工程水文学第二章水文循环与径流形成

'第二章水文循环与径流形成⒈水文循环与水量平衡⒉河流与流域3.降水、蒸散发、下渗、径流 第一节水文循环与水量平衡一、自然界的水文循环地球上存在的各种水体以蒸发、降水、入渗和径流等方式进行的往复交替的运动过程，称为水文循环。 水循环示意图大循环小循环小循环 1、大循环：海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。2、小循环：海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，又称为内循环。 二、地球上的水量平衡水量平衡原理：在水文循环过程中，对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。水量平衡方程：I、O——给定时段内输入、输出该地区的总水量△S——时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。 以陆地作为研究范围水量平衡方程为：以海洋为研究对象水量平衡方程为： 对多年平均情况：△Sc、△So趋于零。所以：合并得：或: 三、流域水量平衡以流域作为研究范围水量平衡方程为：对于多年平均情况而言：△S趋于零，故其水量平衡方程为： 第二节河流与流域一、河流1、河流的形成与分段、干流、支流、水系概念⑴形成：地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。⑵分段：河源、上、中、下游、河口。 ⑶干流、支流、水系概念：干流：直接流入海洋、湖泊的河流。支流：流入干流的河流。Strahler河流分法：①无支流汇入的河流为一级河流。②两条同级别的汇合而成的比原来高一级。③两条不同级别河流汇合取较高者。干流：水系中最高级别的河流。 水系：脉络相同的大小河流所构成的体统。 黄河流域水系图 2、河流的基本特征⑴河长自河源沿主河道至河口的距离称为（km）。量取方法：曲线仪或分规。⑵河流的断面：横断面：垂直流向纵断面：沿中泓线 3.河道纵比降：⑴概念任意河段两端（水面或水底）的高差△h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。水面比降、河底比降。⑵比降计算 比降计算计算示意图 二、流域1、流域概念汇集地面水和地下水的区域,即分水线所包围的区域。出口河网流域示意图分界线(分水线）①某一断面流域②河口断面流域 ①闭合流域②不闭合流域 2、流域边界线勾绘： 3、流域基本特征⑴流域的几何特征①流域面积F(km2），采用方格法、求积仪法量面积。②流域长度（L）、平均宽度（M）L（km），采用同心圆法。M（km）：F/L。③河网密度ΣL/F（km/km2）④流域形状系数：M/L⑤流域平均高度和平均坡度采用方格法。 ①流域面积F（km2）求积仪法、数方格法 ②流域长度（L）和平均宽度（M）出口河网 ⑤流域平均高度和平均坡度方格法，方格交叉点值平均。 ⑵流域自然地理特征①地理位置：经纬度。反应水文循环的强弱。②气候条件：降水、蒸发、湿度、气温、气压、风速等。决定流域水文特征。③下垫面条件地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等。反应每一水系形成的具体过程，并影响径流的变化规律。 第三节降水降水：雨、雪、霰、雹、露、霜。一、降水的形成与分类⑴降水的形成三因素：水汽、上升运动、冷却凝结。原理:地面湿热气团上升膨胀、冷却、凝结、成云、形成降水。 ⑵降水的分类对流雨地形雨锋面雨气旋雨①对流雨形成：上升的空气形成动力冷却而致雨称为对流雨。特点：降雨强度大，历时短、雨区较小。 ②地形雨特点：因空气本身温湿特性，运行速度及地形特点而异。 Precipitationonthe“windward”sideMountainDryonthe“leeward”sideLiftingofmoistaircurrentsovermountainbarriersCommoninthewestcoastofU.S. ③锋面雨锋面活动产生的降水称为锋面雨。锋面：温湿特性不同的气团相遇时，在其接触区由于性质不同来不及混合而形成的不连续面。锋面与地面的交线称为锋线，习惯上称为锋。锋面分类：按运动学观点分为：冷锋、暖锋、静止锋、锢囚锋。 特点：降雨强度大、历时短、雨区范围较小。冷锋雨 暖锋雨特点：降雨强度小、历时长、雨区范围大。 ④气旋雨Ⅰ、温带气旋雨 Ⅱ、热带气旋雨 我国降水量地区分布 二、降水量观测器测法方法雷达探测气象卫星云图1、雨量器分辨率0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。 2.自计式雨量计虹吸式翻斗式称重式(1)虹吸式分辨率：0.1mm降雨强度适用范围：0.01～4.0mm/min。 Tippingbucketgauge:funnelingthecollectedraintoasmallbucketthattiltsandemptieseachtimeitfillsTheprecipitationdepthdeterminedbasedonthenumberofbuckettilts 三、降水特性的描述⒈降水量：一定时段的降雨量，单位：mm。⒉降水历时：降水持续时间，单位：min，h，d。⒊降雨强度：单位时间降雨量，单位：mm/h，mm/d。瞬时降雨强度，平均降雨强度。 ABCDE45mm57mm69mm66mm78mm四、流域平均面雨量计算1、算数平均法 2、泰森多边形法66mmDA45mmC69mm57mmBE78mmA1A2A3A4A5测站ai(%)Pi(mm)ai·Pi(mm)A244510.8B215712.0C376925.5D8665.3E10787.8合计10061.4 第四节蒸散发蒸散发是水文循环的重要环节。流域蒸发：水面蒸发土壤蒸发陆面蒸发植物散发 一、水面蒸发：器测法间接计算法1.器测法：水文部门普遍采用E—601型蒸发器。每日8时观测一次，得日蒸发量；可计算月蒸发量、年蒸发量。 二、土壤蒸发1、土壤蒸发过程三个阶段：第一阶段：土壤充分湿润，供水充足E接近最大蒸发能力EM。第二阶段：土壤水分减少，供水条件变差，E逐渐减小。第三阶段：水分运动十分缓慢，蒸发率很小。 三、流域总蒸发包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发及植物散发。水量平衡法：某一时段：多年平均： 中国蒸发量地理分布 第五节下渗水透过地面进入土壤的过程，称为下渗。是在分子力、毛细管力和重力综合作用下发生的物理过程。一、下渗的物理过程1.渗润阶段分子力作用，土壤颗粒吸收成薄膜水。非饱和水流。2.渗漏阶段毛管力、重力作用，水分向下运动，水分逐渐饱和。非饱和水流。3.渗透阶段重力作用，水分饱和。饱和水流。 二、下渗实验1.直接测定法（1）注水法：同心环下渗仪（略）。（2）人工降雨法（略）：2.水文分析法：流域水量平衡方程分析（略） 三、下渗率、下渗能力、下渗曲线、下渗公式1、下渗率：单位时间内渗入单位面积土壤中的水量（mm/min，mm/h）。2、下渗能力：充分供水条件下的下渗率（EM)。3、下渗曲线、霍顿（Horton)下渗公式：起始下渗率稳定下渗率系数 第六节径流降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。地表径流组成表层流（壤中流）地下径流 一、径流的形成过程流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。人为划分产流过程汇流过程 径流形成过程示意图①植物截留②下渗③填洼R1R2R4R3 总结：1.产流过程：降雨扣除损失成为净雨的过程。①降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等的。②净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。地面净雨→地面径流③表层流净雨→表层流或壤中流地下净雨→地下径流地面径流总径流过程 2.汇流过程：净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，再沿河网汇集到流域出口断面的过程。坡地汇流：坡面漫流:流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源；表层流径流:由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长的暴雨，也是构成河流流量的主要来源。坡地地下汇流:地下水补给河流，构成河流的基流。由于汇流途径不同，汇流特征（汇流时间、速度）不同。河网汇流：从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面。 二、径流的表示方法1.流量（Q）：m3/s，洪峰流量Qm，日平均流量...2.径流量（W）：时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m3。3.径流深（R）：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，mm。 4.径流模数（M）：流域出口断面流量与流域面积之比值，L/(s·km2)，洪峰流量模数，多年平均流量模数。5.径流系数（α）：径流深与流域平均降雨量的比，α<1。 作业:1、２：２－２、２－３。3、某流域面积1000km2，流域多年平均降雨量1400mm，多年平均流量20m3/s，问该流域多年平均蒸发量为多少？若修建一水库，水库面积为100km2，当地实测蒸发器读数的多年平均值为2000mm，蒸发器折算系数为0.8，问建库后流域多年平均流量是多少？'