水文学原理水文预报：径流形成理论第1部分（吉林水文培训班）

1、径流形成理论,扬州大学水利与能源动力工程学院 2016.10,径流形成原理是研究降雨径流形成机理，寻求流域产、汇流计算方法，为水文学的应用如：水资源开发利用与保护、水文预报、水文设计等提供理论依据的水文学分支学科，又称为产汇流理论。主要是以土壤水动力学、热力学、明渠水力学、渗流力学、径流实验技术等为基础，属于动力水文学的范畴。 研究对象：主要是水-土-植系统中的水文循环和流域径流循环 研究课题：降雨径流形成规律及计算，是水文学中最重要和最基本的课题之一，广泛的实际应用价值和重要的学术意义。,课程认识,主要内容,第一部分：水文循环与径流形成物理过程 第二部分：产流要素 介绍产流过程中涉及到的各水

2、文要素（即植物截留、填洼、土壤水分运动、下渗、蒸散发的物理基础和定量分析计算方法）。 第三部分：产流机制与流域产流 介绍产流物理条件与流域产流过程及分析计算原理。 第四部分：河道洪水演算 第五部分：流域汇流计算 介绍流域汇流理论与计算框架。,第一部分 水文循环与径流形成过程,第一节 水文学的分支学科,第一部分 水文循环与径流形成过程,第一节 水文学的分支学科,第一部分 水文循环与径流形成过程,第一节 水文学的分支学科,第一部分 水文循环与径流形成过程,第一节 水文学的分支学科,第一部分 水文循环与径流形成过程,水文循环的定义，内因与外因 大循环和小循环的定义，水文循环尺度 水量平衡原理（不同尺

3、度） 全球、大陆、海洋水量平衡方程（多年平均）,第一部分 水文循环与径流形成过程,第二节 水文循环,第二节（一） 自然界的水文循环,水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程,地球表面上的水 蒸发 凝结 降水 适宜条件,太阳辐射,水汽输送,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,水在(太阳能和大气运动)的驱动下，不断地从(水面、陆面和植物的茎叶面)，通过(蒸发或散发)，以(水汽)的形式进入大气圈。在适当条件下，大气圈中的水汽可以凝结成水滴，小水滴合并成大水滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以(降水)的形式降落到地球表面。 把水的这种既无明确的

4、“开端”，也无明确的“终了”的永无休止的循环运动过程称为水文循环。,1.水文循环现象water cycle,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,1.水文循环现象water cycle,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,1.水文循环现象water cycle,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,1.水文循环现象water cycle,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,2.水文循环的原因Causes,第二

5、节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,3.水文循环的尺度,全球水文循环（Global water cycle ） 空间尺度最大，最完整的水文循环。,(1)大尺度水文循环(Macro-scale water cycle),第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,流域或区域水文循环（Watershed water cycle） 流域降雨径流形成过程，开放式循环系统。,(2)中尺度水文循环(Mesoscale water cycle),3.水文循环的尺度,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成

6、过程 第二节 水文循环,水-土-植物循环系统 空间尺度最小，开放式循环系统。,(3)小尺度水文循环(Micro-scale water cycle),3.水文循环的尺度,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,4、水文循环的作用和意义 地球上总水量13.86亿Km3， 参与循环的约57.7万Km3，0.0416%。 （1）调节气候； （2）塑造了地球表面； （3）形成了巨大的水利资源； （4）形成一切水文现象。,5、水文循环的影响因素可以归结为以下几点：,（1）气象因素如温度、风速、风向、湿度等；,（2）自然地理条件如地形、地质、土壤、植被等；,（3

7、）地理位置如距离海洋的远近；,（4）人类活动主要是通过改变下垫面条件直接或间接地 影响水文循环。,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,6、我国的水文循环路径,由于我国的地理位置及其与各大洋的相对距离，以及大气环流 和季风的影响，决定了我国的水汽来源主要有：太平洋、印度洋、 大西洋、北冰洋和鄂霍次克海，从而形成了相应的水文循环： 太平洋水文循环、印度洋水文循环、大西洋水文循环、 北冰洋水文循环、鄂霍次克海水文循环、内陆水文循环,第二节（一） 自然界的水文循环,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,1、地球上水的分布和储量,地球上的地理

8、圈由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成。 水圈包括大气水、地面水、地下水和生物水。,其中地面水是地球上水量组成的主要部分。地球上各种水的分布见书上P13。由此表可知，地球是一个水量丰富的星球，同时对人类来说又是一个水资源短缺的星球。,可开发利用水资源的紧缺必然制约经济社会发展和人类文明进步，水资源的可持续开发利用已成为人类社会可持续发展的必要前提。,水循环与水资源,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,第二节（二） 地球上的水,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,第二节（二） 地球上的水,水体的更新周期可用下式计算：,2、地球上水的更新,正是由于自然界水文循环的周而

9、复始、永不停息，从而导致地球上的各种水体中的水得到不断更新。水体中的水全部更新一次所需要的时间称为更新周期。,Tr=13.86 亿km3/(57.7万km3/year)=2400years,地球系统中的水更新速度：,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,第二节（二） 地球上的水,根据全球各水体的储量和流量之间的关系可以计算出相应的更 新周期，具体结果上表。 据计算结果：除生物水以外，地球上更新最快的水体是大气水，只有8.2天；其次为河流水，为16天。河流水的这种快速更新对人类获取淡水资源具有特别重要的意义，也是水资源成为地球上能自行恢复或再生的原因。 相反，深层地下水的更新周期长

10、达1400年，大量开采、超采深层地下水而得不到及时补充恢复，就会导致各种负面影响。,第一部分 水文循环与径流形成过程 第二节 水文循环,第二节（二） 地球上的水,第三节（一） 河流与水系,1.基本概念 河流接纳地面水和地下水的天然泄水道。 干流-支流，一级支流、二级支流 左岸-右岸，凹岸-凸岸，河谷-河槽(河床) 河流一般可以分为五段：河源、上游、中游、下游、河口。,水系水系是由干流及其全部支 流组成的脉络想通的网状系统，也 称呼为河系或河网。,第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,2 河流,2.1河流的长度 河长L：从河口到河源区河流最初具有地表水流形态的河道水面中心线

11、的距离，可从具有比例尺的地形图量测出来。,Page 26,第三节（一） 河流与水系,第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,任意一条河流，从上游到下游，有无数个横断面，各个横断面形状各异，且受冲淤变化影响。 枯水期过水断面：基本河床/主槽 洪水期过水断面：洪水河床/滩地 横断面的形状： 单式断面、复式断面,单式断面,复式断面,纵断面河流最深点的连线为溪线或中泓线，假想沿河道的中泓线切开所得到的剖面便是河流纵断面。,2.2河流的断面 横断面垂直于河流流向的断面，断面。 横断面内有水流流经的部分也称为过水断面。,第三节（一） 河流与水系,2 河流,第一部分 水文循环与径流形成过

12、程 第三节 河流、水系与流域,3、河系（水系）,1、扇形水系（河系）：干支流的分布形如扇骨状，如海河。 2、羽毛形河系：河系的干流由上而下沿途左右汇入多条支流，形如羽毛状，如滦河。 3、平行状河系：几条支流并行排列，到靠近河口处始行汇合，如淮河。 4、混合形河系：大河流大多包括上面二、三种形式的混合排列，如长江。,河网密度D：流域内河流总长度/流域面积,第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,第三节（一） 河流与水系,Page 29,1. 分水线,分水线：山峰(summit)、山脊(ridge)、鞍部(saddle)的连接线。 分水线：在地形图上绘制的，是指与相邻流域的分界

13、线。具体地讲就是：地形向两侧倾斜，使雨水分别汇集到两条不同的河流中，这一地形上的脊线起着分水的作用，是相邻流域之间的分界线。,通常情况下分水线是指地面分水线(surface watershed divide),第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,第三节（二） 分水线与流域,流域：指河流某一控制断面以上汇集地面水和地下水的区域称为河流在该断面以上的流域。,流域: 地面分水线包围的区域。,地面分水线与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。,2. 流域,第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,第三节（二） 分

14、水线与流域,1、地理位置一般用流域中心或其边界的经纬度、距离海洋的远近表示 。,2、气候条件流域的气候要素包括降水、蒸发、气温、气 压、风速等。,2.3流域自然地理特征,第一部分 水文循环与径流形成过程 第三节 河流、水系与流域,第三节（二） 分水线与流域,3、流域下垫面条件是指流域的地形、地质构造、土壤和岩 性、植被、湖泊、沼泽等情况。,径流是指由降水所形成的，在重力作用下沿着一定的方向和路径流动的水流。 径流是水文循环（降水-蒸发-下渗-径流）的重要组成部分，影响大气圈、水圈、岩石圈与生物圈，圈层之间进行着水量和能量的交换。,引言径流概念,自然界径流现象,第一部分 水文循环与径流形成过程

15、第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,沿地面流动的水流称为地表径流；在土壤中流动的水流称为壤中流；在饱和土层及岩石孔隙流动的水流称为地下径流；汇集到河流后，在重力作用下沿河床流动的水流称为河川径流。,引言径流概念,河川径流,河川径流,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,径流因降水形式和补给水源的不同，可分为降雨径流和融雪径流。 我国大部分河流以降雨径流为主。,引言径流划分,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个过程称为径流形成过程。 一个复杂连续的物理过程。开

16、始于降雨(或融雪)过程，结束于流域(或河流)出口断面的流量过程。 本节主要介绍W.G.Hoyt径流循环理论（1942）和产汇流理论。,引言径流形成过程概念,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,1942年W.G.Hoyt称径流形成过程为径流循环，认为该过程可分为五个阶段： （1）无雨期： 流域上无径流产生，河槽处于退水期，主要靠地下水补给。 （2）初雨期（降水开始的最初阶段） 河网降水产生少量径流，而流域中其他部分的降水主要消耗于植物截留、蒸散发、填洼和下渗等。 （3）变强度降雨持续期 当植物截留和填洼得到满足后，持续降雨，流域上降雨强度比较大的地方由于

17、雨强大于下渗能力而产生超渗地表径流；或者流域上比较湿润的地方因包气带含水量达到田间持水量而产生地下径流。 （4）持续降雨直到全流域天然蓄量满足期 流域上各点包气带含水量在下渗作用下逐渐增加，直到达到相应的田间持水量，此时流域蓄水量达到最大，地下径流所占比重增加。 （5）雨止期 降雨停止，流域上降雨期间形成的径流逐渐汇集到流域出口断面，河流水位逐渐下降，流量逐渐减小，蒸散发活跃，当河流中水位和流量恢复到降雨开始状态即告结束，一般需要持续很长时间。 Hoyt对径流形成过程的描述过于简单，不能确切表达径流形成的连续过程。,1W.G.Hoyt径流形成理论,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流

18、形成过程,第四节 径流形成过程,2产汇流理论,一般用下图表示河川径流的形成过程。,根据该图，可以把径流形成过程简化为产流过程和汇流过程两个阶段。,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,2.1产流过程(流域蓄渗过程),在该阶段，不产生径流的那部分降水称为损失量。 降雨量损失量=净雨=产流量。 在分析流域径流形成过程中可以将流域下垫面分为三类： （1）与河网连通的水面； （2）不透水地面：屋顶、水泥路面等； （3）透水地面：草地、森林等。,2产汇流理论,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,（1）与河网连通的水面 降雨

19、开始后，降落在与河网连通的水面上的雨水，除少量消耗于蒸发外，直接形成径流。 （2）不透水地面 一部分消耗于蒸发，还有少部分用于湿润地面，被地面吸收损失掉，其余雨水形成地表径流。,2.1产流过程(流域蓄渗过程),2产汇流理论,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,（3）透水地面 一部分滞留在植物枝叶上（植物截留In），截留量最终消耗于蒸发； 植物截留量得到满足后，雨水降落到地面上将向土壤中下渗：当雨强小于下渗能力时，雨水全部渗入土中；当雨强大于下渗能力时，雨水按下渗能力下渗，超出下渗的雨水称为超渗雨，将会形成地面积水，积蓄于地面上大大小小的洼地（称为填洼D

20、），填洼水最终消耗于蒸发和下渗。 随降雨持续进行，满足了填洼的地方将会产生地表径流。,继续下渗的雨水，沿土壤孔隙流动，一部分从坡侧土壤孔隙流出，注入河槽形成径流（壤中流/表层流）； 另一部分继续向深处下渗，到达地下水面后，以地下水的形式补给河流（地下径流，包括浅层地下水和深层地下水。）,下渗到土中的水分，使包气带土壤含水量不断增加，当超过田间持水量后，下渗趋于稳定，并逐渐过渡到稳定下渗阶段。,2.1产流过程(流域蓄渗过程),2产汇流理论,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,（1）坡地汇流过程：净雨在时程上的第一次再分配,坡地汇流过程,2.2汇流过程（坡地汇流+河网汇流）,2产汇流理论,坡面汇流:水流速度快, 汇流时间几分钟-几小时;,壤中汇流:水流速度中, 汇流时间几小时-几天;,地下汇流:水流速度慢, 汇流时间几天-几百天。,第一部分 水文循环与径流形成过程 第四节 径流形成过程,第四节 径流形成过程,各种径流成分注入河网后，在河网内沿河