水文循环与径流形成.ppt

工程水文学,武汉大学水利水电学院,第二章 水文循环与径流形成,第一节 水文循环与水量平衡 一、自然界的水文循环 地球上以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中的水体构成了地球上的水圈。 水圈中的各种水体通过不断蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程，称为水文循环。 水文循环的范围贯穿整个水圈，向上延伸到10km左右，下至地表以下平均1km深处。,大循环：海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。 小循环：海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，又称为内循环。前者称为海洋小循环，后者称为陆地小循环。 水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。正是由于自然界的水文循环，才形成永无终止千变万化的水文现象。 水文循环也是水资源具有再生性的原因。,二、地球上的水量平衡 水量平衡原理：在水文循环过程中，对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。 水量平衡方程：,I、O给定时段内输入、输出该地区的总水量 S时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。,若以地球的整个大陆作为研究范围，其水量平衡方程为：,若以海洋为研究对象，其水量平衡方程为：,Sc大陆在研究时段内蓄水量的变化量 So海洋在研究时段内蓄水量的变化量,对多年平均情况， Sc 、So 趋于零。所以：,合并得：,或,全球多年平均降水量等于多年平均蒸发量，为1130mm,第二节 河流与流域 一、河流 （一）河流的形成与分段 地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。 河谷、河槽或河床。 上游、下游、左岸、右岸。 分段：沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。 外流河、内流河或内陆河。,（二）河流的基本特征 1. 河流的长度 自河源沿主河道至河口的距离称为河长（km）。 2. 河流的断面： 横断面 中泓线 纵断面,3. 河道纵比降： 任意河段两端（水面或水底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。 水面比降、河底比降,二、水系及河流地貌定律 斯特拉勒河流分级法： 河流地貌定律： 河数律 河长律 面积律 河流比降律,流域 （一）流域 汇集地面水和地下水的区域 即分水线所包围的区域,（二）流域基本特征 流域面积（F，km2） 河网密度（L/F，km/km2） 流域长度（L）和平均宽度（M） 流域形状系数（M/L） （扇状流域、羽状流域） 流域平均高度和平均坡度 流域自然地理特征 （位置、气候、下垫面）,第三节 降水,形式： 雨、雪、霰、雹、露、霜等 特征要素： 降水量（mm) 降水历时(min，h，d) 降水强度(mm/h，mm/d) 降水面积(km2) 暴雨中心,与降水有关的气象因素 降水发生在大气中的对流层，对流层是地球大气中最底的一层。 对流层的特点： 1. 气温随高度的增加而降低 2. 具有强烈的上升和下降的气流 3. 受地表差异影响，对流层温度、湿度水平分布 不均匀。 对流层又可分三部分：下层（地面-1.5km） 中层（1.5km-6km） 上层（6km-对流层顶部）,对流层中与降水有关的主要气象因素有： 气温、气压、风、湿度、云、蒸发 降水的形成与分类 （一）降水的形成 水汽、上升运动和冷却凝结三因素 （二）降水的分类 1. 对流雨 降雨强度大，历时短、雨区较小,地形雨,锋面雨,气旋雨 （1）温带气旋雨,（2）热带气旋雨,影响我国降水（暴雨）的主要天气系统 高空槽 锋面气旋 低涡 切变线 静止锋 锋区与降雨 副热带高压 热带风暴（台风）,四、降水量观测 （一）器测法 1. 雨量器 分辨率0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次。 每日8时至次日8时降水量为当日降水量。,2. 自计式 （1）虹吸式 分辨率：0.1mm 降雨强度适用 范围： 0.014.0mm/min,（2）翻斗式 分辨率：0.1mm 降雨强度适用 范围： 4.0mm/min以内 （3）称重式 记录降水时全部降水的重量。优点在于能够记录雪、冰雹及雨雪混合降水。,（二）雷达探测 气象雷达是利用云、雨、雪等对无线电波的反射现象来发现目标的。 有效范围：40200km。 （三）气象卫星云图 极轨卫星 地球静止卫星：可见光云图 红外云图,第四节 土壤水、下渗与地下水,陆地上的三种水体： 地表水、土壤水、地下水,一、包气带和饱和带 包气带：土壤颗粒、水分、空气三相系统 饱和带：土壤颗粒、水分二相系统,二、土壤水 包气带中的水称为土壤水。水分变化剧烈，是水分通道，联系降雨、下渗、蒸发与径流的纽带。 （一）土壤水分存在形式： 1. 吸湿水 2. 薄膜水 3. 毛管水 （1）支持毛管水（毛管上升水） （2）毛管悬着水 4.重力水,（二）土壤含水量和水分常数 1. 土壤含水量（率） 一定量的土壤中所含水分的数量（mm）。 土壤重量含水率、土壤容积含水率 2. 土壤水分常数 （1）最大吸湿量 （2）最大分子持水量 （3）凋萎含水量（凋萎系数） （4）毛管断裂含水量 （5）田间持水量 （6）饱和含水量,（三）土壤水分分布特征,三、下渗 （一）下渗的物理过程 1. 渗湿阶段 分子力作用，土壤颗粒吸收成薄膜水。 2. 渗漏阶段 毛管力、重力作用，水分向下运动，水分逐渐饱和。 3. 渗透阶段 重力作用，水分饱和。,饱和水流,非饱和水流,（二）下渗率和下渗能力 单位时间内渗入单位面积土壤中的水量 记为：f （mm/min，mm/h） 霍顿下渗公式： f0：起始下渗率 fc：稳定下渗率 ：系数,（三）自然条件下的下渗过程 1. 下渗与雨强的关系 （1）i1fp （2）i2fc （3）fci3fp,2. 下渗的空间分布 （1）流域中土壤性质的空间分布不同 （2）流域内土壤含水量空间分布不同 （3）降雨在时间空间上分布不均匀 （4）流域内各处地下水位高低不一,（四）下渗实验与分析 1. 直接测定法 （1）注水法：同心环下渗仪 （2）人工降雨法 2. 水文分析法：流域水量平衡方程分析,四、地下水 （一）类型：包气带水、潜水、承压水 （二）地下水特征：,第五节 蒸散发,蒸散发是水文循环的重要环节。 对径流形成来说，蒸散发则是一种损失。 蒸发：水由液态或固态转化为气态的过程； 散发或蒸腾：被植物根系吸收的水分，经由植物的茎叶散逸到大气的过程。 水面蒸发 土壤蒸发 陆面蒸发 植物散发,流域总蒸发或流域蒸散发,蒸发率：单位时间内的蒸发量 充分供水、不充分供水两种情况 可能最大蒸发率或蒸发能力（EM)： 在充分供水的条件下，某一蒸发面的蒸发量，即同一气象条件下可能达到的最大蒸发率。,水面蒸发的观测 1. 器测法： 水文部门普遍采用 E601蒸发器。 每日8时观测一次， 得日蒸发量； 月蒸发量 年蒸发量 折算系数：K=E池/E器,2. 间接计算法 利用气象水文观测资料间接推算蒸发量： 水汽输送法、热量平衡法、彭曼法、水量平衡法、经验公式法等。 彭曼水面蒸发公式：,土壤蒸发 （一）土壤蒸发过程 三个阶段： 第一阶段：土壤充分湿润， 供水充足E接近最大蒸发能力EM； 第二阶段：土壤水分减少，WW田，供水条件变差，E逐渐减小； E=W/W田EM 第三阶段：WW断，水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,（二）土壤蒸发观测 1. 器测法； 500型 2. 间接计算法,流域总蒸发 包括水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发及植物散发。 确定方法： 1. 单项计算，加权求和，例如面积加权 E=F水/F总E水+F土/F总E土 2.水量平衡法或蒸发模式计算法.,模式计算法 1. 一层模式 E=W/W田EM 2. 二层模式 上层：E上=EM 下层： E下=W下/W田EM剩 3. 三层模式 上层：E上=EM 下层： E下=W下/W田EM剩 深层：量小且稳定，（1/51/10）EM 0.3-1.0mm/d,第六节 径流,降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。 地面径流或地表径流 地下径流 河川径流 融雪径流 降雨径流,一、径流的形成过程 流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。 1. 产流过程 ：降雨扣除损失成为净雨的过程 降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等的。 但二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。 地面净雨地面径流 表层流净雨表层流或壤中流 地下净雨地下径流,地面径流,总径流过程,2.汇流过程：净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，再沿河网汇集到流域出口断面的过程 坡地汇流： 坡面漫流，流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源； 表层流径流，由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长的暴雨，也是构成河流流量的主要来源。 坡地地下汇流，地下水补给河流，构成河流的基流。 河网汇流： 从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面 河槽调蓄作用 降雨损失，进入河网的水量小于降雨量； 汇流工程，径流过程比降雨过程变化缓慢。,二、径流的表示方法和度量单位 河川径流在一年内和多年期间的变化特性，称为径流情势。 年内变化或年内分配，年际变化 1. 流量（ Q） ：m3/s，洪峰流量Qm，日平均流量. 2. 径流量（W）： 时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m3 3. 径流深（R）： 将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，mm 4.径流模数（M）： 流域出口断面流量与流域面积之比值，L/(skm2) 洪峰流量模数，多年平均流量模数 5. 径流