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1、1,水 文 学Hydrology,汤 婕安徽农业大学资源与环境学院2013.3,2,第二章水文学的一般概念与水文测验,内 容：2.1 河流和流域2.2 径流形成及表示方法2.3 流域水量平衡 2.4 水文资料的观测方法与收集2.5 水位与流量关系曲线,3,第二章水文学的一般概念与水文测验,内 容：2.1 河流和流域2.2 径流形成及表示方法2.3 流域水量平衡 2.4 水文资料的观测方法与收集2.5 水位与流量关系曲线,4,一、基本概念二、河流与水系特征三、流域特征,6,一、基本概念,（一）河流（River）地表水在重力的作用下，沿着陆地表面上的线形凹地流动，并汇集于各级河槽上称为河流。河流是
2、水循环地表径流的主要途径。经常或间歇性的水流及河槽（河床）是构成河流的两个因素。,7,外流河与内流河：流入海洋的河流称为外流河。如长江、黄河。凡流入内陆湖泊或消失于沙漠中的河流，称为内流河。如新疆的塔里木河，青海的布喀河。,布喀河(清史稿-卷八十 志五十五 地理二十六 青海)在青海东境，源出和硕特北右末旗阿木尼厄枯山南，名喀喇锡纳河，南流百余里，与英额池水会，又东南流六十余里，与沙尔池水会，又东流七十余里，受北来之罗子河、西尔哈密瓜河，又东五十余里，受北来之济拉玛尔台河，乃名布喀河，又东流七十余里，注青海，岸宽流深，青海左右诸水，无大于此都，清流志云，即唐之大非川，为入蕃西道。,9,河流的分段
3、：一般河流可分成河源、上游、中游、下游及河口五段,河源是河流的发源地。可以是溪涧、泉水、湖泊、沼泽和冰川。,长江源头：唐古拉山脉主峰格拉丹冬冰峰西南侧的姜根迪如冰川,黄河源头：巴颜喀拉山北麓的约古宗列曲,上游连着河源，特点是：河谷狭、比降陡、流量小、流速大、冲刷占优势、河槽多为基岩或砾石、多急滩、瀑布。,长江上游河段西起青藏高原各拉丹东，东至湖北宜昌，全长4511公里。,中游比降与流速减小、流量加大、冲刷淤积都不严重、河槽多为粗沙。长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阳市城陵矶，因长江流经古荆州地区，俗称荆江。,14,下游位于河流的最下一段。比降与流速更小、流量更大
4、、淤积占优势、多浅滩沙洲、河槽多细沙或淤泥。长江下游：从江西省九江市至上海市长江口。江苏省扬州市、镇江市附近及以下长江主河道，因古有扬子津渡口，得名“扬子江”,河口：河流的出口处。河流注入海洋或湖泊处，有大量的泥沙淤积形成三角洲,20,（二）水系(Water system)大小河流构成脉络相通的水流系统称为水系或河系。,水系一般以干流命名，取长度最长、水量最大的作为干流。,直接入海或内陆湖泊的河流叫做干流(Mainstream)。汇入干流的河流叫一级支流(Tributary)。流入一级支流的称二级支流。依次类推。,23,水系及河流分级示意图,斯特拉勒（Strahler）分级法：直接发源于河源的
5、小河流为一级河流；两条相同河流汇合成比原来河流高一级的河流；两条不同级别的河流会合后形成的河流，保留原来较高一级的河流。干流是水系中最高级别的河流。,26,（三）流域（Basin,Watershed,Catchment）1.分水岭：当地形向两侧倾斜，使雨水分别汇集到两条河流中去，这一起着分水作用的脊线称为分水线或分水岭。即，山脊线的连线为分水线，分水线两边的雨水分别汇入不同的流域。,28,29,2.流域：汇集地面水和地下水的区域称为流域。它是分水线所包围的区域，地面分水线与地下分水线分别构成地面集水区和地下集水区。,30,闭合流域:在垂直方向地面、地下分水线重合，地面集水区上降水形成的径流正好
6、由流域出口断面流出，一般的大中流域均属此类。非闭合流域:地面、地下分水线不重合的流域，如岩溶地区的河流和一些很小的流域。,31,二、河流与水系特征,河源确定依据1、“河源唯远”，以距河口最远点作为河流的发源地(源头)。即依河流长短，水流最长者为正源。2、依河网平面图的上下游一致性。即某条源流与下游干流流向比较顺直一致，形似干流向上的自然延伸者为正源。3、依水量之多寡，水量大者为正源。4、依历史习惯，维持人们长期以来的普遍看法而不去轻易变更。5、依河谷发育期的早晚，河谷形成较早者为正源。,33,1扇形水系：各支流较集中地汇于干流。流域呈扇形或圆形。如新安江支流的练江水系为扇形水系。扇形水系在降雨
7、时，各支流的洪水几乎同时到达流域出口处，因此，这种水系很容易发生危害性洪水。,（一）水系形状 根据干流与支流的分布及组合情况的不同，水系可分以下几种类型：,34,2羽状水系：干流较长，支流从左右岸相间呈羽状汇入干流，如滦河水系，安庆地区的太湖河都是羽状水系，这种水系由于干流较长，各支流汇入干流的时间有先有后，河网汇流时间较长，调蓄作用大，洪水过程较为平缓。,35,3平行水系：若干近似乎行的支流汇入干流。如淮河蚌埠以上地区的水系就是平行水系。这种水系的洪水状况与暴雨中心的走向、分布关系密切，如流域内降雨均匀，各支流的洪水同时汇入干流，流量的时程变化小。如暴雨中心由上游向下游移动，易造成大洪水，反
8、之则比较平缓。,36,4混合状水系:大多数河流的水系并不是由单一的某种水系过程，一般都包括上述两种或三种形式，把这种由两种以上的水系复合而成的水系为混合状水系。如长江在金沙江近似于平行排列，宜宾以下为羽毛状排列。,37,（二）河网密度,单位流域面积内干、支流的总长度称河网密度。可用下式计算：河网密度干、支流总长度/流域面积 河网密度表示一个地区河网的疏密程度。它是流域中径流发展的标志之一。河网密度越大，流域被洪水切割程度越大，径流汇集较快；河网密度小，径流汇集慢，流域排水不良。,南方大，北方小；东部大，西部小。东部地区河网密集，其密度都在0.1以上，而西部内陆区几乎都在0.1以下，而且有大片的
9、无流区（即河网密度为零）。南方几乎都在0.5以上，其中长江三角洲和珠江三角洲是中国河网密度最大的地区，都在2.0以上，长江三角洲甚至高达6.7,39,（三）河长 河流源头至河口或测站断面沿河槽中泓线或轴线量取的距离。中泓线:河道中各横断面水流最大流速点的连线。深泓线(溪线)：河道中各横断面最大水深点的连线。,河长是 河流特性的基本参数，可确定落差、比降和能量。,40,中泓线：河道中各横断面水流最大流速点的连线。,深泓线(溪线)：河道中各横断面最大水深点的连线。,41,（四）弯曲系数 定义：某河流的实际长度与河流直线长度之比称河流的弯曲系数。河流的弯曲系数河流的实际长度/河流的直线长度。,它表示
10、河流平面形状的弯曲程度。弯曲系数(1.3)越大，表明河流越弯曲，径流汇集相对较慢，对航运及排洪不利。,42,(五)河流的平面形态 1)平原河流 特点：在环流、泥沙的冲刷和淤积作用下，形态蜿蜒曲折，深槽、浅槽沿水流方向交替出现，呈规律性。,专业术语：左岸、右岸、凹岸、凸岸、深槽、浅槽,2)山区河流 大多为岩石河床，异常复杂，无规律可循。,43,44,(六)河流的纵断面 1)定义：河流从上游至下游沿深泓线所切取的河床和自由水面间的剖面。,2)作用：绘制河流纵断面图，见右图。反映河底纵坡和落差的分布，可推算水流特性、估计水能储量。,45,(七)河流的横断面 1)定义：指垂直于流向的断面。2)分类：,
11、河槽横断面：两边以河岸、下面以河底为界。过水断面：包括水位线在内的横断面。,单式横断面：水面宽度随水深的变化没有突变点，是连续变化的。复式横断面：水面宽度随水深的变化有突变点，是不连续的。,46,47,3）作用：河流横断面是计算流量的主要依据。,基本河槽（枯水河槽、主槽）：枯水期水流通过的部分。河漫滩：在洪水期淹没的部分。,48,(八)河流的比降 1.河流纵比降：落差：指河段两端的河底高程差，河道的总落差是指河源至河口的高程差。河段纵比降：也称为坡度，指河段落差与相应河段长度之比即单位河长的落差。S=(Z1-Z2)/L,49,河槽的平均坡度：当河槽纵断面呈折线时，通过下游端断面河底处作一斜线（
12、AB），使此斜线以下面积与原河底线以下面积相等。AB线的坡度即为河槽的平均坡度。其中L为河长，li为各段河长，hi为相应各段的河底高程。,50,例题：已知某河从河源至河口总长L为5500 m，其纵断面如图，A、B、C、D、E各点地面高程分别为48，24，17，15，14m，各河段长度l1，l2，l3，l4分别为800、1300、1400、2000m,试推求该河流的平均纵比降。,某河流纵断面图,.解：该河流的平均纵比降按下式计算：,53,2.河流横比降(水面横比降):定义：河流横断面的水面，一般并不是水平的，而是横向倾斜或凹凸不平的，这种河流表面横向的水面倾斜称为横比降。产生原因主要有三个：其一
13、是地球自转产生的偏转力（北半球：河流有向右运动的倾向，右侧水面高于左侧）；其二是河流转弯处的离心力（凹岸水面高于凸岸）；其三是洪水涨落的影响。,作用与影响：横向环流,54,55,59,三、流域特征,（一）几何特征,1.流域面积(F)：流域分水线和出流断面所包围区域的平面投影面积称流域面积。在地形图上绘出流域的分水线，然后采用方格法或求积仪法，量出分水线包围的面积，即流域面积，以km计。,60,2.流域的长度(LF)：流域长度为河源边线到河口的最长直线距离，单位为km，如果流域左右岸对称，一般可以用干流长度代替。3.平均宽度(B):流域面积与流域长度的比值 B=F/LF,61,5.流域形状系数(
14、Ke):流域平均宽度与流域长度之比值。扇形流域的形状系数较大，狭长形流域则较小,4.不对称系数(Ka):表示流域左右岸面积分布的不对称程度。流域的不对称系数是左右岸面积之差与两岸流域平均面积的比值。,62,（二）地形特征,1.流域平均高程：指流域范围内地表平均高程。H0=(f1h1+f2h2.+fnhn)/F式中H0流域平均高度m fi相邻两等高线间的面积，km2 hi相邻两等高线的平均高度，m F流域总面积，km2,63,2.流域平均坡度：指流域范围内地表平均坡度。J=(f1J1+f2J2.+fnJn)/F式中 J流域平均坡度 Ji相邻两等高线间的平均坡度 fi相邻两等高线间的面积，km2F
15、流域面积，km2,64,（三）自然地理特征,（四）人类活动：水土保持、植树造林、兴修水利、跨流域调水、城市化等措施,1.地理位置：所处的经纬度 2.气候特征：温度、湿度、降水、蒸发 3.下垫面特征：地形地貌、地质、土壤、植被、湖泊、沼泽等,65,第二章水文学的一般概念与水文测验,内 容：2.1 河流和流域2.2 径流形成及表示方法2.3 流域水量平衡 2.4 水文资料的观测方法与收集2.5 水位与流量关系曲线,66,一、径流的含义及组成二、径流的形成过程三、径流形成机制四、径流的影响因素五、径流的表示方法六、固体径流和溶解质径流,67,一、径流的含义及组成,径流（Runoff）是指陆地上的降水
16、沿地表或地下运动汇人河网向流域出口断面汇集的水流，其中，沿地表运动的水流为地表径流，沿地下岩土空隙运动的水流称为地下径流。,由降雨形成的径流为降雨径流。由冰雪水融化形成的径流为融雪水径流。,68,由降水开始到水流流经流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。,降水过程流域蓄渗过程地面和地下的坡面汇流过程河槽集流（河网汇流过程）,二、径流的形成过程,气象学中常有年、月、日、12小时、6小时甚至1小时的降水量,降水强度是指单位时间内的降水量，通常取10min、1h或1d为时间单位。,(1)小雨。一般指降水强度较小的雨。1h内的雨量小于或等于2.5mm的雨；24h内的雨量小于或等于10mm的雨。
17、(2)中雨。一般指降水强度中等的雨。1h内的雨量为2.68.0mm的雨；24h的雨量为10.124.9mm的雨。(3)大雨。一般指降水强度较大的雨。1h内的雨量为8.115.9mm的雨；24h内雨量为25.049.9mm的雨。(4)暴雨。一般指降水强度很大的雨。1h内的雨量为16mm或以上的雨；24h内的雨量为50mm至100mm的雨。(5)大暴雨。24h内的雨量为100.1200mm的雨。(6)特大暴雨。24h内的雨量大于200mm的雨。,(7)小雪。一般指降雪强度较小的雪。：下雪时，水平能见度距离在1000m或以上；24h内的雪量小于或等于2.5mm的雪。(8)中雪。一般指降雪强度中等的雪
18、。下雪时，水平能见度距离在5001000m之间；24h内雪量为2.65.0mm的雪。(9)大雪。一般指降雪强度较大的雪。下雪时，水平能见度距离小于500m；24h内雪量大于5mm的雪。,76,（一）流域蓄渗过程,截留：植物截留是指降雨过程中植物枝叶拦蓄降水的现象。在降雨过程中植物枝叶吸附的雨水量截留量（I）下渗：地表水经过土壤表面进入土壤的过程。填洼：当降水强度大于下渗强度时，超过下渗的降水（超渗雨）就形成地面集水，它先填充地面上的洼陷小坑，即填洼过程。填洼量。蒸发：,84,（二）地面和地下坡面汇流过程,扣除植物截留、入渗、填洼后的多余的降雨在坡面上以片状流、细沟流的形式沿坡面向溪沟流动的现象
19、为坡地（面）漫流(Rs)。,降雨过程中渗入土壤的水分不断增加，当某一界面以上的土壤达到饱和时，在该界面上就会有水分沿土层界面侧向流动，形成壤中流或表层径流(Rss)。,当降雨继续进行，下渗水分到达地下水面后，以地下水的形式沿坡地土层汇入河槽，形成地下水径流(Rg)。,85,Rs、Rss和Rg的共同点是它们都顺着流域坡地以一定的坡度条件流动。但表层径流和地下水径流比地面径流缓慢，并且在时间上有滞后。,86,（三）河槽集流（河网汇流过程）,各种径流成分经过坡地汇流注入河网后，沿河网向下游干流出口断面汇集的过程称为河槽集流（河网汇流过程）。这一过程自坡地汇流注入河网开始，直至将最后汇入河网的降水输送
20、到出口断面为止。,87,由于河网水位上升速度大于其两岸地下水位的上升速度，当河水与两岸地下水之间有水力联系时，一部分河水补给地下水，增加两岸的地下蓄水量，这称为河岸容蓄。,涨洪阶段，出口断面以上坡地汇人河网的总水量必然大于出口断面的流量，因河网本身可以滞蓄一部分水量，称为河网容蓄。,涨洪段,88,退水段,当降水和坡地汇流停止时，河岸和河网容蓄的水达最大值，而河网汇流过程仍在继续进行。当上游补给量小于出口排泄量时，即进入一次洪水过程的退水段。,此时，河网蓄水开始消退，流量逐渐减小，水位相应降低，涨洪时容蓄于两岸土层的水量又补充入河网，直到降水在最后排到出口断面为止。此时河槽泄水量与地下水补给量相
21、等，河槽水流趋向稳定。,89,上述河岸调节及河槽的调节现象，统称为河网调蓄作用。,90,径流形成中通常将流域蓄渗过程，到形成地面径流及早期的表层流过程，称为产流过程，坡地汇流与河网汇流合称为流域汇流过程或汇流过程。,小结,径流形成过程,产流过程(蓄渗过程),汇流过程,坡地汇流,河网汇流,流域面上的过程,河网内的过程,91,92,径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。,产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程。汇流过程中水以水平侧向运动为主，水平运行机制是构成降雨在时程上再分配的过程。,95,三、径流形成机制（产流和汇流机制）,产流机制，是指在一定的供水与下渗条件
22、下水分沿土层的垂向运行中，各种径流成分的产生原理和过程。,汇流机制，是指坡面和河网汇流的产生原理和过程。,97,（一）产流条件和产流的基本规律,1.地面径流产流 条件,地面径流的产生，取决于降雨与植物截留、雨间蒸发、填洼及下渗等的对比关系。,RsP-In-E-Sd-F,98,（一）产流条件和产流的基本规律,2.壤中流的产流条件,壤中流发生于非均质或层次性土壤中的易透水层与相对不透水层的交界面上。,RssFA-FB,99,壤中流产生的条件可概括为：1)包气带中存有透水性不同、且下层比上层透水能力小的层理分布土壤的交界面。2)上层向界面上的供水强度FA，大于下层下渗强度FB。3)界面具备一定的坡度
23、。当降雨强度i小于上层下渗强度FA，仍可产生壤中流，不过这时无地面径流。当iFAFB时既有地表径流也有壤中流。,100,3.地下径流产流条件,当地下水埋藏较浅，包气带厚度不大，土壤透水性较强，在连续降雨过程中，下渗锋面达及毛管水带上缘，这时表层影响土层与地下水建立了水力联系，同时包气带含水量超过田间持水量，产生自由重力水而补给地下水，于是便产生地下径流。,101,由于这时的土壤含水量已达到田间持水量，形成了临时饱和带，故土壤蓄水量不再增加。对均质土壤，根据水量平衡原理，下渗率Fc应等于地下径流的产流率Rg:,Rg=Fc,102,对于非均质层次土壤，由于土层内部产生侧向流动的壤中流Rss，故地下
24、产流率Rg为:Rg=FcRss,103,当土壤中所有孔隙都被雨水充满后，多余的水分在地表形成径流，这种产流方式称为蓄满产流。当降雨强度大于土壤的入渗强度时多余的雨水便在地表形成地表径流（超渗雨），这种产流方式称为超渗产流。,蓄满产流和超渗产流,104,蓄满产流多发生在湿润地区。湿润地区雨量充沛，地下水位较高，包气带较薄，植物茂盛，下渗强度大的流域。,超渗产流多发生在干旱地区，地下水位较低，包气带较厚，下渗能力较小的流域。,二者区别：蓄满产流取决于降雨量的大小，而与雨强无关；而超渗产流决定于雨强，与降雨量的关系不大,105,我国淮河流域及以南的大部分地区和东部的东部，大体相当于年雨量700mm以
25、上，年径流系数0.5以上，以蓄满产流为主；黄河流域和西北地区以超渗产流为主；华北和东北的部分地区比较复杂，表现出蓄满产流、超渗产流过渡的特点。,106,四、径流的影响因素,（一）气象气候因素（二）流域下垫面因素（三）人类活动因素,107,降水、蒸发、气温、风、湿度等,（一）气象气候因素,108,地理位置：如纬度、距海远近等；面积、形状；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；地质条件，如构造、岩性；植被特征：如类型、分布、水理性质（阻水、吸水、持水，输水性能）等。,（二）流域下垫面因素,110,（三）人类活动因素,人类活动对径流的影响主要是通过改变下垫面
26、条件，直接或间接地影响径流的质量、数量和径流过程。,113,五、径流的表示方法,1.流量（Water flow/discharge,Q）:是指单位时间通过某一断面的水量，单位为m3s.常用的流量还有日平均流量、月平均流量、年平均流量、最大流量、最小流量等。,流量过程线(Hydrograph):通过某断面（对于河川径流就是过水断面）的流量随时间的变化过程。,114,2.径流总量（W）表示时段T内通过河流某一断面的总水量,单位为m3或亿m3。在流量过程线上时段T内流量过程线以下的面积，即为时段T的径流总量。有时也用其时段平均流量与时段的乘积表示，即:WQATi,115,116,3.径流模数（M）是
27、指流域出口断面流量与流域面积的比值，即单位时间单位面积上产生的水量。单位：L/(s.km2)M1000Q/F,117,4.径流深（R）是指将计算时段内径流总量，均匀分布于测站以上的整个流域面积上所求得的平均水层深度，单位为mm。计算公式为：RQT/1000F,118,5.径流系数（）是指同一时段内径流深与降雨量的比值。无量纲。01R/P 多年平均值为一个常数,如0，说明降水主要用于流域内地各种消耗(植物截留、填洼、入渗和蒸发)，其中最主要的消耗为蒸发。如1,说明降水大部分转化为径流。,径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响。值变化于01之间，湿润地
28、区值大，干旱地区值小。我国台湾地区河流年平均径流系数0.7，表明径流十分丰富；径流贫乏的海滦河平原，年平均径流系数仅有0.1。,121,例题：某站控制流域面积F121000km2，多年平均降雨量P767mm，多年平均径流量Q822m3/s。根据这些数据计算多年平均年径流总量（W），多年平均年径流深（R）和多年平均年径流系数（）。,解：多年平均年径流总量：W=QT=82236586400=259108m3多年平均年径流深：R=W/1000F=259108/(1000121000)=214mm多年平均年径流系数：=R/P=214/767=0.28,122,径流特征值间的关系：,流量Q,时间累积,W
29、=Q*T,空间平均,M=Q/F,=R/P,与降雨 对比,R=QT/F,空间 平均,123,六、固体径流和溶解质径流,河川的固体径流或泥沙径流，是指河流挟带的水中悬移质泥沙和沿河底滚动的推移质泥沙的径流。,河流泥沙主要来源于流域地表风和雨水侵蚀的土壤，当大量的降雨或融雪形成坡地漫流时，水流就将地表的固体颗粒带入河中。河流挟带泥沙的多少与流域特征和地面径流有关。,124,河川的溶解质径流，是指降雨和径流在其产生和运动过程中与环境接触溶解了各种物质，这些溶解质随水流形成溶解质径流。包括溶解气体、离子、生物原生质、微量元素和有机质等。,固体和溶解质径流过程伴随着一系列物理的、化学的和生物的变化。,125,污染物径流：是指由于人类的直接排放或降雨和径流在其产生和运动过程中与环境接触挟带和溶解了各种污染物质，这些污染物质随水流形成污染物径流。包括悬浮态、溶解态污染物。,126,污染物浓度（C）：mg/L;污染负荷率（L）：单位时间内径流输送 污染物的量，单位：kg/h;L=C*Q污染物总负荷（通量）：一段时间径流输送 污染物的总量,单位：kg;TLCi*Qi,
