水文循環(huán)與徑流形成概述

第二章水文循環(huán)與徑流形成

研究對(duì)象1.自然界的水文循環(huán)2.河流與流域

3.降水4.下滲5.蒸散發(fā)6.徑流

2/6/20231研究?jī)?nèi)容1.自然界的水文循環(huán)2.河流、流域特征及其對(duì)水文變化的影響

3.降水成因、分類、觀測(cè)

4.蒸發(fā)分類、觀測(cè)與計(jì)算

5.下滲階段劃分、觀測(cè)與計(jì)算

6.徑流及其形成過(guò)程和度量

7.全球、流域水量平衡第二章水文循環(huán)與徑流形成2/6/20232研究目的1.從自然界的水文循環(huán)理解水資源的再生性與有限性2.了解河流分段、基本特征3.了解流域分類、基本特征及其對(duì)水文變化的作用及影響

4.掌握降水、蒸發(fā)、下滲的基本概念與變化規(guī)律

5.掌握徑流形成的基本概念與定量描述方法

6.熟練掌握水量平衡原理及方程。第二章水文循環(huán)與徑流形成2/6/20233主要內(nèi)容：自然界的水文循環(huán)、大循環(huán)、小循環(huán)；地球上的水量平衡。學(xué)習(xí)要求：了解自然界的水文循環(huán)現(xiàn)象、原因與作用；掌握海洋的、陸地的、全球水量平衡原理與方程。2.1水文循環(huán)與水量平衡2/6/202342.1.1自然界的水文循環(huán)2/6/20235水汽輸送蒸發(fā)降水蒸發(fā)降水植物蒸騰湖地表徑流地下徑流海洋蒸發(fā)降水云云小循環(huán)小循環(huán)水文循環(huán)示意圖2/6/202362.1.1自然界的水文循環(huán)1水文循環(huán)定義2水文循環(huán)分類（按循環(huán)路徑劃分）3水文循環(huán)的原因4水文循環(huán)的主要環(huán)節(jié)5水文循環(huán)作用定義：地球上各種水體中的水在太陽(yáng)輻射和地心引力作用下通過(guò)蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)、降水、下滲、徑流等過(guò)程進(jìn)行的永無(wú)休止的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，稱為水文循環(huán)，或水循環(huán)。外部因素：地心引力、太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射為水分蒸發(fā)提供熱量，促使液態(tài)、固態(tài)的水變成水汽，并引起空氣流動(dòng)；地心引力使空中水汽以降水形式回到地面，并促使地表水、地下水匯入海洋。另外，陸地上的地形、地質(zhì)、土壤、植被等條件對(duì)水文循環(huán)也有一定的影響。內(nèi)部因素：水的物理三態(tài)（固、液、氣）在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換。主要環(huán)節(jié)：降水、蒸發(fā)、下滲、徑流水文循環(huán)是地球上最重要、最活躍的物質(zhì)循環(huán)之一。水是良好的溶劑，水流具有攜帶物質(zhì)的能力，自然界有許多物質(zhì)，如泥沙、有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)均會(huì)以水作為載體，參與各種物質(zhì)循環(huán)。由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水文循環(huán)導(dǎo)致了人類生產(chǎn)和生活中不可或缺的水資源具有了可再生性和時(shí)空分布的不均勻性，在提供江河湖泊等地表水資源和地下水資源的同時(shí)，也造成了洪、澇、旱災(zāi)害，給水資源的開(kāi)發(fā)利用增加了難度。水文循環(huán)的作用和意義具體表現(xiàn)如下：A.調(diào)節(jié)氣候；B.形成各種地貌，塑造地球表面；C.提供巨大的水利資源；D.形成一切與水有關(guān)的現(xiàn)象。研究水文循環(huán)的目的在于認(rèn)識(shí)其基本規(guī)律，揭示其內(nèi)在聯(lián)系，這對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用水資源、抵御洪旱災(zāi)害等都有重要的意義。2/6/202371水量平衡原理定義：在水文循環(huán)過(guò)程中，任一區(qū)域、任一時(shí)段輸入水量與輸出水量的差額必等于其蓄水變化量。它是水文學(xué)的基本原理，也是水文學(xué)最成熟的理論，主要用于定量分析水文要素值。2水量平衡方程將水量平衡原理應(yīng)用于某一區(qū)域，可列出如下水量平衡方程：式中：I為給定時(shí)段內(nèi)輸入研究區(qū)域的總水量；O為給定時(shí)段內(nèi)輸出研究區(qū)域的總水量；△S為給定時(shí)段內(nèi)研究區(qū)域蓄水量的變化量。上式是水量平衡方程的最基本形式，對(duì)于不同的區(qū)域和研究問(wèn)題，還應(yīng)具體分析其輸入輸出量的組成，寫(xiě)出相應(yīng)的水量平衡方程。

水循環(huán)過(guò)程中的水量平衡方程的基本因素為降水量、蒸發(fā)量和徑流量以及區(qū)域蓄水量的變化量。2.1.2地球上的水量平衡2/6/202383全球水量平衡全球=陸地+海洋全球：Δt：陸地：海洋：多年平均：陸地：海洋：全球：2.1.2地球上的水量平衡2/6/20239有利影響不利影響2.1.3人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)、水平衡的影響修建水庫(kù)引水灌溉跨流域調(diào)水大面積濫伐森林排干湖泊、沼澤過(guò)度抽取地下水2/6/2023102.2河流與流域主要內(nèi)容：河流及其特征；流域及其特征學(xué)習(xí)要求：了解河流、水系的基本概念；掌握河流主要特征的計(jì)算方法；掌握流域、閉合流域、非閉合流域的基本概念以及流域特征對(duì)徑流的影響。2/6/2023111基本概念河流：匯集一定區(qū)域內(nèi)地表水與地下水并自然宣泄的通道，由流動(dòng)的水體與容納水流的河槽兩大要素構(gòu)成。2.2.1河流及其特征2/6/2023122/6/202313北洛河河道2/6/202314河床主槽灘地枯水位洪水位河谷：河流流經(jīng)的谷地。河床或河槽：河谷底部有水流的部分?？菟谒魉紦?jù)的河床稱為主槽；僅在汛期才被洪水淹沒(méi)的河床部分稱為河漫灘。2/6/202315左、右岸：面向下游，位于身體左側(cè)的河岸為左岸，位于身體右側(cè)的河岸為右岸。凹、凸岸：彎曲河段沿流向的平面水流形態(tài)呈凹形的岸稱為凹岸，相反稱凸岸；2.2.1河流及其特征凹岸凹岸凸岸凸岸2/6/202316河流階地河流下切侵蝕，原先的河谷底部，超出一般洪水位以上，呈階梯狀分布的地形2/6/2023172河流形成

地殼運(yùn)動(dòng)——形成線形槽狀凹地徑流侵蝕作用——沖淤、改道等大氣降水——提供水源3河流分段一條發(fā)育完整的河流沿水流方向，自高向低可分為以下五段：A.河源B.上游C.中游D.下游E.河口2.2.1河流及其特征2/6/202318河流分段示意圖2/6/202319河源河流的發(fā)源地，多為溪澗、泉、湖泊、冰川、沼澤等長(zhǎng)江發(fā)源于唐古拉山主峰各拉丹冬西側(cè)的姜根迪如冰川；黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓海拔4500米的卡日曲泉眼與約古宗列曲泉眼；黑龍江發(fā)源于額爾古納河和石勒喀河，高山冰雪；珠江發(fā)源于云南省沾益縣境內(nèi)的馬雄山水洞流水；塔里木河發(fā)源于天山西段的山地降水及冰雪融水；雅魯藏布江源頭—喜馬拉雅山北麓的昂色冰川。2/6/202320黃河源頭之一卡日曲2/6/202321黃河源頭之一約古宗列曲2/6/202322長(zhǎng)江源—姜根迪如冰川2/6/202323雅魯藏布江源頭—喜馬拉雅山北麓的昂色冰川2/6/202324上游緊接河源，多處于深山峽谷，坡陡流急，河谷下切劇烈，常有急灘或瀑布白水河黃果樹(shù)瀑布高77.8m，寬101.0m

2/6/202325中游河床底坡和水流速度漸緩，河槽變寬，兩岸有灘地，河床沖淤不明顯。2/6/202326下游處于沖積平原區(qū)，河槽寬闊，河床坡度和流速較小，泥沙淤積明顯，淺灘和河灣較多。2/6/2023272/6/202328河口河流的終點(diǎn)，即河流注入海洋、湖泊等的地方。水流流速驟減，大量泥沙淤積，形成三角洲。有些河流消失在沙漠中，則無(wú)河口，如甘肅石羊河。2/6/202329長(zhǎng)江河口長(zhǎng)江河口2/6/202330黃河河口2/6/202331黃河河口2/6/202332灤河入?？?/6/202333“三江匯集，八口入?！笔菍?duì)珠江入?？诘淖詈脭⑹?。西江北江東江潭江珠江是西江、北江、東江和珠江三角洲諸多河流的總稱。崖門(mén)磨刀門(mén)虎跳門(mén)雞啼門(mén)橫門(mén)洪奇門(mén)蕉門(mén)虎門(mén)2/6/202334勒拿河三角洲2/6/202335密西西比河三角洲2/6/202336外流河：注入海洋的河流；內(nèi)流河：注入內(nèi)陸湖泊或消失于沙漠中的河流。如新疆塔里木河、青海格爾木河長(zhǎng)江、黃河的上中下游分界點(diǎn)：長(zhǎng)江沱沱河—通天河—金沙江—四川宜賓—湖北宜昌—江西湖口—入海口黃河源頭扎陵湖、鄂陵湖—內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)—河南桃花峪—入?？?.2.1河流及其特征長(zhǎng)江上游中游下游上游中游下游2/6/202337長(zhǎng)江上中下游分界點(diǎn)宜昌湖口2/6/202338黃河上中下游分界點(diǎn)2/6/2023394河流基本特征（1）河流長(zhǎng)度：或河長(zhǎng)，是指自河源沿主溝道至河口的長(zhǎng)度，L，km。在一定比例尺地形圖上量出。

河長(zhǎng)作用：是河流特性的基本參數(shù)，可確定河流落差、比降和能量。2.2.1河流及其特征河口河源2/6/202340(2)河網(wǎng)密度定義：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)河流干、支流的總長(zhǎng)度稱為河網(wǎng)密度。反映了一個(gè)地區(qū)的河網(wǎng)疏密程度，用符號(hào)D表示，單位為km/km2，計(jì)算公式如下：式中：D為河網(wǎng)密度,km/km2；F為區(qū)域總面積,km2。作用：河網(wǎng)密度越大，流域切割程度越大，徑流匯集速度較快；河網(wǎng)密度小，則流域排水不良，徑流匯集緩慢；河網(wǎng)密度越大，河道滯蓄水量越大，對(duì)下游防洪越有利。2.2.1河流及其特征2/6/202341(3)河流彎曲系數(shù)定義：河流長(zhǎng)度與河源到河口間直線距離之比，表示河流平面形狀的彎曲程度。用符號(hào)K表示，計(jì)算公式如下：式中：K為河流彎曲系數(shù)；L為河流實(shí)際長(zhǎng)度，km；l為河流直線長(zhǎng)度。作用：彎曲系數(shù)K值越大，河段越彎曲，河網(wǎng)匯流時(shí)間越長(zhǎng)，河槽調(diào)蓄能力越大。2.2.1河流及其特征2/6/202342L1L22/6/2023432/6/202344黃河大彎道2/6/202345(4)河流斷面1）橫斷面：與水流方向相垂直的斷面，兩邊以河岸、下面以河底為界、上面為水面；包括水位線在內(nèi)的橫斷面則叫過(guò)水?dāng)嗝?，其面積稱為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。河流橫斷面能表明河床的橫向變化；任一條河流自河源至河口有無(wú)數(shù)個(gè)橫斷面，各橫斷面形狀各異，受沖淤變化影響。河流橫斷面是河流平面形態(tài)和水流長(zhǎng)期相互作用和相互影響的結(jié)果。2.2.1河流及其特征河流橫斷面的一般形狀2/6/202346橫斷面分類

根據(jù)橫斷面形狀可分為單式斷面（V或U形）和復(fù)式斷面（寬淺階梯狀U形，有多級(jí)河漫灘）兩類。單式斷面：只有主槽而無(wú)灘地的橫斷面，河流的水面寬度隨水位的變化是連續(xù)的或漸變的；復(fù)式斷面：既有主槽又有一級(jí)或多級(jí)灘地的橫斷面，，河槽水面寬隨水位的變化有突變。2.2.1河流及其特征單式橫斷面復(fù)式橫斷面2/6/2023472）河流縱斷面中泓線：河流沿水流方向各橫斷面表面最大流速點(diǎn)的連線。深泓線或溪線：河槽中沿水流方向從河源到河口的各橫斷面最大水深點(diǎn)的連線。2.2.1河流及其特征2/6/202348河流縱斷面：指沿深泓線的剖面。作用：河流縱斷面圖表示河槽縱向坡度（縱比降）和落差的沿程分布。是推算水流特性和估計(jì)水能蘊(yùn)含量的主要依據(jù)。2.2.1河流及其特征2/6/202349中泓線：河道中各橫斷面水流最大流速點(diǎn)的連線。深泓線(溪線)：河道中各橫斷面最大水深點(diǎn)的連線。2/6/202350用高程測(cè)量法測(cè)出深泓線上若干個(gè)河底地形變化點(diǎn)的河底高程，以河長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，河底高程為縱坐標(biāo)，可繪制河槽的縱斷面圖河流縱斷面繪制作用：可反映河底縱坡和落差的沿程分布是推算河流水能蘊(yùn)藏量的主要依據(jù)2/6/202351長(zhǎng)江縱斷面圖2/6/202352

(5)河道比降

1）河道縱比降

落差：是指任一河段兩端的高程差Δh=h上-h下

河流縱比降：是指單位河長(zhǎng)的落差。當(dāng)河段縱斷面呈直線時(shí)，河流縱比降計(jì)算公式：J=(h上-h下)/l當(dāng)河段縱斷面呈折線時(shí)，河道平均縱比降推求方法如下：2.2.1河流及其特征lh上h下2/6/202353h0h1h2h3h4h5l1l2l3l4l5L河道平均縱比降計(jì)算示意圖ω1ω2ω1

=ω22/6/2023542）河流橫比降

在河流彎道段的橫斷面上存在水面橫比降。產(chǎn)生原因是，流經(jīng)彎道河段水流受到地球自轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)力和河流彎道離心力共同作用，導(dǎo)致表層水流向凹岸流動(dòng)，凹岸水面高程大于凸岸水面高程。河流彎道段凹、凸岸水面高程差與相應(yīng)橫斷面河寬的比值稱為河流彎道橫比降。在地球自轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)力和河流彎道離心力作用下，河流彎道表層水流從凸岸向凹岸流動(dòng)，底層水流從凹岸向凸岸流動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)封閉的橫向環(huán)流。橫向環(huán)流與縱向水流共同作用形成江河中常見(jiàn)的螺旋流。這種螺旋流使河道的凹岸受到?jīng)_刷，凸岸受到淤積，因此將取水建筑物布置在河道彎道凹岸。2.2.1河流及其特征凸岸凹岸水平面彎道水面2/6/202355河流彎道環(huán)流侵蝕沉積示意圖2/6/2023565水系干流：將匯集的水流注入海洋、湖泊甚至沙漠等的河流。如長(zhǎng)江、黃河、珠江，以及塔里木河(入湖)、石羊河(消失于沙漠)等。支流：將匯集的水流注入一個(gè)更高一級(jí)河流的河流；支流分級(jí)：直接匯入干流的河流稱為干流的一級(jí)支流，直接匯入一級(jí)支流的河流稱為干流的二級(jí)支流，依此類推。南溪河黑河涇河渭河黃河岔巴溝大理河無(wú)定河黃河河系或水系：河流的干流及其全部支流構(gòu)成的脈絡(luò)相通的水流系統(tǒng)。水系通常用干流命名，如長(zhǎng)江水系、黃河水系；或以歸宿的湖泊而定名，如洞庭湖水系，鄱陽(yáng)湖水系等。2.1.1河流及其特征222213333干流與支流示意圖2/6/2023572/6/2023582010.07水系形態(tài)扇形水系平行水系羽狀水系扇形：匯流時(shí)間短，形成尖瘦洪水過(guò)程羽毛形：匯流時(shí)間長(zhǎng)，形成矮胖洪水過(guò)程根據(jù)河流干支流分布形態(tài)，水系分為扇形水系、羽狀水系、平行水系、混合水系等。2/6/2023602/6/2023612.2.2流域及其特征1流域與分水線概念流域：河流某一橫斷面以上匯集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域。分水線：流域四周地面最高點(diǎn)的連線，通常就是流域四周山脈的脊線。例如，降落在秦嶺以南的雨水流入長(zhǎng)江，降落在秦嶺以北的雨水則匯入黃河，秦嶺便是長(zhǎng)江和黃河的分水嶺。對(duì)較小流域而言，其間雖無(wú)山嶺，但地形上的脊線也構(gòu)成分水線。

流域示意圖2/6/2023622.2.2流域及其特征PERDS分水嶺2/6/2023632.2.2流域及其特征2/6/2023642/6/2023652.2.2流域及其特征2閉合流域和非閉合流域河流水源有地面水和地下水之分，同樣分水線也有地下水分水線和地面水分水線之分。二者一般大體一致，但有時(shí)受地貌特征和水文地質(zhì)條件的影響，二者可能不一致。地面分水線與地下分水線的水平投影重合的流域稱為閉合流域。地面分水線與地下分水線的水平投影不完全重合的流域稱為非閉合流域。完全閉合流域是不存在的。在實(shí)際工作中，除了有石灰?guī)r溶洞等特殊地質(zhì)情況外，對(duì)于一般大中流域而言，當(dāng)對(duì)所討論問(wèn)題影響不大時(shí)，多按閉合流域考慮。閉合流域非閉合流域2/6/2023662.2.2流域及其特征3流域基本特征流域基本特征包括形狀特征、地形特征和自然地理特征三類。3.1流域形狀特征(1)流域面積，F(xiàn)，km2。定義：流域地面分水線所包圍區(qū)域的水平投影面積。通常先在適當(dāng)比例尺的地形圖上定出流域分水線，然后量出它所包圍的面積。作用：自然條件相似的情況下，流域面積越大，河流水量越大。

分水線流域面積河流2/6/202367(2)流域長(zhǎng)度，L，km

流域長(zhǎng)度的計(jì)算方法有三種：A：從流域出口沿主溝道至流域最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的曲線距離；B：從流域出口至流域最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的直線距離；C：流域平面圖形的幾何中心軸長(zhǎng)度。目前，常用流域幾何中心軸長(zhǎng)度作為流域長(zhǎng)度。

2.2.2流域及其特征2/6/202368流域幾何中心軸長(zhǎng)度推求方法如下：

2.2.2流域及其特征流域軸線（1）以河口為圓心繪制同心圓（2）作同心圓弧割線交于流域周線（3）通過(guò)割線中點(diǎn)作流域軸線，其長(zhǎng)度為流域長(zhǎng)度作用：流域長(zhǎng)度越大，匯流時(shí)間越長(zhǎng)，洪峰流量越小，利于下游防洪。流域河口2/6/202369(3)流域平均寬度，B，km定義：流域面積與流域長(zhǎng)度的比值

B＝F/L

作用：B越小，流域形狀越狹長(zhǎng)，水流越分散，形成的Qm越小，洪水過(guò)程線越平緩；若B≈L，則流域形狀近似方形，水流越集中，形成的Qm越大，洪水過(guò)程越集中。(4)流域形狀系數(shù)，K定義：流域平均寬度與流域長(zhǎng)度的比值

K=B/L=F/L

2

作用：K越大，流域形狀近似于扇形，洪水過(guò)程越集中，形成尖瘦型洪水過(guò)程線；K越小，流域形狀越狹長(zhǎng)，洪水過(guò)程越平緩，形成矮胖型洪水過(guò)程線。2.2.2流域及其特征2/6/2023703.2流域地形特征(1)流域平均高程：流域地面分水線內(nèi)地表的平均高程。常用流域內(nèi)各相鄰等高線間的面積乘以其相應(yīng)平均高程乘積之和與流域面積的比值，即計(jì)算公式如下：

式中：

為流域平均高程，m；fi為相鄰兩條等高線之間的面積，km2；Zi為相鄰兩條等高線的平均值，m；F為流域面積，，km2。2.2.2流域及其特征2/6/2023713.2流域地形特征(2)流域平均坡度：流域地面分水線內(nèi)地表的平均坡度。是計(jì)算流域洪水匯流計(jì)算的一個(gè)重要參數(shù)。常用計(jì)算公式如下：

式中：

為流域平均坡度；為相鄰兩條等高線之間的高差，m；Li為流域內(nèi)各條等高線的長(zhǎng)度，m；F為流域面積，km2。2.2.2流域及其特征2/6/2023723.3流域自然地理特征

流域的自然地理特征包括地理位置、氣候條件和流域下墊面條件三類。（1）流域的地理位置：包括流域所處經(jīng)緯度、流域與海洋的距離、四周山脈關(guān)系等。主要是影響水汽輸送條件。例如，我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)和華北地區(qū)相比，緯度相同，但前者因距離海洋較遠(yuǎn)、降水稀少而形成較干旱氣候；秦嶺山脈的阻隔，水汽輸送不暢，導(dǎo)致秦嶺南北地區(qū)降雨量相差懸殊，河流水文特征差異顯著。喜馬拉雅山脈以南水量充沛，以北水量稀少。2.2.2流域及其特征2/6/2023733.3流域自然地理特征（2）流域的氣候條件：包括降水、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)速、濕度、氣壓等。河流的形成和發(fā)展主要受氣候條件控制。降水量的大小及分布直接影響河流的年徑流量多少；蒸發(fā)量則對(duì)流域年、月徑流有重要影響；氣溫、濕度、風(fēng)速、氣壓等主要通過(guò)影響降水和蒸發(fā)，間接地影響流域徑流的多少。（3）流域的下墊面條件：

下墊面指流域的地形、地質(zhì)構(gòu)造、土壤、巖性、植被、湖泊等情況。下墊面條件直接或間接地影響流域徑流的變化規(guī)律。2.2.2流域及其特征2/6/2023742.3降水基本概念降水降水量降水歷時(shí)降水強(qiáng)度降水面積暴雨中心降水三要素：定義：液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物從云中降落到地面的現(xiàn)象降水現(xiàn)象：雨、雪、雹、露、霰、霜等定義：一定時(shí)段內(nèi)降落在某一點(diǎn)或某一面上的水層深度，P，mm降水量分類：點(diǎn)降水量與面降水量常用降水量：日降水量、次降水量、年降水量、多年平均降水量等降水量分級(jí)：24h雨量（mm）＜0.10.1~1010~2525~5050~100100~200＞200等級(jí)微量小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間的降水量，i，mm/h或mm/min降雨強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間的降雨量，簡(jiǎn)稱雨強(qiáng)瞬時(shí)雨強(qiáng)與平均雨強(qiáng)定義：降水籠罩的水平面積，km2定義：暴雨量最大的較小局部區(qū)域定義：降水持續(xù)的時(shí)間，min，h或d降水量、降水歷時(shí)和降水強(qiáng)度2/6/202375降雨降雪冰雹露水2/6/2023762/6/202377霜霜霰霰霰比冰雹要小，要薄。2/6/2023782.3.1降水的形成與分類1降水的形成形成降水的主要因素：

水汽上升運(yùn)動(dòng)冷卻凝結(jié)2/6/2023792降水的分類按空氣抬升而形成動(dòng)力冷卻的原因，降水可分為以下四類：A.對(duì)流雨B.地形雨C.鋒面雨D.氣旋雨2.3.1降水的形成與分類2/6/202380（1）對(duì)流雨定義：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，而發(fā)生水汽垂直上升運(yùn)動(dòng)，形成動(dòng)力冷卻而致雨。特點(diǎn)：降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)短，雨區(qū)較小2.3.1降水的形成與分類2/6/202381(2)地形雨定義：暖濕氣團(tuán)在運(yùn)移途中，遇山脈等地形阻擋，氣流被迫沿迎風(fēng)坡上升，由于動(dòng)力冷卻而成云致雨。特點(diǎn)：因空氣本身溫濕特性，運(yùn)行速度以及地形特點(diǎn)而異，差別較大。

2.3.1降水的形成與分類山脈2/6/202382(3)鋒面雨鋒面：兩個(gè)溫濕特性不同的氣團(tuán)相遇時(shí)，在其接觸區(qū)由于性質(zhì)不同來(lái)不及混合而形成一個(gè)不連續(xù)面。鋒面雨：鋒面活動(dòng)產(chǎn)生的降雨

2.3.1降水的形成與分類冷鋒：雨強(qiáng)大，歷時(shí)較短，雨區(qū)較小錮囚鋒：降水量增加，雨區(qū)擴(kuò)大暖鋒：雨強(qiáng)小，歷時(shí)較長(zhǎng)，雨區(qū)大靜止鋒：雨強(qiáng)小，歷時(shí)長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)30d，雨區(qū)大2/6/202383（4）氣旋雨氣旋：中心氣壓低于四周的大氣旋渦氣旋雨：在北半球，氣旋內(nèi)的空氣做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并向中心輻合，引起大規(guī)模的上升運(yùn)動(dòng)，水汽因動(dòng)力冷卻而致雨分類：按熱力學(xué)性質(zhì)可分為溫帶氣旋（雨）和熱帶氣旋（雨）兩類

2.3.1降水的形成與分類

氣旋平面圖低氣壓區(qū)

氣旋立面圖低氣壓區(qū)2/6/202384溫帶氣旋雨溫帶地區(qū)的氣旋多由鋒面波動(dòng)產(chǎn)生，稱為鋒面氣旋;氣旋前方是暖鋒云系及伴隨的連續(xù)性降水天氣；氣旋后方是狹窄的冷鋒云系和降水天氣；氣旋中部是暖氣團(tuán)天氣，有層云或毛毛雨。

2.3.1降水的形成與分類2/6/202385熱帶氣旋雨熱帶氣旋：發(fā)生在低緯度海洋上的氣旋性旋渦氣旋分類：根據(jù)風(fēng)速大小，將其分為4類：6~8級(jí)為熱帶低壓；8~9級(jí)為熱帶風(fēng)暴；10~11級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；大于12級(jí)為臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)：大暴雨，雨強(qiáng)很大，分布不均臺(tái)風(fēng)登陸后受地形和冷空氣影響，形成狂風(fēng)暴雨2.3.1降水的形成與分類2/6/2023862005年8月8日臺(tái)風(fēng)“麥莎”2/6/2023872/6/202388降水量可采用器測(cè)法、雷達(dá)探測(cè)法或氣象衛(wèi)星云圖估算法。（1）器測(cè)法2.3.2降水量觀測(cè)2/6/202389（1）器測(cè)法2.3.2降水量觀測(cè)虹吸一次，雨量為10毫米。記錄有一次完整降雨過(guò)程的虹吸式自計(jì)雨量記錄紙。2/6/202390器測(cè)法2.3.2降水量觀測(cè)a)可確定出降雨的起迄時(shí)間、雨量大小、降雨強(qiáng)度的變化過(guò)程；b)儲(chǔ)存推求降雨強(qiáng)度和確定暴雨公式的資料；c)應(yīng)與雨量器同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，便于校核。2/6/202391器測(cè)法2.3.2降水量觀測(cè)這種儀器可以連續(xù)記錄接雨杯上的以及存儲(chǔ)在其內(nèi)的降水的重量。記錄方式可以用機(jī)械發(fā)條裝置或平衡錘系統(tǒng)，將全部降水量的重量如數(shù)記錄下來(lái)，并能夠記錄雪、冰雹及雨雪混合降水。稱重式雨量計(jì)實(shí)物圖2/6/202392遙測(cè)雨量計(jì)2/6/202393降水觀測(cè)場(chǎng)2/6/202394（2）氣象雷達(dá)探測(cè)法氣象雷達(dá)利用云、雨、雪等對(duì)無(wú)線電波的反射現(xiàn)象來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)——降雨云層。通過(guò)氣象雷達(dá)探測(cè)，可判斷出暴雨的強(qiáng)度和位置，進(jìn)而估算出降水量和制作降水量空間分布圖。用于水文方面的氣象雷達(dá)有效探測(cè)范圍一般是40~200km。2.3.2降水量觀測(cè)2/6/202395（3）氣象衛(wèi)星云圖法根據(jù)太空衛(wèi)星觀測(cè)并發(fā)回的連續(xù)靜止的云圖資料，確定暴雨云團(tuán)的形成過(guò)程及其位移規(guī)律以及暴雨強(qiáng)度大小。目前已引入人～機(jī)交互系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、云圖識(shí)別、降雨量計(jì)算、雨區(qū)移動(dòng)預(yù)測(cè)等工作。2.3.2降水量觀測(cè)2/6/202396年降水量的地理分布總體特點(diǎn)：東南多雨、西北干旱;

降水量由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸遞減。

全國(guó)多年平均降水量648mm全球陸面平均降水量800mm亞洲陸面平均降水量740mm按年降水量的多少，全國(guó)大致可分為以下5個(gè)區(qū)：2.3.3我國(guó)降水量及時(shí)空分布2/6/2023972.3.3我國(guó)降水量及時(shí)空分布分區(qū)年均降水量(mm)年均降水日數(shù)地區(qū)多雨區(qū)超過(guò)1600160d以上廣東、海南、福建、臺(tái)灣、浙江大部、廣西東部、云南西南部、西藏東南部、江西和湖南山區(qū)、四川西部山區(qū)濕潤(rùn)區(qū)800~1600120~160d秦嶺—淮河以南的長(zhǎng)江中下游地區(qū)、云南、貴州、四川和廣西大部分地區(qū)半濕潤(rùn)區(qū)400~80080~100d華北平原、東北、山西、陜西大部、甘肅、青海東南部、新疆北部、四川西北和西藏東部半干旱區(qū)200~40060~80d東北西部、內(nèi)蒙、寧夏、甘肅大部、新疆西部干旱區(qū)低于200低于60d內(nèi)蒙、寧夏、甘肅沙漠區(qū)、青海柴達(dá)木盆地、新疆塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地、藏北羌塘地區(qū)2/6/2023982/6/202399降水量的年內(nèi)分配

我國(guó)大部分地區(qū)降水的季節(jié)分配不均勻長(zhǎng)江以南地區(qū)，雨季較長(zhǎng)，多雨期為3~6月或4~7月。正常年份，最大4個(gè)月雨量約占全年的50%~60%。華北和東北地區(qū)，雨季為6~9月，正常年份，最大4個(gè)月雨量約占全年的70%~80%，其中華北雨季最短，大部分降雨集中在7~8月。西南地區(qū)一般5~10月為雨季，11~4月為旱季。四川、云南和青藏高原東部，6~9月降水量占全年的70%~80%，冬季則不到5%。新疆西部終年在西風(fēng)氣流控制下，降水量不大，但四季分配較均勻。臺(tái)灣的東北端，受東北季風(fēng)的影響，冬季降水量約占全年的30%，是我國(guó)降水量年內(nèi)分配較均勻的地區(qū)。

2.3.3我國(guó)降水量及時(shí)空分布2/6/2023100降水量的年際變化我國(guó)降水量年際間變化很大，且常有連續(xù)幾年降水量偏多或連續(xù)幾年降水量偏少的現(xiàn)象。年降水量越小的地區(qū)，年際變化越大。以歷年年降水量最大值與最小值之比值K來(lái)表示年際變化，西北地區(qū)K可達(dá)8以上；華北為3~6；東北為3~4；南方為2~3，個(gè)別地方可達(dá)4；西南最小，一般在2以下。

2.3.3我國(guó)降水量及時(shí)空分布2/6/20231012.4土壤水、下滲主要內(nèi)容包氣帶與飽和帶土壤水下滲地下水學(xué)習(xí)要求

了解土壤水的存在形式與分布；掌握下滲的基本概念與計(jì)算方法2/6/20231022.4土壤水、下滲降雨落到地表之后，一部分滲入土壤中，另一部分形成地表水，直接匯入河流。滲入土層的水量，一部分被土壤吸收成為土壤水，而后通過(guò)蒸發(fā)返回大氣，另一部分滲入地下補(bǔ)給地下水，再以地下徑流的形式進(jìn)入河流。下滲和土壤水的運(yùn)動(dòng)影響徑流的形成過(guò)程，本節(jié)著重闡述土壤水、下滲的形成、儲(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)等概念。2/6/20231032.4.1包氣帶與飽和帶以地下水面為界，地表土層可分為兩個(gè)不同的含水帶：包氣帶定義：地下水面以上，土壤含水量未達(dá)飽和，是土壤顆粒、水分和空氣同時(shí)存在的三相系統(tǒng)。

飽和帶

定義：在地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土壤顆粒和水分組成的二相系統(tǒng)。2/6/20231042.4.2土壤水1）定義及研究意義

水文學(xué)中一般將包氣帶中吸附于土粒和存在于土壤空隙中的水分稱為土壤水，而將飽和帶中的水稱為地下水，包括潛水和承壓水。包氣帶的上界直接與大氣接觸，既是大氣降水的承受面，又是土壤蒸散發(fā)水分的逸出面。因此包氣帶是土壤水分劇烈變化的土壤帶。土壤含水量的大小直接影響到蒸發(fā)和下滲的大小，并決定了降雨量中產(chǎn)生徑流的比例，它把降雨、下滲、蒸發(fā)和徑流等水文要素在徑流形成過(guò)程中有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)。因此，研究土壤水的運(yùn)動(dòng)與變化，對(duì)認(rèn)識(shí)水文現(xiàn)象有重要的意義。

2/6/20231052.4.2土壤水2）土壤水與土壤顆粒間的作用力

分子力毛管力重力土壤顆粒表面的分子對(duì)水分子的吸引力（3.1~0.625）MPa由于浸潤(rùn)液體表面張力作用引起的水分在土壤毛細(xì)管中上升的力地球引力對(duì)水分產(chǎn)生的作用力2/6/20231062.4.2土壤水3）土壤水分的存在形式

當(dāng)水分進(jìn)入土壤后，在分子力、毛管力和水分子自身重力的作用下，形成不同類型的土壤水。

吸濕水薄膜水毛管水重力水定義：因分子力而被吸附在土壤顆粒表面的水分。特點(diǎn)：被緊緊地束縛在土粒表面，不能流動(dòng)，也不能被植物利用；呈氣態(tài)。定義：由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水膜特點(diǎn)：能從水膜厚的土粒向水膜薄的土粒緩慢移動(dòng)。定義：在重力作用下沿土壤孔隙自由流動(dòng)的水特點(diǎn)：在重力作用下流動(dòng)各類型的水分在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，例如：超過(guò)薄膜水的水分即成為毛管水；超過(guò)毛管水的水分成為重力水；重力水下滲聚積成地下水；地下水上升又成為毛管支持水；當(dāng)土壤水分大量蒸發(fā)，土壤中就只有吸濕水圖5-4毛管懸著水和毛管上升水示意圖定義：土壤孔隙中由毛管力所持有的水分毛管上升水：是地下水面以上由毛管力所支持而存在于土壤孔隙中的水分。由于空隙分布不均導(dǎo)致毛管水上升高度不同?？紫对郊?xì)，毛管水上升高度越大毛管懸著水：土壤孔隙中毛管合力支持一部分水懸吊于孔隙之中而不與地下水面接觸，稱為毛管懸著水毛管懸著水毛管上升水包氣帶2/6/2023107

吸濕水

土壤顆粒2/6/2023108薄膜水土壤顆粒土壤顆粒2/6/2023109薄膜水示意圖土粒薄膜水2/6/2023110土粒地下水位毛管懸著水示意圖2/6/2023111土粒毛管上升水示意圖地下水位2/6/20231123）土壤含水量（率）

土壤中所含水分的數(shù)量不僅與土壤特性密切相關(guān)，同時(shí)受到降雨、下滲、蒸發(fā)等水文循環(huán)過(guò)程的影響。因此，土壤所含水量是動(dòng)態(tài)的和不斷發(fā)生變化的。為了描述土壤水分的時(shí)空變化狀態(tài)，通常引入土壤含水量概念。定義：某一單位土壤中所含水分的數(shù)量，又稱土壤濕度。土壤體積含水量（常用）：土壤重量含水量：在實(shí)際工作中，為了便于同降雨量、徑流量及蒸發(fā)量進(jìn)行比較計(jì)算，一般講某土層所含水量以相應(yīng)水層深度表示土壤含水量，稱為土壤蓄水量。單位以mm計(jì)。2.4.2土壤水2/6/2023113土壤蓄水量用水層深度表示，W，mm土壤蓄水量W=土壤體積含水量θ×單位底面面積的土層厚度H

WaterSoilAir2/6/20231144）土壤水分常數(shù)定義：在一定條件下，土壤各類型水分達(dá)到最大量時(shí)的土壤含水量。

a.最大吸濕量b.最大分子持水量c.凋萎系數(shù)（凋萎含水量）毛管斷裂含水量田間持水量飽和含水量2.4.2土壤水在飽和空氣中，土壤能夠吸附的最大水汽量由土壤顆粒分子力所結(jié)合的水分的最大值植物根系無(wú)法從土壤中吸收水分，開(kāi)始凋萎時(shí)的土壤含水量毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開(kāi)始斷裂時(shí)的土壤含水量土壤中所能保持的最大毛管懸著水量土壤中所有孔隙都被水充滿時(shí)的土壤含水量2/6/2023115土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義干燥最大吸濕量凋萎系數(shù)最大分子持水量毛管斷裂含水量田間持水量飽和含水量土壤水分常數(shù)作用力大小104Pa分子力30414761.30.78作用力類型毛管力重力土壤水類型吸濕水薄膜水毛管水重力水束縛水自由水980000.0012/6/2023116華北平原幾種典型土壤的水分常數(shù)土壤類型最大吸濕量凋萎系數(shù)田間持水量飽和含水量紫砂土——26~32—砂壤土2~35~932~4245~52輕壤土2~36~1230~3640~52中壤土3~58~1530~3544~54重壤土3~49~1832~4240~50輕黏土—2040~4545~54中黏土—17~2435~4548~53重黏土——10~5048~552/6/20231172.4.3下滲下滲定義定義：降落到地面上的雨水從地表滲入土壤中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。研究下滲的目的1）下滲水量的多少直接影響著徑流量的大小，同時(shí)直接決定了地面、地下徑流量的大??；2）下滲影響土壤水分的增長(zhǎng)，以及表層流與地下徑流的形成，是將地表水、地下水、土壤水聯(lián)系起來(lái)的紐帶，是徑流形成過(guò)程、水文循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。

因此，分析下滲的物理過(guò)程與規(guī)律對(duì)認(rèn)識(shí)徑流形成的物理機(jī)制有重要的意義。2/6/20231181）下滲的物理過(guò)程

滲入土壤中的水分在分子力、毛管力和重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。按水分所受的力和運(yùn)動(dòng)特征，整個(gè)下滲的物理過(guò)程可劃分為以下三個(gè)階段：（1）滲潤(rùn)階段：降雨初期，若土壤干燥，下滲水主要受分子力作用，被土粒所吸附形成吸濕水，進(jìn)而形成薄膜水。

結(jié)束標(biāo)志：土壤含水量大于最大分子持水量。（2）滲漏階段：下滲水分主要在毛管力、重力作用下沿土壤孔隙向下做不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并逐步填充土壤控制直至飽和，此時(shí)毛管力消失。

結(jié)束標(biāo)志：土壤含水量達(dá)到飽和含水量。（3）滲透階段：當(dāng)土壤孔隙充滿水達(dá)到飽和后，水分在重力作用下呈穩(wěn)定流動(dòng)，下滲率趨于穩(wěn)定滲率。一般，前兩個(gè)階段屬于非飽和水流運(yùn)動(dòng)，而滲透階段屬于飽和水流運(yùn)動(dòng)。2.4.3下滲2/6/2023119入滲現(xiàn)象0θ0θsZt10θ0θsZt3t20θ0θsZ0θ0θsZt40θ0θsZt50θ0θsZt0河南農(nóng)業(yè)大學(xué)2/6/20231202）基本概念供水強(qiáng)度：指降雨或灌溉水噴灑的強(qiáng)度，表示單位時(shí)間單位面積地表所截獲的水量。當(dāng)只有降雨補(bǔ)給土壤水時(shí)，供水強(qiáng)度即為降雨強(qiáng)度。下滲率：又稱下滲強(qiáng)度，指單位時(shí)間從地表滲入單位面積土壤中的水量，f，常以mm/min、mm/h計(jì)；下滲能力：又稱下滲容量，指土壤表面充足供水條件下的下滲率，fP，常以mm/min、mm/h計(jì)；下滲能力僅與初始土壤含水量和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與供水強(qiáng)度無(wú)關(guān)。下滲曲線：又稱下滲能力曲線，指初始干燥的土壤在充足供水條件下的下滲率f(t)隨時(shí)間t的變化過(guò)程線，即f(t)～t。常用下滲曲線定量描述土壤下滲規(guī)律。2.4.3下滲2/6/2023121

在下滲剛開(kāi)始階段，下滲的水分被土壤顆粒吸收以填充土壤空隙，下滲率很大。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，下滲水量越來(lái)越多，土壤含水量逐漸增大，下滲率逐漸遞減。當(dāng)土壤中的空隙被水充滿時(shí)，下滲率趨于穩(wěn)定。初始下滲率：指在下滲剛開(kāi)始時(shí)的下滲率，f0；穩(wěn)定下滲率：指當(dāng)土壤中的空隙被水充滿，下滲趨于穩(wěn)定時(shí)的下滲率，fC；累積下滲量：自下滲開(kāi)始至下滲過(guò)程中某時(shí)刻為止通過(guò)單位面積滲入土壤中的總水量，簡(jiǎn)稱下滲量，F(xiàn)，mm；F與f之間的關(guān)系如下：2.4.3下滲2/6/2023122F(t0)的幾何意義t0

2.4.3下滲2/6/20231232.4.3下滲累積下滲曲線：累積下滲量隨時(shí)間的變化過(guò)程線，即F～t曲線。時(shí)段平均下滲率：研究時(shí)段下滲量△F與△t的的比值，。

幾何意義：F～t曲線上任意兩點(diǎn)之間連線的斜率。瞬時(shí)下滲率：下滲過(guò)程中某一時(shí)刻的下滲率，f(t)；

f(t)幾何意義：F～t曲線上任一點(diǎn)切線的斜率。2/6/20231242.4.3下滲

f(t)與F(t)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系F2/6/20231253）下滲量測(cè)定測(cè)定方法：注水法——單管下滲儀或同心環(huán)下滲儀人工降雨法——人工降雨設(shè)備觀測(cè)同心環(huán)下滲儀：內(nèi)環(huán)：直徑30cm，高20cm，上下無(wú)底外環(huán)：60cm，20cm實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)外環(huán)均打入土壤10cm，外留10cm內(nèi)外環(huán)均保持5cm水層減少側(cè)滲影響2/6/2023126理論下滲曲線：飽和與非飽和下滲理論推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)下滲曲線：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合4）下滲公式霍頓公式：菲利普公式：式中：s為土壤吸水系數(shù)。2/6/2023127i15）天然條件下下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系

天然狀態(tài)下的降雨復(fù)雜多變，實(shí)際降雨強(qiáng)度i和下滲能力fp之間可能有如下3種情況：①i1≥fp此時(shí)相當(dāng)于充分供水條件，各時(shí)刻均按下滲能力下滲，如圖中A線所示。天然降雨條件下的下滲過(guò)程FA2/6/20231285）天然條件下下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系

②i2≤fc此時(shí)下滲率取決于降雨強(qiáng)度，下滲過(guò)程與降雨過(guò)程完全相同，如圖中B線。天然降雨條件下的下滲過(guò)程i2B2/6/20231295）天然條件下下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系

③fc<i3<fp這種情況開(kāi)始時(shí)，雨強(qiáng)小于下滲能力，全部降雨滲入土壤，如圖中C線。隨著下滲水量增加，土壤含水量也增加，下滲率隨之遞減，到某時(shí)刻后，雨強(qiáng)大于下滲率，將按下滲能力下滲，如圖中D線。天然降雨條件下的下滲過(guò)程i3CDttt02/6/2023130t0充分供水條件下t0i3Ft0降雨條件下Ft0F’t0Ft0F’t0fp2fp1fp2＞fp1＞i3假定降雨開(kāi)始時(shí)刻土壤非常干燥2/6/2023131t0充分供水條件下t0i3Ft0降雨條件下Ft0FttFt0fp1fptt=fp1=i3ttFtt=Ft0FttfpttDCtt假定降雨開(kāi)始時(shí)刻土壤非常干燥2/6/20231322.4.3下滲天然降雨條件下的下滲過(guò)程2/6/20231336）下滲的空間分布流域（面）下滲過(guò)程比點(diǎn)下滲復(fù)雜：（1）流域土壤性質(zhì)的空間分布不同；（2）降雨開(kāi)始時(shí)流域內(nèi)土壤含水量空間分布也不同；（3）一場(chǎng)降雨在空間和時(shí)間上分布是不均勻的；（4）流域內(nèi)各處地下水位高低不一；以上因素導(dǎo)致流域下滲在空間上分布不均。2.4.3下滲2/6/20231347）下滲的主要影響因素a.土質(zhì)與土壤干濕狀況對(duì)初始下滲率、穩(wěn)滲率的影響在充分供水條件下，初始下滲率和土質(zhì)、土壤干濕狀況有關(guān)，土壤組成顆粒越大、土壤含水量越小，初始下滲率就越大；反之亦然。穩(wěn)滲率也和土質(zhì)、土壤干濕狀況有關(guān)，土壤組成顆粒越大、土壤含水量越小，穩(wěn)滲率就越大。土壤分層結(jié)構(gòu)也影響下滲。b.植被對(duì)下滲的影響有植被地區(qū)的下滲一般大于裸地，因?yàn)橹脖蛔柚沟乇韽搅鳎瑴p少?gòu)搅髁魉?，延緩了下滲時(shí)間，且枯枝落葉及根系腐爛以及根系在土壤中形成的孔隙有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，導(dǎo)致下滲能力的提高。c.流域地形的影響坡度、坡形（凹凸坡）、坡向（陰陽(yáng)坡）、坡位（坡上中下）都對(duì)下滲有一定影響。d.人類活動(dòng)植樹(shù)造林、開(kāi)展水土保持措施等可以使流域滯水和蓄水能力增加，從而影響下滲。深耕的初始下滲率和穩(wěn)滲率均高于淺耕。2/6/2023135廣義的地下水指埋藏在地表以下各種狀態(tài)下的水。若以地下水埋藏條件為依據(jù)，地下水可劃分為以下三個(gè)基本類型：1.包氣帶水指埋藏于地表以下、地下水面以上包氣帶中的水分，即土壤水。包括吸濕水、薄膜水、毛管水、重力水等等。2.潛水指埋藏于飽和帶中，處于土層中第一個(gè)不透水層上，具有自由水面的地下水稱為潛水，水文學(xué)中稱為淺層地下水。3.承壓水埋藏于飽和帶中，處于兩個(gè)不透水層之間，具有壓力水頭的地下水，水文學(xué)中稱為深層地下水。2.4.4地下水2.4.4.1地下水分類2/6/2023136廣義的地下水指埋藏在地表以下各種狀態(tài)下的水。若以地下水埋藏條件為依據(jù)，地下水可劃分為以下三個(gè)基本類型：1.潛水潛水具有自由水面，通過(guò)包氣帶與大氣連通。潛水面與地面之間的距離為潛水埋藏深度，潛水面與第一個(gè)不透水層層頂之間的間距稱為潛水含水層厚度。潛水埋藏的深度及貯量取決于地質(zhì)、地貌、土壤、氣候等條件，一般情況下，山區(qū)潛水埋藏較深，平原區(qū)埋藏較淺。潛水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水和地表水。當(dāng)大河下游水位高于潛水位時(shí)，河水也可能成為潛水的補(bǔ)給源。潛水排泄有側(cè)向排泄和垂向排泄兩種方式。側(cè)向排泄是指潛水在重力作用下沿水力坡度方向補(bǔ)給河流或其它水體，或者露出地表成為泉水；垂向排泄主要指潛水蒸發(fā)。2.4.4地下水2.4.4.2地下水特征2/6/20231372.承壓水承壓水的主要特點(diǎn)是處于兩個(gè)不透水層之間，具有壓力水頭，一般不直接受氣象、水文因素的影響，具有動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定的特點(diǎn)。承壓水的水質(zhì)不易遭受污染，水量較穩(wěn)定，是河川枯水期水量的主要來(lái)源。

承壓水含水層按水文地質(zhì)特征分為三個(gè)組成部分：補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)。含水層出露于地表較高的部分為補(bǔ)給區(qū)，直接承受大氣降水和地表水的補(bǔ)給。另一部分含水層位置較低，出露地表，為排泄區(qū)。在這兩區(qū)之間的含水層為承壓區(qū)，該區(qū)是指含水層被其上的巖石隔水層覆蓋的區(qū)段，其主要特征是承受靜水壓力，具有壓力水頭。2.4.4地下水2.4.4.2地下水特征2/6/20231382.5蒸散發(fā)主要內(nèi)容水面蒸發(fā)的觀測(cè)與計(jì)算土壤蒸發(fā)觀測(cè)與估算植物散發(fā)測(cè)定與估算流域蒸發(fā)計(jì)算學(xué)習(xí)要求了解蒸發(fā)與散發(fā)的基本概念掌握水面蒸發(fā)與流域蒸發(fā)的計(jì)算方法2/6/20231392.5.1基本概念

據(jù)統(tǒng)計(jì)，陸地上一年內(nèi)的降水約有60%耗于蒸發(fā)。蒸散發(fā)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是水量平衡的基本要素之一，對(duì)徑流量有直接影響。蒸發(fā)：水由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程；散發(fā)或蒸騰：被植物根系吸收的水分，經(jīng)由植物的枝干和葉面散逸到大氣中的過(guò)程；蒸發(fā)面：具有水分子的物體表面；水面蒸發(fā)：蒸發(fā)面為水面；土壤蒸發(fā)：蒸發(fā)面為土壤表面；植物散發(fā)：蒸發(fā)面為植物枝干和葉面；2/6/20231402.5.1基本概念陸面蒸發(fā)：土壤蒸發(fā)與植物散發(fā)的總和；流域總蒸發(fā)：流域內(nèi)水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)等各類蒸發(fā)的總和。蒸發(fā)量：一定時(shí)段內(nèi)從蒸發(fā)面出去的水層深度，E，mm蒸發(fā)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量，e，mm/h、mm/d蒸發(fā)能力：充分供水條件下，某一蒸發(fā)面的最大蒸發(fā)量，Em一般情況下，蒸發(fā)面上的蒸發(fā)量小于或等于蒸發(fā)能力。2/6/20231412.5.2水面蒸發(fā)1）定義：在自然條件下，水分從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)逸出水面的物理過(guò)程。2）水面蒸發(fā)的觀測(cè)方法20cm口徑蒸發(fā)器

80cm口徑套盆蒸發(fā)器60cm口徑帶套盆E601蒸發(fā)器2/6/20231423）水體水面蒸發(fā)計(jì)算E=KE器折算系數(shù)K隨蒸發(fā)器直徑而變，也與蒸發(fā)器類型、自然環(huán)境、季節(jié)變化等因素有關(guān)。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)資料分析

。

2.5.2水面蒸發(fā)型號(hào)東北區(qū)華北區(qū)華中區(qū)華南區(qū)康滇區(qū)青藏區(qū)蒙新區(qū)全國(guó)平均E6010.910.930.960.970.970.880.830.92800.820.800.810.720.890.730.640.78200.610.510.660.680.600.600.540.61我國(guó)不同型號(hào)蒸發(fā)器折算系數(shù)2/6/20231432.5.3土壤蒸發(fā)1）定義

土壤蒸發(fā)指土壤中所含水分以水汽的形式逸入大氣的現(xiàn)象。2）濕潤(rùn)土壤的蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)定蒸發(fā)階段：存在自由重力水，土層中毛細(xì)管上下溝通，供水充分，土壤蒸發(fā)主要發(fā)生在表層，蒸發(fā)速度穩(wěn)定，E=Em。蒸發(fā)強(qiáng)度主要決定于氣象條件。結(jié)束標(biāo)志：土壤含水量小于田間持水量。蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含水量降低階段：土層中毛細(xì)管連續(xù)狀態(tài)逐漸斷裂，供水不充分，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含水量的減小而減小。蒸發(fā)強(qiáng)度主要決定于土壤含水量。結(jié)束標(biāo)志：土壤含水量小于毛管斷裂含水量。2/6/20231442.5.3土壤蒸發(fā)水汽擴(kuò)散階段：毛管向土壤表面輸送水分的機(jī)制完全破壞，水分只能以水汽形式通過(guò)土壤孔隙外逸，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度很小。蒸發(fā)強(qiáng)度主要決定于土層內(nèi)水汽擴(kuò)散能力，而氣象因素、土壤含水量大小對(duì)蒸發(fā)均不起明顯作用。

2/6/20231452.5.4植物散發(fā)植物散發(fā)指在植物生長(zhǎng)期，水分從植物葉面和枝干蒸發(fā)進(jìn)入大氣的過(guò)程，又稱蒸騰。植物散發(fā)與土壤蒸發(fā)同時(shí)存在，合稱為陸面蒸發(fā)植物散發(fā)比水面蒸發(fā)及土壤蒸發(fā)更復(fù)雜，與土壤環(huán)境、植物生理結(jié)構(gòu)以及大氣狀況有密切的關(guān)系目前，我國(guó)植物散發(fā)的觀測(cè)資料很少，散發(fā)量難以估算。

2/6/20231462.5.5流域總蒸發(fā)流域總蒸發(fā)包括流域中水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物滯留蒸發(fā)及植物散發(fā)。計(jì)算方法（1）面積加權(quán)法水面面積：FW；土壤面積：FS；植被面積：FP水面蒸發(fā)：EW；土壤蒸發(fā)：ES；植物散發(fā)：EP流域總蒸發(fā)按下式計(jì)算：2/6/2023147（2）水量平衡法閉合流域多年平均水量平衡方程：根據(jù)降水量與徑流量觀測(cè)值，已繪制多年平均蒸發(fā)量等值線圖，可以直接查算。2.5.5流域總蒸發(fā)2/6/2023148（3）模式計(jì)算法我國(guó)水利部門(mén)常用的流域蒸發(fā)量計(jì)算模式有以下三種：A.一層蒸發(fā)模式

假定流域蒸發(fā)量E與流域土壤含水量W成正比。缺點(diǎn)：一層蒸發(fā)模式比較簡(jiǎn)單，但沒(méi)有考慮土壤水分的垂直分布情況。當(dāng)包氣帶土壤含水量較小，而表層土壤含水量較大時(shí)，按一層蒸發(fā)模式得出計(jì)算值偏小。

2/6/2023149B.二層蒸發(fā)模式

將流域蓄水容量Wm分為上層WUm和下層WLm，相應(yīng)的土壤含水量分別WU和WL。假定降雨量先補(bǔ)充上層土壤含水量，當(dāng)上層土壤含水量達(dá)WUm后再補(bǔ)充下層土壤含水量；蒸發(fā)則先消耗上層土壤含水量，蒸發(fā)完了再消耗下層的土壤含水量，且上層蒸發(fā)EU按流域蒸發(fā)能力蒸發(fā)，下層蒸發(fā)EL與下層土壤含水量成正比。流域總蒸發(fā)量為上、下兩層蒸發(fā)量之和。即：缺點(diǎn)：久旱以后由于下層土壤含水量很小，利用二層蒸發(fā)模式計(jì)算出的蒸發(fā)量很小，流域土壤含水量難以達(dá)到凋萎含水量，不太符合實(shí)際情況。E=EU＋EL2/6/2023150C.三層蒸發(fā)模式

在二層蒸發(fā)模式的基礎(chǔ)上，確定了一個(gè)下層最小蒸發(fā)系數(shù)C，上層蒸發(fā)仍按一層蒸發(fā)模式計(jì)算，下層蒸發(fā)按下式計(jì)算：當(dāng)WL≥C（Em-EU）時(shí)當(dāng)WL<C（Em-EU）時(shí)EL=WL2/6/20231511）年蒸發(fā)量的地理分布我國(guó)年蒸發(fā)量：364mm總的趨勢(shì)：由東南向西北遞減。淮河以南、云貴高原以東：700~800mm海南島東部、西藏東南：1000mm以上華北平原：400~600mm東北平原：400mm大興安嶺以西、內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、阿拉善：<300塔里木盆地、柴達(dá)木盆地：<25mm2.5.6我國(guó)蒸發(fā)量概況2/6/20231522.5.6我國(guó)蒸發(fā)量概況2）年蒸發(fā)量的年內(nèi)分配與太陽(yáng)輻射、氣象要素的年內(nèi)變化一致年最小值：12月到次年1月年最大值：存在地區(qū)差異云貴高原：4~5月華北、西南：5~6月長(zhǎng)江中下游、沿海：7~8月

2/6/20231532.6徑流主要內(nèi)容徑流形成過(guò)程徑流的表示方法與度量單位我國(guó)徑流量概況學(xué)習(xí)要求熟悉次降雨徑流量過(guò)程的描述掌握徑流的表示方法與度量單位了解我國(guó)徑流量的分布情況2/6/2023154徑流概念徑流：由降水形成的在重力作用下沿著一定的方向和路徑流動(dòng)的水流。徑流的分類

按流動(dòng)路徑：

按成因：地表徑流（Qs）地下徑流（Qg）壤中流（Qint）河川徑流（Q）降雨徑流融雪徑流2/6/2023155徑流的作用：徑流是陸地上重要的水文現(xiàn)象，是水文循環(huán)和水量平衡的基本要素，是引起河流、湖泊、沼澤等陸地水體水情變化的直接因素。因此，揭示和了解徑流變化規(guī)律，分析徑流與其它水文要素及各影響因素之間的相互關(guān)系，掌握徑流形成的基本理論與分析方法是十分必要的。徑流概念2/6/20231562.6.1徑流形成過(guò)程（1）定義徑流形成過(guò)程是指流域內(nèi)自降雨開(kāi)始到水流匯集到流域出口斷面的整個(gè)物理過(guò)程。流域是降水的承受面，也是蒸發(fā)的逸出面和徑流形成的下墊面；流域主要功能是將降水轉(zhuǎn)化為徑流。P~tQ~t2/6/20231572.6.1徑流形成過(guò)程1.2徑流形成過(guò)程的階段劃分徑流形成過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜而連續(xù)的物理過(guò)程，開(kāi)始于降雨過(guò)程，結(jié)束于流域出口斷面的流量過(guò)程。為了便于分析，一般將其概括為產(chǎn)流過(guò)程和匯流過(guò)程。降雨過(guò)程產(chǎn)流過(guò)程流域蓄滲過(guò)程坡地匯流過(guò)程匯流過(guò)程河網(wǎng)匯流過(guò)程徑流形成過(guò)程2/6/20231581.3產(chǎn)流過(guò)程1.3.1降雨過(guò)程流域內(nèi)的徑流由降雨產(chǎn)生，因此降雨過(guò)程是徑流形成的首要環(huán)節(jié)。降雨大小及其時(shí)空分布特征決定了河川徑流的大小和變化規(guī)律。2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/20231591.3產(chǎn)流過(guò)程1.3.2流域蓄滲過(guò)程（即降雨扣損過(guò)程）

在分析徑流形成過(guò)程中，一般將流域地面分為以下三類：（1）與河網(wǎng)連通的水面；降落到水面上的降雨除了少量耗于雨期蒸發(fā)外，直接形成徑流。（2）不透水面，如屋頂、水泥路面等；降落到不透水面上的降雨除了少量耗于雨期蒸發(fā)和被地面吸收損耗外，剩余雨量形成地表徑流。（3）透水地面，如裸露土壤的地面、草地、森林等。降落到透水地面的雨水一部分被植物的枝干、葉面攔截和滯留，稱為植物截留，截留量最終耗于蒸發(fā)。

2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/2023160植物截留得到滿足后，降落的雨水到達(dá)地面，并首先向土壤中入滲，若雨強(qiáng)小于下滲能力，雨水全部下滲；若雨強(qiáng)大于下滲能力，雨水按下滲能力下滲，超出下滲能力的雨水（稱為超滲雨）在地表形成積水，蓄存于地面大大小小的洼地，稱為地表填洼，填洼的水量最終耗于蒸發(fā)和下滲。隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，滿足地表填洼的地方開(kāi)始產(chǎn)生地表徑流Rs。滲入土壤中的水分，首先被土壤吸收，使土壤含水量不斷增加，當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量后，后續(xù)滲入土壤中的雨水沿著土壤孔隙向下流動(dòng)。在流動(dòng)過(guò)程中，如遇到相對(duì)不透水層，則有部分雨水在不透水層上形成積水，進(jìn)而積水會(huì)沿著土壤孔隙發(fā)生側(cè)向流動(dòng)，在一定的位置出露地表，注入河槽形成徑流，稱這種徑流為壤中流Rint。2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/2023161隨著滲入土壤中的雨水持續(xù)增加，透過(guò)相對(duì)不透水層的雨水繼續(xù)向土層深處入滲，到達(dá)地下水面線以下，補(bǔ)給地下水，使地下水位升高，并沿水力坡度方向以地下水（淺層地下水和深層地下水）的形成補(bǔ)給河流，這部分徑流稱為地下徑流Rg。產(chǎn)流過(guò)程中的水以垂向運(yùn)動(dòng)為主，形成不同徑流成分的基本過(guò)程。

2.6.1徑流形成過(guò)程注意：Rs與Rint在匯流過(guò)程中，可相互轉(zhuǎn)化，計(jì)算時(shí)，二者合并，當(dāng)作地面徑流。2/6/20231621.3產(chǎn)流過(guò)程降落到流域表面的雨水，一部分會(huì)損失掉，剩余部分形成徑流。凈雨：降雨扣除各種損失后用于形成徑流的雨量稱為凈雨。產(chǎn)流過(guò)程：降雨扣除損失成為凈雨的過(guò)程；凈雨量也稱為產(chǎn)流量；降雨不能產(chǎn)生徑流的那部分降雨量稱為損失量。2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/20231631.3產(chǎn)流過(guò)程降雨經(jīng)過(guò)流域蓄滲過(guò)程被分配為降雨損失和凈雨兩部分。降雨損失：降雨中不能形成徑流的那部分雨量，I。（1）植物截留Is——蒸發(fā)（2）地表填洼Vd

——蒸發(fā)、下滲（3）下滲f——蒸散發(fā)（4）雨期蒸發(fā)E降雨損失過(guò)程：2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/2023164凈雨：降雨扣除損失后用以形成徑流的那部分降雨量，R，mm。包括以下幾部分：（1）地表凈雨Rs—形成地表徑流的凈雨；地表（2）壤中流凈雨Rint—形成壤中流的凈雨；包氣帶（3）地下凈雨Rg

—形成地下徑流的凈雨，包括淺層地下水（潛水）和深層地下水（承壓水）；飽和帶凈雨過(guò)程：2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/2023165凈雨與徑流的區(qū)別與聯(lián)系：聯(lián)系：凈雨和它形成的徑流在數(shù)量上相等。區(qū)別：過(guò)程完全不同（1）凈雨是徑流的來(lái)源，徑流是凈雨匯流的結(jié)果；（2）凈雨在降雨結(jié)束時(shí)就停止，而徑流還要持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/20231661.4匯流過(guò)程1.4.1流域匯流過(guò)程定義

凈雨沿著坡地從地面和地下匯入河網(wǎng)，然后再沿河網(wǎng)匯集到流域出口斷面的整個(gè)過(guò)程稱為流域匯流過(guò)程。流域匯流過(guò)程包括坡地匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)階段。

2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/2023167匯流過(guò)程2.6.1徑流形成過(guò)程坡地匯流河網(wǎng)匯流流域匯流過(guò)程流域出口2/6/20231681.4.2坡地匯流定義：凈雨沿坡地從地表和地下匯入附近河網(wǎng)的過(guò)程。分為地面凈雨、壤中流凈雨和地下凈雨的坡地匯流三類：坡面漫流：流程短，流速大，先到達(dá)。壤中流匯流：流程較長(zhǎng)，流速緩慢，后到達(dá)。地下徑流匯流：流程最長(zhǎng)，流速最慢，最后到達(dá)深層地下徑流流動(dòng)很慢，因此降雨結(jié)束后地下水流可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，較大河流可以終年不斷流，這是河流的基本流量，水文學(xué)中稱為基流。在徑流形成過(guò)程中，坡地匯流過(guò)程是對(duì)凈雨在時(shí)程上進(jìn)行的第一次再分配。2.6.1徑流形成過(guò)程2/6/20231691.4.3河網(wǎng)匯流定義：經(jīng)坡地匯流注入河網(wǎng)的徑流沿河網(wǎng)從支流向干流、從上游向下游匯集，最后全部流出流域出口斷面的過(guò)程。河網(wǎng)匯流時(shí)間大于坡面匯流時(shí)間地表徑流Qs：陡漲陡落，最先結(jié)束；壤中流Qint：平緩，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；地下徑流Qg：穩(wěn)定，且量小，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。在徑流形成過(guò)程中，河網(wǎng)匯流過(guò)程是凈雨在時(shí)程上進(jìn)行的第二次再分配。匯流過(guò)程中的水以水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)為主，水平運(yùn)動(dòng)機(jī)制是構(gòu)成降雨在時(shí)程上再分配的過(guò)程。2.6.1徑流形成過(guò)程注意：降雨徑流形成過(guò)程中的產(chǎn)流與匯流過(guò)程不能截然分開(kāi)，而是交替出現(xiàn)。2/6/20231702.6.1徑流形成過(guò)程ttttttttttttttQqgqsqssQInSdfrsSrssfgrgfd垂向再分配(產(chǎn)流過(guò)程)側(cè)向再分配(匯流過(guò)程)地表徑流峰形尖瘦，近似對(duì)稱，陡漲陡落峰值滯后，過(guò)程線較平緩，不對(duì)稱歷時(shí)長(zhǎng)，基本無(wú)峰，過(guò)程平緩2/6/20231712/6/20231722.6.1徑流形成過(guò)程1.5降雨過(guò)程與流域出口斷面流量過(guò)程之間的差異(1)降雨量P>徑流量R(2)形狀不同

P~t曲線變化劇烈而不規(guī)則

Q~t曲線相對(duì)平緩光滑(3)Q~t曲線的起始時(shí)刻、洪峰、重心等均較P~t曲線后出現(xiàn)(4)徑流歷時(shí)TQ~t>降雨歷時(shí)TP~t原因：A.

流域下墊面條件B.降水特征——過(guò)程與空間分布C.流域下墊面對(duì)降雨的調(diào)蓄作用2/6/2023173地表徑流徑流形成過(guò)程框圖降雨透水地面填洼及地面蓄水植物截留土壤蓄水地下蓄水深層地下水蓄水蒸散發(fā)不透水地面壤中流地下徑流河網(wǎng)蓄水流量過(guò)程與河網(wǎng)連通的水面產(chǎn)流過(guò)程匯流過(guò)程2/6/2023174（1）流量（Q）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)河流某一過(guò)水?dāng)嗝娴目偹?，m3/s。（2）徑流總量（W）：某一時(shí)段內(nèi)通過(guò)河流某一過(guò)水?dāng)嗝娴目偹浚琺3。（3）徑流深（R）：將計(jì)算時(shí)段內(nèi)的徑流總量W均勻分布在流域面積F上所得的平均水層深度，mm。

（4）徑流模數(shù)（M）：流域出口斷面流量與流域面積的比值，m3/(s.km2)（5）徑流系數(shù)（α）：某計(jì)算時(shí)段內(nèi)的徑流深與降雨量之比。2.6.2徑流的表示方法2/6/2023175徑流表示方法之間的換算關(guān)系轉(zhuǎn)換前特征值及其計(jì)量單位轉(zhuǎn)換后特征值及其計(jì)量單位QWMRm3/sm3m3/(skm2)mmQm3/sW/TMF103RF/TWm3QTMFT/103103RFMm3/(skm2)Q/FW/T/F103R/TRmmQT/(103F)W/(103F)MT/1062.6.2徑流的表示方法注意：表中F單位為km2；T單位s。2/6/2023176例1：某水文站控制流域面積為54500km2，已知該站的=1680m3/s，該流域=1650mm，試求，，以及解：多年平均徑流量=1680×365×24×3600=530億m3

多年平均徑流深=530×108/(54500×106)×103=972mm

多年平均徑流模數(shù)

多年平均徑流系數(shù)

2.6.2徑流的表示方法2/6/2023177例2：已知某水文站控制面積F=2000km2，某次洪水過(guò)程線如下表。試推求該次洪水的徑流量W和徑流深R。時(shí)間(日.時(shí))2.142.203.23.83.143.204.24.8流量(m3/s)100210230160014501020800530時(shí)間(日.時(shí))4.144.205.25.85.145.206.26.8流量(m3/s)4103603303002702501601002.6.2徑流的表示方法某水文站一次洪水過(guò)程2/6/20231782.6.2徑流的表示方法W=(100+210)×6×3600/2+……+(160+100)×6×3600/2=173.232×106m3R=W/F/=173.232×10