水文学5第五章 径流课件.ppt

'第五章径流 径流是水循环的基本环节，又是水量平衡的基本要素，它是自然地理环境中最活跃的因素。从狭义的水资源角度来说，在当前的技术经济条件下，径流则是可资长期开发利用的水资源。河川径流的运动变化，又直接影响着防洪、灌溉、航运和发电等工程设施。因而径流是人们最关心的水文现象。 流域的降水，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流，称为径流。液态降水形成降雨径流，固态降水则形成冰雪融水径流。 第五章径流第一节径流的形成过程第二节径流的表示方法第三节影响径流的因素 第一节径流的形成过程由降雨（或融雪）到水流汇集到河流出口断面的整个物理过程，称径流形成过程。径流形成过程是一个非常复杂的物理过程，根据各个阶段的特点，把径流形成划分为三个过程。一、流域蓄渗阶段二、坡地产流和汇流阶段三、河槽集流阶段 第一节径流的形成过程一、流域蓄渗阶段二、坡地产流和汇流阶段三、河槽集流阶段 一、流域蓄渗阶段 一、流域蓄渗阶段当雨水降落到地面上时，除一小部分（一般不超过5%）降落于河槽水面上的降水直接形成径流外，大部分降雨并不立即产生径流，而是消耗于植物截留、下渗、填洼与蒸发。在一次降雨过程中，流域上各处的蓄渗量及蓄渗过程的发展是不均匀的。因此，地面径流产生的时间和地方并不一致，有前有后，先满足蓄渗的地方先产流。 降雨开始时，除一少部分降落在河床上的雨水直接进入河流形成径流外，大部分降水并不立刻产生径流，而是首先要消耗于植物截留、枯枝落叶吸收、下渗、填洼与蒸发。 （一）植物截留植物截留是指降雨过程中植物枝叶拦蓄降水的现象。在降雨过程中植物枝叶吸附的雨水量－－截留量，在降雨开始阶段，截留量随降雨量正比增加，经过一段时间后，截留量将不再随降雨量的增加而增加，而是稳定在某一个值、此时达到最大截留量。截留过程贯穿在整个降雨过程中，积蓄在枝叶上的雨水不断被新的雨水替代。雨止后截留水量最终耗于蒸发。 在降雨过程中穿过植物枝叶空隙直接到达地面的降雨为穿透降雨，由枝叶表面滴下到达地面的降雨为滴下降雨。林内降雨由穿透降雨和滴下降雨组成。 植物截留量与降水量、降水强度、风、植被类型、郁闭度、枝叶的干燥程度等有关。一般情况下，降水量越大，植物截留量越大；降水强度越强，截留量越小；风越大，截留量越小；不同的植被有着不同的截留量，叶表面积越大，截留量越大，尤其是叶片表面的状况对截留量有很大影响；郁闭度越高，整个林分的截留量越大。 林冠截留量可以达到年降雨量的３０％，在湿润地区截留量对减少地表径流的形成有积极作用。但是在干旱地区，如何调节截留量，使更多的雨水到达地面，进入土壤，用于林木生长是干旱区造林工作中面临的新课题。 （二）枯枝落叶吸收穿过林冠层的降水到达地表之前，还要遇到枯枝落叶层的阻拦。枯枝落叶层一般都较为干燥，具有较强的吸收雨水的能力。枯枝落叶层吸收雨水能力取决于枯枝落叶的特性和含水量大小，一般情况下，枯枝落叶层越干，吸收的雨水量越大。枯枝落叶不但可以吸收雨水，而且还可以减缓地表径流流速，促使更多的径流渗入土壤，同时还可以过滤地表径流中携带的泥沙。 （三）下渗当雨水穿过枯枝落叶层到达土壤表面时，水分便开始下渗。下渗发生在降雨期间和降雨停止后地面尚有积水的地方。渗入土壤中的水分最终消耗于蒸发和蒸发散，还有一部分向深层渗透进入地下水。 （四）填洼为流域中各处的土壤特性、土层厚度、土壤含水量、地表状况等因素各不相同，所以，流域内各点出现超渗产流和蓄满产流的时间不同。首先出现产流的地方雨水在流动过程中还要填满流路上的洼坑,称为填洼。 对于山区流域来说，一次暴雨洪水过程中，填洼量所占比重不大，在10毫米左右，它最终将耗于蒸发及入渗，因此，在实际计算中往往被忽略。但在平原或坡度平缓的地面，由于地面洼坑较多，填洼量较大，可高达100毫米，流域填洼过程在径流形成过程中的作用十分显著。它不仅影响到坡面漫流过程，同时也影响到径流总量，因此，不容忽视。 超渗产流在降雨过程中当降雨强度小于土壤的入渗强度（能力）时，所有到达地表的雨水全部渗入土壤之中，但是下渗强度的空间变化很大，有些地方下渗能力强，有些地方下渗能力弱，在有些地方当降雨强度大于土壤的入渗强度时多余的雨水便在地表形成地表径流（超渗雨），这种产流方式称为超渗产流。超渗雨开始蓄积形成地面积水。 蓄满产流如果降雨强度小于下渗强度，下渗过程持续进行，当土壤中所有孔隙都被雨水充满后，多余的水分在地表形成径流，这种产流方式称为蓄满产流。 壤中流降雨过程中渗入土壤的水分不断增加，当某一界面以上的土壤达到饱和时，在该界面上就会有水分沿土层界面侧向流动，形成壤中流。 地下径流当降雨继续进行，下渗水分到达地下水面后，以地下水的形式沿坡地土层汇入河槽，形成地下径流。 小结在流域蓄渗过程中产生三种径流形式——地表径流、壤中径流和地下径流，因此，蓄渗过程也是流域的产流过程。在流域蓄渗过程中降雨必须满足四种损失，植物截留损失、枯枝落叶吸收损失、下渗损失、填洼损失，因此，流域的蓄渗过程也叫损失过程。 在流域蓄渗过程中，无论是植物截留、下渗、填洼、蒸散发及土壤水的运动，水的运行均受制于垂向运行机制。水的垂向运行过程构成了降雨在流域空间上的再分配，从而构成了流域不同的产流机制，形成了不同径流成分的产流过程。 在这一阶段中，凡是不构成径流的降水部分，称损失量。植物截留量、填洼量、下渗量和蒸发量都是损失量，但它们对于后续降水的产流都是有利的因素。在这一阶段中，河槽水流基本上没有大量的新的补给，主要仍靠前期地下水补给（可能有少量的河槽降水），因此，流量过程线无明显的变化。 二、坡地产流和汇流阶段 （一）坡面漫流扣除植物截留、入渗、填洼后的多余的降雨在坡面上以片状流、细沟流的形式沿坡面向溪沟流动的现象为坡面漫流。坡面漫流通常是在蓄渗容易得到满足的地方先发生，例如，透水性较低的地面（包括小部分不透水的地面）或较潮湿的地方（例如河边）等，然后其范围逐渐扩大。 满足填洼后的降水开始产生大量的地面径流，它沿坡面流动进入正式的漫流阶段。 在漫流过程中，坡面水流一方面继续接受降雨的直接补给而增加地面径流，另一方面又在运行中不断地消耗于下渗和蒸发，使地面径流减少。地面径流的产流过程与坡面汇流过程是相互交织在一起的，前者是后者发生的必要条件，后者是前者的继续和发展。 坡面漫流可能呈紊流或层流，其流态与降雨强度有关，其水的运行受重力和摩阻力所支配。 坡面漫流的流程一般不超过数百米，历时亦短，故对小流域很重要，而大流域因历时短而在整个过程中可以忽略。地面径流经过坡面漫流而注入河网。一般仅在大雨或高强度的降雨后，地面径流才是构成河流流量的主要源流。 （二）壤中流 壤中流及地下径流也同样具有沿坡地土层的汇流过程。它们都是在有孔介质中的水流运动。由于它们所通过的介质性质不同，所流经的途径各异，沿途所受的阻力也有差别，因此，水的流速不等。 壤中流（表层流）主要发生在近地面透水性较弱的土层中，它是在临时饱和带内的非毛管孔隙中侧向运动的水流。通常壤中流汇流速度比地面径流慢，但比地下径流快得多。 壤中流在总径流中的比例与流域土壤和地质条件有关。当表层土层薄而透水性好，下伏有相对不透水层时，可能产生大量的壤中流。在这种情况下，虽然其流速比地面径流缓慢，如遇中强度暴雨时，壤中流的数量可以增加很多，而成为河流流量的主要组成部分。 壤中流与地面径流有时可以相互转化，例如，在坡地上部渗入土中流动的壤中流，可能在坡地下部以地面径流形式汇入河槽，部分地面径流也可能在漫流过程中渗入土壤中流动。故有人将壤中流归到地面径流一类： （三）地下径流 均匀透水的土壤有利于水渗透到地下水面，形成地下径流。地下径流运动缓慢，变化亦慢，补给河流的地下径流平稳而持续时间长，构成流量的基流。但地下径流是否完全通过本流域的出口断面流出，取决于地质构造条件。 小结上述3种径流的汇流过程，构成了坡地汇流的全部内容，就其特性而言，它们之间的量级有大小、过程有缓急，出现时刻有先后，历时有长短之差别。对一个具体的流域而言，它们并不一定同时存在于一次径流形成过程中。 在径流形成中，坡地汇流过程起着对各种径流成分在时程上的第一次再分配作用。降雨停止后，坡地汇流仍将持续一定时间。 补充：流量过程线由一次降雨所形成的典型流量过程线包括涨水段、峰段和退水段。从开始起涨到第一个拐点称涨水段，代表流域滞蓄水量的增长所产生的流量的增长。峰段包括从涨水段上的拐点到退水段上的拐点间的部分。峰段最高点为最大流量，代表流域一次降水的最大汇流量。退水段的拐点通常被认为标志着地面入流停止到达河槽的时刻。此后，退水段代表从流域蓄水排出的水量。 tQ典型流量过程线涨水段峰段退水段 三、河网汇流过程各种径流成分经过坡地汇流注入河网后，沿河网向下游干流出口断面汇集的过程，即河网汇流过程。这一过程自坡地汇流注入河网开始，直至将最后汇入河网的降水输送到出口断面为止。坡地汇流注入河网后，使河网水量增加、水位上涨、流量增大，成为流量过程线的涨洪段。出口断面 此时，由于河网水位上升速度大于其两岸地下水位的上升速度，当河水与两岸地下水之间有水力联系时，一部分河水补给地下水，增加两岸的地下蓄水量，这称为河岸容蓄。同时，涨洪阶段，出口断面以上坡地汇入河网的总水量必然大于出口断面的流量，因河网本身可以滞蓄一部分水量，称为河网容蓄。 当降水和坡地汇流停止时，河岸和河网容蓄的水达最大值，而河网汇流过程仍在继续进行。当上游补给量小于出口排泄量时，即进入一次洪水过程的退水段。此时，河网蓄水开始消退，流量逐渐减小，水位相应降低，涨洪时容蓄于两岸土层的水量又补充入河网，直到降水在最后排到出口断面为止。此时河槽泄水量与地下水补给量相等，河槽水流趋向稳定。 上述河岸调节及河槽的调节现象，统称为河网调蓄作用。河网调蓄是对净雨量在时程上的又一次再分配，故出口断面流量过程线比降雨过程线平缓得多。 地下水位河岸调节作用 河网汇流的水分运行过程，是河槽中不稳定水流运动过程，是河道洪水波的形成和运动过程，而河流断面上的水位、流量的变化过程是洪水波通过该断面的直接反映，当洪水波全部通过出口断面时，河槽水位及流量恢复到原有的稳定状态，一次降雨的径流形成过程即告结束。 在径流形成中通常将流域蓄渗过程，到形成地面汇流及早期的表层流过程，称为产流过程，坡地汇流与河网汇流合称为流域汇流过程或汇流过程。径流形成过程流域蓄渗过程坡地汇流过程河网汇流过程地面汇流壤中汇流地下水汇流流域产流过程流域汇流过程 径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。 第二节径流的表示方法一、流量二、径流总量三、径流模数四、流量变率五、径流深度六、径流系数 第二节径流的表示方法⑴流量Q:单位时间内通过某过水断面的水量，以（m3/s）表示。流量有瞬时值、日平均值、年平均值及多年平均值等。流量过程线通过某断面的流量随时间的变化过程——以时间为横坐标，以流量为纵坐标，根据流量实测记录绘成的曲线。从流量过程线上可以看出流量在该时段的变化过程。 第二节径流的表示方法⑵径流总量W:在一定时段内通过某断面的水量，以m3或亿m3计。在流量过程线上时段T内流量过程线以下的面积，即为时段T的径流总量。有时也用其时段平均流量与时段的乘积表示，即W＝Q×T 第二节径流的表示方法⑶径流模数M:指流域出口断面流量与流域面积的比值，即单位时间单位面积上产生的水量。 ⑷流量变率K:是指某一时段的径流量与同一时段多年平均经流量之比。该值反映某一时段内经流量偏丰（K>1）或偏枯(K<1)的程度. ⑸径流深度R:将计算时段内的径流总量，均匀铺在某断面以上的流域面积上，其相应的水层深度即是径流深度，以mm表示。 ⑹径流系数α:指同一时段内径流深与降雨深的比值。0<α<1。径流系数反映了流域降水转化为径流的比率，综合反映了流域自然地理因素和人为因素对降水径流的影响。如α→0，说明降水主要用于流域内地各种消耗，其中最主要的消耗为蒸发。如α→1,说明降水大部分转化为径流流。 第三节影响径流的因素一、气象因素二、下垫面因素三、人类的活动 一、气象因素气候气象因素是影响径流的最重要的因素；包括降水、蒸发、气温、风、湿度等。有人称“河流是气候的产物”。 1.降水 降水是径流的源泉，径流过程通常是由流域上降水过程转换来的。降水总量、强度、过程及其在空间上的分布，对径流的形成和变化都有直接的影响。 降水形式不同的降水形式形成的径流过程完全不同，由降雨形成的径流主要发生在雨季，其过程一般陡涨陡落、历时短，而由融雪水形成的径流一般发生在春季，其过程较为平缓，历时较长。 降水量河川径流的直接和间接水源都是大气降水，因此，径流量的多少取决于降水量的大小，即河川径流量与降水量成正相关。 降水强度降水强度对径流的形成具有十分显著的作用，暴雨强度越大，植物截留、下渗损失越小，雨水能够在较短时间内向河槽汇集形成较大的洪水。 降雨过程降雨过程对径流也有较大影响，如降雨过程（雨型）先小后大，则降雨开始时的小雨使流域蓄渗达到一定程度，后期较大的降雨几乎全部形成径流，易形成洪峰流量较大的洪水；如果降雨过程先先大后小，则情况正好相反。 降雨分布降雨在流域空间上的分布对径流也有影响，如果暴雨中心自上游向下游移动，由上游排泄出的洪水与下游形成的洪水叠加在一起，很容易形成较大的洪峰流量，反之，其洪峰流量则较小。另外，降雨笼罩的面积越大，形成的径流量也越大。 2.蒸发 蒸发也是影响径流的重要因素之一，大部分的降雨都以蒸发的形式损失掉，而没能参与径流的形成，在北方干旱地区，80～90％的降水消耗于蒸发，在南方湿润地区也有30～50％。 根据水量平衡方程，在一个较长的时间范围内，蒸发量越大，径流量越小。对于某一次降雨来说，如果降雨前蒸发量大，土壤含水量相对较低，雨水的下渗强度较大，土壤中可容纳的水量相对较多，因此，径流量相应的就少。 二、下垫面因素 包括：地理位置，如纬度、距海远近、面积、形状等；地貌特征，如山地、丘陵、盆地、平原、谷地、湖沼等；地形特征，如高程、坡度、坡向；地质条件，如构造、岩性；植被特征，如类型、分布、水理性质（阻水、吸水、持水，输水性能）等。 地理位置如果流域所处的地理位置不同，其气候条件差别很大，因此，受气候条件制约的径流当然有其特殊性。 地貌、地质条件流域的地形地貌一方面通过影响气候因素间接影响径流，另一方面还通过直接影响流域的汇流条件来影响径流。如在迎风坡，降雨量增加，径流也相应增加；高程增高，气温降低，相应地径流量增加；坡度越大，径流的流速大，雨水下渗的机会就少，因此，径流量大。 流域的面积越大，自然条件越复杂，各种因素对径流的影响有可能相互抵消，也有可能相互增长，因此，较大流域的径流量大，但变化较小。 地质条件和土壤特性决定着流域的入渗能力、蒸发潜力和可能最大的蓄水量，如果某一流域有着较为发达的断层、节理、裂隙，水分的下渗量就大，径流量小，如岩溶地区有着较大的地下蓄水库，因此，地下径流量很大。 土壤、植被特征土壤性质主要通过直接影响下渗和蒸发来影响径流，渗透性能好的土壤，下渗量大而径流量小。另外，土壤和地质条件还可以通过植被类型和植被生长状况间接影响径流。 森林对径流的影响比较复杂，有些专家认为，森林蒸发散量大，因此，根据水量平衡方程，河川径流量小。从另外一个角度说，由于植物截留、枯枝落叶层对雨水的吸收、以及森林土壤有很好的下渗能力，在径流形成过程中的降雨损失量大，因此，森林有减少地表径流量的作用。 正因为森林有较强的下渗能力，使较多的雨水渗入地下以地下径流的方式慢慢补给河川径流，因此说，森林能够增加河川枯水期的径流量。 但是，森林增加的枯水期径流量是否同减少的地表径流量相抵消，不同的研究人员有着不同的看法。在美国和日本有人对森林砍伐后和砍伐前的径流量进行对比研究后指出，砍伐森林能够增加流域的产水量；而在前苏联，有人通过对有林流域和无林流域的产水量进行长期对比观测后认为，森林能过增加流域产水量。 水体特征湖泊和水库通过蓄水量的变化调节和影响径流的年际和年内变化，在洪水季节大量洪水进入水库和湖泊，水库和湖泊的蓄水量增加，在枯水季节，水库和湖泊中蓄积的水慢慢泄出，其蓄水量减少。因此，流域中如果有水库或湖泊，能过消减洪水，使洪水过程线变得平缓。 上述流域因素在空间上的随机组合，构成了下垫面条件的差异，这种差异导致了流域产流方式（指各种径流成分产流机制的组合）及产流条件上的差异。但流域下垫面因素是一个缓变的因素。出口断面流量过程线是流域降水与流域下垫面因素、人为因素综合作用的直接后果，相同时空分布的降水，在不同流域所产生的流量过程具有完全不同的特性。 总之，径流形成过程，除了降雨条件外另一个重要条件就是流域下垫面。只有当雨水降落在一个流域上，水的运行过程才开始，也只有通过流域的下垫面，各种垂向、侧向的运行过程才能出现，并显示出它们在径流形成中的功能。 三、人类的活动人类活动对径流的影响主要是通过改变下垫面条件，直接或间接地影响径流的质量、数量和径流过程。人为活动对径流有正反两方面的影响。 积极作用：人类可以通过修建各种水利和水土保持工程措施，如水库、淤地坝、水窖等蓄水工程，拦蓄地表径流、消减洪峰流量、调节径流过程。整地措施通过减缓原地面的坡度、截短坡长、增加地表糙率，从而增加了下渗量，延长了汇流时间，消减了洪峰，使流量过程线变得平缓。人类还可以通过植树造林，增加森林覆盖，利用森林保持水土、涵养水源、增加枯水径流来对径流起到调节作用。 负面影响：但是，不合理的人类活动，如过度地砍伐森林、陡坡开荒、没有任何保护措施地大面积开采地下各种资源等都能造成严重的水土流失；另外，工业生产的废弃物任意排放、农业生产中各种农药、化肥无节制的大量使用、生活垃圾的大量增加，不但破坏了土壤对径流的调节作用，还严重污染了水质。因此，我们必须保护森林，保护我们的生存环境。 本章思考题1.径流形成的基本过程2.径流的几个基本概念'