水文學第二章-1課件

1水文學

Hydrology湯婕2013.32第二章 水文學的一般概念與水文測驗內(nèi)容：2.1河流和流域2.2徑流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文資料的觀測方法與收集2.5水位與流量關(guān)系曲線3第二章 水文學的一般概念與水文測驗內(nèi)容：2.1河流和流域2.2徑流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文資料的觀測方法與收集2.5水位與流量關(guān)系曲線6一、基本概念（一）河流（River）

地表水在重力的作用下，沿著陸地表面上的線形凹地流動，并匯集于各級河槽上稱為河流。河流是水循環(huán)地表徑流的主要途徑。經(jīng)?；蜷g歇性的水流及河槽（河床）是構(gòu)成河流的兩個因素。7

外流河與內(nèi)流河：流入海洋的河流稱為外流河。如長江、黃河。凡流入內(nèi)陸湖泊或消失于沙漠中的河流，稱為內(nèi)流河。如新疆的塔里木河，青海的布喀河。9

河流的分段：一般河流可分成河源、上游、中游、下游及河口五段河源是河流的發(fā)源地。可以是溪澗、泉水、湖泊、沼澤和冰川。長江源頭：唐古拉山脈主峰格拉丹冬冰峰西南側(cè)的姜根迪如冰川黃河源頭：巴顏喀拉山北麓的約古宗列曲中游比降與流速減小、流量加大、沖刷淤積都不嚴重、河槽多為粗沙。長江中游自湖北省宜昌市至江西省九江市。其中湖北省宜都市至湖南省岳陽市城陵磯，因長江流經(jīng)古荊州地區(qū)，俗稱荊江。14下游位于河流的最下一段。比降與流速更小、流量更大、淤積占優(yōu)勢、多淺灘沙洲、河槽多細沙或淤泥。長江下游：從江西省九江市至上海市長江口。江蘇省揚州市、鎮(zhèn)江市附近及以下長江主河道，因古有揚子津渡口，得名“揚子江”河口：河流的出口處。河流注入海洋或湖泊處，有大量的泥沙淤積形成三角洲23水系及河流分級示意圖斯特拉勒（Strahler）分級法：直接發(fā)源于河源的小河流為一級河流；兩條相同河流匯合成比原來河流高一級的河流；兩條不同級別的河流會合后形成的河流，保留原來較高一級的河流。干流是水系中最高級別的河流。26

（三）流域（Basin,Watershed,Catchment）1.分水嶺：當?shù)匦蜗騼蓚?cè)傾斜，使雨水分別匯集到兩條河流中去，這一起著分水作用的脊線稱為分水線或分水嶺。即，山脊線的連線為分水線，分水線兩邊的雨水分別匯入不同的流域。292.流域：匯集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域。它是分水線所包圍的區(qū)域，地面分水線與地下分水線分別構(gòu)成地面集水區(qū)和地下集水區(qū)。

30閉合流域:在垂直方向地面、地下分水線重合，地面集水區(qū)上降水形成的徑流正好由流域出口斷面流出，一般的大中流域均屬此類。非閉合流域:地面、地下分水線不重合的流域，如巖溶地區(qū)的河流和一些很小的流域。31二、河流與水系特征河源確定依據(jù)1、“河源唯遠”，以距河口最遠點作為河流的發(fā)源地(源頭)。即依河流長短，水流最長者為正源。2、依河網(wǎng)平面圖的上下游一致性。即某條源流與下游干流流向比較順直一致，形似干流向上的自然延伸者為正源。3、依水量之多寡，水量大者為正源。4、依歷史習慣，維持人們長期以來的普遍看法而不去輕易變更。5、依河谷發(fā)育期的早晚，河谷形成較早者為正源。331．扇形水系：各支流較集中地匯于干流。流域呈扇形或圓形。如新安江支流的練江水系為扇形水系。扇形水系在降雨時，各支流的洪水幾乎同時到達流域出口處，因此，這種水系很容易發(fā)生危害性洪水。（一）水系形狀

根據(jù)干流與支流的分布及組合情況的不同，水系可分以下幾種類型：342．羽狀水系：干流較長，支流從左右岸相間呈羽狀匯入干流，如灤河水系，安慶地區(qū)的太湖河都是羽狀水系，這種水系由于干流較長，各支流匯入干流的時間有先有后，河網(wǎng)匯流時間較長，調(diào)蓄作用大，洪水過程較為平緩。353．平行水系：若干近似乎行的支流匯入干流。如淮河蚌埠以上地區(qū)的水系就是平行水系。這種水系的洪水狀況與暴雨中心的走向、分布關(guān)系密切，如流域內(nèi)降雨均勻，各支流的洪水同時匯入干流，流量的時程變化小。如暴雨中心由上游向下游移動，易造成大洪水，反之則比較平緩。364．混合狀水系:大多數(shù)河流的水系并不是由單一的某種水系過程，一般都包括上述兩種或三種形式，把這種由兩種以上的水系復(fù)合而成的水系為混合狀水系。如長江在金沙江近似于平行排列，宜賓以下為羽毛狀排列。37（二）河網(wǎng)密度

單位流域面積內(nèi)干、支流的總長度稱河網(wǎng)密度?？捎孟率接嬎悖?/p>

河網(wǎng)密度＝干、支流總長度/流域面積

河網(wǎng)密度表示一個地區(qū)河網(wǎng)的疏密程度。它是流域中徑流發(fā)展的標志之一。河網(wǎng)密度越大，流域被洪水切割程度越大，徑流匯集較快；河網(wǎng)密度小，徑流匯集慢，流域排水不良。南方大，北方??；東部大，西部小。東部地區(qū)河網(wǎng)密集，其密度都在0.1以上，而西部內(nèi)陸區(qū)幾乎都在0.1以下，而且有大片的無流區(qū)（即河網(wǎng)密度為零）。南方幾乎都在0.5以上，其中長江三角洲和珠江三角洲是中國河網(wǎng)密度最大的地區(qū)，都在2.0以上，長江三角洲甚至高達6.739（三）河長河流源頭至河口或測站斷面沿河槽中泓線或軸線量取的距離。

中泓線:河道中各橫斷面水流最大流速點的連線。

深泓線(溪線)：河道中各橫斷面最大水深點的連線。河長是河流特性的基本參數(shù)，可確定落差、比降和能量。40中泓線：河道中各橫斷面水流最大流速點的連線。深泓線(溪線)：河道中各橫斷面最大水深點的連線。41（四）彎曲系數(shù)定義：某河流的實際長度與河流直線長度之比稱河流的彎曲系數(shù)。河流的彎曲系數(shù)＝河流的實際長度/河流的直線長度。它表示河流平面形狀的彎曲程度。彎曲系數(shù)(1.3)越大，表明河流越彎曲，徑流匯集相對較慢，對航運及排洪不利。42(五)河流的平面形態(tài)

1)平原河流①特點：在環(huán)流、泥沙的沖刷和淤積作用下，形態(tài)蜿蜒曲折，深槽、淺槽沿水流方向交替出現(xiàn)，呈規(guī)律性。②

專業(yè)術(shù)語：左岸、右岸、凹岸、凸岸、深槽、淺槽2)山區(qū)河流大多為巖石河床，異常復(fù)雜，無規(guī)律可循。4344(六)河流的縱斷面

1)定義：河流從上游至下游沿深泓線所切取的河床和自由水面間的剖面。2)作用：繪制河流縱斷面圖，見右圖。反映河底縱坡和落差的分布，可推算水流特性、估計水能儲量。45(七)河流的橫斷面

1)定義：指垂直于流向的斷面。

2)分類：河槽橫斷面：兩邊以河岸、下面以河底為界。過水斷面：包括水位線在內(nèi)的橫斷面。單式橫斷面：水面寬度隨水深的變化沒有突變點，是連續(xù)變化的。復(fù)式橫斷面：水面寬度隨水深的變化有突變點，是不連續(xù)的。46473）作用：河流橫斷面是計算流量的主要依據(jù)。基本河槽（枯水河槽、主槽）：枯水期水流通過的部分。河漫灘：在洪水期淹沒的部分。48(八)河流的比降

1.河流縱比降：落差：指河段兩端的河底高程差，河道的總落差是指河源至河口的高程差。河段縱比降：也稱為坡度，指河段落差與相應(yīng)河段長度之比即單位河長的落差。S=(Z1-Z2)/L49河槽的平均坡度：當河槽縱斷面呈折線時，通過下游端斷面河底處作一斜線（AB），使此斜線以下面積與原河底線以下面積相等。AB線的坡度即為河槽的平均坡度。

其中L為河長，li為各段河長，hi為相應(yīng)各段的河底高程。50例題：已知某河從河源至河口總長L為5500m，其縱斷面如圖，A、B、C、D、E各點地面高程分別為48，24，17，15，14m，各河段長度l1，l2，l3，l4分別為800、1300、1400、2000m,試推求該河流的平均縱比降。某河流縱斷面圖.解：該河流的平均縱比降按下式計算：532.河流橫比降(水面橫比降):

定義：河流橫斷面的水面，一般并不是水平的，而是橫向傾斜或凹凸不平的，這種河流表面橫向的水面傾斜稱為橫比降。產(chǎn)生原因主要有三個：其一是地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力（北半球：河流有向右運動的傾向，右側(cè)水面高于左側(cè)）；其二是河流轉(zhuǎn)彎處的離心力（凹岸水面高于凸岸）；其三是洪水漲落的影響。作用與影響：橫向環(huán)流545559三、

流域特征（一）幾何特征

1.流域面積(F)

：流域分水線和出流斷面所包圍區(qū)域的平面投影面積稱流域面積。在地形圖上繪出流域的分水線，然后采用方格法或求積儀法，量出分水線包圍的面積，即流域面積，以km2計。60

2.流域的長度(LF)：流域長度為河源邊線到河口的最長直線距離，單位為km，如果流域左右岸對稱，一般可以用干流長度代替。

3.平均寬度(B):流域面積與流域長度的比值

B=F/LF

615.流域形狀系數(shù)(Ke):流域平均寬度與流域長度之比值。扇形流域的形狀系數(shù)較大，狹長形流域則較小4.不對稱系數(shù)(Ka):表示流域左右岸面積分布的不對稱程度。流域的不對稱系數(shù)是左右岸面積之差與兩岸流域平均面積的比值。

62（二）地形特征

1.流域平均高程：指流域范圍內(nèi)地表平均高程。

H0=(f1h1+f2h2＋...+fnhn)/F式中H0——流域平均高度mfi——相鄰兩等高線間的面積，km2hi——相鄰兩等高線的平均高度，mF——流域總面積，km263

2.流域平均坡度：指流域范圍內(nèi)地表平均坡度。

J=(f1J1+f2J2＋...+fnJn)/F式中J——流域平均坡度Ji——相鄰兩等高線間的平均坡度fi——相鄰兩等高線間的面積，km2F——流域面積，km264（三）自然地理特征（四）人類活動：水土保持、植樹造林、興修水利、跨流域調(diào)水、城市化等措施1.地理位置：所處的經(jīng)緯度

2.氣候特征：溫度、濕度、降水、蒸發(fā)

3.下墊面特征：地形地貌、地質(zhì)、土壤、植被、湖泊、沼澤等65第二章 水文學的一般概念與水文測驗內(nèi)容：2.1河流和流域2.2徑流形成及表示方法2.3流域水量平衡2.4水文資料的觀測方法與收集2.5水位與流量關(guān)系曲線66一、徑流的含義及組成二、徑流的形成過程三、徑流形成機制四、徑流的影響因素五、徑流的表示方法六、固體徑流和溶解質(zhì)徑流67一、徑流的含義及組成

徑流（Runoff）是指陸地上的降水沿地表或地下運動匯人河網(wǎng)向流域出口斷面匯集的水流，其中，沿地表運動的水流為地表徑流，沿地下巖土空隙運動的水流稱為地下徑流。由降雨形成的徑流為降雨徑流。由冰雪水融化形成的徑流為融雪水徑流。68

由降水開始到水流流經(jīng)流域出口斷面的整個物理過程，稱為徑流形成過程。降水過程流域蓄滲過程地面和地下的坡面匯流過程河槽集流（河網(wǎng)匯流過程）

二、徑流的形成過程氣象學中常有年、月、日、12小時、6小時甚至1小時的降水量降水強度是指單位時間內(nèi)的降水量，通常取10min、1h或1d為時間單位。(1)小雨。一般指降水強度較小的雨。①1h內(nèi)的雨量小于或等于2.5mm的雨；②24h內(nèi)的雨量小于或等于10mm的雨。(2)中雨。一般指降水強度中等的雨。①1h內(nèi)的雨量為2.6——8.0mm的雨；②24h的雨量為10.1——24.9mm的雨。(3)大雨。一般指降水強度較大的雨。①1h內(nèi)的雨量為8.1——15.9mm的雨；②24h內(nèi)雨量為25.0——49.9mm的雨。(4)暴雨。一般指降水強度很大的雨。①1h內(nèi)的雨量為16mm或以上的雨；②24h內(nèi)的雨量為50mm至100mm的雨。(5)大暴雨。24h內(nèi)的雨量為100.1——200mm的雨。(6)特大暴雨。24h內(nèi)的雨量大于200mm的雨。(7)小雪。一般指降雪強度較小的雪。：①下雪時，水平能見度距離在1000m或以上；②24h內(nèi)的雪量小于或等于2.5mm的雪。(8)中雪。一般指降雪強度中等的雪。①下雪時，水平能見度距離在500——1000m之間；②24h內(nèi)雪量為2.6——5.0mm的雪。(9)大雪。一般指降雪強度較大的雪。①下雪時，水平能見度距離小于500m；②24h內(nèi)雪量大于5mm的雪。76（一）流域蓄滲過程截留：植物截留是指降雨過程中植物枝葉攔蓄降水的現(xiàn)象。在降雨過程中植物枝葉吸附的雨水量－－截留量（I）下滲：地表水經(jīng)過土壤表面進入土壤的過程。填洼：當降水強度大于下滲強度時，超過下滲的降水（超滲雨）就形成地面集水，它先填充地面上的洼陷小坑，即填洼過程。填洼量。蒸發(fā)：84（二）地面和地下坡面匯流過程扣除植物截留、入滲、填洼后的多余的降雨在坡面上以片狀流、細溝流的形式沿坡面向溪溝流動的現(xiàn)象為坡地（面）漫流(Rs)。

降雨過程中滲入土壤的水分不斷增加，當某一界面以上的土壤達到飽和時，在該界面上就會有水分沿土層界面?zhèn)认蛄鲃?，形成壤中流或表層徑?Rss)。

當降雨繼續(xù)進行，下滲水分到達地下水面后，以地下水的形式沿坡地土層匯入河槽，形成地下水徑流(Rg)。

85Rs、Rss和Rg的共同點是它們都順著流域坡地以一定的坡度條件流動。但表層徑流和地下水徑流比地面徑流緩慢，并且在時間上有滯后。86（三）河槽集流（河網(wǎng)匯流過程）

各種徑流成分經(jīng)過坡地匯流注入河網(wǎng)后，沿河網(wǎng)向下游干流出口斷面匯集的過程稱為河槽集流（河網(wǎng)匯流過程）。這一過程自坡地匯流注入河網(wǎng)開始，直至將最后匯入河網(wǎng)的降水輸送到出口斷面為止。87

由于河網(wǎng)水位上升速度大于其兩岸地下水位的上升速度，當河水與兩岸地下水之間有水力聯(lián)系時，一部分河水補給地下水，增加兩岸的地下蓄水量，這稱為河岸容蓄。漲洪階段，出口斷面以上坡地匯人河網(wǎng)的總水量必然大于出口斷面的流量，因河網(wǎng)本身可以滯蓄一部分水量，稱為河網(wǎng)容蓄。

漲洪段

88退水段當降水和坡地匯流停止時，河岸和河網(wǎng)容蓄的水達最大值，而河網(wǎng)匯流過程仍在繼續(xù)進行。當上游補給量小于出口排泄量時，即進入一次洪水過程的退水段。

此時，河網(wǎng)蓄水開始消退，流量逐漸減小，水位相應(yīng)降低，漲洪時容蓄于兩岸土層的水量又補充入河網(wǎng)，直到降水在最后排到出口斷面為止。此時河槽泄水量與地下水補給量相等，河槽水流趨向穩(wěn)定。

89上述河岸調(diào)節(jié)及河槽的調(diào)節(jié)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為河網(wǎng)調(diào)蓄作用。90徑流形成中通常將流域蓄滲過程，到形成地面徑流及早期的表層流過程，稱為產(chǎn)流過程，坡地匯流與河網(wǎng)匯流合稱為流域匯流過程或匯流過程。

小結(jié)

徑流形成過程產(chǎn)流過程(蓄滲過程)匯流過程坡地匯流河網(wǎng)匯流流域面上的過程河網(wǎng)內(nèi)的過程9192徑流形成過程實質(zhì)上是水在流域的再分配與運行過程。產(chǎn)流過程中水以垂向運行為主，它構(gòu)成降雨在流域空間上的再分配過程。

匯流過程中水以水平側(cè)向運動為主，水平運行機制是構(gòu)成降雨在時程上再分配的過程。

95三、徑流形成機制（產(chǎn)流和匯流機制）產(chǎn)流機制，是指在一定的供水與下滲條件下水分沿土層的垂向運行中，各種徑流成分的產(chǎn)生原理和過程。

匯流機制，是指坡面和河網(wǎng)匯流的產(chǎn)生原理和過程。

97（一）產(chǎn)流條件和產(chǎn)流的基本規(guī)律1.地面徑流產(chǎn)流條件

地面徑流的產(chǎn)生，取決于降雨與植物截留、雨間蒸發(fā)、填洼及下滲等的對比關(guān)系。Rs＝P-In-E-Sd-F

98（一）產(chǎn)流條件和產(chǎn)流的基本規(guī)律2.壤中流的產(chǎn)流條件

壤中流發(fā)生于非均質(zhì)或?qū)哟涡酝寥乐械囊淄杆畬优c相對不透水層的交界面上。Rss＝FA-FB

99壤中流產(chǎn)生的條件可概括為：

1)包氣帶中存有透水性不同、且下層比上層透水能力小的層理分布土壤的交界面。

2)上層向界面上的供水強度FA，大于下層下滲強度FB。

3)界面具備一定的坡度。當降雨強度i小于上層下滲強度FA，仍可產(chǎn)生壤中流，不過這時無地面徑流。當i>FA>FB時既有地表徑流也有壤中流。1003.地下徑流產(chǎn)流條件

當?shù)叵滤癫剌^淺，包氣帶厚度不大，土壤透水性較強，在連續(xù)降雨過程中，下滲鋒面達及毛管水帶上緣，這時表層影響土層與地下水建立了水力聯(lián)系，同時包氣帶含水量超過田間持水量，產(chǎn)生自由重力水而補給地下水，于是便產(chǎn)生地下徑流。101

由于這時的土壤含水量已達到田間持水量，形成了臨時飽和帶，故土壤蓄水量不再增加。對均質(zhì)土壤，根據(jù)水量平衡原理，下滲率Fc應(yīng)等于地下徑流的產(chǎn)流率Rg:Rg=Fc102

對于非均質(zhì)層次土壤，由于土層內(nèi)部產(chǎn)生側(cè)向流動的壤中流Rss，故地下產(chǎn)流率Rg為:

Rg=Fc－Rss103當土壤中所有孔隙都被雨水充滿后，多余的水分在地表形成徑流，這種產(chǎn)流方式稱為蓄滿產(chǎn)流。

當降雨強度大于土壤的入滲強度時多余的雨水便在地表形成地表徑流（超滲雨），這種產(chǎn)流方式稱為超滲產(chǎn)流。

蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流

104蓄滿產(chǎn)流多發(fā)生在濕潤地區(qū)。濕潤地區(qū)雨量充沛，地下水位較高，包氣帶較薄，植物茂盛，下滲強度大的流域。超滲產(chǎn)流多發(fā)生在干旱地區(qū)，地下水位較低，包氣帶較厚，下滲能力較小的流域。二者區(qū)別：蓄滿產(chǎn)流取決于降雨量的大小，而與雨強無關(guān)；而超滲產(chǎn)流決定于雨強，與降雨量的關(guān)系不大105我國淮河流域及以南的大部分地區(qū)和東部的東部，大體相當于年雨量700mm以上，年徑流系數(shù)0.5以上，以蓄滿產(chǎn)流為主；黃河流域和西北地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主；華北和東北的部分地區(qū)比較復(fù)雜，表現(xiàn)出蓄滿產(chǎn)流、超滲產(chǎn)流過渡的特點。

106四、徑流的影響因素（一）氣象氣候因素（二）流域下墊面因素（三）人類活動因素

107降水、蒸發(fā)、氣溫、風、濕度等（一）氣象氣候因素108地理位置：如緯度、距海遠近等；面積、形狀；地貌特征：如山地、丘陵、盆地，平原、谷地、湖沼等；地形特征：如高程、坡度、坡向；地質(zhì)條件，如構(gòu)造、巖性；植被特征：如類型、分布、水理性質(zhì)（阻水、吸水、持水，輸水性能）等。

（二）流域下墊面因素110（三）人類活動因素

人類活動對徑流的影響主要是通過改變下墊面條件，直接或間接地影響徑流的質(zhì)量、數(shù)量和徑流過程。

113五、徑流的表示方法1.

流量（Waterflow/discharge,Q）:是指單位時間通過某一斷面的水量，單位為m3／s.常用的流量還有日平均流量、月平均流量、年平均流量、最大流量、最小流量等。

流量過程線(Hydrograph):通過某斷面（對于河川徑流就是過水斷面）的流量隨時間的變化過程。1142.

徑流總量（W）表示時段T內(nèi)通過河流某一斷面的總水量,單位為m3或億m3。在流量過程線上時段T內(nèi)流量過程線以下的面積，即為時段T的徑流總量。有時也用其時段平均流量與時段的乘積表示，即:

W＝QA×Ti1151163.

徑流模數(shù)（M）是指流域出口斷面流量與流域面積的比值，即單位時間單位面積上產(chǎn)生的水量。單位：L/(s.km2)M＝1000Q/F1174.徑流深（R）是指將計算時段內(nèi)徑流總量，均勻分布于測站以上的整個流域面積上所求得的平均水層深度，單位為mm。計算公式為：

R＝QT/1000F

1185.徑流系數(shù)（α）是指同一時段內(nèi)徑流深與降雨量的比值。無量綱。0<α<1α＝R/P多年平均值為一個常數(shù)如α→0，說明降水主要用于流域內(nèi)地各種消耗(植物截留、填洼、入滲和蒸發(fā))

，其中最主要的消耗為蒸發(fā)。如α→1,說明降水大部分轉(zhuǎn)化為徑流。徑流系數(shù)說明在降水量中有多少水變成了徑流，它綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對徑流的影響。α值變化于0～1之間，濕潤地區(qū)α值大，干旱地區(qū)α