工程水文學(xué)第2章水文循環(huán)與徑流形成

/第二章水文循環(huán)與徑流形成TOC\o”1-1”\h\u16299第一節(jié)水文循環(huán) 219220第二節(jié)河流和流域 226462第三節(jié)降水 325056第四節(jié)土壤水、下滲和地下水 69071第五節(jié)蒸散發(fā) 811760第六節(jié)徑流 914738小結(jié) 10課前學(xué)習(xí)指導(dǎo)課程要求要求學(xué)員建立水文循環(huán)、流域、河流、水文要素等基本概念，認(rèn)識(shí)流域降雨形成徑流過程的基本原理。課時(shí)安排共需6個(gè)課內(nèi)學(xué)時(shí)，12個(gè)課外學(xué)時(shí)課前思考水循環(huán)與水資源的聯(lián)系流域、河流、出口斷面、水利工程之間的關(guān)系流域降雨、蒸發(fā)、下滲、徑流之間的物理關(guān)系學(xué)習(xí)重點(diǎn)流域降雨～徑流的產(chǎn)生機(jī)制和水文物理過程難點(diǎn)對于初步接觸水文學(xué)的學(xué)員，本章涉及大量水文詞匯、概念、原理和基本知識(shí)，不易記住和掌握,在授課時(shí)注意用通俗的語言和形象的圖表加以介紹。知識(shí)點(diǎn)自然界水循環(huán)基本概念流域、流域特性河流、河道特性流域水量平衡原理降雨成因、分類、分布與觀測下滲物理過程與下滲曲線定性描述徑流形成的物理過程第一節(jié)水文循環(huán)一、水文循環(huán)海洋是陸地降水的主要水汽來源，從海洋蒸發(fā)的水汽，被氣流輸送到大陸而成降水。其中一部分以地面和地下徑流的形式從河流匯歸海洋；另一部分重新蒸發(fā)返回大氣。這種海陸間的水分交換過程,稱為大循環(huán)或外循環(huán)。海洋上蒸發(fā)的水汽在海洋上空凝結(jié)后，以降水的形式落到海洋里,或陸地上的水經(jīng)蒸發(fā)凝結(jié)又降落到陸地上，這種局部的水文循環(huán)稱為小循環(huán)或內(nèi)循環(huán).因?yàn)閮?nèi)陸地區(qū)距離海洋很遠(yuǎn)，從海洋直接輸送到內(nèi)陸的水氣來源，通過陸地內(nèi)循環(huán)，水汽逐漸向內(nèi)陸輸送，在輸送過程中會(huì)沿途損耗，故內(nèi)陸距海洋越遠(yuǎn),輸送的水汽量越少，降水量越小。研究水文循環(huán)的目的水在自然界循環(huán)的路徑和過程極其復(fù)雜且多變。有的地區(qū)濕潤多雨，水量豐沛，有的地區(qū)則干旱少雨，河湖干涸。同一地區(qū),有時(shí)大雨滂沱，江河橫溢；有時(shí)卻久旱不雨，江河枯竭。研究水文循環(huán)的目的，在于認(rèn)識(shí)它的基本規(guī)律，揭示其內(nèi)在聯(lián)系,這對合理開發(fā)和利用水資源,抗御洪旱災(zāi)害，改造自然，利用自然都有十分重要的意義。二、地球上的水量平衡在自然界的水循環(huán)中，地球上的總水量是不會(huì)產(chǎn)生損耗的，滿足水量平衡原理。特征值海洋陸地降水（km3/a）458000119000蒸發(fā)（km3/a）50500072000總徑流（km3/a）47000第二節(jié)河流和流域一、河流1、河流形成和分段河流流經(jīng)的谷地為河谷，河谷底部有水流的部分稱為河床或河槽?？菟谒魉疾课粸榛竞哟玻蚍Q主槽;洪水泛濫及部位為洪水河床,或稱灘地.面向河流下游,左邊的河岸稱為左岸，右邊和河岸稱為右岸。一條河流沿流方向，自高向低可分為河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的發(fā)源地,多為泉水、溪澗、冰川、湖泊或沼澤等。上游緊接河源，多處于深山峽谷中，坡陡流急，河谷下切強(qiáng)烈，常有急灘和瀑布。中游河段坡度漸緩,河槽變寬，兩岸常有灘地,河床較穩(wěn)定。下游是河流的最下段，一般處于平原區(qū),河槽寬闊，淤積明顯,淺灘和河灣較多。河口是河流的終點(diǎn)，是河流注入海洋或內(nèi)陸湖泊的地段，因流速驟減，泥沙大量淤積，往往形成三角洲。注入海洋的河流，稱為外流河，如長江、黃河等；流入內(nèi)陸湖泊或消失于沙漠中的河流，稱為內(nèi)流河或內(nèi)陸河，如新疆的塔里木河和青海的格爾木河等。2、河流特性河流長度（L）：自河源沿河道至河口的長度，單位km，可在適當(dāng)比例尺的地形圖上量出。河流橫斷面:垂直于水流方向的斷面稱為橫斷面，簡稱斷面。只有主槽而無灘地的斷面稱單式斷面，有主槽又有灘地的斷面稱為復(fù)式斷面。斷面內(nèi)通過水流的部分稱為過水?dāng)嗝妫涿娣e稱為過水?dāng)嗝婷娣e，單位m2.河流縱斷面：河流中沿水流方向各斷面最大水深點(diǎn)的連線稱中泓線，沿中泓線的斷面稱為河流的縱斷面.河流縱斷面能反映河床的沿程變化。河道縱比降(J)：河段兩端的河底高程差⊿h叫做落差。單位河長的落差稱為河道縱比降或比降.當(dāng)河流縱斷面近于直線時(shí),按下式計(jì)算:當(dāng)河段縱斷面呈折線時(shí)，可在縱斷面圖上，通過下游端斷面河底處作一斜線,便此斜線以下的面積ω2原河底線以下的面積ω1相等，此斜線坡度即為河道平均縱比降。計(jì)算公式如下：式中：h0，……，hn——自下游到上游沿程各河底高程，m；

l1……，ln—-相鄰二點(diǎn)間的距離，m；

L—-河段全長，m。第三節(jié)降水一、降水成因水汽壓（e）：指空氣中水汽壓力，以Hpa計(jì)，在一定溫度下，空氣中所含水汽量的最大值，稱為飽和水汽壓E。飽和水汽壓隨氣溫而變，溫度越高，空氣中飽和水汽壓越大，反之則越小.飽和差：在一定溫度下，飽和水汽壓與空氣中的實(shí)際水汽壓之差E-e,稱為飽和差。若實(shí)際水汽壓超過了飽和水汽壓,空氣中多余的水汽就會(huì)發(fā)生凝結(jié).露點(diǎn)(Td)：水汽量不變，在氣壓一定的條件下，氣溫下降，空氣達(dá)到飽和水氣壓時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)高，實(shí)際水汽壓大;露點(diǎn)低，實(shí)際水汽壓小。飽和濕度：在一定溫度下空氣中最大的水汽含量稱為飽和濕度。如果空氣中的水汽量達(dá)到了飽和或過飽和，多余的水汽就可能發(fā)生凝結(jié)。如果地面有團(tuán)濕熱未飽和空氣,在某種外力作用下上升，上升過程中隨氣壓降低，這團(tuán)空氣的體積膨脹，溫度下降，當(dāng)降到其露點(diǎn)溫度時(shí)，就達(dá)到飽和狀態(tài),再上升就會(huì)過飽和而發(fā)生凝結(jié)形成云滴。云滴在空氣上升過程中不斷凝聚,相互碰撞，合并增大.一旦云滴不能被上升氣流所頂托時(shí)，在重力作用下降到地面成為降水.水汽、上升運(yùn)動(dòng)和冷卻凝結(jié)是形成降水的三個(gè)因素。在水汽條件具備時(shí)，水汽冷卻凝結(jié)的條件是空氣垂直上升運(yùn)動(dòng)。二、降水分類降水常按照使空氣抬升而形成動(dòng)力冷卻的原因分為對流性降水、地形性降水、鋒面性降水和氣旋性降水，習(xí)慣上把它們分別稱為對流雨、地形雨、鋒面雨與氣旋雨。對流雨:因地表局部受熱而發(fā)生垂直上升運(yùn)動(dòng)所形成。因上升速度較快,形成的云多為垂直發(fā)展的積狀云，特點(diǎn)是降雨的強(qiáng)度大，雨區(qū)小,歷時(shí)短.地形雨:地形雨是空氣在遷移途中，因所經(jīng)地面的地形天然升高而被抬升時(shí),受動(dòng)力冷卻而成云致雨。地形雨降雨特性，隨空氣自身溫濕特性，運(yùn)行速度以及地形特點(diǎn)而異。鋒面雨:具有均勻的溫濕特性，在氣壓場作用下向同方向移動(dòng)的大氣團(tuán)稱為氣團(tuán)。兩個(gè)溫濕特性不同的氣團(tuán)相遇來不及混合而形成一個(gè)不連續(xù)面,稱為鋒面或鋒區(qū)。鋒面與地面的交線稱為鋒線。冷氣團(tuán)向暖氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬暖氣團(tuán)的地區(qū)，這種鋒稱為冷鋒;暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬冷氣團(tuán)的地區(qū)，這種鋒稱為暖鋒，冷、暖氣團(tuán)勢均力敵，在某一地區(qū)擺動(dòng)或停滯的鋒稱為準(zhǔn)靜止鋒，簡稱靜止鋒。鋒面活動(dòng)產(chǎn)生的降水稱為鋒面雨。其特點(diǎn)是降雨范圍大，歷時(shí)長。三、我國降水時(shí)空分布1、降水量地理分布十分濕潤帶:年降水量超過1600mm，年降水日數(shù)平均在160d以上.其區(qū)域包括廣東、海南、福建、臺(tái)灣、浙江大部、廣西東部、云南西南部、西藏東南部、江西和湖南山區(qū)、四川西部山區(qū)。濕潤帶：年降水量800～1600mm，年降水日數(shù)平均120～160d.其區(qū)域包括秦嶺—淮河以南的長江中下游地區(qū)，云南、貴州、四川和廣西大部分地區(qū)。半濕潤帶：年降水量400～800mm，年降水日數(shù)平均800～100d。其區(qū)域包括華北平原、東北、山西、陜西大部、甘肅、青海東南部、新疆北部、四川西部和西藏東部。半干旱帶：年降水量200～400mm,年降水日數(shù)平均60～80d。包括東北西部、內(nèi)蒙、寧夏、甘肅大部、新疆西部。干旱帶：年降水量少于200mm,年降水日數(shù)低于60d.其區(qū)域包括內(nèi)蒙、寧夏、甘肅、沙漠區(qū)、青海柴達(dá)木盆地、新疆塔里木盆地和噶爾盆地、藏北羌塘地區(qū)。2、降水量年內(nèi)分配我國大部分地區(qū)降水的季節(jié)分配不均勻，主要集中在春夏季。長江以南地區(qū),雨季較長，為3～6月或4~7月，雨量約占全年的50%~60%.東北地區(qū),雨季為6~9月，雨量約占全年的70%~80%,華北地區(qū)雨季最短，大部分集中在7~8兩月.西南地區(qū)降水旱季雨季分明，5~10月為雨季。四川、云南和青藏高原東部，6～9月雨量占全年的70%～80％，冬季則不到5%。新疆西部降水量不大,但四季分配較均勻.臺(tái)灣的東北端，是我國降水量年內(nèi)分配較均勻的地區(qū)，冬季降水量約占全年的30%。3、降水量年際變化年降水量越小的地區(qū)，年際變化越大,以歷年年降水量最大值與最小值之比K來表示年際變化。西北地區(qū)K或可達(dá)8以上；華北為3～6；東北為3～4；南方一般為2～3，個(gè)別地方達(dá)4；西南最小，一般在2以下。4、大暴雨時(shí)空分布4～6月，東亞季風(fēng)初登東亞大陸，大暴雨主要出現(xiàn)在長江以南地區(qū)，是華南前汛期和江南梅雨期暴雨出現(xiàn)的季節(jié)。在此期間出現(xiàn)的大暴雨,其量級有明顯從南向北遞減的趨勢。7～8月，西南和東南季風(fēng)最為強(qiáng)盛，隨西太平洋副高北抬西伸，江南梅雨結(jié)束，大暴雨移到川西、華北一帶。同時(shí),受臺(tái)風(fēng)影響，東南沿海多臺(tái)風(fēng)暴雨.9～11月，北方冷空氣增調(diào)，雨區(qū)南移，但東南沿海，海南、臺(tái)灣一帶受臺(tái)風(fēng)和南下冷空氣的影響而出現(xiàn)大暴雨。四、降水量的觀測實(shí)際降水量可采用器測法、雷達(dá)探測或利用氣象衛(wèi)星云圖估算.器測法用來測量降水量，雷達(dá)探測和衛(wèi)星云圖一般用來預(yù)報(bào)降水量.每日8時(shí)至次8時(shí)降水量為當(dāng)日降水量。1、雨量器雨量器是直接觀測降水量的器具，它由承雨器、漏斗、儲(chǔ)水瓶和雨量杯組成，承雨器口徑為200mm，分辨率為0。1mm.一般采用2段制進(jìn)行觀測，即每日8時(shí)及20時(shí)各觀測一次。雨季增加觀測段次，如4段制或8時(shí)段制，雨大時(shí)加測。2、自記雨量計(jì)(1）稱重式：這種儀器可以連續(xù)記錄接雨杯上的以及儲(chǔ)積在其內(nèi)的降水的重量.這種儀器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠記錄雪、冰雹及雨雪混合降水。（2）虹吸式：記錄紙上記錄下來的曲線是累積曲線,既表示雨量的大小，又表示降雨過程的變化情況，曲線的坡度表示降雨強(qiáng)度。(3）翻斗式:翻斗每承接0。1mm雨水后傾倒一次，同時(shí)向記錄器輸送一個(gè)脈沖信號(hào)。較為適用作遙測雨量計(jì).稱重式、虹吸式和翻斗式雨量計(jì)的記錄系統(tǒng)可以將機(jī)械記錄裝置的運(yùn)動(dòng)變換成電訊號(hào),用導(dǎo)線或無線電將信號(hào)傳到控制中心的接收器，實(shí)現(xiàn)有線遠(yuǎn)傳或無線遙測。第四節(jié)土壤水、下滲和地下水一、包氣帶和飽和帶在地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài),是土壤顆粒和水分組成的二相系統(tǒng)，稱為飽和帶;地下水面以上，土壤含水量未達(dá)飽和，是土壤顆粒、水分和空氣同時(shí)存在的三相系統(tǒng)，稱為包氣帶或通氣層.二、土壤水水文學(xué)中把存于包氣帶中的水稱為土壤水，而將飽和帶中的水稱為地下水，包括潛水和承壓水。1、土壤水存在形式土壤水是指吸附于土壤顆粒和存在于土壤孔隙中的水.吸濕水：土粒表面的分子對水分子的吸引力稱為分子力.由于子力所吸附的水分子稱為吸濕水。吸濕水被緊緊地束縛在土粒表面,不能流動(dòng)也不能被植物利用。薄膜水：由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水膜稱為薄膜水。薄膜水不受重力的影響，但能從水膜厚的土粒（分子引力小)向水膜薄的土粒（分子引力大）緩慢移動(dòng).毛管水:土壤孔隙中由毛管力所持有的水分稱為毛管水。在地下水面以上由毛管力所支持而存在于土壤孔隙中的水分稱支持毛管水；懸吊于孔隙之中而不與地下水面接觸的水分稱為毛管懸著水。重力水：在重力作用下沿土壤孔隙向下流動(dòng)的水為重力水，是地下水的主要補(bǔ)充源.三、下滲下滲是水從土壤表面進(jìn)入土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。影響一次降水下滲過程的主要因素有降雨強(qiáng)度及歷時(shí)、土壤含水量、土壤構(gòu)成情況等。此外,地表坡度與糙率、植被及土地利用狀況對下滲亦有影響.下滲過程可用各時(shí)段下滲量F（mm）和各時(shí)刻下滲率f（mm。/h)表示.對于充分干燥的土壤，在充分供水條件下，下滲分為三個(gè)階段：滲潤階段：下滲水分受分子力作用，被干燥土壤顆粒吸附形成薄膜水，直至土壤含水量達(dá)最大分子持水量。滲漏階段：水分在毛管力的作用下向下層透水的同時(shí),土壤空隙中的自由水在重力作用下沿空隙向下流動(dòng)，直至土壤飽和。滲透階段：水分在重力作用下呈穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的下滲率稱穩(wěn)定下滲率.下滲率的變化規(guī)律，可用下滲公式或下滲曲線表達(dá)。例如霍頓下滲公式：f（t)=（f0－fC)e－βt+fc式中，f（t）-t時(shí)刻下滲率；f0—初始下滲率；fc—穩(wěn)定下滲率；β—遞減指數(shù)。上式中f0、fc及β都是反映土壤特性的，只是求出這些參數(shù)，公式就確定了。霍頓下滲公式屬于經(jīng)驗(yàn)公式，其參數(shù)只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料來推求。上述下滲曲線是充分干燥的土壤充分供水條件下得出的地面一點(diǎn)上的下滲過程線。在天然降雨條件下，有些時(shí)段(尤其是降雨初期）雨強(qiáng)一般小于下滲能力，此時(shí)實(shí)際下滲往往等于降雨強(qiáng)度，且雨前土壤一般并不是充分干燥的。另外，在實(shí)際水文分析工作中，即使分析的對象是一個(gè)較小的流域，流域各處的降雨強(qiáng)度和下滲能力也是不同的，在計(jì)算下滲過程時(shí)必須引起注意。圖2－27下滲曲線四、地下水1．包氣帶水包氣帶水指埋藏于地表以下、地下水面以上的包氣帶中,包括吸濕水、薄膜水、毛管水、重力水等。2．潛水埋藏于飽和帶中，處于地表以下第一個(gè)不透水層上，具有自由水面的地下水稱為潛水，也稱為淺層地下水.潛水的埋藏深度及貯量取決于流域的地質(zhì)、地貌、土壤、氣候等條件，一般山區(qū)潛水埋藏較深,平原區(qū)較淺，有的甚至幾米深。潛水的主要來源是降水和地表水，當(dāng)大河下游水位高于潛水時(shí)，河水可以成為潛水的補(bǔ)給源。潛水可以通過重力作用流入河道或流出地面。潛水與地表水相互之間的相互補(bǔ)給關(guān)系稱為它們的水力聯(lián)系。3、承壓水埋藏在飽和帶中，處于兩個(gè)不透水層之間，具有壓力水頭的地下水稱為承壓水，也稱深層地下水。承壓水的貯量主要與承壓區(qū)分布的范圍、含水層的厚度和透水性、貯水區(qū)構(gòu)造、補(bǔ)給區(qū)大小及補(bǔ)給量的多少有關(guān)。承壓水一般不直接受氣象、水文條件的影響，隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化較為穩(wěn)定。承壓水水質(zhì)不易受到污染,水量較為穩(wěn)定,是河川枯水徑流的主要補(bǔ)給源。第五節(jié)蒸散發(fā)一、蒸散發(fā)水由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化氣態(tài)的過程稱為蒸發(fā)，被植物根系吸收的水分，經(jīng)由植物的莖葉散逸到大氣中的過程稱為散發(fā)或蒸騰。蒸發(fā)面為水面時(shí)稱為水面蒸發(fā);蒸發(fā)面為土壤表面時(shí)稱為土壤蒸發(fā)；蒸發(fā)面是植物莖葉則稱為植物散發(fā)。植物散發(fā)與土壤蒸發(fā)是同時(shí)存在的,二者合稱為陸面蒸發(fā).流域面上的蒸發(fā)稱為流域總蒸發(fā)，是流域內(nèi)各類蒸發(fā)的總和。在充分供水條件下，某一蒸發(fā)面的蒸發(fā)量，稱為蒸發(fā)能力。一般情況下，蒸發(fā)面上的蒸發(fā)量小于或等于蒸發(fā)能力。二、我國蒸發(fā)量的時(shí)空分布我國年總蒸發(fā)量為364mm，總的趨勢由東南向西北遞減。除氣象因素外，蒸發(fā)量受地形、地質(zhì)、土壤、植被、土壤含水量等因素的影響而出現(xiàn)差異.多年平均降水量相近的地區(qū)，多年平均蒸發(fā)量可能不同。山區(qū)氣溫低，坡度大，降雨產(chǎn)生流流不易停留，蒸發(fā)量??；平原地區(qū)則相反。因此，蒸發(fā)量具有隨高程的增加而減少的趨勢,達(dá)到某高程后，遞減率趨于穩(wěn)定.年總蒸發(fā)量的年內(nèi)變化與氣象要素及太陽輻射的年內(nèi)變化趨勢一致。全年最小蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在12月及1月，以后隨太陽輻射量的增加而增加,夏季明顯增強(qiáng)。三、蒸發(fā)量的觀測水面蒸發(fā)量可用蒸發(fā)器進(jìn)行觀測。常用的蒸發(fā)器有20cm蒸發(fā)器，80cm套盆蒸發(fā)器，埋在地下的帶套盆的E601蒸發(fā)器。蒸發(fā)器觀測到的蒸發(fā)量乘一折算系數(shù),才能作為天然水體蒸發(fā)量的估計(jì)值。折算系數(shù)隨蒸發(fā)器的類型而異，且與月份及所在地區(qū)有關(guān)。流域的土壤蒸發(fā)量確定有器測法和間接計(jì)算法。器測法適宜于單點(diǎn)觀測。流域土壤蒸發(fā)量多采用公式估算。第六節(jié)徑流一、徑流形成過程徑流是指降雨所形成并沿地面或地下向水體流動(dòng)的水流。降雨開始時(shí)，一部分滯留在植物枝葉上,稱為植物截留。降落到地面上的水量一般是向土中入滲,除補(bǔ)充土壤含水量外，逐步向下層滲透，如能達(dá)到地下水面，則成為地下徑流.當(dāng)降雨強(qiáng)度超過了土壤下滲能力時(shí)產(chǎn)生超滲雨，并沿坡面向低處流動(dòng)，稱為坡面漫流或坡面匯流。當(dāng)坡面上有洼坑時(shí)，超滲雨要把流動(dòng)途徑上的洼坑填滿以后，才能往更低處流去，這些洼坑積蓄的水量稱填洼量?？鄢参锝亓?、下滲、填洼后的降雨量進(jìn)入溪溝，最后成為流域出口徑流。這部分徑流稱為地面徑流。表層土壤的含水量首先達(dá)到飽和后，繼續(xù)下滲的雨量沿飽和層的坡度在土壤孔隙間流動(dòng),注入河槽形成徑流，稱為表層流或壤中流。進(jìn)入河網(wǎng)的水流，從上游向下游，從支流向干流匯集,先后流經(jīng)流域出口斷面,這個(gè)過程稱為河網(wǎng)匯流。在徑流形成過程中,從降雨扣除各項(xiàng)損失稱為產(chǎn)流階段,把坡面匯流及河網(wǎng)匯流稱為匯流階段。事實(shí)上,在流域各處產(chǎn)生的徑流，在向出口斷面匯集的過程中，降雨、下滲、蒸發(fā)等現(xiàn)象的全部或一部分，是在不同程度上同時(shí)發(fā)生的。將徑流形成過程劃分為產(chǎn)流階段和匯流階段只是為了簡化分析計(jì)算工作,并不意味流域上一次降水所引起的徑流形成過程，可以截然劃分前后相繼的兩個(gè)不同階段。一次降士過程，經(jīng)植物拱留、填洼、入滲和蒸發(fā)