水文学基本知识

第二章水文学基本知识2.1河流与流域2.2降水与下渗2.3河川径流2.4水文测验与信息采集2.1河流与流域金沙江俯瞰2.1河流与流域河流：由雨水、冰川或地下径流在地球引力作用下汇集，经常（周期性）地沿着它本身所营造的延续延伸的凹地流动的水流。流域：汇集地表和地下径流的区域。2.1河流与流域一、河流基本特征1.河流长度(L)自河源沿河道至河口的长度。可在地图上量出。深泓线(溪线)——河槽中沿流向各最大流速点的连线。中泓线(溪线)——河槽中沿流向各最大水深点的连线。2.河流的弯曲系数(φ)河流长度(L)与河源到河口之间的直线距离(L┴)之比。Φ=L/L┴2.1河流与流域一、河流基本特征3.河槽特征（1）河流断面河谷：排泄河川径流的连续凹地；河槽：被水流占据的河谷底部；河流横断面：与水流方向垂直的断面；过水断面：包括水位线在内的横断面；基本河槽(主槽)：枯水期水流所占据的河槽；2.1河流与流域一、河流基本特征3.河槽特征（1）河流断面洪水河槽：只有汛期洪水泛滥所及部位。河流纵断面：沿中泓线的断面。反映河床的沿程变化，是推求水流特性和估算水能蕴藏量的主要依据。河流断面2.1河流与流域一、河流基本特征3.河槽特征（2）河流平面形态平原蜿蜒性河道的形成，是由于横向环流与纵向水流共同造成，使凹岸呈深槽，凸岸呈浅滩。P16图2-2。2.1河流与流域一、河流基本特征4.河流纵降比（比降）任意河段首尾两端的高程差与其长度之比。当河流纵断面近于直线时，按下式计算：LhJ01hhhh0h1h2h3h4h5l1l2l3l4l5L2012211102)()()(LLhlhhlhhlhhJnnnω1ω2ω1=ω2纵断面呈折线时纵比降计算示意图2.1河流与流域一、河流基本特征5.河流分段一条河流沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口5段。河源河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等。上游紧接河源，多处于深山峡谷，呈“V”形，坡陡流急，河谷下切强烈，常有急滩瀑布。瀑布山涧峡谷2.1河流与流域一、河流基本特征5.河流分段中游河段坡度渐缓，河槽变宽，两岸常有滩地，河床较稳定，呈“U”形。下游河流的最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，淤积明显，浅滩和河湾较多。河口河流注入海洋或内陆湖泊的地段，因流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三角洲。黄河中游急流长江中游淮河下游段长江下游段黄河河口2.1河流与流域二、流域基本特征1.分水线与流域（1）分水线流域的周界。由四周山脉的脊线组成。可由地形图勾出。地表分水线地下分水线一般情况下，地表分水线和地下分水线基本一致，对于大面积的流域，稍有差异也可忽略不计。但在某些条件地表分水岭和地下分水岭下不一致。地表分水线与地下分水线示意图章2.1河流与流域二、流域基本特征1.分水线与流域（2）流域地面分水线闭合且与地下分水线重合的流域称为闭合流域。否则称非闭合流域。前者相邻流域不发生水量交换，后者发生水量交换。流域平面图章干流分水线流域示意图出口断面集水面积支流水系2.1河流与流域二、流域基本特征2.流域的几何要素（1）流域面积F（km2）分水线所包围的面积。在地形图上定出流域分水线，然后量出它所包围的面积。河流水质的“流域面积效应”——流域面积越大，流域内河流水质差异越小。（2）流域长度L（km）流域的轴长。（1）以河口为圆心绘制同心圆（2）作圆弧的割线交于流域周线（3）通过割线中点作流域轴线，轴长即是流域轴线流域出口（3）流域平均宽度B（km）流域面积与流域长度的比值B＝F/L（4）流域形状系数流域平均宽度与流域长度的比值f＝B/L＝F/L2（5）河网密度单位面积河流总长度。表示一个地区河网的疏密程度。河网Flii2.1河流与流域二、流域基本特征3.流域自然地理特征包括:(1)地理位置：反映流域所处的气候。(2)气候特征：包括降水、蒸发、温度、湿度、气压、风等要素。是河流形成和发展的主要因素，也是决定流域水文特征的重要因素。(3)流域下垫面条件：包括地形、地貌、土壤、植被、湖泊等因素。它们影响径流的变化规律。2.2降水与下渗一、降水大气中的水分以各种形式降落到地面称为降水，是河川径流的来源。1.降水要素与降水量观测降水要素：降水量、降水历时、降水强度降水量——指一定时段降落在某区域上的总水量，单位mm。如12小时降雨量、日降雨量，月降雨量，年降雨量等。降雨量反映了时段内雨量的多少。2.2降水与下渗降雨历时——一次降水所经历的时间。常用分(min)、小时(h)、日(d)、月(m)、年(a)等单位。降雨强度——单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。一般用雨强对降雨分级。降雨等级划分如下：24h雨量(mm)0.10.1～1010～2525～5050～100100～200200等级微雨小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨降水量观测降水量以降落在地面上的水层深度表示，单位mm。8时至次8时降水量为当日降水量。降水量可采用器测、雷达探测或利用气象卫星云图估算。雨量器一般采用人工定时(8时、20时)观测，雨季要增加观测次数。自记雨量计自动记录降雨量，不需人为干预。方便、快捷。有三种类型：称重式、虹吸式和翻斗式。虹吸式自记雨量计承雨器时钟虹吸管记录纸容器浮子储水瓶自记笔雨量器翻斗式雨量计翻斗每承接0.1mm雨水向记录器输送一个脉冲信号。较为适用作遥测雨量计。称重式式雨量计虹吸式雨量计气象雷达利用云、雨、雪等对无线电波的反射来发现目标。根据雷达探测到的降水回波位置、移动方向、移动速度和变化趋势等资料，可预报探测范围内的降水量、降水强度及起迄时刻。雷达探测目前水文业务利用地球静止卫星云图资料。在卫星云图上，一些天气系统可以根据特征云型分辨出来。气象卫星云图2.2降水与下渗一、降水2.降水特征的表示方法（1）降水累积曲线表示自降水开始到某时刻t为止的这一时段内的总降水量。曲线上每个时段的斜率表示其平均降雨强度。（2）降水过程线表示降水的时间变化过程。2.2降水与下渗一、降水2.降水特征的表示方法（3）等雨量线反映一定时段内降水量的空间分布。根据105个测站绘制的降水量等值线根据26个测站绘制的降水量等值线2.2降水与下渗一、降水3.流域平均降水量在工程设计中，常需要掌握一个流域或区域特定时段平均降水量，即面降水量。（1）算术平均法优点：计算简便缺点：精度不高。适用条件：雨量站较密且分布均匀，地形平缓。nliipnP1（2）等雨量线法降雨量具有地区分布规律，根据雨量站的降雨量的空间分布，绘制等雨深线，按面积加权计算流域面雨量。降雨量等值线示意图（2）等雨量线法式中:fi—两条相邻等雨量线间的面积；Pi—fi上的平均雨深。优点：精度高缺点：工作量大，应用受限适用条件：流域雨量站足够多niiinnFfpFfpfPfPP12211（3）泰森多边形法（加权平均法）当流域内雨量站分布不均匀时，假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代表。流域平均降水量。式中：fi/F表示第i雨量站的面积权重。niiifPFP11泰森法划分雨量站控制面积示意图。。。。f1f2f3f4P1P2P3P4某一流域有n个雨量站P1,P2,…Pn要求划分各雨量站权重面积(1)勾绘n-２个锐角三角形(2)绘制三角形各边的垂直平分线(3)量算n个雨量站的权重面积f1,f2,…fn2.2降水与下渗二、下渗概念：下渗是水从地表渗入土壤和地下水的运动过程。过程：在重力、分子吸引力和毛管力作用下，下渗分为三个阶段：渗润阶段分子吸引力作用，直至土壤含水量达最大分子持水量。渗漏阶段毛管力和重力作用，直至土壤饱和。渗透阶段重力作用，呈稳定运动。此时的下渗率称稳定下渗率，单位mm/h。下渗率的变化规律，可用下渗公式或下渗曲线表达。如霍顿下渗公式：参数f0、fc及β为初渗率、稳渗率和递减系数，反映土壤特性，根据实验资料推求。f（t）=fc+（f0－fc）e－βtf0fctft=（f0－fc）e-βt＋fc霍顿下渗曲线2.3河川径流一、河川径流及其表示方法1.河川径流概念：径流是指流域上的降水，由地面和地下汇入河网，并沿河槽流动的水流。分类：按流动的路径可分为：地表径流和地下径流。按所含组分可分为：固体(泥沙)径流和溶解质径流。2.3河川径流一、河川径流及其表示方法2.河川径流量的表示方法（1）流量(Q)单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s、L/s。流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示。2.3河川径流一、河川径流及其表示方法2.河川径流量的表示方法（2）径流总量(W)指一段时间内通过河流某一过水断面的总水量，单位为m3、万m3、亿m3。W=QT（3）径流深度(Y)将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度，以mm为单位。Y=W/(F×1000)2.3河川径流一、河川径流及其表示方法2.河川径流量的表示方法（4）径流模数(M)单位流域面积上平均产生的流量，常用单位为m3/(s·km2)。即：M=1000×Q/F（5）径流系数(α)同一时段内的径流深度与降雨量之比值。即：α=Y/P2.3河川径流二、河川径流形成过程及其影响因素1.径流形成过程概念在流域中，从降水到达地面至水流从流域出口断面流出的物理过程。tPQt蒸发蒸腾地下水运动降水蒸散水文过程地表径流入渗土壤水运动汇流概化的径流形成过程：降雨开始时，一部分滞留在植物枝叶上，称植物截留。降落到地面上的水量向土中入渗，除补充土壤含水量外，逐步向下层渗透，如能达到地下水面，则成为地下径流。表层土壤的含水量首先达到饱和后，继续下渗的雨量沿饱和层的坡度在土壤孔隙间流动，注入河槽形成径流，称为壤中流（表层流）。当降雨强度超过了土壤下渗能力时，产生的超渗雨沿坡面向低处流动，称为坡面漫流。扣除植物截留、下渗、填洼后的雨量进入溪沟，最后成为流域出口径流，这部分径流称为地面径流。不透水层不透水层不透水层R2R1fEP包气带通气层径流形成过程（流域产流）ΔVR3潜水层浅层地下水层R4深层地下水层压力水层降水蒸发下渗植物截留与洼蓄地表径流壤中径流潜水深层地下水河流进入河网的水流，从上游向下游，从支流向干流汇集，最后全部先后流经流域出口断面，这个汇流过程称为河网汇流。坡面汇流河网汇流流域汇流过程流域出口径流形成过程中的从降雨扣除各项损失称为产流阶段；坡面汇流及河网汇流称为汇流阶段。产流过程(阶段)——由降雨P形成净雨R的过程。即R＝P－P损式中，P损包括植物截留、填洼、下渗、蒸发等损失水量。植被截留：林冠在短时间内截持并释放出雨水的现象。植被的截留类似于土壤的渗透现象，降雨进入林冠后产生初始截留强度，林冠饱和后，仍有一定截留能力－稳定截留强度。汇流过程(阶段)——净雨通过坡地、河网汇集到流域出口断面的过程，可细分为坡地汇流和河网汇流。2.3河川径流二、河川径流形成过程及其影响因素2.河川径流影响因素水量平衡方程：P-R-E=ΔWR=P-E-ΔW(1)气候因素为影响径流的主要因子，属急变因素。上式中，P、E属于气候因素。R随P增大而增大，随E增大而减少。E又与气温、湿度有关。(2)地理因素包括地理位置、地形、植被、流域大小等。它们从不同角度影响径流。2.3河川径流二、河川径流形成过程及其影响因素2.河川径流影响因素(3)人类活动因素人类在流域上进行的各种活动，包括兴建水利工程、大面积灌溉、水土保持措施、土地利用方式等。直接影响：引水工程（南水北调），修建水库等间接影响：植树造林，城市化等以上因素除气侯以外，统称为下垫面因素。2.4水文测验与信息采集水文测验：系统地收集和整理水文资料的全部技术过程。基本场所：水文站。其任务是按一定标准对指定地点(断面)的水文要素作系统观测和资料整编。观测项目(水文要素)：水位、流量、泥沙量、冰情、水化学等。5/392.4水文测验与信息采集一、水位观测水体自由水面相对于某一基面的高程，称为水位，单位m。我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。观测常设备有水尺和自记水位计两大类。采用水尺观测时：水位=水尺零点高程+水尺读数自记水位