第二章 水循环与径流形成

1、第二章 水循环与径流形成,21 水循环与水量平衡 22 河流与流域 23 降雨 24 蒸发与下渗 25 径流,21 水循环与水量平衡,一 、自然界的水文循环 二、地球上的水量平衡,一 、自然界的水文循环,1、定义： 地球上各种形态的水，不断从水面和陆面蒸发，变为水汽上升高空，被气流输送到其他地区，在适当的条件下凝结，然后又降到地面。水的这种不断蒸发、输送、降落，无始无终，往复循环的过程就称为水循环。,一 、自然界的水文循环,水循环包括了多种的复杂过程，如蒸发、水汽输送、冷凝、降水、植物截留、滞蓄、下渗、径流等。其中最重要的基本现象是 蒸发、降水、下渗、径流。,3 水汽输送,1蒸发,4 降水,1

2、蒸发,4 降水,1 植物蒸腾,湖,6 地表径流,6 地下径流,海洋,5 蒸发,2 降水,一 、自然界的水文循环,2、形成水循环的原因： （1）外因：太阳辐射和地心引力 水循环的基本动力 （2）内因：水的物理三态（气、液、固态）的相互转化 水循环的前提条件 此外，地形、地质、土壤、植被等对水循环也有一定影响。,一 、自然界的水文循环,3、水循环的分类： （1）大循环：海陆间水分的变换过程叫做水的大循环。 （2）小循环：陆地上的水蒸发后，在空中凝结成水又降回到陆地，或从海洋上蒸发的水汽，在空中凝结成水后又回到海洋中。 这种局部的水循环叫做水的小循环。前者称内陆小循环，后者称海洋小循环。,水文循环是

3、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。,思考题,沿海湿润、内陆干旱的原因 ？,一 、自然界的水文循环,4、水文现象和水文过程 水循环中水的存在、运动和变化，统称为水文现象。 各种现象在时间或空间上的变化称为水文过程。 水循环是地球上一切水文现象的根源，没有水循环，就不会发生蒸发、降水、径流，不存在江河、湖泊。,二、地球上的水量平衡,1、水量平衡原理 根据质量守恒原理，对任一区域，在给定的时段内，进入的水量和输出的水量之差额必定等于该区域内的蓄水变量。,水平衡原理示意图,图A,图B,某一地区 某一段时

4、期内,某一地区 某一段时期内,储水变量 （增加）,储水变量 （减少）,原有水量,水量的支出,水量的收入,二、地球上的水量平衡,2、水量平衡方程式 若以陆地作为研究范围，其水量平衡方程式为： E陆P陆RU陆 E陆陆地在研究时段内的蒸发量； P陆陆地在研究时段内的降水量； R 在研究时段内的入海径流量； U陆陆地在研究时段内的蓄水量的变化量。,二、地球上的水量平衡,在多年平均情况下的水量平衡方程式为： 陆地的多年平均年降水量； 陆地的多年平均年蒸发量； 多年平均年入海径流量。,二、地球上的水量平衡,对海洋而言， 海洋的多年平均年蒸发量； 海洋的多年平均年降水量。 将两式合并，即得全球的水量平衡方程

5、： 即： 上式表明：全球多年平均年蒸发量等于全球多 年平均年降水量。,二、地球上的水量平衡,3、水量平衡方程式的作用 （1）定量描述水循环要素间的相互关系和作用， （2）由某些已知要素推断未知要素， （3）用来校核水文计算成果， （4）对计算成果进行合理性分析等。,本节小结,一、自然界的水循环 1、定义 2、成因 3、分类 二、水量平衡 1、原理 2、方程式,22 河流与流域,一、河流 二、流域,一、河流,（一）河流的形成与分段 河流是接纳地面和地下水的天然泄水道，是水循环的路径之一。 一条河流一般都分为五个分段： 河源、上游、中游、下游、河口,（二）河流的基本特征,1、河流的长度 L 一条河

6、流，自河源沿河道溪线至河口的曲线长度称河长，以km计。 一般在大比例尺，如万分之一或五万分之一的地形图上用分规或曲线仪量计。,（二）河流的基本特征,2、河流的断面 分为横断面和纵断面。 河流某处垂直于平均流向或主流方向的平面，称河流在该处的横断面。 相应于某一时刻水位以下的断面，称过水断面。 山区河槽常为深而窄的单式断面，底部多为基岩或砾石；平原河槽常为宽而浅的复式断面，底部多为细砂或淤泥。,河流横断面示意图,单式断面图,复式断面图,2、河流的断面,河流纵断面是指沿河流中线或溪线的剖面。从河口向上游量出河底地形变化转折点的高程，以河长为横坐标，河底高程为纵坐标，即可绘出河流的纵断面图。,河流纵

7、剖面图,3、河道纵比降 J,河段两端的河底高程差称落差， 单位河长的落差称为河道的纵比降。,3、河道纵比降 J,（1）当河段纵剖面近于直线变化时 J(h1h0)/Lh/L 式中，J河段纵比降； h1、 h0河源、河口的河底高程，m； L河流总长度，m。,3、河道纵比降 J,（2）当河道纵断面呈折线或曲线变化时 式中， h0、h1、hn自河口起沿流程 各点 的河底高程，m； l1、l2、ln各点间距离，m； L河道总长度，m。,4、河系,河系：河流分为支流与干流，它们和湖泊等构成脉络相通的泄水系统 ，称为河系，也称水系或河网。 常取水量最多或长度最大的作为干流，汇入干流的河流称为一级支流，汇入一

8、级支流的河流称为二级支流，以此类推。 水系的名称一般用干流的名称命名。,4、河系,根据干支流分布状况，河系分为四种类型： （1）扇形河系：河系如手指状分布，如海河； （2）羽毛形河系：干流沿途接纳许多支流，如滦河； （3）平行状河系：几条支流并行排列，各成为一独立水系，至入海附近始行汇合，如淮河； （4）混合状河系：大河流大多包括上述两种或三种形式的混合排列，如长江。,5、河网密度D,流域内水道的多少一般用河网密度表示。 河网密度D等于河系所有水道的总长度L与其流域面积F之比值，即： D=L/F,二、流域,在河流某一控制断面以上，汇集地表水和地下水的区域叫做河流在该断面以上的流域。 1、流域分

9、水线 流域的界线称为分水线。 分水线有地面和地下两种。 当流域的地面与地下分水线一致时， 称闭合流域； 两者不一致时，称非闭合流域。,二、流域,2、流域的几何特征 （1）流域面积F 流域分水线所包围的面积，也叫集水面积，也可在地形图上先勾绘分水线，再用求积仪量计，或用数方格法量算。 （2）流域长度L 流域长度是指流域的中心轴长。 （3）流域平均宽度B 是指流域面积F与流域长度L的比值，即： B=F/L,二、流域,3、流域的地形特征 （1）流域平均高程：是指流域内地表的平均高程。 在流域地形图上，量出流域范围内相邻两等高线之间的面积fi，并求出相邻两等高线的平均高度Zi，则流域平均高程可由下式计

10、算：,二、流域,3、流域的地形特征 （2）流域平均坡度：是指流域地表面坡度的平均值。 若相邻两等高线的高差用 z表示，流域范围内各条等高线的长度用l0，l1，l2,，ln表示，则流域平均坡度可用下式求得：,二、流域,4、流域的自然地理特征 主要指流域地理位置，气候，地形，土壤特性，地质构造，植物被覆，湖泊和沼泽情况。与流域水文特征值有密切关系。,本节小结,一、河流的基本特征 1、河流的长度 2、河流的断面（横、纵） 3、河道纵比降 4、河系 5、河网密度 二、流域 1、定义 2、流域的几何特征、地形特征、自然地理特征,23 降雨,一、降雨的成因和类型 二、降雨特性及图示方法 三、流域平均降雨量

11、计算,一、降雨的成因和类型,空气的垂直上升运动 1、成因： 空气中水汽含量超过饱和水汽含量 冷却凝结 2、类型,降雨类型,（1）锋面雨 锋面：冷暖气团相遇，其交界面叫锋面 。 锋：锋面与地面的相交地带叫锋 。 a.冷锋雨：当冷气团向暖气团推进时，因冷空气较重，冷气团楔进暖气团下方，把暖气团挤向上方，发生动力冷却而致雨，这种雨叫冷锋雨。 特点：强度大，历时短，雨区小,冷锋雨,降雨类型,b. 暖锋雨：当暖气团向冷气团移动时，由于地面的摩擦作用，上层移动较快，底层较慢，使锋面坡度很小。暖空气沿着这个平缓的坡面在冷气团上滑行，在锋面上形成了一系列云系并冷却致雨，叫暖锋雨。 特点：强度小，历时长，雨区广

12、 我国受季风影响，东南地区多暖锋雨，北方地区多冷锋雨。,暖锋雨,思考,长江中下游地区春夏交替时出现 的梅雨属于冷锋雨还是暖锋雨？,降雨类型,（2）地形雨 暖湿气流遇到丘陵、高原、山脉等阻拦，被迫沿坡上升而冷却致雨，称地形雨。 思考：降雨多发生在迎风坡还是背风坡？ 答：地形雨大部分降落在山地的迎风坡。,降雨类型,（3）对流雨 当暖湿空气笼罩一个地区时，因下垫面局部受热增温，与上层温度较低的空气产生强烈对流作用，使暖空气上升冷却而降雨，称作对流雨。 特点：强度大，雨区小，历时短，并常伴有雷电，又称雷阵雨 。,降雨类型,（4）台风雨 台风雨是热带海洋上的风暴带到大陆来的降雨。这种风暴是异常强大的海洋

13、高温高湿气团形成的低气压造成的，它带来狂风暴雨，一天内暴雨量可达数百mm，甚至可达1000mm以上，极易造成灾害。,降雨分级,降雨按其雨量大小可分为6级： 日雨量小于10mm为小雨； 1025mm为中雨； 2550mm为大雨； 50100mm为暴雨； 大于100mm为大暴雨； 大于200mm为特大暴雨。,二、降雨特性及图示方法,1、降雨特性 （1）降雨量：为一定时段内降落在地面上的总雨量，常以水层深度表示，以mm计。 （2）降雨历时：指一次降雨过程所经历的时间，包括降雨过程中短暂间歇在内，以min，h或d计。 （3）降雨强度：指单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。 （4）降雨面积：

14、指降雨所笼罩的水平面积，以km2计。 （5）降雨中心：是指降雨笼罩面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地点。,二、降雨特性及图示方法,2、图示方法： 用图线表示降雨在时间和空间上的分布特性 （1）降雨量过程线 （2）降雨量累积曲线 （3）降雨量等值线图 除上述几种特性曲线外，对雨量大，历时短，强度大的暴雨还常需分析绘制它们的降雨特性综合曲线，即平均雨深面积历时曲线，简称时面深关系曲线,降雨量过程线,降雨量累积曲线,降雨量等值线图,三、流域平均降雨量计算,1、算术平均法： 适用范围：当流域内地形起伏变化不大，雨量站分布比较均匀时。 公式： 为流域或区域平均降雨量，mm； Pi为各雨量站同时段（相

15、同起讫时间）内的 降雨量，mm； n为雨量站数。,三、流域平均降雨量计算,2、泰森多边形法 （垂直平分法） 适用范围：此法能考虑雨量站或降雨量分布不均匀的情况。 工作量也不大，故在生产实践中应用比较广泛。 公式： 式中，F所有多边形面积之和，即全流域面 积，km2； Ai为各雨量站权重，即Ai=fi/F，以小数或百分率计。,泰森多边形法示意图,三、流域平均降雨量计算,3、等雨量线法 适用范围：在较大流域或区域内，如地形起伏较大，对降雨影响显著，且有足够的雨量站。 公式： 优缺点：此法比较精确，但对资料条件要求较高，且工作量大，因此应用上受到一定的限制。主要用于典型大暴雨的分析。,等雨量线法示意

16、图,本节小结,一、降雨的成因和类型 1、成因 2、类型 3、冷锋雨、暖锋雨、对流雨、地形雨 二、降雨特性及图示方法 1、特性：降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨面积、降雨中心 2、图示方法 三、流域平均降雨量计算方法、公式及各自适 用范围,24 蒸发与下渗,一、蒸发 二、下渗,24 蒸发与下渗,一、蒸发 蒸发是自然界水循环的基本环节之一。 定义：它是地面或地下的水由液态或固态化为水汽，并返回大气的物理过程。 蒸发也是重要的水量平衡要素，对径流有直接影响。 据估计，我国南方地区年降水量的30%50%，北方地区年降水量的80%95%都消耗于蒸发，余下的部分才形成径流。,一、蒸发,蒸发的大小可用蒸发量

17、或蒸发率表示。 蒸发量是指某一时段如日、月、年内总蒸发掉的水层深度，以mm计。 蒸发率是指单位时间的蒸发量，也称蒸发速度，以mm/min或mm/h计。 流域或区域上的蒸发，包括水面蒸发、土壤蒸发和植物散发 。,一、蒸发,1、水面蒸发：是指江、河、水库、湖泊和沼泽等地表水体水面上的蒸发现象。 它是最简单的蒸发方式，属饱和蒸发。 主要影响因素：温度、湿度、风速和气压等气象条件。 2、土壤蒸发：是指水分从土壤中以水汽形式逸出地面的现象。 它比水面蒸发要复杂的多，除了受上述气象条件的影响外，还与土壤结构、土壤含水量、地下水位的高低、地势和植被等因素密切相关。,蒸发能力：蒸发面在一定气象条件下充分供水时

18、的最大蒸发量或蒸发率称为蒸发能力。 水面蒸发一直按蒸发能力蒸发。而土壤含水量可能是饱和的，也可能是非饱和的，情况复杂。,一、蒸发,3、植物（蒸）散发：土壤中的水分经植物根系吸收，输送至叶面，散发到大气中去，称为植物散发。 有些植物的蒸散发量比水面蒸发量还大。 由于植物生长在土壤中，植物散发与植物覆盖下的土壤蒸发实际上是并存的，因此，研究植物散发往往和土壤蒸发合并进行，两者总称为陆面蒸发。,一、蒸发,陆面蒸发,一、蒸发,4、流域蒸发量计算 流域内的水面占总面积的比重很小，故总蒸发量主要决定于陆面蒸发，但直接测定陆面蒸发很困难。 计算流域总蒸发量有两条途径： （1）是对流域内个单项蒸发分别研究，然

19、后综合求出全流域的总蒸发，但目前比较困难； （2）是应用流域水量平衡方程或其他经验公式间接估算流域蒸发。 对一闭合流域， EPRU 多年平均情况下，,二、下渗,下渗：是水从土壤表面渗入土壤内的运动过程。 它对地面、地下径流的形成有很大影响。它是水循环中极难定量的一个要素。 1、下渗的物理过程：下渗的水分运动是在土壤分子力、毛管力和重力的综合作用下进行的，这些作用力在下渗过程中不断变化。整个下渗过程按照作用力的组合变化及其运动特征可分为如下3个阶段：,1、下渗的物理过程,（1）渗润阶段：降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力作用。 （2）渗漏阶段：随着土壤含水率的不断增大，分子作用力逐渐由毛管

20、力和重力作用取代。 （3）渗透阶段：水分主要受重力作用。 有的将渗润与渗漏阶段结合起来，统称为渗漏，其特点是非饱和水流运动，而渗透则是属于饱和水流运动。,2、下渗容量曲线,下渗量的大小可用下渗率（又称下渗强度）表示。 下渗率：指单位时间内单位面积上渗入土壤中的水量，以mm/h或mm/min计。 下渗能力：在供水充分情况下的下渗率称为下渗容量或下渗能力。 下渗容量曲线：在供水充分的条件下，下渗率随时间的变化过程线，称下渗容量曲线或下渗能力曲线。,下渗容量曲线示意图,霍顿经验公式,下渗容量曲线也可用数学式表示， 如常用的霍顿经验公式为： ft=（f0-fc）e-t+fc （f的变化符合指数递减规律

21、） 式中：ftt时刻的下渗率； f0初始下渗率； fc稳定下渗率； 反映土壤性的参数（递减指数）； e自然对数的底。,本节小结,一、蒸发 1、蒸发、蒸发量、蒸发率、蒸发能力 2、流域蒸发量计算方法 二、下渗 1、下渗、下渗率、下渗能力（下渗容量） 2、下渗的物理过程（渗润、渗漏、渗透）,25 径流,河川径流：指降水到达流域表面，经地面和地下注入河槽，并向流域出口断面汇集的水流。 其中来自地面的水流称地面径流，来自地下的水流称地下径流。 河川径流的总水源或称总补给是大气降水，由降雨形成的径流称降雨径流，由融雪形成的径流称融雪径流。,25 径流,一、河川径流的形成过程 二、影响径流的因素 三、径流

22、量的表示方法和度量单位,一、河川径流的形成过程,河川径流的形成过程：是指从降雨到水流流经流域出口端面的整个物理过程。 （一）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,径流形成过程示意图,一、河川径流的形成过程,（二）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。 流域汇流包括坡地汇流和河网汇流。

23、 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：进入河网后的径流由支流到干流，从上游向下游汇集，最后都流经流域出口断面，这个过程称河网汇流。 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。,（二）汇流过程,如果降雨开始后，在出口断面处对通过的流量进行连续观测，就可得到与一次降雨相应的流量过程线，见左图。图中流量过程线上最高点的流量Qm称洪峰流量。它的两侧分别是涨水段（A

24、B）和退水段（BC）。相应的历时t涨、t退为涨水历时和退水历时。底宽T为洪水总历时。过程线A-B-C与横轴包围的面积就是一次洪水的总量W。,T,时间t,二、影响径流的因素,（一）气候因素 （二）下垫面因素 （三）人类活动因素,（一）气候因素,1、降雨 同一降雨量，若强度大、历时短，形成的洪峰流量也就大，流量过程尖瘦。暴雨中心位置在下游时，洪峰流量较大。此外，若暴雨中心在降雨过程中，由上游向下游移动，则更容易形成峰高和涨落陡峻的洪水。 2、蒸发 蒸发量大，水体损失量也大，径流量就小。,（二）下垫面因素,1、河道特性 2、流域的大小和形状 3、流域的位置和地形 4、土壤岩石和地质构造 5、植被 6、湖泊与沼泽,（三）人类活动因素,大规模的水利措施，如修建水库、塘堰等蓄水工程和调节区间水量的引水工程，以