工程水文学第二章水文循环与径流形成.ppt

1、第二章 水文循环与径流形成 水文循环与水量平衡 河流与流域 3.降水、蒸散发、下渗、径流,第一节 水文循环与水量平衡 一、自然界的水文循环 地球上存在的各种水体以蒸发、降水、入渗和径流等方式进行的往复交替的运动过程，称为水文循环。,水循环示意图,大循环,小循环,小循环,1、大循环： 海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。 2、小循环： 海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，又称为内循环。,二、地球上的水量平衡 水量平衡原理： 在水文循环过程中，对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。 水量平衡方程： I、O给

2、定时段内输入、输出该地区的总水量 S时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。,以陆地作为研究范围水量平衡方程为： 以海洋为研究对象水量平衡方程为：,对多年平均情况： Sc、So趋于零。所以： 合并得： 或:,三、流域水量平衡 以流域作为研究范围水量平衡方程为：,对于多年平均情况而言： S趋于零，故其水量平衡方程为：,第二节 河流与流域 一、河流 1、河流的形成与分段、干流、支流、水系概念 形成：地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。 分段： 河源、上、中、下游、河口。,干流、支流、水系概念： 干流 ：直接流入海洋、湖泊的河流。 支流：流入干流的河流。 Strahler河流分法：

3、 无支流汇入的河流为一级河流。 两条同级别的汇合而成的比原来高一级。 两条不同级别河流汇合取较高者。 干流：水系中最高级别的河流。,水系：脉络相同的大小河流所构成的体统。,黄河流域水系图,2、河流的基本特征 河长 自河源沿主河道至河口的距离称为（km）。 量取方法：曲线仪或分规。 河流的断面： 横断面：垂直流向 纵断面：沿中泓线,3. 河道纵比降： 概念 任意河段两端（水面或水底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。 水面比降、河底比降。 比降计算,比降计算计算示意图,二、流域 1、流域概念 汇集地面水和地下水的区域,即分水线所包围的区域。,流域示意图,分界线(分水线）,某一断面流

4、域 河口断面流域,闭合流域 不闭合流域,2、流域边界线勾绘：,3、流域基本特征 流域的几何特征 流域面积 F(km2），采用方格法、求积仪法量面积。 流域长度（L）、平均宽度（M） L（ km），采用同心圆法。M（km）： F/L。 河网密度 L/F（km/ km2 ） 流域形状系数： M/L 流域平均高度和平均坡度 采用方格法。,流域面积 F（km2） 求积仪法、数方格法,流域长度（L）和平均宽度（M）,流域平均高度和平均坡度 方格法，方格交叉点值平均。,流域自然地理特征 地理位置： 经纬度。反应水文循环的强弱。 气候条件： 降水、蒸发、湿度、气温、气压、风速等。决定流域水文特征。 下垫面条

5、件 地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等。反应每一水系形成的具体过程，并影响径流的变化规律。,第三节 降水 降水： 雨、雪、霰、雹、露、霜。 一、 降水的形成与分类 降水的形成 三因素：水汽、上升运动、冷却凝结。 原理: 地面湿热气团上升膨胀、冷却、凝结、成云、形成降水。, 降水的分类 对流雨 地形雨 锋面雨 气旋雨 对流雨 形成： 上升的空气形成动力冷却而致雨称为对流雨。 特点： 降雨强度大，历时短、雨区较小。,地形雨,特点： 因空气本身温湿特性，运行速度及地形特点而异。,Lifting of moist air currents over mountain barriers

6、Common in the west coast of U.S., 锋面雨 锋面活动产生的降水称为锋面雨。 锋面： 温湿特性不同的气团相遇时，在其接触区由于性质不同来不及混合而形成的不连续面。锋面与地面的交线称为锋线，习惯上称为锋。 锋面分类： 按运动学观点分为： 冷锋、暖锋、静止锋、锢囚锋。,特点：降雨强度大、历时短、雨区范围较小。,冷锋雨,暖锋雨,特点：降雨强度小、历时长、雨区范围大。, 气旋雨 、温带气旋雨,、热带气旋雨,我国降水量地区分布,二、 降水量观测 器测法 方法 雷达探测 气象卫星云图 1、雨量器 分辨率0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次。

7、每日8时至次日8时降水量为当日降水量。,2.自计式雨量计 虹吸式 翻斗式 称重式 (1)虹吸式 分辨率：0.1mm 降雨强度适用范围： 0.014.0mm/min。,Tipping bucket gauge: funneling the collected rain to a small bucket that tilts and empties each time it fills,The precipitation depth determined based on the number of bucket tilts,三、 降水特性的描述 降水量： 一定时段的降雨量，单位： mm。 降水

8、历时： 降水持续时间，单位：min，h，d。 降雨强度： 单位时间降雨量 ，单位：mm/h，mm/d。 瞬时降雨强度，平均降雨强度。,四、流域平均面雨量计算 1、算数平均法,2、泰森多边形法,66 mm,D,A,45 mm,C,69 mm,57 mm,B,E,78 mm,A1,A2,A3,A4,A5,第四节 蒸散发 蒸散发是水文循环的重要环节。 流域蒸发： 水面蒸发 土壤蒸发 陆面蒸发 植物散发,一 、水面蒸发： 器测法 间接计算法 1. 器测法： 水文部门普遍采用E601型蒸发器。 每日8时观测一次， 得日蒸发量；可计算月蒸发量、年蒸发量。,二、土壤蒸发 1、土壤蒸发过程 三个阶段： 第一阶

9、段：土壤充分湿润，供水充足E接近最大蒸发能力EM。 第二阶段：土壤水分减少，供水条件变差，E逐渐减小。 第三阶段：水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,三 、流域总蒸发 包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发及植物散发。 水量平衡法： 某一时段： 多年平均：,中国蒸发量地理分布,第五节 下渗 水透过地面进入土壤的过程，称为下渗。是在分子力、毛细管力和重力综合作用下发生的 物理过程。 一 、下渗的物理过程 1.渗润阶段 分子力作用，土壤颗粒吸收成薄膜水。非饱和水流。 2. 渗漏阶段 毛管力、重力作用，水分向下运动，水分逐渐饱和。非饱和水流。 3. 渗透阶段 重力作用，水分饱和。饱和水流。,二 、下渗实

10、验 1. 直接测定法 （1）注水法：同心环下渗仪（略）。 （2）人工降雨法（略） ： 2. 水文分析法：流域水量平衡方程分析（略）,三、下渗率、下渗能力、下渗曲线、下渗公式 1、下渗率：单位时间内渗入单位面积土壤中的水量（mm/min，mm/h）。 2、下渗能力：充分供水条件下的下渗率（EM)。,3、下渗曲线、霍顿（Horton)下渗公式：,起始下渗率,稳定下渗率,系数,第六节 径流 降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。 地表径流 组成 表层流（壤中流） 地下径流,一、径流的形成过程 流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。

11、人为划分 产流过程 汇流过程,径流形成过程示意图,植物截留,下渗,填洼,R1,R2,R4,R3,总结： 1.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。 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,2.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。 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。 由于汇流途径不同，汇流特征（汇流时间、速度）不同。 河网汇流： 从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面。,二、径流的表示方法 1. 流量（Q）：m3/s，洪峰流量 Q m，日平均流量. 2. 径流量（W）：时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m3。 3. 径流深（R）：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水 层深度，mm。,4.径流模数（M）：流域出口断面流量与流域面积之比值， L/(skm