28.2.3 水文测站的控制
测站按其汇流面积和作用分为三级，即大河控制站、区域代表站和小河站。按精度要求分为一类精度站、二类精度站和三类精度站。
测站控制是决定测站监测的所有水力要素的总称，分为断面控制和河槽控制两种。当测站控制的要素仅发生在一个横断面上时称为断面控制；当决定测站控制的水力要素发生在一段河槽上时称为河槽控制。
1.断面控制[1]
断面控制实际上就是根据水力学临界水深的概念，在河槽某一断面寻求能发生临界水深的条件。在临界水深断面处弗劳德数等于1。
图28.1为水流通过某一河槽底部有凸起的断面，在该断面上游是缓流，而在该断面下游是急流，因此该断面为临界流断面，临界流断面上的水深为临界水深，其弗劳德数为
图28.1 临界水深断面示意图
式中：Fr为水流的弗劳德数；vk为临界流速；g为重力加速度；Ak为临界断面的过水断面面积；Bk为临界断面的水面宽度。
由式（28.1）得
则通过临界断面的流量为
对于矩形断面，Ak/Bk=hk，则
式中：hk为临界水深。
因为过水断面面积和水面宽度均为水深的函数，所以过水断面的流量关系可以表示为
如果用临界断面的水位来表示，则式（28.7）可以写成
式中：Hk为临界断面的水位。
由式（28.7）或式（28.8）可以看出，在临界断面流量与水深或水位呈单一关系，影响这一关系的水力学要素仅仅发生在该断面处，因此起到了断面控制的作用，这个断面被称为控制断面。
当水流经过石梁、堰坝、急滩、卡口、跌坎、缓坡向陡坡转折时均可能发生临界水深，形成控制断面。只要其形成临界水深断面的结构稳定不变，一定的流量就会对应固定的水头，可以通过测量水头计算流量。
需要注意的是，由于石梁、卡口等都是通过河槽特殊地形产生临界流来维持水位流量的单一关系，一旦临界流的条件消失，则其控制作用也随之消失，比如比较小的石梁在小水时有临界断面，而在流量超过一定值的大水时就可能没有临界水深；对于卡口，当流量很小时也可能没有产生临界水深，而在流量较大时就会产生临界水深的条件，形成临界断面。
2.河槽控制[1]
当水位流量关系要靠一段河槽所发生的阻力作用来控制，决定过水流量的水力要素发生在一段河道上而不是一个断面处的称为河槽控制。对于天然河道，如果某一河段的底坡、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。对于顺直且河床稳定的河道，其水位流量关系可以近似用曼宁公式计算，即
式（28.10）可以写成
式中：A为过水断面面积，为该段河道上过水断面面积的平均值；n为糙率；i为水面比降，其值是上游断面与下游断面水位差与两断面之间距离的比值，该值由该段河段的特性决定；R为水力半径，即过水断面面积A与断面湿周χ的比值，湿周χ为对应的上、下游断面的平均湿周。
因为糙率n和水面比降i值由河道本身性质决定，断面面积A与水力半径R决定于断面因素Ω和水位H，因此有
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式（28.12）说明影响河道流量大小的水力因素为水位、断面因素、糙率和水面比降。因此要使水位流量关系呈单一关系，必须满足下列两个条件之一：①在同水位下，Ω、n、i恒定不变；②在同一水位下，虽然Ω、n、i恒定不变，但它们对流量大小的影响恰好互相补偿。符合上述条件的一段河槽，能够使水位流量关系保持稳定，这就形成了河槽控制作用。
3.断面布设[1]
断面布设包括布设基线、水准点和各种断面。根据观测需要，一个流量站会设立不同用途的观测断面：基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面（浮标上断面、浮标下断面）、比降水尺断面（比降上断面、比降下断面）等，如图28.2所示。
（1）基线：用经纬仪或全站仪测角交会法推求测验垂线在断面上的位置（起点距）而在岸上布设的线段称为基线。基线一般应垂直于测流横断面，其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的夹角不小于30°，即应使基线长度不小于河宽B的0.6倍。
（2）基本水尺断面：基本水尺断面应设置在水流平顺处，两岸水面无横比降，无漩涡、回流、死水、分岔流等发生。地形条件便于观测及安装自记水位计和其他测流设备，水尺沿断面展开，垂直于水流方向。
（3）流速仪法测流断面：为流速仪法测流而设置的断面。断面位置应尽量与基本水尺断面重合，且与断面平均流向垂直。若不能与基本水尺断面重合时，应尽量缩短二者之间的距离，中间不能有支流汇入与分出，以满足两断面间的流量相等。
图28.2 水文测站基线与断面布设示意图
（4）浮标测流断面：浮标测流断面为浮标法测定流量或水位而设置。一般设上、中、下3个断面（也可以是更多的断面），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，条件困难时可适当缩短，但不得小于最大断面平均流速值的20倍。
（5）比降水尺断面：用来观测河流的水面比降和分析河床的糙率。比降水尺断面应设在顺直河段上，上、下游水尺应布设在基本水尺断面的上、下游，上、下游水尺断面的间距可用式（28.13）计算，即
式中：L为上、下游比降水尺断面间距，m；Δz为河道每千米长的水面落差，mm，一般取中水位的平均值；xs为比降测算允许的不确定度，可取10%；Sm为水准测量每公里线路上的标准差，mm，根据水准测量的等级而定，对于三等水准为6mm，对于四等水准为10mm；Sg为比降水尺观测误差，mm，中高水位有防浪静水设备时可取2～5mm。
4.断面测量[1，2]
断面测量的实质是测定河床线上某些转折点的位置及高程，包括水道断面测量和大断面测量。
断面测量的内容是测定河床各点的起点距及其高程，对水上部分各点高程采用四等水准测量；水下部分则是测量各垂线水深并测读测深时的水位。
（1）水道断面测量。自由水面线与河床线之间的范围称为水道断面，如图28.3所示。水道断面测量是在断面上布设一定数量的测深垂线，施测各条垂线的水深，同时测得每条测深垂线与岸上某一固定点（断面的起点桩）的水平距离，称为起点距，并同时观测水位，用施测时的水位减去水深，得到各测深垂线处的河底高程。该高程可以是国家水准点引用的高程，也可以是河床上某一点相对于某一基面的高度。
（2）大断面测量。大断面测量是流量测验的基础，是单独进行的，用于研究测站断面的情况以及在流量计算时采用的断面。
根据水文测验规范：测站的基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标中断面和比降断面均应进行大断面测量。测量的范围，应为水下部分的水道断面测量和岸上部分的水准测量。将水道断面所测水深Hi结果根据施测时水面的高程换算得到河底各点的高程；大断面测量的范围应测至历史最高洪水位以上0.5～1.0m。漫滩较远的河流，可测至最高洪水边界，有堤防的河流，应测至堤防背河侧的地方为止。
通常大断面测量在枯水期进行，此时水上部分所占比重大，易于测量，所测精度高。某水文站基本水尺断面的大断面测量如图28.4所示。本次实验各组对布设的基本水尺断面也要进行大断面测量。
图28.3 断面测量工作示意图
图28.4 某水文站基本水尺断面大断面测量图
（3）起点距测量。起点距的测量也就是测量各测深垂线距起点桩的水平距离。在实际操作中确定起点距的方法通常为平面交汇法。可以用经纬仪测角交会法确定。方法是将经纬仪架设在岸上的基线的端点位置C，起点桩为A，如图28.5（a）和图28.5（b）所示，测量与断面上各测深垂线的水平夹角，即可用三角公式计算起点距。根据基线的类型不同，计算时应分别采用不同的公式。
图28.5 交汇法测量起点距计算示意图
当基线与断面垂直，如图28.5（a）所示，则起点距的计算公式为
当基线与断面不垂直时，如图28.5（b）所示，计算时可用三角形正弦定律计算起点距，即
式中：L0为起点距；L为基线长度；α为基线与基点至测深垂线间的夹角；θ为基线与断面的夹角。