第二節(jié)-徑流形成與分割

第一節(jié)河流

一、河流、水系和流域（一）河流的分段和縱、橫斷面（二）水系和水系特征（三）流域和流域

二、河流的水情水情要素：水位、流速、流量、水溫與冰情、泥沙、礦化度

三、河川徑流（一）河川徑流的形成與影響因素(二)產(chǎn)匯流計算（三）河川徑流的變化（時變性、變化表征）（四）特征徑流（洪水和枯水）四、河流的補給（一）雨水補給（二）融水補給（三）湖泊水補給（四）沼澤水補給（五）地下水補給（六）人工補給五、河流水源的定量估算六、河川的利用和改造七、河流與自然地理環(huán)境的關系知識體系（一）河川徑流的形成與影響因素

1.河川徑流的形成概念：河川徑流是指降落到流域表面上的雨水，由地面與地下匯入河川，最終流出流域出口斷面的水流。形成階段：降雨徑流形成過程大致可分為如下四個階段：（1）降雨階段

（2）流域蓄滲（停蓄）階段（3）坡地漫流階段

（4）河槽集流(河網(wǎng)匯流)階段

降雨扣除損失之后，剩下的部分稱為凈雨，在數(shù)量上就等于它所形成的徑流深。在我國常稱凈雨量為產(chǎn)流量.上述過程為降雨轉化為凈雨的過程,稱為產(chǎn)流過程。注意：凈雨和它形成的徑流在數(shù)量上是相等的,但二者的過程卻完全不同,凈雨是徑流的來源,而徑流則是凈雨匯流的結果;凈雨在降雨結束時就停止了,而徑流卻要延長很長時間。

產(chǎn)流模式?jīng)Q定產(chǎn)流的氣象條件是降水，流域條件主要是土壤缺水量和下滲能力。幾種條件的不同組合決定不同的產(chǎn)流模式.第1、2兩種模式都不會發(fā)生洪水,習慣上稱第3種模式為“超滲產(chǎn)流”，第4種模式為“蓄滿產(chǎn)流”，所謂蓄滿是指含氣層蓄滿到了田間持水量。1）坡地匯流過程坡地匯流分為三種情況:A.坡面流:超滲雨滿足了填洼后產(chǎn)生的地面凈雨沿坡面流到附近河網(wǎng)的過程,稱為坡面漫流。坡面漫流是由元數(shù)股彼此時分時合的細小水流所組成,通常沒有明顯的固定溝槽,雨強很大時可形成片流。坡面漫流的流程較短,一般不超過數(shù)百米,歷時亦短。地面凈雨經(jīng)坡面漫流注入河網(wǎng),形成地面徑流。大雨時地面徑流是構成河流流量的主要來源。B.表層流徑流:表層流凈雨沿坡面?zhèn)认虮韺油寥揽紫读魅撕泳W(wǎng),形成表層流徑流。表層流流動比地面徑流慢,到達河槽也較遲,但對歷時較長的暴雨,數(shù)量可能很大,成為河流流量的主要組成部分。表層流與地面徑流有時能相互轉化,例如,在坡地上部滲入土中流動的表層流,可在坡地下部流出,以地面徑流形式流入河槽;部分地面徑流也可能在坡面漫流過程中滲入土壤中流動成為表層流。這就是實際工作中把表層流歸入地面徑流的原因。C.地下徑流和基流:地下凈雨向下滲透到地下潛水面或深層地下水體后,沿水力坡度最大的方向流入河網(wǎng),稱為坡地地下徑流。深層地下水匯流很慢,所以降雨以后,地下水流可以維持很長時間,較大河流可以終年不斷,是河川的基本徑流,所以常稱為基流。

在徑流形成過程中,坡地匯流過程對凈雨在時程上進行的第一次再分配。降雨結束后,坡地匯流仍將持續(xù)一定時間。凈雨沿著坡面匯入河網(wǎng)(稱坡地匯流)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯流形成流域出口的徑流，這個過程稱作流域匯流過程。（4）河槽集流(河網(wǎng)匯流)階段

河網(wǎng)匯流過程:各種成分徑流經(jīng)坡地匯流注入河網(wǎng),從支流到干流,從上游向下游,最后流出流域出口斷面,這個過程稱為河網(wǎng)匯流或河槽集流過程。對地面徑流來說，坡面匯流距離最多不過200m，匯流時間不到0.5hr。匯流時間主要是河網(wǎng)匯流時間，可達10h以上，所以地面匯流過程以河網(wǎng)匯流為主。河岸調節(jié)與河槽調蓄河岸調節(jié)：在河槽集流過程中，當河槽水位高于兩岸地下水位，且河水與河岸地下水之間有水力聯(lián)系的情況下，河水補給地下水；反之，地下水補給河水。河槽調蓄：河槽接收坡地匯流，河槽水位抬升，增加河槽蓄水；坡地匯流停止后，河槽水位漸退，河槽蓄水流出，這種河槽“庫容”對徑流產(chǎn)生的調節(jié)作用，稱為河槽調蓄。高低河岸調節(jié)和河槽調蓄是對凈雨在時程上進行的第二次再分配。河槽調蓄和河岸調節(jié)作用使降雨徑流歷時延長，出口斷面流量過程變得平緩。上述作用與河流形狀、河網(wǎng)密度及河槽縱比降有關。2．影響河川徑流的因素P99

影響徑流的因素主要有氣候、下墊面和人為因素。(l）氣候因素

氣候是影響河川徑流的最基本和重要因素，氣候因素中的降水和蒸發(fā)直接影響徑流的大小和變化(2）下墊面因素流域的下墊面因素具有對降水再分配的功能。下墊面因素包括地貌、植被和土壤巖性等。(3)人為因素

人類活動影響徑流是多方面的。積極方面：植樹造林、修筑梯田、修水庫；消極方面：圍湖、伐林擴大農田，對水資源的污染等1.下滲曲線法2.徑流系數(shù)法3.降雨徑流關系法(二)產(chǎn)匯流計算流域蓄水量W或其前期影響雨量Pa表示流域的干濕程度P101同一時刻在流域各處形成的凈雨距流域出口斷面遠近、流速各不相同,所以不可能全部在同一時刻到達流域出口斷面。不同時刻在流域內不同地點產(chǎn)生的凈雨,卻有可能在同一時刻流達流域的出口斷面。4.等流時線及其在地面匯流分析中的應用（1）基本概念及含義：匯流時間τ：流域各點的地面凈雨流達出口斷面所經(jīng)歷的時間。流域匯流時間：流域上最遠點的凈雨流到出口的歷時。等流時線：流域上匯流時間τ相等點子的連線，如圖中標有1、2、…的虛線（為單位匯流時段長）。

等流時面積：兩條相鄰等流時線間的面積。（2）等流時線的應用為計算上的方便，取計算時段等于匯流時段△t=△τ。1）地面凈雨歷時等于一個匯流時段Ts=?t=?τTs=?t<τm=3?

τ部分面積造峰2）地面凈雨歷時多于一個匯流時段流域上凈雨歷時Ts=3?t，雨強is1

=Rs1/?t

，is2

=Rs2/?t，is3

=Rs3/?t，它們各自在流域出口形成的地面徑流流量過程，可用與上面完全相同的方法求得。（3）結論一個時段的凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程，等于該凈雨強度與各塊等流時面積的乘積，即Qi=isFi多時段凈雨在流域出口形成的地面徑流過程，等于它們各自在出口形成的地面徑流過程疊加。當凈雨歷時Ts小于流域匯流時間τm時，稱為流域部分面積匯流造峰（部分匯流造峰）。當凈雨歷時Ts大于或等于τm時，稱為流域全面積匯流造峰（全面匯流造峰）。地面徑流總歷時T等于凈雨歷時Ts與流域匯流時間τm之和.該法是對地面匯流進行概化的一種設想，與實際情況有一定的出入，難以實際應用。但對于理解流域匯流的本質和原理是非常有益的。作業(yè)根據(jù)表中資料計算河流出口的地面徑流5、時段單位線法（1）.單位線的基本概念①定義：在給定的流域上,單位時段內均勻降落單位深度的地面凈雨，在流域出口斷面形成的地面徑流過程線，稱為單位線。單位凈雨一般取10mm,單位時段可取1、3、6、12、24h等,依流域大小而定。倍比假定：如果單位時段內的凈雨不是一個單位而是k個單位,則形成的流量過程是單位線縱標的k倍。疊加假定：如果凈雨不是一個時段而是m個時段,則形成的流量過程是各時段凈雨形成的部分流量過程錯開時段疊加。③推流公式：式中，Qi為流域出口斷面各時刻流量值，m3/s；Rj為各時段凈雨量，mm；qi-j+1為單位線各時刻縱坐標，m3/s；k=m+n-1為流域出口斷面流量過程線時段數(shù)；m為凈雨時段數(shù)；n為單位線時段數(shù)Q1=R1/10*q1Q2=R1/10*q2Q3=R1/10*q3R1R1+R2Q1=R1/10*q1Q2=R1/10*q2+R2/10*q1Q3=R1/10*q3+R2/10*q2（2）單位線的分析與推求。1°根據(jù)實測的暴雨徑流資料制作單位線時，首先應選擇歷時較短的暴雨及該次暴雨所產(chǎn)生的明顯的孤立的洪峰作為分析對象。2°求出本次暴雨各時段的流域平均雨量，扣除損失，得出各時段的凈雨深Ri，凈雨時段△t。3°由實測流量過程線上分割地下徑流及計算地面徑流深，務使凈雨深等于地面徑流深，即∑Ri=y。4°要將流量過程線割去地下水以后得到的地面徑流過程線各時段縱坐標值，除以凈雨量的單位(個)數(shù)（一個單位為10毫米）就可得出單位線。將該單位線代入其它多時段凈雨的洪水中進行驗算，將算得的流量過程與實測洪水進行對比，如發(fā)現(xiàn)明顯不符，可將單位線予以修正，直到最后由單位線推出的流量過程符合實際為止。分析法推求單位線詳解:設出口斷面的地面流量過程為Q1,Q2,…,Qk,流域的凈雨過程為R1,R2,…,Rm,由推流公式構成一個以q1,q2,…,qm為未知數(shù)的線性代數(shù)方程組,解之即可得單位線。式中,i=1,2,…,n,n為單位線的時段數(shù),n=k-m+1。j=1,2,…,m【例】某流域實測流量資料分割地下徑流后的地面徑流過程以及推算出的地面凈雨過程見下表,試分析單位線。本例凈雨時段數(shù)m=2,地面流量過程時段數(shù)=20,計算時段Δt=12h。由(3)單位線法存在的問題及處理方法

單位線的兩個假定不完全符合實際，一個流域上各次洪水分析的單位線常常有些不同，有時差別還比較大。在洪水預報或推求設計洪水時，必須分析單位線存在差別的原因并采取妥善的處理辦法。1)凈雨強度對單位線的影響及處理方法在其他條件相同情況下，凈雨強度越大，流域匯流速度越快，由此洪水分析出來的單位線的洪峰比較高，峰現(xiàn)時間也提前；反之，由凈雨強度小的中小洪水分析單位線，洪峰低，峰現(xiàn)時間也要滯后，如圖所示。針對這一問題，目前的處理方法是：分析出不同凈雨強度的單位線，并研究單位線與凈雨強度的關系。進行預報或推求設計洪水時，可根據(jù)具體的凈雨強度選用相應的單位線。單位線受地面凈雨強度影響2.凈雨地區(qū)分布不均勻的影響及處理方法同一流域，凈雨在流域上的平均強度相同，但當暴雨中心靠近下游時，匯流途徑短，河網(wǎng)對洪水的調蓄作用減少，從而使單位線的峰偏高，出現(xiàn)時間提前；相反，暴雨中心在上游時，大多數(shù)的雨水要經(jīng)過各級河道的調蓄才流到出口，這樣使單位線的峰較低，出現(xiàn)時間推遲，如圖所示。針對這種情況，應當分析出不同暴雨中心位置的單位線，以便洪水預報和推求設計洪水時，根據(jù)暴雨中心的位置選用相應的單位線。

單位線受暴雨中心位置影響當一個流域的凈雨強度和暴雨中心位置對單位線都有明顯影響時，則要對每一暴雨中心位置分析出不同凈雨強度的單位線，以便將來使用時能同時考慮這兩方面的影響。(4)應用單位線預報洪水過程

舉例

試利用下表所給資料，采用單位線法計算洪水過程。某河某站用單位線法由降雨推求洪水過程（F=5253km2）作業(yè)：列表計算流域單位線（三）河川徑流的變化

為了充分合理地利用水資源，必須首先掌握河川徑流變化的一些特性：年內變化和年際變化。年徑流分析計算的任務：一般地說，是研究徑流年際水量變化與年內水量變化的規(guī)律，為合理興建水利工程提供正確的水文依據(jù)。具體地說，工程水文學中的年徑流分析計算：主要是為水庫的規(guī)劃設計和調度運行服務。年內變化：汛期（夏汛和春汛）、平水期、枯水期或冰凍期。（P159）

年際變化：豐水年，枯水年，中水年。通常以徑流的離差系數(shù)表示變化程度。

1、河川徑流的時變性（l）正常年徑流量：如果實測資料的年數(shù)增加到無限大時，多年平均徑流量將趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值，此稱為年正常徑流量。（2）河川徑流的年際變化表征：徑流的離差系數(shù)2、河川徑流變化表征(P158)n為觀測資料數(shù)列的年數(shù)。（3）Cv值的變化與自然地理因素的關系1）降水量少的地區(qū)，其Cv值大于降水量多的地區(qū)以雨;2）水補給為主的河流，其Cv值大于以地下水補給為主的河流，也大于以冰雪融水補給為主的河流。3）平原和盆地的Cv值大于相鄰的高山和高原地區(qū)。4）流域面積小的河流，其Cv值大于流域面積大的河流。原因：大河集水面積大，各支流徑流變化情況不一，豐枯年可以相互調節(jié)；大河河床切割很深，地下水補給量多而穩(wěn)定。我國河川徑流時變特征我國大部分地區(qū)河川徑流靠雨水補給,季節(jié)性變化劇烈,有明顯的汛期和枯水期。汛期河水暴漲,容易泛濫成災;枯水期水量很小,水源不足。汛期連續(xù)最大4個月徑流量占年總徑流量60%以上,其中長江以南、云貴高原以東和西南大部分地區(qū)為60%~70%,松遼平原、華北平原、淮河流域大部分地區(qū)為70%~80%,廣大西部地區(qū)為60%左右。以冰雪融水補給為主的河流,由于流域內熱量的變化比雨量變化小,所以年內分配比較均勻。地下水補給比例大的河流,其年內變化也較小。大江大河因接納不同地區(qū)徑流的匯入和地下徑流的補給,徑流的年內分配也較均勻。1.年內變化2.年際變化

徑流的年際變化,較降水更為劇烈,北方大于南方,水量越貧乏的地區(qū),豐枯年間的水量相差越大。以歷年最大最小年徑流量的比值為指標,長江以南各河一般小于3倍;淮河、海深河各支流可達10~20倍,部分平原河流甚至更大。年徑流的變化,不僅有時枯時豐的情況,而且存在連續(xù)枯水和連續(xù)豐水的情況。如黃河在近60年中出現(xiàn)過從1922~1932年共11年的少水期,該段時間年徑流的平均值比正常年份少24%;也出現(xiàn)過1943~1951年連續(xù)9年的豐水期,該段年徑流平均值比正常年份多19%。松花江在近80年中也出現(xiàn)過1898~1908年連續(xù)11年和1916~1928年連續(xù)13年的少水期,平均年徑流量比正常值少40%;也出現(xiàn)過1960~1966年連續(xù)7年的豐水期,平均年徑流量比正常值大32%。海河近60年來連旱、連豐更頻繁,如1919~1923年、1927~1931年、1941~1943年、1946~1948年、1965~1968年、1971~1972年等連續(xù)2~3年甚至5年的干旱;也出現(xiàn)過1954~1956年、1963~1964年等連續(xù)2~3年的洪澇。

（三）特征徑流-洪水和枯水

1．洪水

（1）概念洪水是指因連續(xù)降水或大量積雪融水在短時間內匯入河槽，形成的特大徑流。

洪水三要素：洪峰流量Qm、洪水總量W和洪水總歷時（2）洪峰流量的推求1）有長期觀測資料有較長年限觀測資料（20年以上），從每年中挑選出最大的一個洪峰流量組成樣本進行頻率計算，從而求得所需頻率的洪峰流量。2）無洪水觀測資料經(jīng)驗公式(水利科學研究院)Qm=0.278aipFa：徑流系數(shù)；F流域面積(km2)；ip:頻率為p的暴雨強度（mm/h).利用等值線圖估算（查《水文手冊》）。

根據(jù)給定頻率或重現(xiàn)期，在等值線圖上查得流域中心處的洪峰流量模數(shù)Mp,計算式：Qp=MpF（3）洪水分類上游演進洪水：上游徑流量顯著增加，洪水自上而下沿河推進形成；當?shù)睾樗河伤幒佣蔚牡孛鎻搅髦苯有纬?。觀看《洪水》錄像暴雨洪水是我國大多數(shù)河流的主要洪水類型，是水文學研究的重點之一。2．枯水

枯水就是特別小的徑流?？菟畯搅靼l(fā)生在以地下徑流補給為主的時期，故此時期稱為枯水期3、洪水、枯水期的調整目前調整的方法主要有：興修水利、人工降雨等第二節(jié)

河

流

一、河流、水系和流域（一）河流的分段和縱、橫斷面（二）水系和水系特征（三）流域和流域

二、河流的水情水情要素：水位、流速、流量、水溫與冰情、泥沙、礦化度三、河川徑流（一）河川徑流的形成與影響因素（二）徑流特征值（三）河川徑流的變化（時變性、變化表征）（四）特征徑流（洪水和枯水）四、河流的補給（一）雨水補給（二）融水補給（三）湖泊水補給（四）沼澤水補給（五）地下水補給（六）人工補給五、河流水源的定量估算六、河川的利用和改造七、河流與自然地理環(huán)境的關系知識體系預習思考題河流補給的形式及其特點？四、河流的補給(河流的水源)

根據(jù)降水形式及其向河流運動的路徑的不同，河流補給可分為:（一）雨水補給（二）融水補給（三）湖泊水補給（四）沼澤水補給（五）地下水補給（六）人工補給（一）雨水補給

(最主要的補給類型)雨水補給的特點（主要決定于降雨量和降雨特性）集中、不連續(xù)；年內、年際變化大；補給量的大小由降水強度大小決定；含沙量大。

（二）融水補給融水補給包括季節(jié)性積雪融水和永久積雪或冰川融水的補給。融水補給特點（主要決定于冰雪量和氣溫的變化）冰雪量大,補給量大。流量過程線與氣溫變化過程線一致，平緩和圓滑年際變化較小。明顯的日周期變化和年周期變化河流含沙量較小。（三）湖泊水補給

特點（主要取決于湖泊面積大小、水深和變化）：水量變化緩慢且穩(wěn)定。（四）沼澤水補給沼澤水多屬于滲流運動，故補給河流的過程較緩慢，使河流的流量過程線較平緩。（五）地下水補給深層地下水淺層地下水特點：地下水補給一般約占河流徑流總量的15％~30％.總體穩(wěn)定而均勻.（六）人工補給人工補給主要是通過跨流域引水、抽取地下水、人工融冰化雪、人工降雨等方式來擴大河流水源。

河流的補給為多種形式的綜合，其中以一種方式為主。五、河流水源的定量估計

河水流量的變化決定于補給的分配情況。由于各種補給所發(fā)生的時間、強度和它們的組合不同，因而造成河流水文情勢的種種變化。為了了解各種形式的補給在河流水情中所起的作用，研究河川徑流的形成規(guī)律和預報方法，必須估計各種補給的水量和它們的變化過程。因此有必要從河流的流量過程線上把各種形式的補給部分分割開來，從成因上研究徑流的形成過程及各種因素的影響。

從河流的流量過程線中，把各種形式的補給分割出來進行河流水源的定量估算，叫做流量過程線的分割。1.地下徑流（基流）的分割方法：

（1）直線分割法如下圖所示：假定在一次降雨以前，河流中實測流量就是地下徑流量，同時不考慮該次降雨產(chǎn)生的地下徑流，則可以從流量過程線上找到起漲點A。從A點引一水平線交退水曲線上的B點。于是AB線以下的水量作為基流、AB線以上作為地面徑流。在洪水時漲水曲線的起始點在流量過程線上往往有明顯的轉折而易找出，如圖A點。

B’點可根據(jù)地面徑流和地下徑流退水的特點來確定。地面退水比地下退水快。估計作圖法目估法：目估由陡而突然轉變?yōu)榫彽霓D折點，找出B’點。時段流量比較法：如目估困難可將退水曲線按等時段△t去劃分，△Q1＞△Q2，但△

Q3比△

Q2小得多，可認為B’是地面徑流的終止點。曲率比較法：在退水曲線上找出最大曲率點洪峰后持續(xù)天數(shù)確定(2)斜線分割法比較：水平線分割法簡便易行，對地下徑流小，洪水歷時短的流域較為適合；而對地下徑流比重大、洪水連續(xù)時間長的流域，則會造成比較大的誤差，此時改用斜線分割法較為合理。（3）退水曲線法實際上是根據(jù)標準退水曲線，從流量過程線兩端向內延伸，退水曲線以下部分就是地下徑流。如下圖所示：退水曲線法在一定程度上反映了地下水補給河流的規(guī)律性，但在推求退水曲線和展延退水曲線的過程中，仍不可避免存在一定的任意性。標準退水曲線的繪制：下圖中的下包線Qg～t，即為流域地下徑流標準退水曲線，其繪制方法步驟是以相同的比例尺，在方格紙上繪出各場洪水的退水流量過程線；用一張透明紙描繪出最低的退水過程線；將此曲線移到另一場洪水的次低的退水段，在保持時間坐標重合的條件下左右移動透明紙，使方格紙上的退水過程線在后部與透明紙上的退水過程線相重合，并把它也描繪在透明紙上；如此逐一描繪各場洪水的退水流量過程線，就構成Qg～t線。

2.地表徑流的分割六、流域水量平衡方程

若將通用公式應用于一個流域內，則稱流域水量平衡方程。流域有非閉合流域(開放流域)和閉合流域（封閉流域）之分。若所研究的水量平衡區(qū)為非閉合流域（即流域的地下分水線與地表分水線不相重合），