第2章 水循环及径流形成

第二章水循环及径流形成2.1水循环及水量平衡2.1.1自然界中的水循环地球上的水循环是指海洋水、陆地水和大气水之间的互相转换和运动水循环是指自然界的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈四大圈层中通过各个环节连续运动的过程。大循环：发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程小循环：发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程(1)大循环与小循环水循环通过各个环节，使大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互联系起来，并在它们之间进行能量交换；水在运动中夹带溶解物质和泥沙而使物质迁移；通过水循环运动，使各种水体相互转化，使水资源形成不断更新的统一系统。(2)水循环的意义(3)影响水循环的因素自然因素气象因素:温度、湿度、风速、风向等自然地理条件:地形、地质、土壤、植被等地理位置人为因素2.1.2水量平衡2.1.2.1水量平衡原理在水循环过程中，对于任一地区(或任意水体),在给定的时段内,输入的水量和输出的水量之差必等于蓄水量的变化量,这就是水量平衡原理.是水文计算中始终遵循的一项基本原理。水量平衡的基本方程:I-O=W2-W1=ΔW（2-1）式中:I──给定时段内输入区域(或水体)的水量,mm;O──给定时段内输出区域(或水体)的水量,mm;W1、W2──给定时段始末区域(或水体)的蓄水量,mm;ΔW──时段内蓄水量的变化量,ΔW0表示区域蓄水量增加,ΔW0则蓄水量减少,mm2.1.2.2全球水量平衡方程(1)对于某一时段Δt就全球的海洋,其水量平衡方程为:P洋+R-E洋=ΔWs(2-2)就全球的陆地,其水量平衡方程为:P陆-R-E陆=ΔWl(2-3)式中:P洋、P陆──分别为海洋和陆地在时间段Δt内的降水量;R──在时间段Δt内流入海洋的径流量;E洋、E陆──分别为海洋和陆地在时间段Δt内的蒸发量;ΔWs、ΔWo──分别为海洋和陆地在时间段Δt内蓄水量的变化量对于全球,显然为(2-2)和(2-3)式相加,即:P洋+P陆-(E洋+E陆)=ΔWs+ΔWo（2-4）(2)对于多年平均:由于每年的ΔWs、ΔWo有正有负,多年平均值为零,故有:海洋:P洋+R=E洋（2-5）大陆:P陆-R=E陆（2-6）全球:P洋+P陆=E洋+E陆（2-7a）即:全球多年的平均蒸发量等于多年平均降水量(2-7b)2.1.2.3流域水量平衡对于一个天然流域,时间段Δt内的水量平衡方程式为:P+W入=R+E+W出+ΔW（2-8）式中:P、R、E──时间段Δt内流域降水量、径流量和蒸发量;W入──时间段Δt内从外流域流入本流域的水量;W出──时间段Δt内本流域流入外流域的水量;ΔW──时间段Δt流域地面及地下蓄水量的变化量对于无跨流域引水的闭合流域,W入、W出均为0,则一般常用的流域年内水量平横方程式为:P=R+E+ΔW（2-9）（2-10）就长期来说,ΔW各年有正有负,其多年平均的流水量平衡方称为:2.2河流和流域河流是接纳地面和地下水的天然泄水道，是水循环的路径之一。降水经地面和地下补给河流，是河水的主要来源。由于重力的作用，河水不断切割和冲刷河床，在顺流而下的过程中，水流又不断的向两旁侵蚀，使河床逐渐扩大。这样，最初的小沟变成小溪，再由小溪发展成为小河，直至大江大河。2.2.1河流的水情要素(1)水位:指水体的自由水面高出某一基面以上的高程.基面:绝对基面:它是以某河河口平均海平面为零点,目前全国统一采用青岛基面(即黄海基面)测站基面:指测站最枯水位以下0.5-1米做起算零点的基面假定基面：为计算测站水位或高程而暂时假定的水准基面(常在水文测站附近没有国家水准点,而一时不具备接测条件)(2)流速:指河流中水质点在单位时间内移动的距离(3)流量:指单位时间内流经某一过水断面的水量2.2.2河流特征(1)河流分段河流分段：河源、上游、中游、下游、河口河长：自河源沿干流到河口的流程长度(2)河流断面河流横断面:与水流方向垂直的断面(图2-1)图2-1河谷横断面1---枯水位;2---洪水位河流纵断面:指沿河流中线或溪线垂直剖切的河道断面(图2-2)图2-2河流纵断面图(3)河道纵比降(河道坡度):单位河长的落差.河道纵比降是推算河流水能蕴藏量的主要依据当河段纵断面近于直线时,比降可按下式计算:当河段纵断面呈折线时,按下式计算河道的平均纵比降:图2-2河流纵断面图(4)水系、河网水系:河流的干流及全部支流构成脉络相通的系统,又称河系或河网水系分类:扇形水系、羽状水系、平行水系、混合水系(5)河网密度河网密度是指流域或一定地区平均单位面积内的河流长度,单位km/km2,它表示一个地区河网的疏密程度,能综合反映一个地区的自然地理条件,河网密度越大，泄水能力越强2.2.3流域特征闭合流域:地面分水线与地下分水线一致的流域.非闭合流域:地面分水线与地下分水线不一致的流域.大中型流域通常可认为是闭合流域。河流出口断面的地表水和地下水的集水区域称河流的流域2.2.3.1分水线分水线:相邻两流域的界线。分水线是一个流域的边界线.分水线有地面分水线和地下分水线之分，图2-3地面分水线与地下分水线示意2.2.3.2流域几何特征:(1)流域面积:河流出口断面集水区域的面积。由河源至河口集水面积是随着河长的增加而增加的。(2)流域长度：从流域出口到流域最远点的流域轴线长度(3)流域平均宽度:流域面积除以流域长度(4)流域形状系数:流域平均宽度与流域长度之比值2.2.3.3流域的自然地理特征(1)地理位置:流域所处的地理坐标及其离海洋的距离以及与别的流域、山岭的相对位置（2）气候:降水、蒸发、温度、湿度和风（3）地形:地形特征可用流域平均高程和平均坡度来表示。它是河川径流的主要影响因素之一（4）土壤及地质:土壤的性质（如结构）、岩石的水理性（如透水性和给水性）、流域的地质构造（如地层的褶皱、断层等）。对下渗水量及河流的泥沙都有影响。（5）植被（6）湖泊和沼泽2.3降水及其特征大气中的水汽以液态或固态形式到达地面，称为降水。其主要形式是降雨和降雪，其他形式有雹、露、霜等2.3.1降水的成因及分类降水的形成过程:地面暖湿空气2.3.1.1降水的成因抬升冷却凝结为大量的云滴降落成雨、雪、雹降水的先决条件:气流上升产生动力冷却而凝结,而水气含量的大小及动力冷却程度,则决定着降水量和降水强度的大小2.3.1.2降水类型根据气流上升冷却的原因不同,可把降水划分为4种类型:气旋雨对流雨地形雨台风雨冷空气和暖空气相遇时，相对较轻的暖空气被“抬升”，遇冷凝结而产生的降水，叫锋面雨(1)气旋雨:由于气旋或低压过境而产生的雨非锋面雨和锋面雨(冷锋雨、暖锋雨、静止锋雨和锢囚锋雨)在中纬度的季风区，锋面雨较多。全国各地锋面雨都在60%以上；华中和华北地区超过80%冷锋雨的特点：强度大、历时短、雨区面积小暖锋雨的特点：强度小、历时长、雨区面积大（2）对流雨地面局部受热，下层湿度比较大的空气膨胀上升，与上层空气形成对流，动力冷却致水，叫对流雨。对流雨以低纬度最多，特别是赤道地区。在中高纬度，这种降雨多发生在夏季酷热的午后，降雨强度大、范围小、历时短，常常形成小流域的暴雨洪水。（3）地形雨近地面的暖湿空气运移过程中,遇山脉阻挡时，将沿山坡抬升，由于动力冷却而致雨。（4）台风雨：大量暖湿空气围绕台风中心旋转上升，其中的水汽冷却凝结而形成的降水台风又叫热带风暴。当台风登陆后，将强大的海洋湿热气团带到大陆，造成狂风暴雨浙江临安特大暴雨引发泥石流，一辆汽车被泥石流掩埋安徽含山县街道被洪水淹没，官兵驾冲锋舟抢救灾民今年13号台风“泰利”9月1日在福建莆田登陆后，先后影响福建、浙江、江西、安徽、湖北等省，一些地区发生了高强度的特大暴雨，局部降雨高达900多毫米，由此引发部分地区出现了严重的山洪、泥石流和滑坡等灾害。截至9月5日统计，此次灾害过程因灾死亡95人，失踪30人，直接经济损失121.9亿元。2.3.2影响降水的因素2.3.2.1自然因素2.3.3.2人为因素(1)地理位置(2)地形(3)森林和水体(4)气旋、台风途径2.3.3降水的基本要素（1）降水量降水量是指在一定时段内降落在某一面积上的总水量。降水量可以用体积（m3）表示，但通常以深度（mm）表示。（2）降水历时和降水时间降水历时：一次降水过程所经历的时间降水时间：对应于某一降水量而言的时间长（3）降水强度单位时间内的降水量，以mm/min或mm/h计(4)降水面积某次降水所笼罩的水平面积(5)降水中心指一次笼罩面积上降水量最为集中且范围较小的局部地点。降水强度的等级标准我国气象部门按一日雨量大小，将降雨分为小雨、中雨、大雨和暴雨4级。10mm以下为小雨；10-25mm为中雨；25-50mm为大雨；50-100mm为暴雨；超过100mm为大暴雨；超过200mm为特大暴雨在实际工作中常根据雨强进行分级，常用分级标准如表2-1所示表2-1降水强度分级2.3.4降水的时空分布特征表示方法（1）降水量过程线降水量过程线：以时段降水量为纵坐标，时段顺序为横坐标绘制而成的柱状图（或曲线）（2）降水量累积曲线以时间为横坐标,以降水开始到该时刻的累积降水量为纵坐标的折线(或曲线)该曲线某段的坡度,即为该时段的平均降水强度。（3）等雨量线等雨量线能清晰地反映一次降雨的空间分布.等雨量线图是研究降水分布、暴雨中心移动及计算流域平均雨量的有力工具2.3.5流域平均降水量计算雨量站观测的降水量只代表那一点的降水，而形成河川径流的则是整个流域上的降水量，对此，可用流域平均降水量来反映(1)算术平均法当流域内雨量站网密度较大，且雨量站分布均匀，流域内地形起伏变化不大时，可用流域内各站同时段降水量（X1，X2...X）之和除以雨量站数n，即时段流域平均降水量值，其计算式为当流域雨量站分布不均匀时多用此法。先在流域平面图上将就近的各相邻雨量站用直线连接，构成若干个三角形。然后作三角形各边的垂直平分线。这些垂直平分线将流域划分成若干个部分面积f1、f2...fn。每块面积内正好有一个雨量站。如同时段降雨量为X1、X2...Xn，则流域平均降雨量可用下式计算(2)泰森多边形法（垂直平分线法、加权平均法）(3)等雨量线法在较大流域内，地形起伏大且对降雨影响显著，最好用等雨量线法求流域平均雨量。2.4蒸发与散发蒸发是水由液态或固态变成气态的过程。流域内总蒸发量包括水面蒸发和陆面蒸发。陆面蒸发包括土壤蒸发和植物散发两部分。2.4.1水面蒸发水面蒸发:水面的水分子由液态转化为气态向大气扩散、运移的过程蒸发潜热:单位水量从液态变为气态所吸收的热量凝结潜热:水汽分子因本身受冷或受到水面分子的吸引作用而重回水面所放出的热量蒸发量:从蒸发面跃出的水量和返回蒸发面的水量之差值,称为有效蒸发量蒸发率(蒸发强度):单位时间蒸发的水深2.4.1.1基本概念2.4.1.2水面蒸发的物理过程（1）太阳辐射蒸发必须消耗热量，在蒸发过程中如果没有热量供给，蒸发面就会逐渐冷却，从而使蒸发面上的水汽压降低，于是蒸发减缓或逐渐停止。因此蒸发速度在很大程度上决定于热量的供给。（2）饱和水汽差饱和水汽压差是指水面温度的饱和水汽压与水面上空一定高度的实际水汽压之差。蒸发速度与饱和差成正比。（3）风2.4.1.3影响水面蒸发的因素自然因素（4）气温气温决定空气中水汽含量的能力和水汽分子扩散的速度。当风速等其他因素变化不大时，蒸发量随气温的变化成指数关系（5）水质溶液中有溶质存在时溶液内分子间的作用力大于纯水内分子的作用力；混浊程度、水体的颜色都会影响反射率。（6）蒸发表面情况蒸发表面面积大,蒸发作用进行的快水体的深浅对蒸发有一定的影响2.4.2土壤蒸发2.4.2.1土壤蒸发过程土壤的水份蒸发过程一般可分为3个阶段(1)第一阶段:稳定蒸发阶段在充分供水条件下，土壤十分湿润的，土壤蒸发强度为:Em--土壤蒸发能力(指在一定的气象条件下,充分湿润的土壤表面可能最大蒸发量)，近似等于这时的水面蒸发率在这阶段中,蒸发速率主要受气象条件的影响(2)第二阶段:蒸发强度显著下降阶段其蒸发量的大小主要决定于土壤含水量,另外