿断面横向等距离测得水体高度，具体间隔距离大小根据断面宽度和断面底部角度变化来确定，详见上述S3的具体操作步骤。同时，若遇相邻水深测量点之间的高度差大于相邻测量点之间的水平距离时，则在中间位置加测一次，以尽可能保证测量数据与实际情况相符。多个水体高度平均后与断面宽度相乘即为断面积，相当于把不规则图形转化为矩形。理论上，水深测量点之间的间隔越小则越贴近实际，其均值也越准确，因此，在实际应用中可根据测量点的现实情况采取加测的方式，以提升数据准确性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法简单易行，实用价值高，使用效果好，能有效减少重复性工作，提高测量效率，测算的数据结果贴合实际，准确可靠，保证了监测工作的连续性，为后续在不同时间、不同状况下进行典型断面水体流量对比分析奠定了良好基础。

2、本发明使用的装置和器材如标记杆、皮尺和钢卷尺等均为常见物品，价格低廉，携带方便，便于操作，尤其适合野外环境下的水环境监测工作，监测条件要求低。

3、本发明对水层厚度测量比较贴合水体断面底部不规则的现实情况，同时为根据断面实际情况做适当人为调整预留了空间，利于得到较为准确的水层厚度数据。

4、本发明是一种估算水体流量的方法，水体环境作为表征区域面源污染强度的指示性因子，本方法还可在面源污染科学研究、资料匮乏地区环境资源收集普查、野外水文监测预警、水体质量动态评价等工作中进行广泛应用。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

将本实施例的估算小流域地表水单位流量的方法应用在湖北省十堰市郧阳区谭家湾小流域进行单位流速的监控，共监控测试三次，每次间隔一周，具体操作步骤如下：

第一次监测：

S11、在小流域地表水汇集区，选择岸边开阔无遮挡、无杂物、水流平缓的位置作为竖直方向的监测断面位置。

S12、沿垂直于水流流向的方向上，在水域边界两边分设一个初始宽度点位p₁和p₂用细木桩定位，使用皮尺测得p₁和p₂之间的距离即为水域初始断面宽度w₁＝3.5m。需等距离设置11个测量点，每个测量点之间的距离约为3.5÷12＝29cm。

S13、钢卷尺垂直紧贴皮尺，沿皮尺的刻度延伸方向等距测量多个水层深度数据h₁、h₂、h₃……h₁₁分别为0.08、0.13、0.27、0.46、0.84、0.87、0.73、0.59、0.24、0.11、0.05m，由于h₄和h₅、h₈和h₉之间的高度差超过相邻测量点之间的水平距离29cm，因此分别在h₄和h₅、h₈和h₉的中间位置加测一次，依次为0.62m和0.37m，计算所有13个点位的平均值得到水域断面平均高度H₁≈0.41m。

S14、将钢卷尺的刻度锁定在0.41m，使钢卷尺的0.41m刻度处紧贴皮尺，确定水层厚度为0.41m所在的位点p，用长竹竿作显著标识物定位。

S15、利用XHW-1型信控流速仪，在p点水下0.21m处测得水体流速v₁＝0.33m/s。

S16、S₁＝w₁×H₁×v₁＝3.5×0.41×0.33≈0.47m³/s。

第二次监测：

S21、二次测量时水域边界发生了变化，通过皮尺测得p₁距离同侧水域边界的距离y₁＝0.20m，p₂距离同侧水域边界的距离y₂＝0.13m。则二次水域宽度w₂＝3.5+0.20+0.13＝3.83m。

S22、使用钢卷尺再次测量p处的水层高度H₂＝0.53m，使用信控流速仪测量p点处下方水深0.27m处的流速v₂＝0.37m/s。

S23、S₂＝w₂×H₂×v₂＝3.83×0.53×0.37≈0.75m³/s。

第三次监测：

S31、再次通过皮尺测得p₁距离同侧水域边界的距离y₁＝-0.16m，p₂距离同侧水域边界的距离y₂＝-0.09m。则该次监测的水域宽度w₃＝3.5-0.16-0.09＝3.25m。

S32、使用钢卷尺再次测量p处的水层高度H₃＝0.36m，使用信控流速仪测量p点处下方水深0.18m处的流速v₃＝0.31m/s。

S33、S₃＝w₃×H₃×v₃＝3.25×0.36×0.31≈0.36m³/s。

如要长期监测，可以依照第二次监测和第三次监测的方法进行操作，获得该小流域地表水单位流量的持续监测数据。

本实施例中，结合水体中总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)质量浓度检测数据，估算得到流域内不同污染物负荷量如下表1。

得到的流量数据具有以下用途：(1)、通过周年连续监测，可以详细计算得到目标流域内的年度流量，有助于积累不同季节、不同时段的水文资料。(2)、结合水体中TN、TP、COD等污染物的浓度检测数据，是得到目标流域内TN、TP、COD等污染物的实际流失量的唯一途径。在此基础上，可根据目标流域水功能分区转换得到不同污染物等标污染负荷，这对定量描述目标流域水体污染强度，正确认识主要污染物和污染来源以及环境污染风险评价，并以此为依据针对性制定流域污染管控策略，促进生态环境改善具有重要指导意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定监测断面：在小流域地表水汇集区，选择岸边开阔无遮挡、无杂物、水流平缓的位置作为监测断面位置；

S2、测量监测断面的宽度w₁：在监测断面所处的水域边界两侧设置点位p₁和p₂，根据p₁和p₂的位置确定w₁；

S3、测量监测断面的平均高度：在监测断面的宽度方向等距测得多个水层深度，多个水层深度的平均值即为监测断面的平均高度H₁；

S4、确定监测断面平均高度对应位置，将平均高度H₁所处的点位记为p；若监测断面上测得多个点位水层高度与平均高度H₁相同，选取最靠近监测断面中心位置的点位作为p点；

S5、测量监测断面的水体流速：使用流速测量装置测量p点下方水深一半处的水体流速v₁；

S6、计算监测断面水体流量：根据S5得到的水体流速v₁、w₁和H₁得到初次测量的单位流量S₁；

S7、二次测算：间隔一段时间后，监测断面的宽度发生变化，测量p₁距离同侧水域边界的距离y₁，p₂距离同侧水域边界的距离y₂，根据y₁、y₂和w₁再次计算监测断面的宽度w₂；

S8、测量p点的水层高度H₂，重复S5和S6操作再次测量p点下方水深一半处的水体流速v₂，根据H₂、v₂和w₂计算得到二次测量的单位流量S₂；

S9、根据实际需要重复S7-S8的操作进行两次以上的监测断面流量测算。

2.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，所述S2的具体操作方式为：p₁和p₂点位的连接线垂直于水流流向，点位p₁和p₂连接线的长度即为监测断面的宽度w₁。

3.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，所述S3的具体方式为：沿p₁和p₂点位的连接线等距确定n个水深测量点并得到n个水深测量点对应的n个水层深度h₁、h₂、h₃……h_n，则

当w₁≤1m时n＝5，当1m＜w₁≤2m时n＝7，当2m＜w₁≤3m时n＝9，当3m＜w₁≤4m时n＝11，当4m＜w₁≤5m时n＝13。

4.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，所述S6中计算单位流量S₁的方法为：S₁＝w₁×H₁×v₁。

5.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，所述S7中w₂＝w₁+y₁+y₂，所述S8中S₂＝w₂×H₂×v₂。

6.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，通过皮尺测量w₁，通过钢卷尺确定点位p，通过标记杆对p₁、p₂和p进行标记定位。

7.根据权利要求3所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，在测算监测断面的平均高度时，当相邻水深测量点之间的高度差大于相邻测量点之间的水平距离时，在这两个水深测量点之间的中点位置加测水深测量点的水深。

8.根据权利要求1所述的一种估算小流域地表水单位流量的方法，其特征在于，所述小流域小流域地表水的流域宽度小于5m、最大深度不超过1m。