第三章-水文学-河流

水文学西南大学地理科学学院主讲人：卞鸿雁2014年10月（Hydrology）河流、水系和流域河流的水情要素河流的补给3.13.23.3第三章河流河川径流的变化河水的运动3.63.5河川径流的形成过程3.43.1河流、水系和流域3.1.1河流一、河流定义：降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力的作用下，经常或周期性地沿着流水本身造成的洼地流动的水流。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。藏语称藏布，蒙古语称郭勒。河流所经过的线状凹地称为河谷，又叫河槽、河道。河谷组成上包括以下部分：河床、河漫滩、谷坡、沙洲、阶地丽江金沙江北东岸多级阶地地貌丽江金沙江虎跳峡上游河谷中的江心洲广东清远地下河裸露的嘉陵江河床二、河流的分段每一条河流都有河源与河口，而较大河流的流程通常按地质━━地理特征分成上、中、下游三段，即河流共分成五段。河流分段依据主要有：a、按河槽的纵比降划分；b、按河槽的形态与组成物质划分；c、按地貌形态划分；d、按支流的汇集和河道的弯曲状况及流向②上游：指紧接河源的河段，常常穿行于深山峡谷之中。③中游：指介于上游与下游的河段。①河源：指河流最初具有地表流水形态的地方。河源的确定标准：河流长度、水量大小、河流弯直和历史习惯。一般可为溪、泉、冰川、沼泽或湖泊等。因此常常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。特征：河谷窄，呈“V”字形，河床多为基岩或砾石；比降和流速大；侵蚀（下切和溯源侵蚀）强烈，纵断面呈阶梯状，多急流瀑布；流量小；水位变幅大。特征：河谷展宽，呈“U”字形，河床多为粗砂；比降和流速减小；下切侵蚀减弱而侧蚀显著；流量较大；水位变幅较小。④下游：介于中游与河口的河段。⑤河口：河流的终点，即河流与接受水体的结合地段。特点：河谷宽广,呈“︶”形，河床多为细砂或淤泥；比降很小；流速也很小；水流侵蚀力弱，淤积显著，多浅滩沙洲和汊河湾道；流量大；水位变幅较小。接受水体可以是海洋、湖泊、沼泽或上一级河流。在河流的入海、入湖处，因水流分散，流速骤然减小，常有大量泥沙淤积，形成三角洲，因土地肥沃，常成为重要的粮食基地。在干旱地区，由于河水沿途强烈的蒸发和下渗，以致河水全部消失于沙漠之中，没有河口，称为瞎尾河或无尾河，如塔里木河。入海河流的河口，又称感潮河口，受径流、潮流和盐度三重影响。一般把潮汐影响所及之地作为河口区。河口区可分为河流近口段、河口段和口外海滨三段，如右图所示。从某种意义讲，可以把河流近口段与河口段的分界处视为河流真正意义上的终点。长江流域水系图宜昌湖口黄河流域水系组成图河口孟津长江三角洲遥感影象图黄河三角洲遥感影象图三、河流的分级流域水系中各种大小不等的沟道与河流，可用河流的级别来表示。河流分级方法主要有两类：河流分级示意图一是，从河流水系的研究分析方便考虑，把最靠近河源的细沟作为一级河流，最接近河口的干流作为最高级别的河流，然而，这在具体划分上又存在不同的做法，如下图。二是，把流域内的干流作为一级河流，汇入干流的大支流作为二级河流，汇入大支流的小支流作为三级河流，如此依次类推。四、河流特征参数①河流落差：指河流上、下游两地的高程差。河源与河口的高程差，即为河流的总落差。某一河段两端的高程差，称之为河段落差。（1）河流纵断面(纵剖面)河流的纵断面是与水流方向一致的断面，是指沿河流轴线的河底高程或水面高程的沿程变化。故河流纵断面可分为河槽(底)纵断面(指河底高程的沿程变化)和水面纵断面(水面高程的沿程变化)两种。河流纵断面图②河流比降：一般是指河流纵比降，即单位河长的落差，也称坡度。河流比降有水面比降与河床比降之分，两者不尽相等，但因河床地形起伏变化较大，故在实际工作中多以水面比降代表河流比降。设某河段i的比降为Ji，则Ji＝(Zi-Zi-1)／Li式中：Ji—河段i的河底或水面比降，常用以百分率（%）、千分率(‰)表示Zi、Zi-1—分别为河段i的上、下游断面的水面或河底高程；Li——河段i的长度（m）。（2）河流横断面(横剖面)指河流某处垂直于主流方向河底线与水面线所包围的平面。不同水位有不同的水面线，其断面面积也不相同。河流横断面是决定输水能力、流速分布、河流横比降和流量的重要因素。通常河水面不是一个严格的几何平面，而是一个凹凸曲面，存在着横比降。主要原因是由于地转偏向力和弯道离心力作用，使得流速分布不均匀，发生凹凸变形。河流横断面图①大断面：是指最大洪水时的水面线与河底线包围的面积。②过水断面：是指某一时刻水面线与河底线包围的面积。常用的过水断面形态要素有：过水断面面积F，湿周P（即过水断面上被水浸湿的河槽部分），水面宽度B，平均深度H，水力半径R（R=F/P），糙度n（指河槽上的泥沙、岩石、植物等对水流阻碍作用的程度,常用糙率系数n表示，可从下表查出）等，这些要素与河流的过水能力有密切的关系。河槽糙率系数表深泓线：是指沿流程各断面河床最深点的平面平顺连接线。在通航河道中，深泓线的位置往往就是航道的所在位置。主流线：为沿流程各断面最大垂线平均流速处的平面平顺连接线。围绕主流线两侧一定宽度内平均单宽流量较大的流带，称为主流带。在某些河流上，主流带在洪水期往往呈现出浪花翻滚、水流湍急的现象，肉眼可以看得很清楚。主流线通常也叫水流动力轴线，具有“大水趋直，小水趋弯”的倾向。主流线与深泓线，两者在河段中的位置通常相近而不一定重合，但有的河段有时也可能相差很远。主流线与深泓线位置示意图（3）河流的深泓线与主流线河流长度：从河源到河口的长度称为河流长度。河流长度可沿河道深泓线或中轴线在河道地形图上量取。常用L表示，以km计。量算河长，通常在较大比例尺的地形图上，用曲线计或两脚规量取。量算河长应采用最新资料为好。世界最长河流为非洲尼罗河，6650km；世界第二长河为南美亚马孙河，长6437km；长江为世界第三长河，长6300km。由于量算方法和采用的地形图不同，以及河源的选取也有差别，因此同一河流量算出的结果会有较大的出入。（4）河流的长度与宽度河流宽度：指河槽两岸间的距离，它随水位变化而变化。洪、中、枯水河槽示意图水位常有洪、中、枯水之分，因而河槽宽度相应有洪水河宽、中水河宽和枯水河宽。通常意义下的河宽多指中水河槽宽度，即河道两侧河漫滩滩唇间的距离。指某河段的实际长度与该河段直线距离之比值。可用下式表示：式中：K为弯曲系数；L为河段实际长度（km）；l为河段的直线长度（km）。河流的弯曲系数K值越大，河段越弯曲，对航运和排洪就越不利。lLK（5）河流的弯曲系数下荆江自由河曲极为发育，横向摆幅达20～40千米，河弯曲折率平均为3，素有“九曲回肠”之称。河流侵蚀基准面：指河流在冲刷下切过程中其侵蚀深度并非无限度，往往受某一基面所控制，河流下切到这一基面后侵蚀下切即停止，此平面称为河流侵蚀基准面。侵蚀基准面可以是能控制河流出口水面高程的各种水面，如海面、湖面、河面等，也可以是能限制河流向纵深方向发展的抗冲岩层的相应水面。这些水面与河流水面的交点称为河流的侵蚀基点(如右图)。河流的冲刷下切幅度受制于侵蚀基点。（六）河流侵蚀基准面与侵蚀基点河流侵蚀基准面示意图河流侵蚀基准面可进一步地分为终极侵蚀基准面和局部侵蚀基准面。2.1.2水系一、水系定义：指河流从河源到河口沿途接纳众多的支流并形成复杂的干支流网络系统。由干流、各级支流及与河流相通的湖泊、沼泽、水库等组成。鄱阳湖流域水系及其在长江流域中的位置水系的名称通常以干流的河名命名；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①河网密度：水系总长与水系分布面积之比，即单位面积内河道的长度。可用下式表示：D＝∑L/F式中：D为河网密度（km/km2）；∑L为河流总长度（km）；F为流域面积（km2）。二、水系的特征参数河网密度表示一个地区河网的疏密程度。河网的疏密能综合反映一个地区的自然地理条件，它常随气候、地质、地貌岩石土壤和植被等条件不同而变化。一般地说，在降水量大，地形坡度陡，土壤不易透水的地区，河网密度较大；相反则较小。例如我国东南沿海地区比西北地区河网密度大。②河系发育系数：各级支流总长度与干流长度之比。一级支流总长度与干流长度之比称为一级河网发育系数，二级支流总长度与干流长度之比称为二级河网发育系数，等等。河流的发育系数越大，表明支流长度超过干流长度越多，对径流的调节作用越有利。③河系不均匀系数：干流左岸支流总长度和右岸支流总长度之比，表示河系不对称程度。不均匀系数越大，表明两岸汇入干流的水量越不平衡水系内湖泊面积或沼泽面积与水系分布面积（流域面积）之比。由于湖泊或沼泽能调节河水流量，促使河流水量随时间的变化趋于均匀，减少洪水灾害和保证枯水季节用水。因此，湖泊率和沼泽率越大，对径流的调节作用越显著。④湖泊率和沼泽率：三、水系的类型水系的平面形态千奇百异，主要受地质构造、地理条件以及气候因素所影响。常见水系形态可归纳为树枝状水系、扇形水系、羽状水系、平行状水系、格状水系等。西江水系海河水系三江并流淮河水系闽江水系2.1.3流域一、分水岭、分水线和流域山峰、山脊、鞍部和分水线①分水岭：相邻两个流域之间的山岭或高地。降落在分水岭两边的降水沿着两侧的斜坡汇入不同的流域。如秦岭为长江与黄河的分水岭。②分水线：指相邻两个水系或流域之间的分界线，是分水岭最高点的连线。降落在分水线两侧的降水分别注入两个流域。③流域：由分水线所包围的河流或湖泊的地面集水区和地下集水区的总和。流域平面图流域分水线示意图流域的地面分水线和地下分水线一般不重合。对于这种情况，将有部分降水渗入地下流到相邻流域而流失，则这种流域称为非闭合流域；若地面分水线和地下分水线重合，全部降水都通过地面径流与地下径流流向该流域出口，此流域称为闭合流域。通常情况下，可以把流域视为闭合流域。二、流域特征流域面积：流域地面分水线和出口断面所包围的面积，在水文上又称集水面积，单位是平方公里。河网密度：流域中干支流总长度和流域面积之比。单位是公里/平方公里。其大小说明水系发育的疏密程度。流域形状：对河流水量变化有明显影响。流域高度：主要影响降水形式和流域内的气温，进而影响流域的水量变化。流域方向或干流方向：对冰雪消融时间有一定的影响。流域形态指标：包括流域的长度、平均宽度、长宽比、对称性和平均坡度等项。3.2河流的水情要素水情要素是反映河流水文情势及其变化的因子。它主要包括水位、流速、流量、泥沙、水化学、水温和冰情等。通过这些因素反映河流在地理环境中的作用，及其与自然地理环境各组成要素之间的相互关系，也是研究水文规律的基础。2.2.1水位水位：即水面位置或水面高程，河流水位是指河流某处的水面相对于某一基面的高度。基面：又叫基准面，是高程的起算面，指高程起算的固定零点。基面可分绝对基面和相对基面。绝对基面(也称标准基面)：是以某一入海河口的平均海平面为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口）、黄海基面等，我国规定统一采用青岛基面。相对基面（也称测站基面）：是以观测点最枯水位以下0.5-lm处作为零点的基面。相对基面可减少记录和计算工作量，但它与其他水文站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。一、水位的定义与基面观测水位最简便、常用的方法是在河岸设置水尺，定时读数；水位计自动监测。自动水位监测计河岸水尺二、水位过程线水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。水位过程线与历时曲线过程线最高水位历时曲线最低水位水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线三、特征水位在河流水文研究中，通常用到各种特征水位值。①最高水位与最低水位最高水位指研究时段内水位最高值，有日最高、月最高、历年最高值等。主要用于防洪。②平均水位指研究时段内的水位平均值，有日、月、年、多年平均水位。③平均最高水位与平均最低水位指历年最高水位的平均值和历年最低水位的平均值。④中水位指研究时段内，水位历时曲线上历时为50%的水位。如一年逐日水位中的中水位，是指有半数日期高