第二章--水循环及径流形成PPT课件

1、第二章水循环及径流形成,2.1水循环及水量平衡(Thehydrologiccycleandwaterbalance)2.2河流和流域(RiverandBasin)2.3降水(Precipitation)2.4蒸发(Evaporation)2.5下渗(Infiltration)2.6径流(Runoff),一水循环1定义：地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升，冷却、凝结，并在适当条件下，再降落到地面，这种不断循环的过程，称为水循环。如下图。,2.1水循环及水量平衡,图2-1,2分类(1)大循环：海洋与陆地之间的水分交换。(2)小循环：海洋与大气之间、陆地与大气之间水分交换。3水循环内外因(1)外

2、因：太阳辐射、地心引力(2)内因：水的气、液、固三态之间的转化4水循环要素降水(P)、蒸发(E)、径流(R),二水量平衡1.概念任一区域给定时段内，输入水量与输出水量之差等于该区域内的蓄水量变化。2.水量平衡方程IO=W(2-1)式中，I给定时段内输入水量；O给定时段内输出水量；W给定时段内蓄水量变化。,I,O,W,三地球上的水量平衡1陆地水量平衡方程P陆-(E陆+R)=W陆多年平均情况：,W陆,R,P陆,E陆,图中E陆陆地蒸发；P陆陆地降雨；R径流,(2-2),2海洋水量平衡方程R+P海-E海=W海多年平均情况：,W海,R,P海,E海,图中E海海洋蒸发；P海海洋降雨；R径流,3地球水量平衡方

3、程,(2-3),由式(2-2)、(2-3)得地球多年平均水量平衡方程：,四流域水量平衡流域水量平衡方程为：(2-4)WherePprecipitationRSI,RGIsurfaceandgroundwaterinflowintotheboundaryfromoutsideEevaporationandtranspirationRSO,RGOsurfaceandgroundwateroutflowfromtheboundaryWchangeofstoragevolumewithintheboundaryndiscrepancyterm,W,E,P,RSI,RGI,RSO,RGO,地表分水线,地

4、下分水线,2.2河流和流域,河流(River)1概念一定地质和气候条件下形成的河槽与在其中的水流。河流可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。2河流长度（河长L）自河源沿河道至河口的长度，称河长，以km计。,3河流横断面如图2-2所示。4水系及水系形态(1)水系由干流、支流及流域内水库、湖泊连成的一个庞大系统，成为水系。,图2|3水系示意图,(2)水系形态羽毛状扇形平形状混合形,4河网密度流域内干支流的总长度L和流域面积F之比：D=L/F(km/km2)5河流弯曲系数指河流实际长度与河流两端间的直线l之比值：=L/l二流域（Basin）1概念由分水线包围的汇集地表水和地下水的区域，称为流域。可

5、分闭合流域和非闭合流域两种。,地表分水线,地下分水线,l,章,流域示意图,2流域面积分水线所包围的面积，用F表示，单位：Km2。3流域长度LA指流域几何中心长。以河口为圆心，画不同半径的若干圆弧与分水线相交于两点。连两点成割线，取这些割线中点的连线长度，即为流域长度。4流域形状系数K=B/LA其中,B=F/LA为流域宽度。5流域自然地理特征包括:(1)地理位置：经纬度表示，反映流域所处的气候。(2)气候特征：包括降水、蒸发、温度、湿度、气压、风等要素。是河流形成和发展的主要因素，也是决定流域水文特征的重要因素。(3)流域下垫面条件：包括地形、地貌、土壤、植被、湖泊等因素。它们影响径流的变化规律

6、。,2.3降水(Precipitation),降水的成因及分类1成因地面湿热气团因各种原因而上升，体积膨胀作功，消耗内能而冷却。当温度降低到露点以下时，气团中的水汽开始凝结为水滴或冰晶，形成云。云中的水滴或冰晶，继续吸附水汽凝结于其表面，或由于互相碰撞而结合成大水滴或冰粒，当其重量达到不再能被上升气流所顶托的时候，即形成降水。2分类(1)对流雨对流层的特点：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）,(2)地形雨：水平运动的湿

7、热气团受山脉、高原阻挡，气流被迫沿迎风坡上升，因动力冷却形成的降雨。其特点是：a.迎风坡降雨多，背风面降雨少；b.降雨量随高程增加而增加，到一定高度后，随高程增加反而减少。,(3)系统性降雨,-6,二降雨观测降雨一般通过雨量器和自记雨量计两种方式进行观测的。随着科学技术的发展，利用雷达探测和气象卫星云图来预估未来一定时期的降雨量。1雨量器一般采用人工定时(8时、20时)观测，雨季要增加观测次数。2自记雨量计自动记录降雨量，不需人为干预。方便、快捷。有三种类型：称重式、虹吸式和翻斗式。,3雷达探测利用云、雨、雪等对雷达无线电波的反射现象来研究天气系统。不同形状的雷达回波反映不同性质的天气系统。从

8、而预测探测范围内的降水量、强度及开始和终止时刻。,4气象卫星云图将卫星云图资料结合气象模型，通过专家系统，进行降雨量预测。,三降水特性描述降雨特性主要包括：降水量、降雨历时、降雨强度三种指标。1降雨量指一定时段降落在某点或某区域上的总水量，以深度表示，单位mm。如12小时降雨量、日降雨量，月降雨量，年降雨量等。降雨量反映了时段内雨量的多少。2降雨历时一次降雨所经历的时间。常用分(min)、小时(h)、日(d)等单位。3降雨强度单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。雨强反映了降雨的强弱。一般用雨强进行降雨分级。降雨等级划分如下：,某站99年日降雨强度过程线,4降雨过程线一定时段内的降雨

9、随时间变化的过程，称降雨过程。实质是降雨强度过程线，一般用直方图表示。,12345678910111213141516时间（h）,雨强(mm/h),某站小时降雨强度过程线,四面降水量计算在水文计算中，常需要推求一个流域或一个区域特定时段降水量，即面降水量。已知某观测点降雨量。有三种计算方法。1算术平均法(Arithmeticmethod)流域内有n个雨量站，具有同步、同时段观测资料。则流域面平均雨量为：,式中，Pi为第i站点降雨量。使用条件：流域地形起伏不大，雨量站分布较均匀。优点：简便缺点：精度不高,2垂直平分法（Thiessenpolygonmethod）(1)方法原理：假定流域各处的降水

10、量可由其最近的雨量站代表。将相邻雨量站用直线连接起来，形成多个三角形，然后对每个三角形各边作垂直平分线，这些垂直平分线将流域分成若干多边形。按面积加权计算面雨量。,垂直平分法示意图,式中，Pj为第j站点降雨量；Aj为第j站控制的多边形面积(j=1,2,n)，n为多边形个数；A为研究流域面积，A=Aj。(3)说明使用条件：流域地形起伏大，雨量站分布不均匀。优点：精度较高缺点：计算繁琐；降雨量空间分布不完全符合实际情况；当流域增加雨量站时，需重新绘制泰森多边形，不灵活。,(2)Thiessen多边形法面降雨量计算公式：,3等雨深线法（isohyetallinemethod）(1)方法原理：降雨量具

11、有地区分布规律。根据雨量站的降雨量的空间分布，绘制等雨深线(isohyetalline)。按面积加权计算流域面雨量。,等雨深线法示意图,(2)等雨深线法面降雨量计算公式：,式中，为相邻两等雨深线的平均降雨量，Pi为第i条等雨深线雨量；Ai为相邻两等雨深线间的面积(i=1,2,n)；A为流域面积，A=Ai。(3)说明使用条件：流域雨量站足够多。优点：精度高；能了解降水量在空间的真实分布。缺点：需要的雨量站多，工作量大；当流域增加雨量站时，不需重新绘制等雨深线，灵活方便。我国降水量及时空分布,2.4蒸发(Evaporation),蒸发1概念水从液态或固态变为气态的过程。蒸发是水循环河水量平衡的基本

12、要素之一。2蒸发的种类水面蒸发、土壤蒸发、植物散发（transpiration）二水面蒸发充分供水条件下的蒸发现象。1水面蒸发的影响因子气温水温风速饱和汽压差(es-ez)水面面积水质,2水面蒸发量观测蒸发量的单位为mm。水面蒸发量常用方法有器测法、水量平衡法和经验公式法等。(1)器测法用蒸发器或蒸发池观测水面蒸发。E=kE式中，E为天然水面蒸发量；E为蒸发器实测蒸发量；k为蒸发器折算系数。(2)经验公式法常用的经验公式为：E=f(u)(es-ez)式中，E为天然水面蒸发量；u为水面上某高处风速；es为水面温度下的饱和水汽压；ez为距水面上z处的水汽压，(es-ez)为饱和汽压差；函数f，不同

13、地区，形式不一样。,(3)彭曼水面蒸发公式,3蒸发量描述a.蒸发率：单位时间内的蒸发量b.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。,三土壤蒸发土壤中的水以水汽形式跃入大气的现象，称土壤蒸发。1土壤蒸发的影响因子气象因素：气温，风速，饱和水汽压差(es-ez)土壤因素：土壤含水量，土壤特性，植被，地形,2土壤蒸发量观测土壤蒸发量常用方法有器测法、水量平衡法和经验公式法等。器测法计算公式：,式中，G1，G2分别前后土壤干重；P为降落在土壤蒸发器上的降雨量；R为径流；q为引流量。,3土壤蒸发三个阶段a.第一阶段：土壤充分湿润，供

14、水充足，E接近最大蒸发能力EM；b.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EMc.第三阶段：WW断，水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,植物散发植物中的水通过枝干、叶面散逸导大气中的现象。这方面的研究成果很多。观测方法包括器测法、水量平衡法和经验公式法等。流域总蒸发量(1)E=E水+E陆+E植(2)水量平衡方程法E=P-R-W,2.5下渗(infiltration),下渗概念水分从土壤表面进入土壤内的运动过程。它是径流形成的重要环节。二下渗的物理过程在重力、分子吸引力和毛管力作用下，水分进入土壤的过程大致分为三个阶段：1渗润阶段分子吸引力作用被土壤表面吸附2渗漏阶段

15、毛管力和重力作用3渗透阶段重力作用下渗量计算下渗量一般用下渗率描述。下渗率指单位时间内，单位面积内渗入土中的水量，单位mm/h。下渗量可通过野外实验获得，也可以由经验公式推求。目前，常使用Horton公式和Philiph公式。,1Horton公式ft=fc+(f0-fc)e-t式中，ft为t时刻下渗率；fc为稳定下渗率；f0为初始下渗率；为衰退系数。fc、f0、由实测资料获得。,2Philiph公式ft=fc+0.5st-1/2式中，ft为t时刻下渗率；fc为稳定下渗率；s为土壤吸水系数。影响下渗的因素1土壤性质土壤粒径大小、初始土壤含水量2降雨雨强、降雨时程分布3植被4流域地形5人类活动,2

16、.5径流(Runoff),径流形成过程1径流的含义径流指由流域上的降水所形成的、沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地流动的水流。按流动的路径可分为：地表径流(Surfacerunoff)和地下径流(Groundwater)。2径流的形成过程(1)概念在流域中，从降水到达地面至水流汇集于流域出口断面的物理过程。,t,P,Q,t,t,P,t,Q,t,径流形成分两个阶段：产流阶段和汇流阶段。如下图所示。,R,产流,汇流,降雨过程,净雨过程,流域出口断面流量过程,图中，R=P-P损。P损包括植物截留、填洼、下渗、蒸发等损失水量。(2)产流阶段由降雨形成净雨的过程。,产流过程：降雨扣除损失成为净雨

17、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,(3)汇流阶段净雨通过坡地、河网汇集到流域出口断面的过程，可细分为坡地汇流和河网汇流。,a.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。,b.河网汇流：从支流到干流

18、，从上游到下游，到流域出口断面；河槽调蓄作用；降雨损失，进入河网的水量小于降雨量；汇流过程，径流过程比降雨过程变化缓慢。,蒸发E,降雨P,地面径流R1,总径流R,植物截留、填洼和表层土壤储存,土壤储存,浅层地下储存,深层地下储存,深层地下径流R4,浅层地下径流R3,壤中流R2,降雨径流形成过程框图,不透水面积上的径流,二影响径流的因素水量平衡方程：P-R-E=WR=P-E-W1气候因素上式中，P、E属于气候因素。R随P增大而增大，随E增大而减少。E又与气温、湿度有关。气候因素是影响径流的主要因子，属急变因素。2地理因素地理因素包括地理位置、地形、植被、流域大小等。它们从不同角度影响径流。3人类活动因素人类在流域上进行的各种活动，包括兴建水利工程、大面积灌溉、水土保持措施、土地利用方式等。直接影响：引水工程（南水北调），修建水库间接影响：植树造林，都市化,城镇化产生的水文效应,三