水分循环及径流形成

水分循环及径流形成第1页，共55页，2023年，2月20日，星期六绪论内容提问1、水文现象有哪三种基本特点？答：确定性（必然性）、随机性（偶然性）、地区性。2、根据水文现象的基本特点，水文学的研究方法分为那三类？答：成因分析法、数理统计法、地区综合法第2页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成第一节水分循环第二节河流与流域第三节降水第四节蒸发下渗第五节径流第六节流域水量平衡第3页，共55页，2023年，2月20日，星期六教学内容：一、自然界水文循环。二、流域与河系。三、降水、蒸发与入渗。四、河川径流的形成与水量平衡。教学要求：从水循环的角度出发，了解降水、蒸发、入渗及自然地理因素对河川径流的影响。初步建立水量平衡观念，掌握流域主要特征值的概念和计算，掌握径流常用单位。第一章水分循环及径流形成第4页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第一节水分循环第5页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一节水分循环教学内容：一、水循环的概念二、水循环的原因三、水循环的基本类型教学要求：掌握水循环的概念、形成的内因和外因以及水循环的基本类型。第6页，共55页，2023年，2月20日，星期六一、水循环的概念

地球表面的各种水体，在太阳的辐射作用下、从海洋和陆地表面蒸发上到空中、并随空气流动。在一定条件下，冷却凝结形成降水又回到地面，降水的一部分经地面、地下形成径流并通过河流回海洋；一部分又重新蒸发到空中，继续上述过程。这种水分不断交替转移的现象称为水分循环，也叫水文循环，简称水循环。动画演示：水循环

第一节水分循环第7页，共55页，2023年，2月20日，星期六二、水循环的原因

[1]内因：水的物理性质，即“三态”转化；

[2]外因：太阳辐射和地球引力作用。三、水循环的基本类型

通常按水循环的不同途径与规模，将全球的水循环区分为大循环与小循环。

[1]大循环：大循环是指海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故名大循环，又称外循环。

[2]小循环：小循环是指海洋或陆地上的局部水分交换过程。第一节水分循环第8页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第二节河流与流域第9页，共55页，2023年，2月20日，星期六上节内容提问1、什么叫水文循环？答：水分不断交替转移的现象称为水文循环。2、影响水文循环的内因和外因分别是什么？答：内因：水的物理性质，即“三态”转化；

外因：太阳辐射和地球引力作用。3、什么叫大循环、小循环？答：大循环是指海洋与陆地之间的水分交换过程；小循环是指海洋或陆地上的局部水分交换过程。第10页，共55页，2023年，2月20日，星期六第二节河流与流域教学内容：一、河流及其特征二、流域及其特征教学要求：掌握有关河流和流域的概念及其特征。第11页，共55页，2023年，2月20日，星期六一、河流及其特征(一)河流

河流：自然界中脉络相通的排泄降水径流的天然输水通道,其中分为各级支流及干流。

河流分段：河源、上游、中游、下游、河口

根据干支流的分布的几何形态，河系可分为：

[1]、扇形水系：河流的干支流分布形状似扇形，如海河；

[2]、羽形水系：河流的干支流由上而下沿途左右汇入多条支流，好比羽毛形状。如红水河；

[3]、平形水系：河流的干流在某一河岸平行接纳几条支流。如淮河；

[4]、混合水系：一般大江大河多为以上二至三种水系组成混合排列。

第二节河流与流域第12页，共55页，2023年，2月20日，星期六(二)河流的特征1.河流的纵横断面河流横断面：分单式断面和复式断面2.河流长度河长：一条河流，自河口到河源沿中泓线量计的平面曲线长度。3．河道纵比降河流纵断面示意图河流各个横断面最深点的连线第二节河流与流域第13页，共55页，2023年，2月20日，星期六河道纵比降：单位河长的河床落差。比降可按下式计算：式中J——河段的总比降；Z上、Z下——河段上、下断面河底高程；

——河段的长度。河段两端的河底高程之差（1-1）河道的平均纵比降可按下式计算：式中——河段自下而上沿程各转折点的河底高程，——相邻两转折点之间的距离，L——河段总长度。第14页，共55页，2023年，2月20日，星期六二、流域及其特征(一)流域、分水线流域：河流某一断面以上的集水区域称为河流在该断面的流域。闭合流域：地面分水线与地下分水线完全重合的流域。一般大中流域均可看成闭和流域。非闭合流域：地面、地下分水线不重合的流域。如岩溶地区的河流和一些很小的流域。分水线：相邻两流域的界限线称为分水线。点击查看流域图、分水线及流域面积示意图(二)流域特征第二节河流与流域第15页，共55页，2023年，2月20日，星期六1.流域几何特征1）流域面积流域面积是指河流某一断面以上,由地面分水线所包围的不规则图形的面积。2)流域长度流域长度是指流域几何中心铀的长度。3)流域平均宽度流域平均宽度B指流域面积F与流域长度Lf的比值：4）流域形状系数

流域形状系数为流域的平均宽度B与长度Lf

的比值，以Kf

表示第二节河流与流域第16页，共55页，2023年，2月20日，星期六2、流域的自然地理特征(1)地理位置

主要指流域所处的经纬度以及距离海洋的远近。一般是低纬度和近海地区雨水多，高纬度地区和内陆地区降水少。(2)气候

流域的气候条件包括降水、蒸发、温度、湿度和风等。其中降水与蒸发对径流影响最大。(3)地形

流域地形可分高山、丘陵、高原、盆地、平原等。第二节河流与流域第17页，共55页，2023年，2月20日，星期六(4)地质与土壤特性

流域的地质构造（如地层的褶皱、断层等），岩石和土壤的类型以及水理性（如透水性和给水性）、对下渗水量及河流的泥沙都有影响。(5)植被覆盖

流域的植被增加了地面糙率，加大了下渗水量，延长了地面径流的汇流时间，减缓了洪水。另外能减少水土流失，改善生态环境。植被的覆盖程度一般用植被面积占流域面积的百分比，即植被率表示。(6)湖泊、沼泽、塘库

流域内的大面积水体对径流起调节作用，湖泊（或沼泽）率是指湖泊（或沼泽）面积占流域面积的百分比表示。

第二节河流与流域第18页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第三节降水第19页，共55页，2023年，2月20日，星期六上节内容提问1、什么叫河长？答：一条河流，自河口到河源沿中泓线量计的平面曲线长度。2、什么叫闭合流域？答：地面分水线与地下分水线完全重合的流域。3、什么叫河道纵比降？答：单位河长的河床落差。4、气候条件中哪两个对径流作用最大？答：降水和蒸发。第20页，共55页，2023年，2月20日，星期六第三节降水教学内容：一、降雨的成因与分类二、点降雨特性及其分析方法三、面雨量概念与计算方法教学要求：了解降雨的成因及分类，有关降雨的概念和分析方法；掌握面雨量的计算方法，并重点掌握泰森多边形法。第21页，共55页，2023年，2月20日，星期六降水：空气中的水汽以液态或固态形式从大气到达地面的各种水分的总称。气团：水平方向物理性质比较均匀的大块空气。一、降雨的成因与分类

暖湿空气→抬升冷却→凝结为大量的云滴→降落成雨两个基本条件

:空气中要有一定量的水汽;空气要有动力上升冷却。分类：※按空气上升冷却的原因，降雨可分为以下四种类型：一、锋面雨

二、地形雨

三、对流雨

四、台风雨第三节降水第22页，共55页，2023年，2月20日，星期六

（一）锋面雨（1）冷锋雨特点：降雨面积小、强度大、历时短。动画演示：冷锋雨的形成（2）暖锋雨特点：降雨面积大、强度小、历时长。动画演示：暖锋雨的形成(二)地形雨动画演示：地形雨的形成第三节降水第23页，共55页，2023年，2月20日，星期六（三）对流雨夏季地面受热，温度升高，近地面气层的空气受热膨胀上升，上层冷空气在周围下沉予以补充，引起上、下对流。上升的湿热气流冷却而凝结致雨，称为对流雨。对流雨一般强度大、范围小、历时短，并常伴有雷电，又称雷阵雨。（四）台风雨台风雨是由热带海洋上的风暴带到大陆上来的狂风暴雨。在赤道附近洋面上某些地方，由于温度高、湿度大，常形成剧烈的空气旋涡并向副热带或温带移动，它所经之处，多大风暴雨，这是一种灾害性天气。我国七、八、九月份，台风活动非常频繁。第三节降水第24页，共55页，2023年，2月20日，星期六※我国气象部门按1h或24h的降雨量将降雨分为小雨、中雨、大雨和暴雨4级。小雨：1h的雨量≤2.5mm或24h的雨量<10mm中雨：1h的雨量为2.6~8.0mm或24h的雨量为10.0~24.9mm。大雨：1h的雨量8.1~15.9mm或24h的雨量为25.0~49.9mm。暴雨：1h的雨量≥16mm或24h的雨量≥50mm。第三节降水第25页，共55页，2023年，2月20日，星期六二、点降雨特性及其分析方法点降雨量:一个雨量观测站承雨器(口径为20cm)所在地点的降雨。(一)点降雨特性1.降雨量降雨量是指一定时段内降落在单位水平面积上的雨水深度，单位用mm表示。2.降雨历时降雨历时是指—场降雨从开始到结束所经历的叫间，常以小时为单位。3．降雨强度是指单位时间内的降水量，单位用mm／min或mm／h表示。4.降雨面积是指降雨所笼罩的水平面积，单位用以km2表示。5.降雨中心

是指一次笼罩面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地点。第三节降水第26页，共55页，2023年，2月20日，星期六(二)降雨资料的图示法

1.时段降雨量过程线2.降雨量累积曲线动画演示:降雨量线的绘制3.等雨量线图三、面雨量概念与计算方法（一）面雨量概念面雨量：一定区域面积上的平均雨量。第三节降水第27页，共55页，2023年，2月20日，星期六(二)流域面平均雨量的计算方法1.算术平均法

当流域内地形变化不大,雨量站数目较多、分布较均匀时式中HF——流域平均降雨量，mm;Hi——流域内各雨量站雨量（i=1,2,…，n),mm;n——雨量站数目。2.泰森多边形法（垂直平分线法）

当流域地形起伏大，雨量站分布不均匀时多用此法。先在流域平面图上将就近的各相邻雨量站用直线连接，构成若干个三角形。然后作三角形各边的垂直平分线。这些垂直平分线将流域划分成若干个部分面积，每块面积内正好有一个雨量站。

动画演示:泰森多边形法

（1-8）第三节降水第28页，共55页，2023年，2月20日，星期六3.等雨量线法

如果降雨在地区上或流域上分布很不均匀，地形起伏大，则宜用等雨量线法计算面雨量。动画演示:等雨量线法4.降雨点面关系法当流域内雨量站少，或各雨量站观测不同步时，可用降雨的点面关系来计算面雨量。其计算公式为式中——点雨量与面雨量比值，也称点面雨量折算系数；

H0——点雨量，mm。（1-11）第三节降水第29页，共55页，2023年，2月20日，星期六总结流域面雨量四种计算方法的特点：★算术平均法简单，但要求条件较高，只适用流域内地形变化不大，且雨量站数目较多、分布均匀情况。★泰森多边形法适用性较强，且有一定的精度，所以在水文上应用广泛，但在降雨分布发生变化时，计算结果不一定符合实际。★等雨量线法要根据等雨量线图来计算，计算精度最高，但要求有足够的雨量站，且每次计算都要绘制等雨量线及计算工作量大，实际当中应用有限。★降雨点面关系法计算更简单，但需要知道点面关系图，在流域雨量资料较差或缺乏时应用较多。第三节降水第30页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第四节蒸发与下渗第31页，共55页，2023年，2月20日，星期六上节内容提问1、降雨的两个基本条件是什么？答：空气中要有一定量的水汽;空气要有动力上升冷却。2、冷锋雨和暖锋雨各自的特点是什么？答：冷锋雨的特点是降雨面积小、强度大、历时短；暖锋雨的特点是降雨面积大、强度小、历时长。

3、什么叫点雨量、面雨量和降雨强度？答：点降雨量:一个雨量观测站承雨器(口径为20cm)所在地点的降雨。面雨量：一定区域面积上的平均雨量。降雨强度：是指单位时间内的降水量4、请比较流域面雨量四种计算方法的特点。答案。第32页，共55页，2023年，2月20日，星期六第四节蒸发与下渗教学内容：一、蒸发二、下渗教学要求：了解蒸发的影响因素和下渗的物理过程；掌握有关蒸发的概念和分类；下渗的相关概念。第33页，共55页，2023年，2月20日，星期六一、蒸发蒸发是指水由液态或固态转化为气态的物理变化过程，是水分循环的重要环节之一，也是水量平衡的基本要素和降雨径流的一种损失。(一)水面蒸发水面蒸发主要受气温、湿度、水面面积、风速等的影响而变化。水面蒸发是湖、库、江、海、河流的主要损失，(二)土壤蒸发除影响水面蒸发的因素外，土壤蒸发还受土壤层含水量、地下水埋深、土壤结构、土壤色泽、地势、植被和降水方式等多种因素的影响。(三)植物散发影响植物散发的因素，除气温、湿度、土壤温度外，还有日光、植物的性质等。(四)流域蒸发水面蒸发流域蒸发土壤蒸发植物散发第四节蒸发与下渗第34页，共55页，2023年，2月20日，星期六二、下

渗下渗：水分从土壤表面向土壤内部渗入的物理过程，以垂向运动为主要特征。（一）下渗的物理过程第一阶段：渗润阶段第二阶段：渗漏阶段第三阶段：渗透阶段（二）下渗的变化规律—下渗能力（容量）曲线下渗率（下渗强度）：单位面积上、单位时间内渗入土壤中的水量，常用mm/min或mm/h计。下渗能力（容量）：充分供水条件下的下渗率。下渗能力（容量）曲线：下渗能力（容量）随时间变化的过程线。

第四节蒸发与下渗第35页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第五节径流第36页，共55页，2023年，2月20日，星期六上节内容提问1、流域蒸发可分为哪三类？答：流域蒸发可分为水面蒸发、土壤蒸发和植物散发。2、什么叫下渗强度？答：单位面积上、单位时间内渗入土壤中的水量。3、什么叫下渗能力？答：充分供水条件下的下渗率。第37页，共55页，2023年，2月20日，星期六第五节径流教学内容：一、河川径流的补给源二、降雨径流的形成过程三、径流的表示方法及单位四、次雨洪径流过程及其特征教学要求：了解河川径流的补给源；掌握降雨径流的形成过程及次雨洪径流过程的特征；重点掌握径流的表示方法间的单位互换。第38页，共55页，2023年，2月20日，星期六一、河川径流的补给源补给来源有雨水、冰雪融水、地下水和人工补给等。二、降雨径流的形成过程降雨径流是指雨水降落到流域表面上，经过流域的蓄渗等过程分别从地表面和地下汇集到河网，最终流出流域出口的水流。动画演示:河川径流的形成过程第五节径流第39页，共55页，2023年，2月20日，星期六（一）产流过程(扣损过程)净雨过程：降雨过程减去损失过程，即得净雨过程。损失：植物截留、填洼

、雨期蒸发、补充土壤缺水量的下渗等。

地面径流壤中流次径流（产流量）浅层地下径流深层地下径流（基流）河川径流第五节径流超渗产流蓄满产流产流方式第40页，共55页，2023年，2月20日，星期六（二）汇流过程第五节径流流域汇流坡面汇流河网汇流地面径流（快）壤中流地下径流（慢）支流干流第41页，共55页，2023年，2月20日，星期六径流的影响因素：气候因素：降雨蒸发下垫面因素：流域的位置和地形河道特性流域面积的大小和形状土壤岩石和地质构造植被湖泊和沼泽人类活动因素第五节径流第42页，共55页，2023年，2月20日，星期六三、径流的表示方法及单位（1）流量Q

流量是指单位时间内通过某一断面的水量，单位为m3/s。有瞬时、日平均、月平均、年平均及多年平均流量之分。流量随时间的变化过程：流量过程线

（2）径流量W

径流量指一定时段内通过河流某一断面的水量，单位有m3、万m3、亿m3、（m3/s）•h、（m3/s）•d、（m3/s）•月。径流量与平均流量的关系为(1-13)式中Q——时段平均流量，m3/s;T——计算时段，s。

第五节径流第43页，共55页，2023年，2月20日，星期六（3）径流深Y

径流深指将一定时段的径流总量平均铺在流域面积上所得到的水层深度，单位为mm。计算式如下

(1-14)式中W——计算时段的径流量,m3;

F——流域某断面以上的流域集水面积，km2。第五节径流第44页，共55页，2023年，2月20日，星期六（4）径流模数M

单位流域面积上所产生的流量，常用单位为L/（s•km2）或m3/(s•km2)

，其计算公式为

（5）径流系数α

流域某时段内径流深与形成这一径流深的流域平均降水量的比值，即：

(1-15)（1-16）第五节径流第45页，共55页，2023年，2月20日，星期六【例1-1】已知某小流域集水面积Ｆ＝130km2,多年平均降雨量ＨF0=915mm,多年平均径流深Y0=745mm。求该流域多年平均径流量W0、多年平均流量Ｑ0、多年平均径流模数M0以及多年平均径流系数。解：直接代入公式计算：第46页，共55页，2023年，2月20日，星期六四、次雨洪径流过程及其特征洪水流量过程线降雨特性流域下垫面洪水流量过程线三要素：洪峰流量Qm洪水总量W洪水总历时T洪水流量过程线形状：单峰洪水复式峰洪水第五节径流第47页，共55页，2023年，2月20日，星期六第一章水分循环及径流形成

第六节流域水量平衡第48页，共55页，2023年，2月20日，星期六上节内容提问1、降雨径流的形成过程可概括为哪两个过程？答：产流过程和汇流过程。2、由一次降雨形成的河川径流产流量包括哪三部分？答：地面径流、壤中流和浅层地下径流。3、降雨径流的损失主要包括哪些？答：植物截留、填洼

、雨期蒸发、补充土壤缺水量的下渗等。4、流域的产流有哪两种基本方式？流域的汇流可分为哪两个过程？答：流域的产流方式有超渗产流和蓄满产流；流域的汇流可分为坡面汇流和河网汇流。第49页，共55页，2023年，2月20日，星期六5、径流深的概念？答：径流深指将一定时段的径流总量平均铺在流域面积上所得到的水层深度。6、径流模数的概念？答：单位流域面积上所产生的流量。7、径流系数的概念？径流系数与1的关系？答：径流系数是指流域某时段内径流深与形成这一径流深的流域平均降水量的比值，径流系数始终小于1。8、洪水流量过程线有哪三要素？答：洪峰流量、洪水总量和洪水总历时。上节内容提问第50页，共55页，2023年，2月20日，星期六第六节流域水量平衡教学内容：一、水量平衡原理二、流域水量平衡教学要求：了解水量平衡原理；掌握流域水量平衡方程；重点掌握闭和流域多年平均水量平衡方程，并学会应用。第51页，共55页，2023年，2月20日，星期六一、水量平衡原理一般的水量平衡方程

I–O=W2-W1=△W（1-17）二、流域水量平衡闭和流域的水量平衡方程

H-(E+Y)=△W(1-25)多年平均情况下，，闭和流域的水量平衡方程

H0=E0+Y0

(1-26)第六节流域水量平衡第52页，共55页，2023年，2月20日，星期六补充例题：某流域多年平均流量Q0=15m3/s，流域面积F=1000km2，流域多年平均年降雨量H0=815mm，试计算该流域多年平均年径流量W