水文学原理(三流域和水系)

1、第三章 流域和水系,本章主要内容,1 基本概念,分水线 山峰、山脊和鞍部的连接线 流 域 地面分水线包围的区域 水 系 流域中河流交汇形成的树枝状或网状结构 坡 地 流域中除水系以外的陆域部分 流域基本单元 流域中不可再划分的最小部分,分水线,地形等高线中的极大值称为山峰 山峰的下坡方向为山脊 相邻山峰之间的区域称为鞍部 山峰、山脊和鞍部的连接线称为分水线,分水线,分水线有地面分水线和地下分水线之分。 地面分水线将地面水流分开流向相邻的两条河流。 地下分水线则将含水层中的地下水流分开流向相邻的两条河流。,流 域,流域地面分水线包围的区域称为流域。 流域有闭合流域和非闭合流域之分。 地面分水线与

2、地下分水线重合的流域称为闭合流域。 地面分水线与地下分水线不重合的流域称为非闭合流域。,水 系,水系流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，亦称河系。 自然形成的水系多为树状结构 人工开挖形成的平原水系可为网状结构,水 系,水 系,羽毛状水系的支流自上游而下游，在不同的地点依次汇入干流，相应的流域形状多为狭长形。 平行状水系的支流与干流大体成平行趋势相交汇，相应的流域形状多为扇形。 混合状水系的支流与干流的关系介于前两者之间，相应的流域形状也介于狭长和扇形之间。,水 系,对面积相同、水系形状不相同的流域，同样一场暴雨形成的流域出口断面流量过程线明显不同。 平行状水系由于各支流汇集

3、到流域出口断面的同时性强，所以产生较尖瘦的洪水过程。 羽毛状水由于各支流汇集到流域出口断面的时间相互错开，所以产生较矮胖的洪水过程。 混合状水系产生的洪水过程则介于以上两者之间。,坡 地,流域中水系以外的陆域部分称为坡地。流域是由水系和坡地组成的。 除平原水网地区外，一个流域的水系的水面面积约占全流域面积的10%左右，其余90%左右即为坡地。,坡 地,按坡面的几何形状，可将坡地分为倾斜面、收敛曲面和发散曲面三种类型。,流域基本单元,一个流域按流域内的自然分水线可以划分成若干个不嵌套的子流域，每个子流域按其内部的自然分水线又可划分成一些更小的不嵌套的小流域，这样不断地划分下去，最后得到的不可再划

4、分的部分就是流域基本单元，它是组成一个流域的最小单位。,流域基本单元,流域基本单元可分为四种形状，“一本打开的书”、扇形、倒扇形和马蹄形。,2 水系的地貌特征,拓扑学特征是指几何图形在连续改变形状情况下仍能保持不变的一些特征。 水系的拓扑学特征主要表现为水系分叉、河流分级和满足河数定律上。 大量的观测资料表明，自然界的天然水系一般属于二分叉树的形状。,2 水系的地貌特征,水系的拓扑结构,水系组成,2 水系的地貌特征,河流的分级 为了对水系中大小不同的河流进行区别，有必要对河流进行分级。 在20世纪以前，人们对水系中大小不同的河流只有定性的认识，仅将水系中的河流区分为支流和干流两级。 1914年

5、以后，地貌学界普遍主张采用序列命名的法则，即将水系中各条河流按一定的次序排列成序列，并以序号对序列中的河流逐一加以命名。,河流的分级,格雷夫利厄斯(Gravelius)分级法 霍顿(Horton)分级法 斯特拉勒(Strahler)分级法 施里夫(Shreve)分级法 沙伊达格(Scheidagger)分级法,霍顿(Horton)分级法,将最小的不分叉的河流称为1级河流，只接纳1级河流汇入的河流称为2级河流；只接纳1，2两级河流汇入的河流称为3级河流，其余类推，直至将水系中所有的河流命名完毕。,www.HHU.EDU.cn,斯特拉勒(Strahler)分级法,定义从河源出发的河流为1级河流；

6、同级的两条河流交汇形成的河流的级比原来增加1级； 不同级的两条河流交汇形成的河流的级等于两者中较高者。,2 水系的地貌特征,Strahler分级法,2 水系的地貌特征,河数定律,2 水系的地貌特征,河数定律,自然水系的分叉比：Rb = 3 5,2 水系的地貌特征,一条河流的长度是指从其起始断面，沿河流中心线至终了断面的距离。,2 水系的地貌特征,河流长度 级河流总长度： 级河流平均长度： 水系中全部河流总长度： L显然是决定水系槽蓄量的一个重要参数,2 水系的地貌特征,河长定律 水系中级河流的平均长度与比其低一级即(-1)级河流的平均长度的比值称为河长比,自然水系的河长比：Rb = 1.5 3

7、.5,2 水系的地貌特征,2 水系的地貌特征,链 长 度,横 断 面,B,2 水系的地貌特征,弯曲率,Cab,Lab,在河流上取两点，其沿河流中心线的长度与该两点之间的直线长度的比值称为这两点之间河段的弯曲率。,2 水系的地貌特征,河底比降,河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面之间中心线的长度的比值称为河底比降。,约翰斯通克罗斯(Johnstone-Cross)法 劳伦森(Laurenson)法,2 水系的地貌特征,比降定律 水系中不同级河流的河流比降是不同的。定义级河流的平均河底比降与低一级即(-1)级河流的平均河底比降的比值为比降比 对一个自然水系，如果流域的地质条件比较均匀，则Rs几乎

8、不随河流的级而变化，近似为一常数。这一规律称为比降定律。 研究表明，湿润地区壮年期水系的Rs约为0.55。半干旱地区较年轻的水系的Rs约为0.57,3 流域的地貌特征,1 流域面积及面积定律,分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积,A,2 流域长度和宽度,B,C,3 流域的地貌特征,2 流域长度和宽度 从流域出口断面至分水线的最大直线距离称为流域长度，与它正交方向的分水线之间的最大直线距离称为流域宽度。 格拉格(Grag)通过对许多小流域资料的分析，发现流域长度与流域面积有如下关系:,3 流域的地貌特征,3 流域形状,形态因子：流域面积与流域长度平方的比值,圆 度：流域面积与周长为流域周长的

9、圆面积的比值,伸 长 比：面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值,当A增加时，形态因子减小，这意味着对较大的流域，其形状是趋于狭长形的。,3 流域的地貌特征,4 河网密度和河道维持常数 单位流域面积上的河流长度称为河网密度 河网密度的概念首先由霍顿于1945年引入，它表达了流域水系排水的有效性。 河网密度的倒数称为河道维持常数,它的含义是为了维持单位长度的河道必须要有多少汇水面积提供径流。一般来说，随着河流级的增加，要求的给养面积也增加。,3 流域的地貌特征,5 河流频度和链频度,单位流域面积上的河流数目河流频度,单位面积上的链数链频度,3 流域的地貌特征,6 面积河长曲线,7 高程曲线,

10、河长同相应汇水面积之间的关系曲线,3 流域的地貌特征,8 流域坡度,流域上两点间的高差与它们之间直线距离的比值两点之间的坡度,最小二乘法 高程曲线法 高程曲线包围的面积相当于以面积为权重的平均流域高差 面积河长曲线包围的面积相当于以面积为权重的平均流域长度 它们的比值则相当于平均流域高差与平均流域长度之比值，即平均流域坡度,4 数字流域和数字水系,4 数字流域和数字水系,数字高程模型是指描述地面高程空间分布的有序数值阵列，可用二维函数离散取得的有序集合来表示。 数字高程模型的数据的来源主要是：影像、地形图和用测量仪器实地测量。其中影像包括航测、航天遥感、干涉雷达和激光扫描仪等。,www.HHU

11、.EDU.cn,4 数字流域和数字水系,数字高程模型自20世纪50年代提出以来，由于它适用于计算机处理，故不仅能为复杂的地表形态提供有效的描述手段，而且也为地形地貌参数的计算、流域水系的生成等提供基于数字化的自动处理方法。 为各种专题信息，如土壤、植被、土地利用情况等的空间分布描述提供数字化的空间载体。 数字高程模型在构建“数字地球”中具有基本的重要性，有着十分广阔的发展前景。,www.HHU.EDU.cn,基本地形地貌参数的提取,自数字高程模型出现以来，人们就对如何利用数字高程模型计算坡度和坡向进行大量的研究，提出了多种具体计算方法。,www.HHU.EDU.cn,水系和流域的生成,www.

12、HHU.EDU.cn,1.确定格网中水流的流向,一般采用D8方法。该法认为每个格网中水流有8个可能的流向，应取最大坡度方向作为格网中水流实际发生的流向。 凡汇入各个方向水流的格网称为凹点，相邻格网的高程相等而无法判定水流流向的称为零点。凹点的集合称为洼地，例如实际地形中的水库、湖泊等。零点的集合称为平坦区域，例如实际地形中的平地。洼地和平坦区域的存在使得确定水流流向发生了困难。因此，在用D8方法确定水流流向时，应对原始数字高程模型进行预先处理。,www.HHU.EDU.cn,2.识别流域的分水线,应用数字高程模型来识别流域的分水线，必须先定出流域出口断面的位置，即找到流域出口断面所在的格网的平面坐标，然后按前述确定的格网水流的流向，采用搜索程序就可勾画出流域边界，并可计算出流域面积。,www.HHU.