水循环与径流形成

2019/10/51第二章水循环及径流形成研究对象1.自然界的水循环及水量平衡2.河流与流域3.降雨、蒸发、下渗及径流研究内容1.自然界水循环及水量平衡2.河流、流域特征及其对水文变化的影响3.降水成因、分类、观测4.蒸发观测与计算5.下渗观测与计算6.径流及其形成过程7.全球、流域水量平衡2019/10/52一自然界的水循环第一节水循环及水量平衡2019/10/53一自然界的水循环1水循环定义2水循环的原因3水循环分类4水循环的主要环节5水循环与水资源的关系6水文循环作用定义：地球上各种水体中的水在太阳辐射和地心引力作用下以蒸发、水汽输送、降水、下渗和径流等方式进行的永无休止的往复交替运动过程。陆地大气陆地小循环，陆地海洋大气海洋小循环，海洋小循环海洋陆地大气大循环，海洋水文循环主要环节：降水、蒸发、下渗、径流关系：水循环供给陆地源源不断的降水、径流。某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即为该地区的水资源量，因此水循环的变化将引起水资源的变化。水循环是一切水文现象的变化根源。外部因素：地心引力、太阳辐射太阳辐射为水分蒸发提供热量，促使液态、固态的水变成水汽，并引起空气流动；地心引力使空中水汽以降水形式回到地面，并促使地表水、地下水汇入海洋。另外，陆地上的地形、地质、土壤、植被等条件对水文循环也有一定的影响。内部因素：水的物理三态（固、液、气）在一定条件下可以相互转换。水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。它对地球环境的形成、演化和人类生存都有着重要的作用和影响。正是由于水文循环，才使得人类生产和生活中不可或缺的水资源具有了可再生性和时空分布的不均匀性，提供了江河湖泊等地表水资源和地下水资源，同时也造成了旱涝灾害，给水资源的开发利用增加了难度。研究水文循环的目的在于认识其基本规律，揭示其内在联系，这对合理开发利用水资源、抵御洪旱灾害等都有重要的意义。2019/10/54二地球的水量平衡1水量平衡原理定义：在水循环过程中，地球上任一区域，在一定时段内进入水量与输出水量之差等于其蓄水变化量。地位：它是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式，也是水文学的基本原理，更是水文学最成熟的理论。作用：有助于了解水循环各要素的数量关系，估计地区水资源量。2水量平衡方程将水量平衡原理应用于某一区域，对某一时段Δt:式中：I为给定时段内输入研究区域的总水量；O为给定时段内输出研究区域的总水量；△S为给定时段内研究区域蓄水量的变化量。SOI2019/10/55二地球的水量平衡3全球水量平衡全球=陆地+海洋oollERPERPS0ooolllSERPSERPSEPSSEEPPololol全球：Δt：陆地：海洋：多年平均：陆地：海洋：mmEPEEPPolol1130或全球：2019/10/56区域面积多年平均降水量多年平均蒸发量多年平均径流量106km2mmkm3mmkm3mmkm3陆地1498001190004857200031547000海洋3611270458000140050500013047000全球51011305770001130577000全球水量平衡表2019/10/57非闭合流域水量平衡方程：三流域水量平衡流域12)(SSRRERREPgOsOOgIsIISSSRRERRPgOsOgIsI12)(蒸发与凝结合并：EO-EI=E2019/10/58三流域水量平衡闭合流域水量平衡方程：多年平均：闭合流域多年平均水量平衡方程降水、径流、蒸发是流域水量平衡的中的三个基本要素SSSREP12)(REP0S11niin2019/10/59第二节河流与流域主要内容：河流及其特征、流域及其特征；学习要求：了解河流、水系的基本概念；掌握河流主要特征的计算方法；掌握流域、闭合流域、非闭合流域的基本概念以及流域特征对径流的影响。2019/10/510一河流河流定义：汇集一定区域内地表水与地下水的天然泄水通道，由流动的水体与容纳水流的河槽两大要素构成。降水降落到地表，除下渗、蒸发等损失外，形成的地表水在重力作用下沿着陆地表面上的有一定坡度的凹地流动，地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇成河流。2019/10/511与河流相关的一些概念河谷：河流流经的谷地。河床或河槽：河谷底部有水流的部分。枯水期水流所占据的河床称为主槽；仅在汛期才被洪水淹没的河床部分称为河漫滩。主槽滩地枯水位洪水位2019/10/512左、右岸：面向下游，位于身体左侧的河岸为左岸，位于身体右侧的河岸为右岸。凹、凸岸：弯曲河段沿流向的平面水流形态呈凹形的岸称为凹岸，相反称凸岸；凹岸凹岸凸岸凸岸与河流相关的一些概念2019/10/513干流：将汇集的水流注入海洋、湖泊甚至沙漠等的河流。如长江、黄河、珠江，以及塔里木河(消失于沙漠)、石羊河(入湖)等。支流：将汇集的水流注入一个更高一级河流的河流；支流分级：直接汇入干流的河流称为干流的一级支流，直接汇入一级支流的河流称为干流的二级支流，依此类推。南溪河黑河泾河渭河黄河岔巴沟大理河无定河黄河河系或水系：河流的干流及其全部支流以及流域内的湖泊、沼泽等水体彼此连接构成的脉络相通的水流系统。水系通常用干流命名，如长江水系、黄河水系；或以归宿的湖泊而定名，如洞庭湖水系，鄱阳湖水系等。222213333干流与支流示意图1水系、干流和支流2010.07长江水系2019/10/516按照河段不同特性，一条发育完整的河流沿水流方向，自高向低可分为以下五段，可以划分为河源、上游、中游、下游和河口五部分。2河流分段2019/10/517河源河流的发源地，可以是溪涧、泉水、湖泊、沼泽、冰川等。黄河扎陵湖澜沧江扎曲长江各拉丹东2019/10/518河源长江发源于唐古拉山主峰各拉丹冬西侧的姜根迪如冰川；黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓海拔4500米的卡日曲泉眼；黑龙江发源于额尔古纳河和石勒喀河，高山冰雪；珠江发源于云南省沾益县境内的马雄山水洞流水；塔里木河发源于天山西段的山地降水及冰雪融水。2019/10/519上游紧接河源，多处于深山峡谷，坡陡流急，河谷下切剧烈，常有急滩或瀑布白水河黄果树瀑布高77.8m，宽101.0m2019/10/520中游河槽地势渐趋缓和，水流下切力减弱，旁蚀力加强，河道有弯曲，两岸逐渐开阔，河面增宽，水量增加，水面比降减缓，冲淤接近平衡状态，两岸常有滩地，河床较稳定2019/10/521下游处于平原区，河床宽阔，河床坡度和流速较小，淤积明显，多浅滩和河湾2019/10/5222019/10/523河口河流的终点，河流注入海洋或内陆湖泊的地方，河口泥沙大量淤积，往往形成三角洲2019/10/524长江河口2019/10/525黄河河口2019/10/526黄河河口2019/10/527滦河入海口2019/10/528勒拿河三角洲2019/10/529外流河：注入海洋的河流；内流河：注入内陆湖泊或消失于沙漠中的河流。如新疆塔里木河、青海格尔木河长江、黄河的上中下游分界点：长江源头——湖北宜昌——江西湖口黄河源头——内蒙古河口镇——河南桃花峪2019/10/530长江上中下游分界点宜昌湖口2019/10/531黄河上中下游分界点2010.073水系形态扇形水系平行水系羽状水系﹡思考:水系形态对河流水情的影响？扇形：汇流时间短，形成尖瘦洪水过程羽毛形：汇流时间长，形成矮胖洪水过程根据河流干支流分布形态，水系分为扇形水系、羽状水系、平行水系、混合水系。2019/10/5334河流长度自河源沿干流到流域出口的长度，L，km在一定比例尺地形图上量出河口河源2019/10/5345河网密度单位面积内的河流河流干、支流的总长度称为河网密度。河网Flii河网密度越大，流域切割程度越大，径流汇集越快；反之，则流域排水不畅，径流汇集缓慢。河网密度越大，河道滞蓄水量越大，对下游防洪越有利。2019/10/5356河流弯曲系数河流长度L与河源到河口间直线距离l的比值。河口河源lL河流弯曲系数表示河流平面状态的弯曲程度越大河流越弯曲，河网汇流时间长，河槽调蓄能力越大一般平原河流大于山区河流，下游大于上游2010.07横断面：河流某处与水流平均流向或主流方向垂直的断面。两边以河岸、下面以河底为界、上面为水面。包括水位线在内的横断面则叫过水断面，其面积称为过水断面面积。河流横断面能表明河床的横向变化；任一条河流自河源至河口有无数个横断面，各横断面形状各异，受冲淤变化影响。7河流断面河床主槽滩地枯水位洪水位2010.07单式断面枯水位洪水位主槽复式断面枯水位洪水位主槽一阶滩地二阶滩地单式断面：只有主槽而无滩地的断面。复式断面：既有主槽又有滩地的断面。横断面：2019/10/5387河流断面纵断面：沿河流深泓线的剖面。深泓线：河槽中沿水流方向从河源到河口的各横断面最大水深点的连线。中泓线：河槽中沿水流方向从河源到河口的各横断面水流表面最大流速点的连线。深泓线中泓线2019/10/539用高程测量法测出深泓线上若干个河底地形变化点的河底高程，以河长为横坐标，河底高程为纵坐标，可绘制河槽的纵断面图河流纵断面绘制作用：可反映河底纵坡和落差的沿程分布是推算河流水能蕴藏量的主要依据2019/10/540长江纵断面图2019/10/541落差：河段两端的高程差Δh=h上-h下当河段纵断面呈直线时，比降计算：J=(h上-h下)/l=Δh/l当河段纵断面呈折线时，河道平均纵比降推求方法如下：8河道纵比降lh上h下2019/10/542h0h1h2h3h4h5l1l2l3l4l5L2012211102)()()(LLhlhhlhhlhhJnnn河道平均纵比降计算示意图ω1ω2ω1=ω22019/10/543二流域及其特征1流域与分水线概念流域：河流某一横断面以上汇集地面水和地下水的区域称为流域。分水线：流域四周地面最高点的连线，通常就是流域四周山脉的脊线。例如，降落在秦岭以南的雨水流入长江，降落在秦岭以北的雨水则汇入黄河，秦岭便是长江和黄河的分水岭。对较小流域而言，其间虽无山岭，但有地形上的脊线，也构成分水线。2019/10/5442019/10/545PERS2019/10/546闭合流域和非闭合流域河流水源有地面水和地下水之分，同样分水线也有地下水分水线和地面水分水线之分。二者一般大体一致，但有时受地貌特征和水文地质条件的影响，二者可能不一致。地面分水线与地下分水线的水平投影重合的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水线的水平投影不完全重合的流域称为非闭合流域。完全闭合流域是不存在的。在实际工作中，除了有石灰岩溶洞等特殊地质情况外，对于一般大中流域而言，当对所讨论问题影响不大时，多按闭合流域考虑。2019/10/5471流域面积F（km2）流域地面分水线所包围区域的水平投影面积。通常先在适当比例尺的地形图上定出流域分水线，然后量出它所包围的面积作用：自然条件相似的情况下，流域面积越大，河流水量越大。分水线流域面积河流2019/10/5482流域长度L（km）流域轴线（1）以河口为圆心绘制同心圆（2）作同心圆弧割线交于流域周线（3）通过割线中点作流域轴线，其长度为流域长度流域河口作用：流域长度越大，汇流时间越长，洪峰流量越小，利于下游防洪。2019/10/549流域平均宽度B（km）定义：流域面积与流域长度的比值B＝F/L作用：B越小，流域形状越狭长，水流越分散，形成的Qm越小，洪水过程线越平缓；若B≈L，则流域形状近似方形，水流越集中，形成的Qm越大，洪水过程越集中。3流域平均宽度B2019/10/550定义：流域平均宽度与流域长度的比值K=B/L=F/L2作用：K越大，流域形状近似于扇形，洪水过程越集中，形成尖瘦型洪水过程线；K越小，流域形状越狭长，洪水过程越平缓，形成矮胖型洪水过程线。4流域形状系数K2019/1