工程水文學(xué)-第二章-河川水文基礎(chǔ)知識

1、第二章、河川水文基礎(chǔ)知識(河川徑流),河流和流域 徑流形成及主要影響因素 河川徑流的動態(tài)變化,地表水在重力作用下，沿陸地的凹地流動，按其大小可分為江、河、溪和溝，這些統(tǒng)稱為河流，而流域中河流（包括干流、支流）和流域內(nèi)的湖泊、沼澤或地下暗河彼此連接組成一個龐大的系統(tǒng)，稱水系，又稱河系或河網(wǎng)。,2.1.1 河系的特征,(1) 概述:,河系匯聚全流域的地表和地下水，最終注入海洋、湖泊或消失于荒原。水系的名稱通常以它的干流或以注入的湖泊、海洋命名，如長江水系、太湖水系、太平洋水系等。,2.1 河流和流域,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二級支流，以此類推。,河流按不同的級別劃分

2、為：,河系中取長度最大或水量最多的河流為干流。, 支流 :, 干流：,依據(jù)水流的流動方向從上至下分為五段：,河源,中游,下游,河口,上游,(2) 河系的主要特征：, 河流長度 L:,指河源到河口的軸線長度。, 流域河網(wǎng)密度D :,式中，L 流域內(nèi)干支流的總長度(km) A 流域面積(km2),定義為單位流域面積內(nèi)的河流總長度，反映了流域?qū)搅鞯恼{(diào)節(jié)能力，計算公式為：,式中，L 河流的實際長度(km); l 河流二端間的直線距離(km), 河流的彎曲系數(shù),彎曲系數(shù) 越大，對洪水宣泄越不利。, 河流的落差和比降,落差：河源與河口的垂直高差稱為河流的落差。 落差大表明河流水能資源豐富。,河道比降：落

3、差與河長的比值稱為河流的比降。 比降越大河道匯流越快。,a. 當河段的縱向河底線近于一條直線時，河道的 計算表達式：,河道比降的計算：,式中，J 河段的比降; h1, h0 河段二端河底高程; L 河段的長度,b. 河段的縱向河底線呈折線或曲線時的河道比降計算表達式：,式中，L 河段的長度(m) h0, h1, hn 從下游到上游各點河底高程(m) l1, l2, ln 各點間的距離(m),2.1.2 流域及流域的主要特征, 流域的定義,河流某斷面以上，匯集地表水和地下水的區(qū)域（分別稱做地面集水區(qū)和地下集水區(qū)）統(tǒng)稱做河流在該斷面以上的流域。, 流域面積 A ,單位km2 指分水線所劃定的范圍在

4、水平面上投影的面積。, 流域的主要特征:,(1) 流域的幾何特征, 流域長度L ,單位km 指流域的軸長，可用作圖法求到，見右示意圖。,氣候條件 以各種的氣象因子來描述。, 流域平均寬度B ：km, 流域的形狀系數(shù) K,B=A/L,K=B/L=A/L2,(2) 流域的自然地理特征,地理位置 以地理的經(jīng)度和緯度來表示。, 可用流域平均高程、平均坡度S表征。, 流域的土壤巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造, 流域地形特征,反映了流域下墊面的特征，影響到降水入滲的多小，土壤的蓄水性及地下水運動等。, 可用流域地形圖表征；,S=Z(0.5l0+l1+ ln-1+ 0.5ln)/A 式中， l0、l1 ln-1、ln分

5、別為流域內(nèi)至下而上 的等高線長度（km）; Z為相鄰二條等高線之間的高差（km） A為流域面積（km2）,平均坡度S 計算公式:, 流域的植被率和湖沼率,植被率PP = AP /A 湖泊率PL = AL /A 沼澤率PM = AM /A,式中，PP、PL、PM 分別為流域內(nèi)的植被、湖泊和沼澤面積；P 流域總面積。,降雨截留量,徑流R,徑流 ： 指降落在流域表面的降水，沿流域地表和地下二個途徑流入河系，再流出流域出口斷面的水流，這樣的物理過程稱作徑流形成過程。,2.2 徑流的形成和徑流的度量, 有時也指它的量，即在一定時段內(nèi)通過某一河流斷面的水量，稱徑流量。, 流域蓄滲指降雨的雨水耗于植物截留、

6、下滲和填洼等綜合過程。降雨形成地面徑流之前，在流域中會被以上幾個方面所消耗，不參與徑流的形成：,2.2.1 徑流形成過程,可概化為二個過程 ：,(1)產(chǎn)流過程或稱為流域蓄滲過程,b.土壤蓄水量 S,指降雨入滲過程中被土壤吸附存儲于土壤孔隙中的水量。,a. 植物截留量 Is,降雨被植物莖葉攔截的現(xiàn)象稱截留，APIS,以上各種量不參與徑流的形成，統(tǒng)稱為: 雨量的損失量或地面滯留量。,c.填洼量 Vd,水分停蓄在地面洼陷處（水庫、湖、塘等），稱填洼。,d.雨間蒸散發(fā)量 E,降雨形成的徑流量/凈雨量,徑流量(凈雨量) = 降雨量 - 損失量 凈雨量包括二個方面： 地面徑流 R 地下徑流 Rg,壤中徑流

7、/表層流 Rin 指下滲的雨水，一部分滯蓄在土壤中；一部分繼續(xù)向下運行，遇到相對不透水層時，形成沿不透水層面的表層流。,a. 地面徑流R 包括:,坡面漫流 Rs 指沿流域坡地成片連續(xù)流動的水流。,b. 地下徑流 Rg包括:, 淺層地下徑流 Rgs,當下滲水流到達地下水面后，則形成地下徑流它包括：,指潛水面以下和第一個不透水層以上的含水層中的水流，亦稱作無壓地下水。,以上統(tǒng)稱為地下徑流，其特點是： 流量穩(wěn)定； 地下水運動緩慢，補給河流滯后于地表徑流，故往往成為河流枯水期的重要來源。, 深層地下徑流 Rgd,指第一不透水層以下的深含水層中的水流，亦稱作有壓地下水或承壓水。,S 土壤蓄水,填洼量Vd

8、,植物截流Is,流域滲蓄及匯流過程示意圖,坡地匯流： 坡面匯流 壤中流 地下徑流,河網(wǎng)匯流： 小溝小溪 小河大河,流 域 出 流,(2) 匯流過程：,河網(wǎng)匯流：指水流沿河網(wǎng)中各級河槽向出口斷面的匯集過程。,坡地匯流：指水流沿坡面和地下向河網(wǎng)的流動和匯集過程，它包括坡面匯流、表層匯流和地下匯流。,當一次降雨形成的水流全部流出流域出口斷面時，一次徑流形成過程即告結(jié)束。因此，河網(wǎng)匯流可視為三種徑流在時間上的再分配。,河川徑流形成過程框圖,(1) 流量 Q 單位時間內(nèi)通過某一過水斷面的水量，可按下式計算：,式中，A：過水斷面的面積(m2) V：過水斷面的平均流速(m/s),2.2.2 徑流的度量,Q=

9、AV (m3/s),徑流的度量常采用以下幾個指標進行度量：,用來表示流域出口斷面的徑流隨時間變化過程,流量過程線, 瞬時流量 指某時刻的流量, 如右 圖中的Q1，洪峰流量Qm等。, 平均流量 指定時段內(nèi)的平均流量，如日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。,指一定的時段內(nèi)T(=t2 - t1)通過的某一河流斷面的總水量，(單位：m3),式中, Q(t) 流量過程線 t 時刻 的瞬時流量; T = t2 - t1 計算時段; 計算時段內(nèi)的平均 流量。,(2) 徑流量 W,式中，F(xiàn) 流域的面積(km2)； T 時段(s) 時段T內(nèi)的平均流量(m3/s),(3) 徑流深 R,流域出口斷面

10、流量與流域面積的比值,即流域單位面積上所產(chǎn)生的流量：,(4) 徑流模數(shù) M,依據(jù)Q的不同含義， M則有不同的稱謂： Q 若是(多)年平均流量，則M 稱為(多)年平均流量模數(shù)； Q 若是洪峰流量，則M 稱為洪峰流量模數(shù)。,中國年徑流深圖,5-50,600-1000,50-100,200-400,5,1000-1600,1600-2000,(5) 徑流系數(shù),某一時段的徑流深R與相應(yīng)的流域平均降雨深P的比值，其反映了降雨量轉(zhuǎn)換成徑流量比例的一個參數(shù)：,2.2.3 河川徑流的動態(tài)變化,（1）河川徑流的年際變化, 影響年徑流年際變化的主要因素是： 氣候、流域下墊面狀況及人類活動等。,（2）河川徑流的年內(nèi)

11、變化,由于受氣候及其他自然地理因素的影響，河川徑流的年內(nèi)變化是不均勻的。,中國的大多數(shù)河流，由于受季風的影響，其年內(nèi)變化特點是：, 夏季降水量多，徑流量大，為洪水期；, 冬季降水量少，徑流量小，為枯水期。,思考題,如何確定河流某一指定斷面控制的流域面積？ 毀林開荒為什么會加劇下游的洪水災(zāi)害？ 圍墾湖泊，為什么會使洪水加劇？ 同一地區(qū)的多年平均雨量山區(qū)的往往大于平原的，而多年平均蒸發(fā)量則往往相反，為什么？ 蒸發(fā)對水文循環(huán)有何影響？ 某流域（為閉合流域）上有一場暴雨洪水，其凈雨量將如何? 河川徑流是由流域降雨形成的，為什么久晴不雨河水仍然川流不息？,思考題,如何確定河流某一指定斷面控制的流域面積？

12、 （1）搜集指定斷面以上河流所在地區(qū)的地形圖； （2）在地形圖上畫出地面集水區(qū)的分水線； （3）用求積儀量出地面分水線包圍的面積，即流域面積。 毀林開荒為什么會加劇下游的洪水災(zāi)害？ （1）毀林開荒使山區(qū)的植被受到破壞，暴雨時將會造成嚴重的水土流失，使下游河道淤塞，排水不暢； （2）裸露的坡地，下滲差，暴雨時產(chǎn)生地面徑流大，匯流速度快，將使洪峰大大增高。,圍墾湖泊，為什么會使洪水加?。?圍墾湖泊，主要使湖泊的蓄洪容積大大減小； 同時，被圍墾的土地，還要大量排漬，使河流洪水顯著加劇。 同一地區(qū)的多年平均雨量山區(qū)的往往大于平原的，而多年平均蒸發(fā)量則往往相反，為什么？ 山脈對氣流有地抬升作用，與平原區(qū)相比，更有利于降水的形成，因此，在同一氣候區(qū)內(nèi)，山區(qū)的降雨量往往大于平原。山區(qū)地勢高，氣溫比平原低，山坡陡峭，雨水不易滯留，土壤常常不如平原的濕潤，故蒸發(fā)量往往比平原的小。,蒸發(fā)對水文循環(huán)有何影響？ 水文循環(huán)有蒸發(fā)、水汽輸送、降水、下滲、徑流等環(huán)節(jié)，蒸發(fā)是其中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，從水量平衡原理可知，蒸發(fā)增大，將使徑流減少，因此，在水資源比較缺乏的地區(qū)，要盡可能地減少不必要的蒸發(fā)；蒸發(fā)增大，將使水汽加大，可能使降水有所增加，但數(shù)量甚微。 某流域（為閉合流域）上有一場暴雨洪水，其凈