工程水文學(xué)第二章徑流形成

內(nèi)容：2.1概述2.2河流與流域2.3降水2.4下滲2.5蒸散發(fā)2.6徑流重點(diǎn)：1.河川徑流的基本特性；2.河川徑流特征參數(shù)的表示方法。3.河川徑流形成的四個(gè)階段動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述；4.降水、下滲的形成第二章流域徑流形成過(guò)程2.1概述

徑流過(guò)程是地球上水文循環(huán)中最為重要的一環(huán)。徑流過(guò)程復(fù)雜多變，它與人類(lèi)的生產(chǎn)生活活動(dòng)密切相關(guān)，研究和揭示其變化規(guī)律十分重要。本章主要介紹河流和流域的基本概念，然后介紹降水、下滲、蒸發(fā)，最后闡述徑流的形成過(guò)程及表示方法。

第1講2.2河流與流域2.2.1河流

2.2.1.1河流的形成和分段一條河流可分為河源、上游、中游、下游及河口五段。長(zhǎng)度最長(zhǎng)或水量最大者作為干流，匯入干流的為一級(jí)支流，匯入一級(jí)支流的稱二級(jí)支流，其余類(lèi)推。

河源：河流的發(fā)源地，多為冰川、泉水、溪澗、湖泊或沼澤等。

上游：緊接河源，多處深山峽谷，坡陡水急，河谷下切強(qiáng)烈，常有急灘瀑布。中游：河段坡度減緩緩，河槽變寬寬，兩岸常有有灘地，河床床較穩(wěn)定。下游：河流最下段，，一般處于平平原區(qū)，河槽槽寬闊，淤積積明顯，淺灘灘和河灣多。。河口：河流注入大海?；騼?nèi)陸湖泊泊的地段，因因流速驟減，，泥沙大量淤淤積，往往形形成三角洲。。2.2.1.2河流的基本特特征①河流長(zhǎng)度L（km）：自河源源沿河道至河河口的長(zhǎng)度稱稱為河流長(zhǎng)度度，或稱河長(zhǎng)長(zhǎng)，可在大比比例地形圖上上用曲線儀或或小分規(guī)量出出。河源河口②河流的平面形形態(tài)凹岸凸岸凸岸凹岸左岸右岸溪線落差：河段兩端的河河底高程差河道縱比比降J：當(dāng)河段縱縱斷面比比降相同同時(shí):當(dāng)河流縱縱斷面各各段比降降不同時(shí)時(shí):③河流的縱縱斷面：：l1l2l3l4l5L圖1－1河道縱比比降計(jì)算算示意圖圖ω1ω2h5h3h4h1h2h0ω1=ω2流動(dòng)的水水體與容容納流水水的河槽槽是構(gòu)成成河流的的兩個(gè)要要素。河河槽亦稱稱河床，，枯水期期水流所所占部位位為基本本河床，，或稱主主槽；洪洪水泛濫濫及部位位為洪水水河床，，或稱灘灘地。④河流的橫橫斷面2.2.2水系河流某斷斷面的集集水區(qū)域域稱為該該斷面的的流域。流域的的周界稱稱為分水線。2.2.3流域地面分水水線與地地下分水水線重合合，這樣樣的流域域稱為閉合流域域。地面分分水線與與地下分分水線不不一致的的流域稱稱為不閉合流流域。①流域面積積F（km2）:流域面積積是流域域的主要要幾何特特征。通通常先在在適當(dāng)比比例尺的的地形圖圖上定出出流域分分水線，，然后量量出它所所包圍的的面積。。②河網(wǎng)密度度:單位位面積內(nèi)內(nèi)的河流流總長(zhǎng)度度稱為河河網(wǎng)密度度。它表表示一個(gè)個(gè)地區(qū)河河網(wǎng)的疏疏密度。。河網(wǎng)③流域長(zhǎng)度度L（km）河流流域面積1.以河口為為圓心繪繪制同心心圓。2.做同同心心圓圓弧弧割割線線交交于于流流域域周周線線。。3.通過(guò)過(guò)割割線線中中點(diǎn)點(diǎn)作作流流域域軸軸線線，，其其長(zhǎng)長(zhǎng)度度為為流流域域長(zhǎng)長(zhǎng)度度。④流域域平平均均寬寬度度B：流域域面面積積與與流流域域長(zhǎng)長(zhǎng)度度的的比比值值B＝F/L流域域形形狀狀系系數(shù)數(shù)：流流域域平平均均寬寬度度與與流流域域長(zhǎng)長(zhǎng)度度的的比比值值r＝B/L＝F/L2⑤流域域平平均均高高度度H（m）與與平平均均坡坡度度J：將流流域域劃劃分分成成100以上上的的正正方方格格，，定定出出每每個(gè)個(gè)方方格格交交叉叉點(diǎn)點(diǎn)上上的的高高程程及及坡坡度度，，這這些些格格點(diǎn)點(diǎn)的的高高程程和和坡坡度度的的平平均均值值為為流流域域平平均均高高度度和和平平均均坡坡度度。。流域平平均高高度直直接影影響流流域的的氣溫溫與降降水，，流域域平均均坡度度對(duì)徑徑流的的產(chǎn)流流、匯匯流、、下滲滲、土土壤流流失等等有很很大的的影響響。⑥流域的的自然然地理理特征征：流域的的地理理位置置、氣氣候、、地形形、植植被、、土壤壤特性性，地地質(zhì)構(gòu)構(gòu)造，，沼澤澤及湖湖泊情情況等等，都都是與與流域域水文文特性性密切切有關(guān)關(guān)的。。降水：：是指液液態(tài)或或固態(tài)態(tài)水汽汽凝結(jié)結(jié)物從從云中中降落落到地地面面的的現(xiàn)象象。降水要要素：：降水量量、降降水歷歷時(shí)、、降水水強(qiáng)度度、降降水面面積和和暴雨雨中心心。降水等級(jí)級(jí)：24h降水量達(dá)達(dá)到和超超過(guò)50mm的降水量量稱為暴暴雨。2.3降水Precipitation第2講2.3.1基本概念念在在一定溫溫度下，，空氣中中最大的的水汽含含量稱為為飽和濕度度。如果空氣氣中的水水汽達(dá)到到飽和濕濕度，就就說(shuō)這團(tuán)團(tuán)空氣處處于飽和狀態(tài)態(tài)。在在一定水水汽含量量下，空空氣達(dá)飽飽和狀態(tài)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)的溫度度稱露點(diǎn)溫度度?？湛諝庵兴砍^(guò)飽和和濕度，，則達(dá)到到過(guò)飽和狀狀態(tài)。具有均勻勻的溫濕濕特性，，在氣壓壓場(chǎng)作用用下向同同方向移移動(dòng)的大大氣稱為為氣團(tuán)。空氣達(dá)到到飽和的的原因是是空氣溫度度下降至至露點(diǎn)溫溫度以下下。水汽在在過(guò)飽和和狀態(tài)下下是不穩(wěn)穩(wěn)定的，，多余的的水汽很很容易凝凝結(jié)成水水。充足的水水分、強(qiáng)強(qiáng)烈持久久的空氣氣上升動(dòng)動(dòng)力冷卻卻是降水水的充分分必要條條件，而而造成空空氣冷卻卻的主要要原因是是氣團(tuán)抬升升，氣壓壓下降，，體積膨膨脹耗能能。降水的成成因降水常按按照使空空氣抬升升而形成成動(dòng)力冷冷卻的原原因分為為對(duì)流性性降水、、地形性性降水、、鋒面性性降水和和氣旋性性降水，，習(xí)慣上上把它們們分別稱稱為對(duì)流雨、、地形雨雨、鋒面面雨與氣旋雨。。降水的分分類(lèi)對(duì)流雨:是因地表局部部受熱而發(fā)生生垂直上升運(yùn)運(yùn)動(dòng)所形成。。因上升速度度較快，形成成的云多為垂垂直發(fā)展的積積狀云，降雨雨強(qiáng)度大，雨雨面不廣，歷歷時(shí)較短。地形雨：地形雨是空空氣在遷移途途中，因所經(jīng)經(jīng)地面的地形形天然升高而而被抬升時(shí),受動(dòng)力冷卻而而成云致雨，，地形雨降雨雨特性,隨空氣自身溫溫濕特性，運(yùn)運(yùn)行速度以及及地形特點(diǎn)而而異。兩個(gè)溫濕特性性不同的氣團(tuán)團(tuán)相遇來(lái)不及及混合而形成成一個(gè)不連續(xù)續(xù)面，稱為鋒面或鋒區(qū)。鋒面面與地面的交交線稱為鋒線。習(xí)慣上統(tǒng)稱稱為鋒。鋒面活動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生的降水稱稱為鋒面雨。其特點(diǎn)是降降雨范圍大，，歷時(shí)長(zhǎng)。鋒面雨冷氣團(tuán)向暖氣氣團(tuán)方向移動(dòng)動(dòng)并占據(jù)原屬屬暖氣團(tuán)的地地區(qū)，這種鋒鋒稱為冷鋒；暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)方向移移動(dòng)并占據(jù)原原屬冷氣團(tuán)的的地區(qū)，這種種鋒稱為暖鋒，冷、暖氣團(tuán)團(tuán)勢(shì)均力敵，，在某一地區(qū)區(qū)擺動(dòng)或停滯滯的鋒稱為準(zhǔn)靜止鋒，簡(jiǎn)稱靜止鋒。氣旋雨：當(dāng)一地區(qū)氣氣壓低于四周周氣壓時(shí)，四四周氣流就要要向該處匯集集。氣流匯入入后再轉(zhuǎn)向高高層，上升氣氣流中的水汽汽因動(dòng)力次序序冷卻凝結(jié)成成云，條件具具備時(shí)，形成成氣旋雨。暴雨名稱最大風(fēng)速（m/s）平均風(fēng)力熱帶低壓10.8~17.16~7級(jí)熱帶風(fēng)暴17.2~218~9級(jí)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴17.2~32.610~11級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)>32.612及以上熱帶氣旋雨的的分類(lèi)2.4.1包氣帶和飽和和帶

以地下下水面為界，，土層可分為為兩個(gè)不同的的土壤含水帶帶。在地下水水面以下，土土壤處于飽和和含水狀態(tài)，，是土壤顆粒粒和水分組成成的二相系統(tǒng)統(tǒng)，稱為飽和帶。在地下水面以以上，土壤含含水量未達(dá)飽飽和，是土壤壤顆粒、水分分和空氣同時(shí)時(shí)組成的三相相系統(tǒng)，稱為為包氣帶。2.4下滲第3講2.4.2.1土壤水分存在在形式土粒表面的分分子對(duì)水分子子的吸附力稱稱為分子力。由分子力所所吸附的水分分子稱為吸濕水。由土粒剩余分分子力所吸附附在吸濕水層層外的水膜稱稱為薄膜水。土壤空隙中中由毛管力所所持有的水分分稱為毛管水。當(dāng)土壤水的的含量超過(guò)土土壤顆粒分子子力和毛管力力作用范圍而而不能被土壤壤所保持時(shí)，，在重力作用用下沿土壤孔孔隙流動(dòng)，這這部分水稱為為重力水。2.4.2土壤水2.4.2.2土壤含水量和和水分常數(shù)土壤重量含水水率土壤容積含水水率土壤水分常數(shù)數(shù)最大分子持水水量：土粒分子力所所結(jié)合的水分分的最大量量稱為最大分分子持水量。。凋萎含水量：：植物根系無(wú)法法從土壤中吸吸收水分，開(kāi)開(kāi)始枯死時(shí)的的土壤含水量量。田間持水量：：指土壤中所能能保持的最大大毛管懸著水水量。飽和含水量：：指土壤中所有有孔隙被水充充滿時(shí)的土壤壤含水量。下滲是從土壤表面面進(jìn)入土壤內(nèi)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程程。當(dāng)當(dāng)雨水落落在干燥土壤壤表面后，滲滲入土壤的水水分受附著力力的作用，吸吸附于土垃表表面，形成薄膜膜水水。當(dāng)當(dāng)薄薄膜膜水水滿滿足足以以后后，，繼繼續(xù)續(xù)滲滲入入的的水水分分充充填填土土壤壤形形成成毛管管水水。2.4.3下滲滲當(dāng)表表層層土土壤壤中中的的毛毛管管水水滿滿足足以以后后，，繼繼續(xù)續(xù)入入滲滲的的水水分分使使表表層層土土壤壤飽飽和和。。水水分分在在毛毛管管力力的的作作用用下下向向下下層層透透水水同同時(shí)時(shí)，，空空隙隙中中的的自自由由水水在在重重力力作作用用下下，，也也沿沿空空隙隙向向下下游游以以動(dòng)動(dòng)，，形形成成重力水水。如果果地下下水埋埋藏不不深，，重力力水可可能滲滲過(guò)整整個(gè)包包氣帶帶，，形成成地下下徑流流。2.4.3下滲隨著土土壤含含水量量的持持續(xù)增增加，，下滲滲率不不斷降降低。。當(dāng)下下滲僅僅靠重重力作作用時(shí)時(shí)，達(dá)達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)定狀狀態(tài)，，此時(shí)時(shí)的下下滲率率稱穩(wěn)定下下滲率率。影響一一次降降水下下滲過(guò)過(guò)程的的主要要因素素，有有降雨強(qiáng)強(qiáng)度及及歷時(shí)時(shí)、土土壤含含水量量、土土壤構(gòu)構(gòu)成情情況等。此此外，，地表表坡度度與糙糙率、、植被被及土土地利利用狀狀況對(duì)對(duì)下滲滲亦有有影響響。下滲過(guò)程程可用各各時(shí)段下下滲量F（mm）和各時(shí)時(shí)刻下滲滲率f(mm/h)表示。在充分供供水條件件下，下下滲率的的變化規(guī)規(guī)律，也也可用數(shù)數(shù)學(xué)公式式表示，，如常用用的霍頓公式式：ft=（f0－fC）e-βt+fc式中，ft—t時(shí)刻的下滲率率；f0—初始下滲率；；fc—穩(wěn)定下滲率；；β—遞減指數(shù)；式式中f0、fc及β都是反映土壤壤特性的參數(shù)數(shù)，只能根據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)資料推推求。tfcfofcft=fc+(fo-fc)e-t

霍頓下滲曲線線①當(dāng)i1≥fp時(shí),此時(shí)相當(dāng)于充充分供水的情情況,各時(shí)刻均按下下滲能力下滲滲。ti1i3i2②當(dāng)i2≤fc時(shí),此時(shí)下滲率取取決決于降雨雨強(qiáng)度。③當(dāng)fc<i3<fp時(shí),此時(shí)下滲如圖圖下滲與雨強(qiáng)的的關(guān)系fp③①②蒸發(fā)是水由液態(tài)或或固態(tài)轉(zhuǎn)化為為氣態(tài)的物理理反應(yīng)，是水水分子克服了了分子間的引引力進(jìn)入空氣氣的過(guò)程。影影響蒸發(fā)過(guò)程程的主要因素素有水溫（或或土溫）、空空氣飽和差、、風(fēng)速等，它它們分別影響響到水分子的的運(yùn)動(dòng)速度以以及逸入空中中后水分子向向外擴(kuò)散的速速度。蒸蒸發(fā)量量常用蒸發(fā)水水層的深度（（mm）表示。2.5蒸散發(fā)Evapotranspiration觀測(cè)水面蒸發(fā)發(fā)量的蒸發(fā)器有有20cm口徑蒸發(fā)器、、80cm口徑套盆蒸發(fā)發(fā)器、還有埋埋在地下的60cm口徑帶套盆蒸蒸發(fā)器（E601）。這這三者都都屬于小型蒸蒸發(fā)器皿，觀觀測(cè)到的蒸發(fā)發(fā)量，都應(yīng)乘乘一折算系數(shù)數(shù)，才能作為為天然水體蒸蒸發(fā)量的估計(jì)計(jì)值。折算系系數(shù)隨蒸發(fā)皿皿（器）的類(lèi)類(lèi)型而異，且且與月份及所所在地區(qū)有關(guān)關(guān)。水面蒸發(fā)20cm小型蒸發(fā)器蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站飄浮水面蒸發(fā)發(fā)觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)場(chǎng)土壤蒸發(fā)第一階段，土壤蒸發(fā)主主要發(fā)生在表表層，蒸發(fā)速速度穩(wěn)定，其其蒸發(fā)量接近近蒸發(fā)能力。。第二階段，土壤表面局局部地方開(kāi)始始干化，土壤壤蒸發(fā)一部分分在地表進(jìn)行行，另一部分分發(fā)生在土壤壤內(nèi)部。蒸發(fā)發(fā)速度逐漸降降低，其蒸發(fā)發(fā)量與土壤含含水量成正比比。第三階段，當(dāng)毛管水完完全不能到達(dá)達(dá)地表，土壤壤水分蒸發(fā)生生發(fā)生在土壤壤內(nèi)部，蒸發(fā)發(fā)的水汽由分分子擴(kuò)散作用用逸入大氣，，蒸發(fā)速度緩緩慢。植物散發(fā)：土壤中的水分分經(jīng)植物根系系吸收后，輸輸送至葉面，，經(jīng)帽氣孔逸逸入大氣，稱稱為植物散發(fā)發(fā)。植物散發(fā)發(fā)的水量隨植植物的品種和和季節(jié)而不同同。植物散發(fā)發(fā)與蒸發(fā)總是是同時(shí)存在的的。通常將此此二者結(jié)合稱稱為陸面蒸發(fā)發(fā)。2.6徑流流形形成成及及度度量量方方法法一、、徑徑流流的的形形成成過(guò)過(guò)程程徑流流形形成成過(guò)過(guò)程程可可以以概概化化成成：：產(chǎn)產(chǎn)流流過(guò)過(guò)程程和和匯匯流流過(guò)過(guò)程程。。產(chǎn)流流過(guò)過(guò)程程：是是指指降降雨雨經(jīng)經(jīng)植植物物截截留留、、下下滲滲和和填填洼洼等等過(guò)過(guò)程程，，形形成成地地面面徑徑流流和和地地下下徑徑流流的的過(guò)過(guò)程程。。匯流流過(guò)過(guò)程程：是是指指坡坡面面匯匯流流和和河河網(wǎng)網(wǎng)匯匯流流的的過(guò)過(guò)程程。。蒸發(fā)發(fā)通氣層通氣層EVR3R4淺層地下水層淺層地下水層深層地下水層深層地下水層河流不透水層不透水層不透水層p降水水f植物物截截留留或或填填洼洼R1地表表徑徑流流R2壤中中流流潛水水深層層地地下下水水下滲滲坡面面漫漫流流流域出口口河網(wǎng)匯流流二、徑流流的表示示方法和和度量單單位流量Q：?jiǎn)挝粫r(shí)時(shí)間通過(guò)過(guò)某一斷斷面的水水量，單單位為m3/s、L/s。流量隨隨時(shí)間的的變化過(guò)過(guò)程，用用流量過(guò)過(guò)程線來(lái)來(lái)表示。。Q(m3/s)t徑流量W：指時(shí)段段內(nèi)通過(guò)過(guò)某一斷斷面的總總水量。。常用單單位為m3,萬(wàn)m3,億m3,（m3/s）月，（m3/s）d等。平均流量Q：徑流量W與時(shí)段長(zhǎng)度度T的比值，單單位為m3/s。徑流深R:指將徑流量量平鋪在整整個(gè)流域面面積上所求求得的水層層深度，以以mm為單位。若時(shí)段T（s）內(nèi)平均流量量為Q（m3/s），相應(yīng)徑流流量W（m3）流域面積為為F（km2）,則徑流深R(mm)由下列公式計(jì)計(jì)算：徑流模數(shù)M(L/s/km2）：流域出口斷面面流量與流域域面積的比值值。徑流系數(shù)α：某一時(shí)段的流流深度與相應(yīng)應(yīng)的降雨深度度的比值。。例：某閉合流域的的流域面積F=1000km2,多年平均年降降雨量=1400mm,流域的多年平平均流量為=20m3/s,擬在本流域內(nèi)內(nèi)增加的水面面面積=100km2，測(cè)得的多年年平均蒸發(fā)值值=2000mm,蒸發(fā)皿折算系系數(shù)k=0.8,該流域原來(lái)的的水面面積極極微，可忽略略。若流域的的氣候條件保保持不變，那那么增加水面面面積后流域域的多年平均均流量（m3/s）為多少?9、靜夜四無(wú)鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨雨中中黃黃葉葉樹(shù)樹(shù)，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。14:48:3614:48:3614:481/6/20232:48:36PM11、以我我獨(dú)沈沈久，，愧君君相見(jiàn)見(jiàn)頻。。。1月-2314:48:3614:48Jan-2306-Jan-2312、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。14:48:3614:48:3614:48Friday,January6,202313、乍見(jiàn)見(jiàn)翻疑疑夢(mèng)，，相悲悲各問(wèn)問(wèn)年。。。1月-231月-2314:48:3614:48:36January6,202314、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國(guó)見(jiàn)青青山。。06一月20232:48:36下午14:48:361月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月232:48下下午1月-2314:48January6,202316、行動(dòng)動(dòng)出成成果，，工作作出財(cái)財(cái)富。。。2023/1/614:48:3614:48:3606January202317、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時(shí)時(shí)，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點(diǎn)點(diǎn)的的射射線線向向前前。。。。2:48:36下午午2:48下午午14:48:361月-239、沒(méi)有失敗敗，只有暫暫時(shí)停止成成功！。1月-231月-23Friday,January6,202310、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒(méi)有。。。14:48:3614:48:3614:481/6/20232:48:36PM11、成成功功就就是是日日復(fù)復(fù)一一日日那那一一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小小小努努力力的的積積累累。。。。1月月-2314:48:3614:48Jan-2306-Jan-2312、世間成成事，不不求其絕絕對(duì)圓滿滿，留一一份不足足，可得得無(wú)限完完美。。。14:48:3614:48:3614:48Friday,January6,202313、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。1月-231月-2314:48:3614:48:36January6,202314、意志堅(jiān)強(qiáng)的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。06一月20232:48:37下午14:48:371月-2315、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門(mén)門(mén)九九派派通通。。。。。一月月232:48下下午午1月月-2314:48January6,202316、少年年十五五二十十時(shí)，，步行行奪得得胡馬馬騎。。。2023/1/614:48:3714:48:3706January202317、空空山山新新雨雨