第二章河流與徑流

第2章河流與徑流CHAPTER2RiverandRunoff

§2.1河流和流域RiverandBasin海洋

降落到地面的雨水，除了下滲、蒸發(fā)等損失外，在重力作用下沿著一定的方向和路徑流動(dòng)，這種水流稱為地面徑流(surfacerunoff)。地面徑流長(zhǎng)期侵蝕地面，沖成溝壑，形成溪流，最后匯集成河流。河流的形成：

河流流經(jīng)的谷地稱為河谷（rivervalley），河谷底部有水流的部分稱為河槽（riverchannel）。海洋右岸左岸左岸（leftbank）右岸（rightbank）外流河、內(nèi)流河（內(nèi)陸河）

1、河流的分段：

河源（riverhead、riversources）上游（upper

course、upperreaches）中游（middlecourse、river

reaches）下游（downstream、lowerreaches）河口（rivermouth）海洋河源河源上游中游下游河口

2.1.1河流特征（characteristicsofriver）河源：洪水位上游斷面：中游斷面：洪水位下游黃河入?？诤涌冢?、河流的斷面

橫斷面（riversection）縱斷面（riverprofile）2、河流的長(zhǎng)度L：自河源沿主河道至河口的長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱河長(zhǎng)，以km計(jì)海洋L圖2.2橫斷面示意圖（1）河流橫斷面（簡(jiǎn)稱：斷面cross-section）：水位（waterlevel、waterstage）

高水位低水位

河槽（riverchannel）河灘（floodplain）低水位中水位高水位河槽河灘河灘邊灘主槽河床主槽（mainchannel）邊灘（rivershoal）高水位以下為河床：圖2.2橫斷面示意圖單式斷面(singlecross-section)

復(fù)式斷面(compoundcross-section)圖2.2河槽斷面圖

橫斷面內(nèi)，通過水流部分稱為過水?dāng)嗝妫╳ettedcross-sectionorwater-carryingsection），其面積稱為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）。

河流中沿水流方向各橫斷面最大水深點(diǎn)的連線，稱為深泓線（thalweg），沿河流深泓線的剖面稱為河流的縱斷面（riverprofile）。表示河床自上游向下游沿程變化。（2）河流縱斷面lZ2Z1河底4、河道比降落差（fall）以小數(shù)、千分?jǐn)?shù)表示。水面比降（slopeofwatersurface）河底比降（slopeofriverbed）lZ2Z1河底比降（slopeofriver）一條河流的河底平均比降：圖2-3河道平均縱比降計(jì)算示意圖

2.1.2流域（Basin、Valley）特征水系（河系）（watersystem、drainagesystem、rivernetwork）干流（trunkstream）支流（tributary）干流是水系中最高級(jí)別的河流。1、分水線和流域（1）分水線分水線（basindivided、watershedline）山脊線（2）流域

流域是相對(duì)應(yīng)于某一出口斷面（outlet）的，當(dāng)不指明斷面時(shí)，指河口以上區(qū)域。閉合流域（closedbasin）不閉合流域（unclosedbasin）地面分水線地下分水線2、流域的幾何特征（1）流域面積F(catchmentarea)：在地形圖上繪出流域的分水線，量算出分水線包圍的面積，即流域面積，以km2（2）流域長(zhǎng)度LF（thelengthofwatershed）：從流域出口到流域最遠(yuǎn)點(diǎn)的流域軸線長(zhǎng)度，km計(jì)。平均寬度B（theaveragewidthofwatershed）:

B=F/LF

（3）流域形狀系數(shù)（coefficientofbasinshape）:

K=B/LF=F/LF2(2-2)

3、流域的自然地理特征（thephysicalfeaturesofriverbasin）

地理位置（geographicalposition）：經(jīng)緯度氣候條件（climaticcondition）：氣溫（temperature）、氣壓（airpressure）、濕度（humidity）、降水（precipitation）、蒸發(fā)（evaporation）、風(fēng)（wind）4、流域的下墊面條件（underlyingsurfacecondition）地形（topography）地貌（geomorphy）：山區(qū)、山丘區(qū)、平原湖區(qū)…地質(zhì)構(gòu)造（geologicalstructure）巖石性質(zhì)（rockfeatures）土壤（soilcharacteristics）植被（vegetationcover）湖泊（lake）與沼澤（swamp、marsh、bog）人類活動(dòng)措施（humanactivities）

2.1.3山區(qū)河流和平原河流1、山區(qū)河流特點(diǎn)：流域內(nèi)坡面陡峭，河床斷面呈“V”、“U”型，河床多為基巖、卵石組成，河床穩(wěn)定；沿程常有急灘、卡口、深潭，河底比降大；洪水暴漲暴落，水位變幅極大，水流流態(tài)紊亂，存在回流、漩渦、跌水和水躍。洪水位洪水位2、平原河流特點(diǎn)：斷面開闊，常有河灘；河床由水流沖積而成，沖積層常常數(shù)十米，泥沙組成呈分層現(xiàn)象：最深處多為卵石，其上為夾砂卵石，再上為粗砂、中砂以至細(xì)砂；河灘常為粘土、粘壤土。斷面不穩(wěn)定，主槽常左右擺動(dòng)，河槽沖淤；河床比降小，洪水漲落緩慢，水位變幅較小，匯流歷時(shí)長(zhǎng)。...............................

沖積層（riveralluvium）....................................基巖（bedrock）洪水位（floodlevel）......

平原河流按平面形狀及演變過程，分為四種類型的河段：1）順直微彎型（邊灘平移型）河段（straightreach）泛濫邊界泛濫邊界邊灘河槽邊界河灘深槽河灘2）彎曲型（蜿蜒型）河段（curvedreach、meanderingreach）河槽河灘防洪堤3）分叉型河段（braidedreach）4）散亂型（游蕩型）河段（wanderingreach）不同類型的河段對(duì)建橋有何影響？§2.2徑流及其形成過程RunoffFormation徑流（Runoff）:是指降水形成的，沿著流域地面和地下向河川、湖泊、水庫、洼地等流動(dòng)的水流。包括：地面徑流（surfacerunoff）地下徑流（undergroundrunoff）。匯集到河流后，在重力作用下沿河床流動(dòng)的水流稱為河川徑流（riverrunoff）。1、自然界的水文循環(huán)（WaterCycleinNature）

地球上的水是以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式存在于空中、地面、地下及生物體內(nèi)，組成一個(gè)相互聯(lián)系的水圈（Hydrosphere）。

2.2.1水文循環(huán)與水量平衡河川徑流源源不斷，是由于地球上存在著自然界永不停止的水分循環(huán)，也稱為水循環(huán)或水文循環(huán)。水分循環(huán)水汽水汽湖泊海洋蒸發(fā)降水水汽輸送水汽輸送降水植物散發(fā)蒸發(fā)下滲地面徑流地下徑流陸地土壤蒸發(fā)

水文循環(huán)是地球上最重要、最活躍的物質(zhì)循環(huán)之一。在水文循環(huán)中，水的物理狀態(tài)、水質(zhì)、水量都在不斷變化，水通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水和徑流四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行著交換。由于地球大氣環(huán)流機(jī)制和海陸分布決定了地球上水汽的運(yùn)行規(guī)律，加上不同地區(qū)地形地貌特點(diǎn)、巖石土壤性質(zhì)、植被、湖泊、沼澤等條件的差異，所以水在自然界循環(huán)的路徑（Path）和過程（Process）極其復(fù)雜并且多變。

徑流是水文循環(huán)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，與人類社會(huì)的關(guān)系最為密切。有的地區(qū)濕潤(rùn)多雨，水量豐沛；有的地區(qū)則干旱少雨，河湖干涸。即使同一地區(qū)有時(shí)大雨滂沱，江河橫溢；有時(shí)卻久旱無雨，江河枯竭。正是由于自然界的水文循環(huán)，才形成這種永無終止、千變?nèi)f化的水文現(xiàn)象。2、地球上的水量平衡（GlobalWaterBudget)水量平衡原理（PrincipleofWaterBudget)：

在水文循環(huán)過程中，任意區(qū)域，任一時(shí)段，進(jìn)入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水量的變化量。

水量平衡原理（物理學(xué)中的質(zhì)量平衡原理）是水文學(xué)中最重要的原理之一，水量平衡法是分析研究水文現(xiàn)象，建立水文要素之間定性或定量關(guān)系，了解其時(shí)空分布變化規(guī)律等的主要方法之一。水量平衡方程（WaterBudgetEquation):

I–O=ΔS

式中，ΔS可正可負(fù)。上式為通式，對(duì)具體的研究對(duì)象，需根據(jù)具體的輸入輸出組成寫出具體的水量平衡方程。陸地：

全球多年降水量與多年平均蒸發(fā)量相等，為1130mm。多年平均：

陸地：

（2-3）海洋：

（2-4）全球：

（2-5）

海洋：流域水量平衡圖2-6某一區(qū)域水量平衡示意圖3、流域水量平衡對(duì)某一閉合流域，某一時(shí)段T：

P–E–R=ΔS（2-7）多年平均：2.2.2徑流形成過程（processofrunoffformation）

徑流形成過程是從降雨開始，到徑流流出流域出口斷面整個(gè)物理過程。

1、徑流形成的物理過程1）降雨過程降雨量（mm）降雨強(qiáng)度（mm/minmm/h）籠罩面積（km2）暴雨中心降雨量及其在時(shí)間和空間的變化決定了徑流過程的大小和變化趨勢(shì)。2）流域蓄滲過程降雨的損失：降雨中不能形成徑流的那一部分雨量

植物截留IS（interceptionbyvegetation）

下滲f（infiltration）填洼Vd

（depressiondetention）

雨期蒸發(fā)E

這幾部分雨量將耗于流域蒸、散發(fā)，不會(huì)形成徑流，因此稱之為損失（losses）。降雨量減去損失等于凈雨量。降雨過程減去損失過程稱為凈雨過程。

3）坡地匯流（坡面漫流過程）

凈雨首先從流域的坡面匯入河網(wǎng)（小溝、小溪、小河），形成地面徑流，這部分徑流速度快，歷時(shí)短，是形成洪水的主體；另一部分凈雨沿地下潛水層流入河網(wǎng)，形成地下徑流，這部分徑流流速較小，形成比較穩(wěn)定的地下徑流。坡面漫流是從流域局部開始漫流，然后逐漸擴(kuò)大到全流域。4）河網(wǎng)匯流（河槽集流過程）

進(jìn)入河網(wǎng)的徑流（河川徑流），在重力作用下沿著河道從支流到干流，從上游到下游匯集到流域出口斷面，完成徑流形成的整個(gè)物理過程。徑流的形成過程，通常把降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程稱為產(chǎn)流過程；凈雨轉(zhuǎn)化為河川徑流的過程稱為匯流過程。

必須指出：徑流形成過程是從降雨開始，到徑流流出流域出口斷面整個(gè)物理過程。降雨、流域蓄滲、坡面漫流、河槽集流是徑流形成過程中的四個(gè)階段，它們?cè)跁r(shí)間上沒有截然的分界，而是同時(shí)交錯(cuò)進(jìn)行的。2、徑流的表示方法與度量單位（1）流量Q（flow、discharge）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過河流某一斷面的水量稱為流量，以m3/s計(jì)。流量隨時(shí)間的變化過程稱為流量過程線

（hydrograph），以Q～t表示。水位過程線，以Z~t表示。洪峰流量Qm

（peakflow）漲水段t1（risinglimb）退水段t2（fallinglimb）洪水總歷時(shí)T=t1+t2（totaldurationofflood）

一次洪水過程可以用三個(gè)要素：洪峰（流量、水位）、洪量和洪水過程線表示。

年最大洪峰流量、年最大洪峰流量系列（2）徑流量W（runoffamount）時(shí)段T內(nèi)通過河流某一斷面的總水量，以m3，萬m3，億m3計(jì)。WQtt1t2圖2-23（3）徑流深

R（runoffdepth）將徑流總量W平鋪在流域面積F上的水深，以mm計(jì)：

（4）徑流模數(shù)M（runoffmodulus）平均單位流域面積上的流量，以L/(s.km2)計(jì)：

M=1000Q/F

（2-30）（5）徑流系數(shù)α（runoffcoefficient）徑流量與降雨量（形成的徑流量的那部分降雨量）之比：

α=R/P

（2-31）

且

α≦1【例2-1】某斷面以上集水面積F=54500km2，多年平均降雨量1650mm，多年平均流量1680m3/s，求徑流量指標(biāo)。解：1、多年平均徑流量2、多年平均徑流深4、多年平均徑流系數(shù)3、多年平均徑流模數(shù)凈雨量和徑流量有何區(qū)別？?jī)烧咧g有何聯(lián)系？

2.2.3水文資料的搜集和整理CollectionandAnalysisofHydrologicalData

工程設(shè)計(jì)所需資料：

年最高洪水位、年最大洪峰流量流速、洪水比降、糙率、年最高潮位。水位~流量關(guān)系曲線、水位~過水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系曲線、水位~斷面平均流速關(guān)系曲線歷史調(diào)查洪水資料小流域：流域內(nèi)暴雨資料（小橋、涵洞）水文資料的來源：（1）水文站實(shí)測(cè)資料（2）洪水調(diào)查資料（3）歷史文獻(xiàn)考證資料泥沙：包括懸移質(zhì)含沙量、推移質(zhì)輸沙率、床沙及河床地質(zhì)鉆探資料，包括各層泥沙平均粒徑及粒徑級(jí)配曲線。（1）水文站觀測(cè)資料范圍：橋位河段及附近流域途徑：水文部門的《水文年鑒》、《水文數(shù)據(jù)庫》、《水文特征值》、《水文手冊(cè)》、《水文圖集》等；海洋部門的《潮位資料》；已建水利工程或橋梁設(shè)計(jì)資料等等。（2）洪水調(diào)查資料已刊印或出版的歷史調(diào)查洪水資料。洪水調(diào)查主要是在橋位上下游調(diào)查歷史上發(fā)生過的大洪水、特大洪水的洪水位，確定洪水比降，推算相應(yīng)的洪峰流量，作為橋位水文設(shè)計(jì)的依據(jù)；同時(shí)，調(diào)查橋位附近河道的沖淤變形及河床演變，作為確定歷史洪水計(jì)算斷面和橋梁墩臺(tái)天然沖刷深度的依據(jù)。洪水調(diào)查的一般步驟：①查明歷史洪水發(fā)生的時(shí)間：深入群眾，訪問沿岸的居民；查閱歷史文獻(xiàn)資料等，查清雨情、水情、災(zāi)情。②調(diào)查洪水痕跡：實(shí)地踏勘，調(diào)查洪水痕跡及淹沒范圍③測(cè)量洪水位及斷面④計(jì)算洪水流量ⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅠⅠ橋位斷面1935年1947年J1947年調(diào)查洪水位1935年調(diào)查洪水位河底流量計(jì)算：1）水文斷面選擇計(jì)算流量的斷面稱為水文斷面，又叫形態(tài)斷面。水文斷面選擇：橋位斷面，上、下游各一個(gè)

測(cè)量水文斷面的斷面圖2）流速和流量計(jì)算謝才-曼寧公式（Chezy–ManningFormula）：對(duì)寬淺型斷面（）：流量：

單式斷面：復(fù)式斷面：3）洪水比降的確定由調(diào)查水面線確定，或用河底比降近似。ⅡⅡⅠⅠ橋位斷面1935年1947年J河底4）河床糙率（粗糙系數(shù)）的選擇水文站實(shí)測(cè)流量、流速、斷面資料分析的結(jié)果，或根據(jù)河段特性及水流狀態(tài)，查天然河道糙率表（設(shè)計(jì)手冊(cè)、水力學(xué)書籍）。河槽、河灘糙率需分別確定（3）歷史文獻(xiàn)（historicaldocuments）考證資料

考證橋位河段歷史洪水（historicalflood）（大洪水或特大洪水），估計(jì)洪水流量的數(shù)值范圍以及大小順序，重現(xiàn)期等等。調(diào)查洪水流量計(jì)算實(shí)例【例2-2】某公路橋梁跨越一條平原河流，橋位河段基本順直，上游有河灣，河床平坦，兩岸較為整齊，無坍塌現(xiàn)象。河槽土質(zhì)為沙礫，河灘為耕地，表層為沙和淤泥。實(shí)測(cè)橋位斷面如圖。河槽、河灘分界樁號(hào)K0+622.60。粗糙系數(shù)：河槽mc=1/nc=40，河灘mt=1/nt=30。調(diào)查歷史洪水位63.80m，洪水水面比降J=0.3‰，試求洪峰流量。K0+500.00+509.60+546.50+550.60+575.40+582.20+600.00+622.60+645.35+650.00+661.35+681.35+700.00+702.35+715.35+725.97+730.07+734.27+740.0064.0060.7060.4260.6161.7461.4251.9651.2651.9552.3553.7863.0363.3264.83河底高程間距樁號(hào)

樁號(hào)河床標(biāo)高（m）水深（m）平均水深（m）水面寬度（m）過水面積（m2）累計(jì)面積（m2）合計(jì)K0+500.5863.8000

河灘ωt=336.19m2Bt=122.02m1.559.0213.98+509.6060.703.1013.983.2436.90119.56+546.5060.423.38133.543.2928.9095.08+575.4060.613.19228.542.636.8017.88+582.2061.742.06246.502.2240.4089.69+622.60