第四章：河川徑流_39103961

1、水文學原理及應用水文學原理及應用西安交通大學地球環(huán)境系西安交通大學地球環(huán)境系20122012年年0909月月1919日日4.1 流域與河系流域與河系 Watershed & River system/network在河流某斷面以上，匯集地表水和地下水的在河流某斷面以上，匯集地表水和地下水的區(qū)域統(tǒng)稱做河流在該斷面以上的流域。一個區(qū)域統(tǒng)稱做河流在該斷面以上的流域。一個完整的流域應該包括入?？谝陨系乃袇R流完整的流域應該包括入?？谝陨系乃袇R流面積。面積。流域中河流（包括干流、支流）和流域內的流域中河流（包括干流、支流）和流域內的湖泊、沼澤彼此連接組成一個龐大的系統(tǒng)，湖泊、沼澤彼此連接組成一個龐大的

2、系統(tǒng)，稱為水系，又稱河系或河網。稱為水系，又稱河系或河網。4.1.1 流域的主要特征流域的主要特征（1）幾何形狀特征）幾何形狀特征（2）自然地理特征）自然地理特征（3）地貌特征）地貌特征指分水線指分水線所劃定的范圍在水平面上投影的面積，單位一般所劃定的范圍在水平面上投影的面積，單位一般采用采用km2。(1) 幾何形狀特征幾何形狀特征（Geometric features）沿流域干沿流域干流的軸線，從河源到河口的距離，單位一般采流的軸線，從河源到河口的距離，單位一般采用用km。B=A/L K=B/L=A/L2以各種的氣以各種的氣象因子來描述。象因子來描述。(2) 自然地理特征（自然地理特征（Ge

3、ographic features）以地以地理的經度和緯度來表示。理的經度和緯度來表示。 流域的土壤巖石性質和地質構造流域的土壤巖石性質和地質構造（Soil, bedrock and geologic structures）:反映流域下墊面的特反映流域下墊面的特征，影響到降水入滲的多小，土壤的蓄水性及征，影響到降水入滲的多小，土壤的蓄水性及地下水運動等。地下水運動等。流域流域平均高程，平均坡度。平均高程，平均坡度。l 植被率：植被率：KP= AP /Al 湖泊率：湖泊率：KL = AL /A l 沼澤率：沼澤率：KM = AM /A式中，式中， AP、AL、AM：分別為流域內的植被、：分別為流

4、域內的植被、 湖泊和沼澤面積；湖泊和沼澤面積； A：流域總面積。：流域總面積。(3) (3) 地貌特征地貌特征（Geomorphological features）Geomorphology: Quantitative study of the catchment surface landform.水文過程水文過程地貌形成地貌形成地貌和水文特征地貌和水文特征水文過程作用于流域表面形成和改變流域地貌，同時流水文過程作用于流域表面形成和改變流域地貌，同時流域地貌也決定了流域水文的基本特征，如河網和土壤分域地貌也決定了流域水文的基本特征，如河網和土壤分層結構等。流域地貌是流域地形、地質和氣候的反映。

5、層結構等。流域地貌是流域地形、地質和氣候的反映。 河網分級（河網分級（Stralhers method）(1) 直接發(fā)源于河源的小河直接發(fā)源于河源的小河流為一級河流；流為一級河流；(2) 兩條同級別的河流回合兩條同級別的河流回合而成的河流的級別比原而成的河流的級別比原來高一級；來高一級；(3) 兩條不同級別的河流回兩條不同級別的河流回合而成的河流的級別為合而成的河流的級別為兩條河流中較高者。兩條河流中較高者。(4) 流域級別為河網中最高流域級別為河網中最高級的河流級別。級的河流級別。l霍頓地貌定律（霍頓地貌定律（Hortons Law）：）：定量描述流域地貌定量描述流域地貌的發(fā)育規(guī)律。它建立在

6、以下的河網分級基礎之上。的發(fā)育規(guī)律。它建立在以下的河網分級基礎之上。定義：定義：Ni：第：第 i 級河流的數量；級河流的數量； ：第：第 i 級河流的平均長度；級河流的平均長度； ：第：第 i 級河流的平均流域面積級河流的平均流域面積; ：河網的最高級別。：河網的最高級別。iLiA霍頓地貌定律（霍頓地貌定律（Hortons Law）(1) 河數律（河數律（Law of stream number）:., 4, 3, 2,1iconstNNRiiB(2) 河長律（河長律（Law of stream length）:., 4, 3, 2,1iconstLLRiiL(3) 面積律（面積律（Law o

7、f stream area）:., 4, 3, 2,1iconstAARiiA（1）河流按不同的級別劃分為：）河流按不同的級別劃分為：河系中取長度最大或河系中取長度最大或水量最多的河流為干流。水量最多的河流為干流。匯入干流的河流均稱匯入干流的河流均稱為一級支流，而匯入一級支流的河流則稱為一級支流，而匯入一級支流的河流則稱為二級支流，以此類推。為二級支流，以此類推。干流依據水流的流動方向從干流依據水流的流動方向從上至下分為五段，分別為河源、上游、中上至下分為五段，分別為河源、上游、中游、下游和河口。游、下游和河口。4.1.2 河系的特征河系的特征（2 2）河系的主要特征）河系的主要特征單位流域面

8、積內的河流長度，反映單位流域面積內的河流長度，反映了流域對徑流的調節(jié)能力。了流域對徑流的調節(jié)能力。11iNijijfLRA式中，式中，Lij：第：第 i 級河流中第級河流中第 j 條的長度；條的長度； Ni：第：第 i 級河流的總數。級河流的總數。河源與河口的垂直高差稱為河流的落差。河源與河口的垂直高差稱為河流的落差。落差與河長的比值稱為河流的比降。落差與河長的比值稱為河流的比降。1,lL式中，式中，L：河流的實際長度（：河流的實際長度（km）; l：河流二端間的直線距離（河流二端間的直線距離（km）。）。u 指降水或融雪經流域地表和地下二個途徑流指降水或融雪經流域地表和地下二個途徑流入河系，

9、再流出流域出口斷面，這一物理過入河系，再流出流域出口斷面，這一物理過程稱作程稱作。在一定時段內通過某一河流斷面的水量，在一定時段內通過某一河流斷面的水量，稱為稱為。4.2 徑流的形成和徑流的度量徑流的形成和徑流的度量產流（流域蓄滲）指降雨經植物（樹冠）截產流（流域蓄滲）指降雨經植物（樹冠）截留、下滲和填洼等過程，形成地表和地下徑留、下滲和填洼等過程，形成地表和地下徑流的過程。流的過程?？筛呕癁閮蓚€過程可概化為兩個過程 ：產流過程和匯流過程：產流過程和匯流過程， （Canopy Interception/storage）l降雨被植物冠層時被葉和莖攔截的現象稱降雨被植物冠層時被葉和莖攔截的現象稱植

10、物截留。植物截留。mmLAIkIss,式中，式中，ks：植物截留系數，：植物截留系數，0.10.2; LAI：植物葉面積指數，為單位水平面上投影的：植物葉面積指數，為單位水平面上投影的 植物葉面的面積。闊葉林的植物葉面的面積。闊葉林的LAI最大可達最大可達8。（Soil moisture storage, or infiltration amount）l指降雨入滲過程中存儲于土壤孔隙中的指降雨入滲過程中存儲于土壤孔隙中的水量，就是入滲到土壤中的水量。水量，就是入滲到土壤中的水量。Ss（Surface storage, surface detention）l到達地面的降雨被停蓄在地面洼陷處的部分

11、到達地面的降雨被停蓄在地面洼陷處的部分稱為填洼量。填洼量取決于地表的微地形、稱為填洼量。填洼量取決于地表的微地形、土地利用等。土地利用等。（Evaporation during rainfall） 凈雨量（凈雨量（Net rainfall）凈雨量凈雨量 = = 降雨量降雨量 - - 損失量損失量ESSIPPsisn式中，式中，P：降雨量（：降雨量（mm）; Is：冠層截留量（：冠層截留量（mm）；）； Si：土壤蓄水量或入滲量（：土壤蓄水量或入滲量（mm）；）； Ss：填洼量（：填洼量（mm）；）； E：雨間蒸發(fā)量（：雨間蒸發(fā)量（mm）。）。Interflow / unsaturated fl

12、ow）：）：降降雨入滲后滯蓄在土壤中的水分超過土壤田間持雨入滲后滯蓄在土壤中的水分超過土壤田間持水量后，在重力作用下一部分水分沿山坡方向水量后，在重力作用下一部分水分沿山坡方向流入河道形成徑流。流入河道形成徑流。Overland flow）：）：降雨后在流域形成降雨后在流域形成的沿坡向流動的水流。的沿坡向流動的水流。當下滲水當下滲水流到達地下水面后補充給地下水，由地下水流到達地下水面后補充給地下水，由地下水流出形成徑流。地下徑流包括淺層地下徑流流出形成徑流。地下徑流包括淺層地下徑流（非承壓地下水中形成的徑流）和深層地下（非承壓地下水中形成的徑流）和深層地下徑流（承壓地下水中形成的徑流）。徑流（

13、承壓地下水中形成的徑流）。l坡面流坡面流l壤中流壤中流l地下徑流地下徑流小溝小溝小溪小溪 小河小河大河大河指水流沿河網中各級河槽向出口指水流沿河網中各級河槽向出口斷面的匯集過程。斷面的匯集過程。指水流沿山坡的坡面和地下向河指水流沿山坡的坡面和地下向河網的流動和匯集過程，它包括網的流動和匯集過程，它包括坡面匯流坡面匯流、表表層匯流層匯流和和地下匯流地下匯流。蒸蒸 發(fā)發(fā)Evaporation降降 水水Rainfall植被截留植被截留Interception填洼及地面蓄水填洼及地面蓄水Surface storage土壤蓄水土壤蓄水Soil moisture storage地下水蓄水地下水蓄水Grou

14、ndwater storage坡面流坡面流Overland flow壤中流壤中流Interflow河河 網網 蓄蓄 水水深層地下水深層地下水Deep groundwater地下水流地下水流Groundwater flow流域出流流域出流河川徑流形成過程Q （Discharge）:單位時間內通過某單位時間內通過某一過水斷面的水量一過水斷面的水量。式中，式中，A：過水斷面的面積：過水斷面的面積( (m2) ) V：過水斷面的平均流速：過水斷面的平均流速( (m/s)4.2.2 徑流的度量徑流的度量（Measurement of runoff）Q=AV ( (m3/s) )Q(m3/s)t(s)Q(

15、t)（Hydrograph）：用來表示流域）：用來表示流域出口斷面的徑流隨時間變化過程。出口斷面的徑流隨時間變化過程。指某時刻指某時刻的流量的流量, 如右圖中的如右圖中的Q1，洪，洪峰流量峰流量Qm等等。指定時段內的平均流量，如指定時段內的平均流量，如日平均流量、月平均流量、日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量年平均流量、多年平均流量等。等。Tt1t2WQ1QmTWQ TQdt)t(QWtt 21式中式中, Q(t)：流量過程線：流量過程線 t 時刻時刻 的瞬時流量的瞬時流量; T = t2 - t1 ：計算時段：計算時段; ：計算時段內的平均流量。：計算時段內的平均流量。Q指一定

16、的時段指一定的時段內內T(=t2 - t1)通過的某一河流斷面的總水量，通過的某一河流斷面的總水量，(單單位：位：m3)Q(m3/s)Tt1t2t(s)Q1Q(t)WQm)(mmAWATQR10001000式中，式中，A：流域的面積流域的面積(km2)； T：時段：時段(s) ：時段：時段T內的平均流量內的平均流量(m3/s)Q流域出口斷面流量與流域面積的比流域出口斷面流量與流域面積的比值值, ,即流域單位面積上所產生的流量。即流域單位面積上所產生的流量。)(23/kmsmAQM依據依據Q的不同含義，的不同含義， M則有不同的稱謂：則有不同的稱謂：l 若若Q是是( (多多) )年平均流量，則年平均流量，則M 稱為稱為( (多多) )年平均流量模數；年平均流量模數；l 若若Q是洪峰流量，則是洪峰流量，則M 稱為洪峰流量模數。稱為洪峰流量模數。10 P/R (Runoff coefficient):某一時段某一時段的徑流深的徑流深R與相應的流域平均降雨深與相應的流域平均降雨深P的比值，的比值，其反映了降雨量轉換成徑流量比例的一個參其反映了降雨量轉換成徑流量比例的一個參數。數。4.2.3 河川徑流的動態(tài)變化河川徑流的動態(tài)變化影響年徑流年際變化的主要因素是：影響年徑流年際變化的主要因素是：氣候、流氣候、流域下墊面狀況及人類活動等。域下墊