第4章 地表水文及地表水資源基礎(chǔ)知識(shí)

水文與水資源學(xué)第四章地表水文及地表水資源基礎(chǔ)知識(shí)第四章地表水文及地表水資源基礎(chǔ)知識(shí)

主要內(nèi)容河流及流域的主要特征

降水

蒸發(fā)

4.14.24.34.4地表徑流第四章地表水文及地表水資源基礎(chǔ)知識(shí)

主要內(nèi)容下滲

包氣帶和飽和帶

土壤水4.54.64.74.8地表水及地表水資源

4.1河流及流域的主要特征

（1）河流長(zhǎng)度：從河源沿河道至河口的距離稱為河長(zhǎng)?？稍诖蟊壤叩匦螆D上，用曲線儀或小分規(guī)量取。（2）河網(wǎng)密度：是指一個(gè)流域范圍內(nèi)各級(jí)河道的總長(zhǎng)度與該流域面積之比，即表示單位面積內(nèi)的河流長(zhǎng)度。（3）河流彎曲系數(shù)：河流的實(shí)際長(zhǎng)度與從河口到河源兩端點(diǎn)間的直線長(zhǎng)度的比值，稱為河流的彎曲系數(shù)。（4）河流分段：每一條河流都有河源、河口之分。河源是河流開始的地方，可以是溪澗、泉、冰川、湖泊或沼澤等；河口則是河流的終點(diǎn)，即河流注入海洋、湖泊、沼澤或其他河流的地方。在干旱區(qū)，有的河流消失于沙漠之中而無(wú)明顯河口。

（5）流域面積：分水線所包圍的面積稱為流域面積或集水面積。

（6）流域長(zhǎng)度、平均寬度：流域的幾何中心軸長(zhǎng)稱流域長(zhǎng)度。以河口為圓心，任意長(zhǎng)為半徑，畫出不同半徑的若干圓弧，各與流域邊界線相交于兩點(diǎn)，繪出各弧的割線，并取這些割線中點(diǎn)的連線長(zhǎng)度即為流域的長(zhǎng)度。（7）流域平均高度：流域范圍內(nèi)地表的平均高程即為流域平均高度。（8）河槽的平面形態(tài)：山區(qū)河流的平面形態(tài)極為復(fù)雜，急彎、卡口比比皆是，兩岸和河心常有巨石突出，岸邊極不規(guī)則，寬度變化很大。急灘、深潭上下交錯(cuò)，有時(shí)呈臺(tái)階狀，在落差較大的地方往往形成陡坡跌水或瀑布。4.2降水

4.2.1降水的成因與類型降水的形成主要是由于地面暖濕氣團(tuán)在各種因素的影響下升入高空，在上升過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)力冷卻使溫度下降，當(dāng)溫度達(dá)到露點(diǎn)（即空氣中水汽達(dá)到飽和時(shí)的溫度）以下時(shí)，氣團(tuán)中的水汽便凝結(jié)成水滴或冰晶，這就形成云。云中的水滴或冰晶由于水汽繼續(xù)凝結(jié)及相互碰撞合并，不斷凝聚增大，當(dāng)其重量超過(guò)上升氣流頂托力時(shí)，在重力作用下就形成降水。由此可知，氣流上升過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)力冷卻是形成降水的主要條件，而氣流中的水汽含量及冷卻程度則決定著降水強(qiáng)度和降水量的大小。

對(duì)流雨

地形雨

鋒面雨對(duì)流雨是因地表局部受熱，氣溫向上遞減率過(guò)大，大氣穩(wěn)定性降低，因而產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng)，形成動(dòng)力冷卻而降雨。

地形雨是氣流因所經(jīng)地面的地形升高而被抬升，由于動(dòng)力冷卻而成云致雨。地形雨的降雨特性因空氣本身的溫濕特性、運(yùn)行速度及地形特點(diǎn)而異，差別較大。

當(dāng)冷氣團(tuán)向暖氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬暖氣團(tuán)的地區(qū)時(shí)，這種鋒稱為冷鋒；當(dāng)暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬冷氣團(tuán)的地區(qū)時(shí)，這種鋒稱為暖鋒。

氣旋雨氣流匯入后再轉(zhuǎn)向高層，上升氣流中的水汽因動(dòng)力冷卻凝結(jié)成云，條件具備時(shí)即產(chǎn)生降雨。這種大氣的渦旋稱為氣旋，對(duì)于高空中的渦旋則稱為渦。

4.2.2降水要素和表示法

4.2.2.1降水要素（1）降水（總）量。對(duì)某一測(cè)點(diǎn)而言指一定口徑承雨面積上的降水深度，亦可指某一面積上一次降水總量，單位以m3、億m3計(jì)或以降水深度mm表示。（2）降水歷時(shí)與降水時(shí)間。前者是指一場(chǎng)降水自始至終所經(jīng)歷的時(shí)間；后者是指對(duì)應(yīng)于某一陣水量而言，其時(shí)間長(zhǎng)短通常是人為劃定的(如1、3、6、24小時(shí)或1、3、7天等)，在此時(shí)段內(nèi)并非意味著連續(xù)地降水。（3）降雨強(qiáng)度。簡(jiǎn)稱雨強(qiáng)。是指單位時(shí)間內(nèi)的降水量，以mm/min或mm/h計(jì)。在實(shí)際工作中常根據(jù)雨強(qiáng)進(jìn)行分級(jí)，常用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4-1所示。（4）降水面積。即降水所籠罩的面積，以平方千米計(jì)。4.2.2.2降水特征的表示方法

（1）降水量過(guò)程線。以一定時(shí)段（時(shí)、日、月或年）為單位所表示的降水量在時(shí)間上的變化過(guò)程，可用曲線或直方圖表示。（2）降水量累積曲線。此曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)代表自降水開始到各時(shí)刻降水量的累積值。（3）等降水量線（或等雨量線）。是流域內(nèi)降水量相等的點(diǎn)的連線。（4）降水特性綜合曲線。常用的降水特征綜合曲線有：強(qiáng)度-歷時(shí)曲線、平均雨深-面積曲線、平均雨深-面積-歷時(shí)曲線。某站一次降雨量過(guò)程線及積累曲線4.3蒸發(fā)

4.3.1蒸發(fā)類型4.3.1.1水面蒸發(fā)水面蒸發(fā)是在充分供水條件下的蒸發(fā)現(xiàn)象，在蒸發(fā)面上有兩種水分子運(yùn)動(dòng)：一種是水分子躍離水面（液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)），另一種則是空氣中的水分子躍入水面（氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)），前者稱為蒸發(fā)，后者稱為凝結(jié)。實(shí)際蒸發(fā)量為蒸發(fā)面躍出的水分子數(shù)與返回水中的水分子數(shù)之差。影響水面蒸發(fā)的因素有水汽壓差、風(fēng)速、輻射、溫度、氣壓、水質(zhì)、水深等。4.3.1蒸發(fā)類型

4.3.1.2土壤蒸發(fā)土壤蒸發(fā)即土壤中所含水分以水汽的形式逸入大氣的現(xiàn)象。濕潤(rùn)的土壤，蒸發(fā)過(guò)程一般可分為三個(gè)階段。第一階段，當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時(shí)，土壤中存在自由重力水，且土層中毛管上下溝通，水分從表面蒸發(fā)后，能得到下層的充分供應(yīng)。土壤蒸發(fā)主要發(fā)生在表層，蒸發(fā)速度穩(wěn)定。在第二階段內(nèi)，隨著土壤水分的減少，供水條件越來(lái)越差，土壤表面局部地方開始干化。在第三階段中，土壤水分蒸發(fā)主要發(fā)生在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)的水汽由分子擴(kuò)散作用通過(guò)表面的干涸層逸入大氣，蒸發(fā)速度極其緩慢。在這種情況下，不論是氣象因素還是土壤含水量對(duì)土壤蒸發(fā)均不起明顯作用。4.3.1.3植物散發(fā)植物散發(fā)指在植物生長(zhǎng)期，水分從葉面和枝干蒸發(fā)進(jìn)入大氣的過(guò)程，又稱蒸騰。植物根細(xì)胞液的濃度和土壤水的濃度存在較大的差異，由此可產(chǎn)生高達(dá)l0多個(gè)大氣壓的滲壓差，促使土壤水通過(guò)根膜液滲入根細(xì)胞內(nèi)。進(jìn)入根系的水分，受到根細(xì)胞生理作用產(chǎn)生的根壓和蒸騰拉力的作用通過(guò)莖干輸送到葉面。葉面上有許多氣孔，當(dāng)葉面氣孔打開，水分通過(guò)開放的氣孔逸出，這就是散發(fā)過(guò)程。4.3.1.4流域總蒸發(fā)流域總蒸發(fā)包括流域水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物截留蒸發(fā)和植物散發(fā)。一個(gè)流域的下墊面極其復(fù)雜，從現(xiàn)有技術(shù)條件看，要精確求出各項(xiàng)蒸發(fā)量是有困難的。通常是先對(duì)全流域進(jìn)行綜合研究，再用流域水量平衡法或模式計(jì)算法分析求出。

4.3.2年蒸發(fā)量的地理及時(shí)間分布

4.3.2.1年蒸發(fā)量的地理分布我國(guó)年蒸發(fā)量為364mm，地理分布與年降水量地區(qū)分布大體相當(dāng)，總的趨勢(shì)由東南向西北遞減?；春右阅希瀑F高原以東廣大地區(qū)年蒸發(fā)量大都為700～800mm；海南島東部和西藏東南部年蒸發(fā)量可達(dá)1000mm以上，是我國(guó)年蒸發(fā)量最大的地區(qū)；華北平原大部分地區(qū)年蒸發(fā)量為400～600mm；東北平原為4OOmm左右；大興安嶺以西地區(qū)、內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯高原、阿拉善高原以及西北廣大地區(qū)，都小于300mm，是我國(guó)大陸蒸發(fā)量最小的地區(qū)，其中塔里木盆地，柴達(dá)木盆地和新疆若羌以東地區(qū)，年蒸發(fā)量不到25mm。4.3.2.2年蒸發(fā)量的年內(nèi)變化年蒸發(fā)量的年內(nèi)變化與氣象要素及太陽(yáng)輻射的年內(nèi)變化趨勢(shì)一致。全年最小蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在12月及1月，以后隨太陽(yáng)輻射量的增加而增加，夏季明顯增強(qiáng)，蒸發(fā)量最大的月份因地而異，云貴高原東南部常在4～5月；華北地區(qū)和西南地區(qū)西北部常在5～6月；長(zhǎng)江中下游及東南沿海地區(qū)常在7～8月。蒸發(fā)量峰值期間若少雨，即形成旱期，例如，華北和西南多春旱，長(zhǎng)江中下游多伏旱等。一年中連續(xù)最大4個(gè)月蒸發(fā)量約占全年總蒸發(fā)量的50％～60％。4.4地表徑流4.4.1產(chǎn)流過(guò)程

降落到流域表面的雨水，除去損失，剩余的部分形成徑流，也稱為凈雨。通常把降雨扣除損失成為凈雨的過(guò)程稱為產(chǎn)流過(guò)程。凈雨量稱為產(chǎn)流量，降雨不能形成徑流的部分雨量稱為損失量。

徑流形成過(guò)程示意圖4.4.2匯流過(guò)程

凈雨沿坡面匯入河網(wǎng)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯集到流域出口斷面，這一過(guò)程稱為流域匯流過(guò)程。全過(guò)程分為坡地匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)階段。4.5下滲4.5.1下滲的物理過(guò)程下滲是水從土壤表面進(jìn)入土壤的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。水分首先在分子力的作用下，被土壤顆粒吸附。降水初期干燥土壤吸附力極大，使下滲率很大。當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大分子持水量時(shí)，薄膜形成，分子力消失。然后，下滲的水充填土壤空隙，產(chǎn)生毛管力，水分在毛管力的作用下在土壤孔隙中作不穩(wěn)定流動(dòng)。當(dāng)毛管水充滿一定程度土壤孔隙以后，毛管力消失，毛管作用停止。繼續(xù)入滲的水分在土壤空隙中形成自由水，并充滿孔隙達(dá)到飽和。自由水在重力作用下沿空隙向下流動(dòng)，稱為重力下滲。當(dāng)水分供應(yīng)充足時(shí)重力下滲會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，故又稱穩(wěn)定下滲。有時(shí)將分力子，毛管力、重力作用下的下滲階段分別稱為滲潤(rùn)階段、滲漏階段、滲透階段。實(shí)際上這些階段并無(wú)明顯界限，特別是土層較厚時(shí)，各階段可能同時(shí)交錯(cuò)進(jìn)行。4.5.2影響下滲的因素

4.5.2.1土壤性質(zhì)土壤粒徑愈大，孔隙愈大，穩(wěn)定下滲率愈大，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增加下滲率。4.5.2.2降水若降雨強(qiáng)度小于下滲能力時(shí)，降雨全部滲入土壤，如雨強(qiáng)大于下滲能力時(shí)，則產(chǎn)生超滲雨，形成地面徑流。在土壤水分相同時(shí)，下滲率隨雨強(qiáng)增大而增大，尤其對(duì)有草皮覆蓋的情況（如地表的滯、積水等）更為明顯。但對(duì)赤裸土壤，雨強(qiáng)增大，雨滴也增大，增大的雨滴以較大能量撞碰并濺起地表土粒，土粒隨下滲水流充塞土壤孔隙，從而使下滲率減小。這種現(xiàn)象對(duì)無(wú)植被的松散結(jié)構(gòu)土壤（如西北黃土高原）較為明顯。此外，降雨時(shí)程分布、連續(xù)或間歇降水都會(huì)影響下滲。4.5.2.3植被有植被地區(qū)的下滲一般大于裸地的，這是因?yàn)橹脖蛔柚沟孛鎻搅?，延緩了下滲時(shí)間，且枯枝落葉及根系的腐爛使土壤更易透水。4.5.2.4流域坡度的大小，坡面的向陽(yáng)、背陽(yáng)，地形的起伏等都對(duì)下滲有一定影響，例如同一雨強(qiáng)下，坡度愈大，下滲率愈。4.5.2.5人類活動(dòng)植樹種草，開挖水平溝及魚鱗坑，修梯田，平整土地等農(nóng)、林措施，以及灌排水等水利措施使流動(dòng)滯水及蓄水能力增加，因而影響下滲。植被、耕作對(duì)下滲的影響

4.6包氣帶和飽和帶

地表土層是能吸收、儲(chǔ)存和向任何方向輸送水分的多孔介質(zhì)。流域上沿垂向的土柱結(jié)構(gòu)，以地下水面為界，土層可分為兩個(gè)不同的土壤含水帶。在地下水面以上，土壤含水量未達(dá)到飽和，是土粒、水分和空氣同時(shí)存在的三相系統(tǒng)，稱為包氣帶。在地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土粒和水分組成的量?jī)上嘞到y(tǒng)，稱為飽和帶或飽水帶。包氣帶和飽和帶示意圖4.7土壤水

4.7.1土壤水分的存在形式

4.7.1.1吸濕水由土粒表面的分子力所吸附的水分子稱為吸濕水。它被緊緊地束縛在土粒表面，不能流動(dòng)也不能被植物利用。4.7.1.2薄膜水由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水膜稱為薄膜水。4.7.1.3毛管水土壤孔隙中由毛管力所保持的水分稱為毛管水。毛管水又分為支持毛管水和毛管懸著水。4.7.1.4重力水土壤中在重力作用下沿著土壤孔隙自由移動(dòng)的水分稱為重力水。4.7.2土壤含水量率和水分常數(shù)

4.7.2.1土壤含水量（率）土壤含水量（率）又稱為土壤濕度，它表示一定量的土壤中所含水分的數(shù)量，為了便于同降雨、徑流及蒸發(fā)量進(jìn)行比較與計(jì)算，將某個(gè)土層所含的水量以相應(yīng)水層深度來(lái)表示，以mm計(jì)。土壤含水量還可用土壤重量含水率和土壤容積含水率來(lái)表示。4.7.2.2土壤水分常數(shù)（1）最大吸濕量。（2）最大分子持水量。（3）凋萎含水量（凋萎系數(shù)）。（4）毛管斷裂含水量。（5）田間持水量。（6）飽和含水量。4.7.3土壤水分布特征土壤水蘊(yùn)藏于包氣帶中，包氣帶按其水分分布特征，可分為三個(gè)明顯不同的水分帶：毛管懸著水帶、毛管水上升帶和中間帶（1）毛管懸著水帶。包氣帶上部靠近地表面的土壤，具有吸附空氣中的水汽和液態(tài)水分子的能力，稱為毛管懸著水帶，簡(jiǎn)稱懸著水帶。（2）毛管水上升帶。在地下水面以上，因土壤毛管力的作用，一部分水分沿著土壤孔隙侵入地下水面以上的土壤中，形成毛管水上升帶，或稱支持毛管水帶，簡(jiǎn)稱毛管水帶。（3）中間帶。中間帶是處于毛管懸著水帶和毛管上