1.水文基本概念

3水文基本概念1、水文学可分为水文气象学、地表水文学和地下水文学。2、陆地水文学主要研究存在于大陆表面上的各种水体及其水文现象的形成过程与运动变化规律。按目前的任务方向，业务水文基本划分为水文测验及资料整编、水文水利计算、水文预报三个领域。J.1.1自然界水循环的概念地球上的水以液态、固态和气态分布于地面、地下和大气中，形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地下水和大气水等水体，构成一个浩瀚的水圈。水圈处于永不停息的运动状态，水圈中各种水体通过蒸发、水汽输送、降水、地面径流和地下径流等水文过程紧密联系，相互转化，不断更新，形成一个庞大的动态系统。在太阳能的作用下，自然界中的水分不断地从水面、陆面和植物表面蒸发，化为水汽上升到高空，然后被气流带到其他地区，在适当的条件下凝结，又以降水的形式降落到地面上。到达地面的水，在重力作用下，一部分渗入地下成为地下水，一部分形成地面径流流入江河汇归海洋，还有一部分又重新蒸发回到大气中。其中渗入到地下的地下水，一部分也逐渐蒸发，一部分渗入到地下，增加土壤的水份，补给地下水，最终也流入海洋。水的这种不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的转化、迁移和交替的往复循环过程，称为水文循环（也称为水分循环）。如图J.1.1-1所示，为水文循环过程示意图（图中数字为全球水循环各环节年度数值。4图J.1.1-1水文循环过程示意图（单位：万km3/a）水自海洋以水汽进入空气中，被气流带到大陆以降水的形式到达地表或地下，最后又以径流注入海洋，完成一次循环，称为水文大循环。水从海洋蒸发，又降落到海洋，或从陆地的水体、土壤蒸发进入大气，最后又以降水的形式回到陆地上，这种“就地”蒸发就地降落的水循环，称为水文小循环。水文循环无始无终，大致沿着海洋（或陆地）→大气→陆地（或海洋）→海洋（或陆地）的路径，循环不已。水文循环的内因，是水的三态（液态、气态和固态）在常温下相互转换的物理特性，而外因则是太阳的辐射能和地心引力。在地面以上平均约11km的大气对流层顶至地面以下1～2km深处的广大空间，无处不存在水文循环的行踪。全球任何一个地区或水体都存在着各具特色的区域水文循环系统，各种时间尺度和空间尺度的水文循环系统彼此联系、制约，构成了全球水文循环系统。水文循环包括许多过程。一般都要经过蒸发、降水（包括凝结过程）、径流形成（包括地面和地下径流以及下渗过程）和大气水分输送四个重要环节。不同纬度带的大气环流使一些地区成为水汽源地，那里蒸发大于降水，而使另一些地区成为水汽辐合区，那里降水大于蒸发。降水可形成径流，不同规模的跨流域调水工程能够改变地面径流的路径。5J.1.2河流、水系、流域的概念1、河流降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力作用下经常地或周期地沿流水本身造成的洼地流动，这就是河流。河流在我国的称谓很多，较大的称江、河、川、水，较小的称溪、涧、沟、曲等。河流根据其地理-地质特征可分为河源、上游、中游、下游和河口五段，多数发育成熟的河流，五段特征比较明显。河源是河流最初具有地表水流形态的地方，也是全流域海拔最高的地方，通常与山地冰川、高原湖泊、沼泽和泉相联系。上游指紧接河源的的河段，一般特征为侵蚀强烈、河谷窄、纵断面比降大或呈阶梯状,并多急滩和瀑布，水流流速大、水量小。中游水量逐渐增加，但比降已较和缓，流水下切力已开始减小，河床位置比较稳定，侵蚀和堆积作用大致保持均衡，纵断面往往成平滑下凹曲线。下游河谷宽广，河道弯曲，河道比降小，河水流速小，淤积作用显著，多处可见浅滩和沙洲。河口是河流的终点，是河流入海、入湖或汇入更高级河流处，经常有泥沙堆积或形成三角洲，有时分汊现象显著。以海洋为最后的归宿，流入海洋的河流称为外流河；流入内陆湖泊或沼泽，或因渗漏、蒸发而消失于荒漠中的河流称为内流河，也叫“无尾河”或“瞎尾河”。水文学一般描述河流特征的要素有以下几种：（1）河流长度。从河源起始断面，沿河流中泓线至终了断面的距离，以“L”表示，单位为km。（2）河流弯曲率。天然河流一般是弯曲的，在河流上取两横断面，两横断面间沿河流中泓线的长度与该两横断面中泓点之间的直线长度的比值为该河段的弯曲率。（3）河流比降。河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面之间中泓6线长度的比值，用小数或百（千、万）分数表示。常用的比降有水面比降和河底比降。河流沿程各河段的比降都不相同,一般自河源向河口逐渐减小。水面比降随水位的变化而变化,河底比降则较稳定。当河段纵断面近于直线时,比降按下式计算:lhlhhJl0(2-8);式中J--河段的比降lh、0h--河段上、下断面水面或河底高程,m;l--河段长度,m。当河底高程沿程变化时,可在纵断面图(如图2-3)上从下断面河床处作一斜线,使斜线以下的面积与原河底线以下面积相等,该斜线的坡度即为河道的平均比降,其计算式为:2012211102)(......)()(LLhlhhlhhlhhJnnn(2-9)式中ho,…hn--自下游到上游沿程各点河底高程,m;lo,…ln--相邻两点间的距离,m;L--河段的全长,m。河源与河口的高程差，称河流的总落差；而某一河段两端的高程差，则是这一河段的落差。（4）河流纵断面。河流中沿水流方向各断面深泓点河底的连线称为中泓底线，反映了河床高程的沿程变化。通过中泓底线的竖直剖面称为河流7的纵断面。与对应水面高程（水位）沿程变化水面线所夹持的过流纵断面区为水流纵剖面。以河底高程为纵轴，距河口的距离为横轴建立直角坐标系，据实测河底高程值定出各点的坐标，连接各点即得到河流的纵断面图。河流纵断面图能够直观地反映河流比降的变化。（5）河流横断面。指河流垂直于水流方向的剖面，可据实测河道地形高程数据绘出横断面图。断面内通过水流的部分称为过水断面，相应的面积为过水断面面积。不同水位的河槽，相应的过水断面面积不同。(6)左岸、右岸。面向下游,左边的河岸称为左岸,右边的河岸称为右岸。2、水系河流沿途接纳很多支流，并形成复杂的干支流网络系统，这就是水系。在我国河流编码标准中，有两条以上大小不等的支流以不同形式汇入干流，才构成一个河道体系，称为水系或河系。水系中的河流有干、支流之分。干流一般是指水系中最长、水量最大的那一条河流。但有些河流的干流，既不是最长也非水量最大，而是历史传承的延续。例如，我国的汉水（湑水）和它的支流褒水会合点以上，褒水的长度比汉水长得多，按长度论，汉水的干流应该是褒水而不是汉水。美国的密西西比河比它的支流密苏里河短得多，但是习惯传承把前者当作干流。流入干流的河流称为支流。而支流又有一级、二级、三级…之分。在我国，一种惯用的方法是，把直接汇入干流的河流称一级支流，汇入一级支流的称二级支流，以此类推。受地质构造、地理条件以及气候等因素所影响，自然形成的水系，平面形态千奇百异，但归纳起来主要有羽毛状、平行状和混合状三大类。羽毛状水系的支流自上游而下游，在不同地点依次汇入干流，相应的流域形8状多为狭长形；平行状水系的支流与干流大体成平行趋势相交汇，相应的流域形状多为扇形；混合状水系的支流与干流的关系介于前两者之间，相应的流域形状也介于狭长和扇形之间。人工精心设计开挖形成的平原水系可为网状结构。水系的形状影响着洪水汇合的先后，集中的快慢及流量的大小。对面积相同，水系形状不同的流域，同一场暴雨形成的流域出口断面流量过程线明显不同。平行状水系由于各支流汇集到流域出口断面的同时性强，所产生的洪水过程较急剧（过程线较尖瘦）；羽毛状水系各支流由于汇集到流域出口断面的时间相互错开，所产生洪水的过程线较矮胖；混合状水系产生的洪水过程则介于以上两者之间。水系的名称通常以干流的河名命名，如长江水系、黄河水系、珠江水系等。但也有用地理区域或把同一地理区域内河性相近的几条河作为综合命名，如湖南省境内的湘、资、沅、澧四条河流共同注入洞庭湖，称为洞庭湖水系；江西省赣江、抚河、信江、饶河、修水均汇入鄱阳湖，称为鄱阳湖水系；海河、滦河、徒骇河及马颊河都各自入海，称为华北平原水系等。我国水文资料整编规范和流域管理机构对水系也有较明确的的规定，一般只将较大的或独立性较强的支流才规定为水系，如黄河的水系规定为黄河、洮河、湟水、窟野河、无定河、汾河、渭河、泾河、北洛河、伊洛河、沁河、大汶河。3、流域每一条河流和每一个水系都从一定的陆地区域（包括一定深度）上获得补给，这部分陆地便是河流和水系的流域,实际上就是河流和水系在陆地的集水区。河流和水系的地面集水区与地下集水区往往并不是重合的，但地下集水区很难直接测定，所以在分析水文地理特征或进行水文计算时，9多用地面集水区代表河流的流域。由两个相邻集水区之间的最高点连接成的不规则曲线，即为两条河流或两个水系的分水线（或地面分水线）。对于任何河流或水系来说，分水线之内的范围（面积），就是它的流域（面积）。补给内流河的流域范围称为内流流域。补给外流河的流域范围称为外流流域。水文学一般描述流域特征的要素有以下几种：（1）流域面积。流域地面分水线和（或）出口断面所包围区域的水平面积，又称集水面积，基本单位为km2。中国河流众多，流域面积在100km2以上的河流约5万条，流域面积在1000km2以上的河流约1500条，超过1万km2的河流有79条，其中长江流域面积达180万km2。在同等降水情况下，流域面积大小直接影响河流水量大小及径流的形成过程。（2）河网密度。单位流域面积上的河流长度。即流域中干支流总长度和流域面积之比，基本单位为km/km2。（3）流域长度和平均宽度。对于全凸形的流域，以流域出口为圆心作一组不同半径的同心圆，在每个圆与流域分水线相交处（两点）作割线，各割线中心点的连线的长度即为流域的长度，以km计。流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度，以km计。对于有凹形的流域，圆与流域分水线相交处可能为多点，应具体分析确定两个参数。（4）流域形状。表示流域形状特征的参数一般有形态因子、形状系数（也叫圆度）和伸长比。流域面积与流域长度平方的比值称为形态因子。流域分水线的实际长度与流域同面积圆的周长之比称形状系数（也可用流域面积与周长和流域周长相等的圆面积相比）。流域形状系数接近于1时，流域的形状接近于圆形，这样的流域易造成大的洪水。流域形状越狭长，流域形状系数越小，径流变化越平缓。面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值称伸长比，伸长比越小，流域越趋于狭长形。10（5）流域高度。指流域范围内地表的平均高程。主要影响降水的形式和流域内的气温，进而影响流域的水量变化。流域平均高度可用式(J.1.2-1)计算H0=(a1h1+a2h2＋...+aihi)/A（J.1.2-1）式中H0——流域平均高度，m；ai——相邻两等高线间的面积，km2；hi——相邻两等高线的平均高度，m；A——流域总面积，km2。（6）流域坡度。流域上两点之间的坡度是该两点高差与他们之间直线距离的比值。由于流域地面高低不平，故流域坡度是空间位置的函数。它是坡地漫流过程的一个影响因素，在小流域洪水汇流计算时，是一个重要参数。流域平均坡度按式（J.1.2-2）计算J=(a1J1+a2J2＋...+aiJi)/A（J.1.2-2）式中J——流域平均坡度；Ji——相邻两等高线间的平均坡度；ai——相邻两等高线间的面积，km2；A——流域面积，km2。（7）流域自然地理特征包括流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等。(a)流域的地理位置。流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示,它可以反映流域所处的气候带,说明流域距离海洋的远近,反映水文循环的强弱。(b)流域的气候特征。包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素。它们是河流形成和发展的主要影响因素,也是决定流域水文特征的重要因素。11(c)流域的下垫面条件。下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等情况,这些要素以及上述河道特征、流域特征都反映了每一水系形成过程的具体条件,并影响径流的变化规律。在天然情况下,水文循环中的水量,水质在时间上和地区上的分布与人类的需求是不相适应的。为了解决这一矛盾,长期以来人