《工程水文学》第4版第二章流域径流形成过程

1、工程水文学第4版第二章流域径流形成过程工程水文学 (Engineering Hydrology)第2章 流域径流形成过程二一五年二月一日一、河流 （一）河流的定义 降落到地面的雨水，除下渗、蒸发等损失外，在重力作用下沿着一定的方向和路径流动，这种水流称为地面径流。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。河流是汇集地面水和地下水的天然泄水通道 。 将汇集的水流注入海洋或内陆湖泊的河流为干流，而汇入另一条河流的，称为支流。河流流经的谷地称为河谷，河谷底部有水流的部分称为河床或河槽。面向下游，左边的河岸称为左岸，右边的河岸称为右岸。 （二）河流的分类 注入海洋的河流称为外流河，如长

2、江、黄河等； 注入内陆湖泊或消失于沙漠中的河流，称为内流河或内陆河，如新疆的塔里木河和青海的格尔木河等。 （三）河流的形成和分段 一条河流沿水流方向，自高向低分为河源、上游、中游、下游和河口五段。以长江为例作说明。 河源是河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等；上游紧接河源，多处于深山峡谷中，坡陡流急，河谷下切强烈，常有急滩或爆布；中游河段坡度渐缓，河槽变宽，两岸常有滩地，冲淤变化不明显，河床较稳定；下游是河流的最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，河床坡度和流速都较小，淤积明显，浅滩和河湾较多；河口是河流的终点，即河流注入海洋或内陆湖泊的地方，这一段因流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三

3、角洲。溪涧沼泽冰川瀑布山涧峡谷黄河中游黄河下游黄河河口长江中游淮河下游栾河河口 （四）河流的基本特征 1、河流的长度：自河源沿主河道至河口的距离称为河流的长度，简称河长，记为L，以km计，可从地形图上量得。 2、河流的平面形态：可用地形图表示。 3、河流断面：垂直水流方向的剖面称为横断面，简称断面。断面内自由水面高出某一水准基面的高程称为水位。枯水期水流所占部分为基本河床，或称为主槽。洪水泛滥所及部分为洪水河床，或称为滩地。河流横断面的一般形态 只有主槽而无滩地的断面称为单式断面，有主槽又有滩地的断面称为复式断面。断面内通过水流的部分称为过水断面，其面积称为过水断面面积，记为A，以计。 河槽中

4、沿水流方向各断面最大水深点的连线，称为中泓线或溪线。沿中泓线的剖面称为河流的纵断面，它反映河床的沿程变化。 图示2 （a）单式断面 （b复式断面） （四）河流的基本特征 4、河道纵比降：任一河段两端的高差Z称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降，简称比降，记为J，以小数或千分数计。工程中常用的比降有水面比降和河底比降。 当河段纵剖面近于直线时，河段平均比降可按下式计算： 图示3 河道纵比降计算示意图 5、河网密度。流域平均单位面积内的河流总长度称为河网密度。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。二、水系 （一）水系及其特征 河流的溪涧、小沟、支流、干流和湖泊、沼泽等水

5、体构成的脉络相连的系统称为水系或河系。 水系中直接流入海洋或湖泊的河流称为干流，流入干流的称为支流。根据干、支流分布的状态，水系可以分为四种类型：干、支流分布如扇骨状的称为扇形水系；如羽毛状的称为羽状水系；若几条支流平行排列，至河口附近才汇合的称为平行水系；大河流多由以上二三种形式混合组成，称为混合水系。 （二）分水线 分割相邻两个流域的高地称为分水岭，分水岭上最高点的连线称为分水线。河流水源有地表水和地下水，分水线有地表分水线和地下分水线。图示5 流域分水线示意图三、流域 （一）流域的概念 汇集地表水和地下水的区域称为流域，也就是分水线包围的区域。地面分水线和地下分水线重合的区域，称为闭合流

6、域，否则为不闭合流域。 流域也指河口断面以上的区域。 图示 流域示意图 （二）流域的基本特征 流域的基本特征包括流域的形状特征、地形特征、自然地理特征三个方面。 1、流域面积F：流域分水线包围区域的平面投影面积，称为流域面积，记为F，以平方千米计。流域面积亦指 河口断面以上地面分水线包围的面积。 2、流域的长度L和平均宽度B：流域长度也称为流域的轴长，以km计。流域面积与流域长度的比值称为流域的平均宽度，以km计。 B=F/L 3、流域形状系数K：流域的平均宽度与流域长度的比值称为流域的形状系数。K=B/L=F/L2。 4、流域的平均高度和平均坡度：方格点平均值即为流域的平均高度和平均坡度。

7、5、流域的自然地理特征：主要是指流域的地理位置（经纬度）、气候特征（降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等）、下垫面条件（流域的地形地貌、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等）和人类活动类型和程度。 四、降水 （一）降水及降水的形成 降水是指液态或固态水汽凝结物从云中降落到地面的现象，如雨、雪、霰(xian)、雹、露、霜等，其中以雨、雪为主。 降水的形成主要是由于地面暖湿气团因各种原因而上升，体积膨胀做功，消耗内能，导致气团温度下降，称为动力冷却。当气温降至露点温度以下时，空气就处于饱和或过饱和状态。这时，空气里的水汽就开始凝结成小水滴或小冰晶块，在高空形成云。由于凝结继续，或相互碰撞合并

8、，水滴或冰晶块不断增大，当不能为上升气流所顶托时，在重力作用下就形成降水。 露霰雨雪 （二）降水基本要素 降水表示的基本要素：降水量、降水历时、降水强度、降水面积和暴雨中心等。 1、降水量指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总水量，用深度表示，以mm计。如一场降水的降水量指该次降水过程的降水总量。日降水量指一日内降水总量等。降水量一般分为7级，如下表。凡日降水量达到和超过50 mm的降水称为暴雨。暴雨又分为暴雨、大暴雨和特大暴雨三个等级。 2、降水持续的时间称为降水历时，以min、h或d计。 3、单位时间的降水量称为降水强度或雨率，以mm/min或mm/h计。 4、降水笼罩的平面面积为降水面

9、积，以km2计。 5、暴雨集中的较小的局部地区，称为暴雨中心。等级（mm）微雨小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨12小时雨量14024小时雨量200 （三）降水的表示方法 为了充分反映降水的空间分布与时间变化规律，常用降水过程线、降水累积曲线、等雨量线、降水特性综合曲线表示。 以一定时段（时、日、月或年）为单位所表示的降水量（或降水强度）在时间上的变化过程，称为降水过程线。一般以时段平均雨强或时段降水量为纵坐标，时间为横坐标的柱状图表示。 累积降水量是指自降水开始至各时刻降水量的累积值。 降水累积过程线是累积降水量随降水历时的变化曲线。该曲线以时间为横坐标，以降水量的累积值为纵坐标。 等雨量线是指

10、流域内降水量相等点的连线。 等雨量线图的作法与地形图上的等高线作法类似。 降水特性综合曲线，常用的主要有以下三种： 雨强历时曲线、降雨深面积关系曲线、降雨深面积历时关系曲线。雨强历时曲线降雨深面积关系曲线降雨深面积历时关系曲线 （四）降水类型 降水的主要形式为降雨，对河川径流的影响最大。按空气抬升的原因降雨可分为四种类型：对流雨、地形雨、锋面雨、气旋雨。 1、对流雨。由于局部地面受热集中，下层湿度比较大的空气膨胀上升，与上层空气形成对流，动力冷却致雨，这种降雨称为对流雨。对流雨多发生在夏季酷热的午后，一般降雨强度大、范围小、历时短。 2、地形雨。当近地面的暖湿空气在运移过程中遇山坡阻挡时，将沿

11、山坡爬升，由于动力冷却而致雨，称为地形雨。地形雨多集中在迎风坡，背风坡雨量较少。例如，位于秦岭南麓的地区，年降水量多超过800mm，而位于北麓的地区，年降水量一般不足600mm。 3、锋面雨 湿度、温度及运动方向基本相同的大空气块称为气团，其范围一般较大，从数百公里到数千公里。两个气团在空中的接触面称为锋面，锋面与地面的交线称为锋线。 锋面向冷气团一侧倾斜，暖气团在运动中将沿锋面抬升，只要暖气团中有足够水汽，就能成云致雨。这种雨称为锋面雨。 锋面雨分为冷锋雨、暖锋雨、静止锋雨和锢囚锋雨。 冷锋雨：冷气团推动锋面向暖气团一侧移动形成的降雨称为冷锋雨。降雨出现在锋线后，雨强大、范围较小、历时较短。

12、 暖锋雨：暖气团推动锋面向冷气团一侧移动形成的降雨称为暖锋雨。降雨出现在锋线前，雨强不大、范围较广、历时较长。 静止锋雨：冷、暖气团势均力敌，锋面在一个地区停滞少动或来回摆动形成的降雨称为静止锋雨，降雨一般范围较广，但雨强小，持续时间较长。 锢囚锋雨：若冷锋追上暖锋，或两条冷锋相遇，暖气团将被抬离地面锢囚到高空，由此所形成的降雨称为锢囚锋雨。一般降雨量和雨区都较大。 4、气旋雨 当局部地区气压较低时，四周气流会向中心辐合运动，然后转向高空，气流中的水汽因动力冷却成云致雨，称为气旋雨。 由于地球偏转力影响，北半球辐合气流是按逆时针方向流入的，南半球则相反。在低纬度海洋上形成的气旋称为热带气旋。热

13、带气旋根据风速大小分为：热带低压（风力67级）、热带风暴（89级）、强热带风暴（1011级）、台风（12级以上）。气旋雨时常伴随大风，一般雨量大、强度高，常常造成灾害。 台风登陆法国台风登陆日本台风登陆美国2000年台风“碧利斯” （五）降水的影响因素 1、地理位置：低纬度地区多于高纬度地区，沿海地区多余内陆地区。 2、气旋、台风路径等气象因子：常有气旋、台风过境的地区降水较多。 3、地形的影响：地形主要强迫气流抬升使降水量增多。 4、其他因素：森林、水体、人类活动等。 （六）流域面降雨量的计算 1、算术平均法 以流域内各雨量站同时期的降雨量相加，再除以雨量站数量后得到的算术平均值。 该方法适

14、用于流域（区域）面积不大，地形起伏变化较小，雨量站分布较均匀的情况。 计算公式如下： 2、Thiessen多边形法 又称垂直平分法、加权平均法。该方法适用于雨量站分布不均匀的地区。 缺点：没有考虑地形影响，假定雨量成线性变化；权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变的特点。 计算公式如下： 泰森多边形绘制方法： 1)按地图上测站的位置连线，构成许多锐角三角形；2)对每个三角形各边作垂直平分线，再用这些垂直平分线构成以每个测站为核心的多边形；3)量取每个多边形的面积；4）按面积加权推求流域平均降雨量。 3、等雨量线法 该方法适用于面积较大，地形变化显著而有足够数量雨量站的地区。 缺点：不同

15、场次降雨，其面积权重是变化的，所以每次降雨都必须绘制等雨量线图，工作量很大。 计算公式如下： 等雨量线法的计算步骤： 1)绘制等雨量线 ；2)量取每2条相邻等雨量线间的面积；3)求各相邻等雨量线间的平均雨深，然后再乘以相应的面积权重，得权雨量 ；4)将所有的权雨量相加，即得流域平均雨量 。 4、客观运行法 又称距离平方倒数法。具体作法：先将流域分成若干个网格，得出很多格点，而后用邻近各雨量站的雨量资料确定各格点的雨量，再求出各格点雨量的平均值，即为流域平均降雨量。 各格点雨量的推求以格点周围各雨量站到该点距离平方的倒数为权重，用各站权重系数乘以各站的同期降雨量，取其总和即可。图示 客观运行法示

16、意图 （六）与降水有关的气象要素 降水现象是发生在大气中的对流层内。对流层是地球大气中最低的一层，云、雾、雨、雪等主要天气现象都出现在这一层。对流层有三个显著的特征: 气温随高度增加而降低； 对流层主要从地面获得热能，使它具有强烈的上升和下降的气流，即气流的对流运动； 由于地表性质差异很大，所以深受地表影响的对流层中温度、湿度的水平分布不均匀.彼此相邻的各团空气之间，冷、暖，干、湿差异很大。 （六）与降水有关的气象要素 气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量。 对流层内与降水有关的主要气象要素有: （1）气温 （2）气压 （3）风 （4）湿度 （5）云 （6）蒸发 （7）能见度 （1）气温

17、 气温是空气温度的简称，是表示空气冷热程度的物理量。 通常所说的气温，是在离地面1.5m高的百叶箱内用水银温度表测得的。我国常用摄氏温标（C）表示气温的高低。 在气象学的计算中，常用到绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”，规定等于摄氏度-273.15C，所以它们的换算关系为 T=273.15+t式中：T为绝对温度，K；t为摄氏温度， C 。 （2）气压 气压是大气压强的简称，是指单位面积上承受大气的重力。一般情况下，气压值是用水银气压表测量的。 气压单位曾用毫米水银柱高度（mmHg）表示，现在通用百帕（hPa）来表示。1hPa等于1cm2面积上受到10

18、-2牛顿（N）的压力时的压强值，即 1hPa= 10-2N/cm2 当选定温度为0C，纬度为45的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，称此压强为1个大气压。 （3）风 大气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。风是矢量，用风向、风速表示。 风向指气流的来向，用方位或方位度数表示，地面风向用十六方位表示，高空风向用方位度数表示。 风速是指单位时间内空气在水平方向流动的距离，以m/s、kn（海里/小时，又称节）、km/h表示。 风向风速可用风向仪和风速仪测定，也可根据自然界物体受风吹动后所表现出的状况来估计风的大小，判断风的方向。 风向符号与

19、度数对照表 方位符号中心角度()角度范围()方位符号中心角度()角度范围()北NO348.7611.25南西南SSW202.5191.26213.75北东北NNE22.511.2633.75西南SW225213.76236.25东北NE4533.7656.25西西南WSW247.5236.26258.75东东北ENE67.556.2678.75西W270258.76281.25东E9078.76101.25西西北WNW295.5281.26303.75东东南ESE112.5101.26123.75西北NW315303.76326.25东南SE135123.76146.25北西北NNW337.5

20、326.26348.75南东南SSE157.5146.26168.75静风C风速小于或等于0.2 m/s南S180168.76191.25 （4）湿度：单位体积空气中水汽的含量称为湿度。湿度有多种表示方法，主要有： 水汽压（空气中的水汽压力，记为e，以hPa计）； 饱和差（在一定温度下，饱和水气压E与空气中的实际水汽压e之差）； 绝对湿度（单位体积空气中所含水汽质量，也就是空气中的水汽的密度，记为a，以g/cm3计。空气中水汽含量越多，绝对湿度就越大。）； 相对湿度（空气中的水汽压与同温度下的饱和水气压的比值称为相对湿度，即f=e/E）； 露点（某一水汽含量下，气压保持一定，气温降低，空气达到

21、饱和时的温度称为露点，以Td 计。实际气温低于露点时，将会发生凝结。）； 比湿（一团湿空气中，水汽质量与空气的总质量之比）。 （5）云 云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶颗粒或二者的混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。 云况通常用云量和云状来表示。云况的演变常能反映天气的变化，云的运动可显示出不同高度上空气的运动方向和速度。 在气象观测中，经常要观察云量和云状有时也要观测云高、云向和云速。 云量表示云的多少，以云所遮蔽的天空面积来度量。将地平线以上全部天空划分为10等份，为云所遮蔽的份数即为云量。 云状即云的形状，云的形状多种多样，而且变化迅速。根据云的不同

22、形态和云出现的不同高度，大致将云分为4族10属，即高云族（卷云、卷层云、卷积云）、中云族（高层云、高积云）、低云族（层积云、雨层云、层云）和直展云族（积云、积雨云）。 云可以说是天气的招牌，它能反映当时的大气状况并作为判断天气的依据。云的形态和光彩现象与天气的关系见下表。 云的种类云的形状位置天气情况卷云像羽毛、绫纱最高晴朗卷积云像鳞波很高一般没雨雪积云像棉花团2000m左右阳光温和高积云像羊群2000m左右天空碧蓝卷层云仿佛白色绸幕高天气转阴高层云像毛玻璃低将下雨、雪雨层云布满天空更低雨雪下降积雨云形成高大的云山更低即将下暴雨云的形态与天气的关系光名产生和分布情况色彩天气征兆晕在卷层云之上，

23、分布在日月周围里红外紫日晕三更雨，月晕午时风华在高积云边缘里紫外红华环由小变大转晴，华环由大变小转阴雨虹雨过天晴，在太阳对面的云幕上彩色圆弧东虹轰隆西虹雨霞早晚太阳照着光彩云层变红朝霞不出门，晚霞行千里云的光彩现象与天气的关系 （6）蒸发 蒸发过程是水汽进入大气的过程。 （7）能见度 能见度是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离，单位用m或km表示。 （七）我国降水量及其时空分布 1、降水量地理分布 根据多年平均雨量、雨日等，全国大体上可分为5个带： 十分湿润带:P1600mm、T160d，包括广东、海南、福建、台湾、浙江大部、广西东部、云南西南部、西

24、藏东南部、江西和湖南山区、四川西部山区。 湿润带：P =8001600mm、T=120160 d，包括秦岭-淮河以南的长江中下游地区、云、贵、川和广西的大部分地区。 （七）我国降水量及其时空分布 半湿润带：P=400800mm、T=80100 d，包括华北平原、东北、山西、陕西大部、甘肃、青海东南部、新疆北部、四川西北和西藏东部。 半干旱带：P=200400mm、T=6080d，包括东北西部、内蒙、宁夏、甘肃大部、新疆西部。 干旱带：P200mm、T60 d，包括内蒙、宁夏、甘肃沙漠区、青海柴达木盆地、新疆塔里木盆地和准噶尔盆地藏北羌塘地区。 干旱区半干旱区半湿润区湿润区50mm暴雨线400m

25、m年降水线中国降水量的分布 2、降水量的年内、年际变化 降水量的年内分配很不均匀，主要集中在春、夏季，例如长江以南地区，36月或47月雨量约占全年的5060%；华北、东北地区，69月雨量约占全年的7080%。 降水量的年际变化也很大，并有连续枯水年组和丰水年组的交替出现的规律。年降水量越小的地方往往年际间变化越大。 3、我国大暴雨时、空分布 46月，大暴雨主要出现在长江以南地区，降雨量级自南向北递减，山区往往高于丘陵区与平原区。78月，大暴雨范围扩大，全国许多地方都出现过历史上罕见的特大暴雨。911月，东南沿海、海南、台湾一带，受台风和南下冷空气影响而出现大暴雨。 五、土壤水 （一）土壤水的定

26、义 包气带：地面与地下潜水面之间的土层，包含有空气、水、土的三相系统，称为包气带。 饱和带（饱水带）：指地下潜水面至不透水层之间的土层，土粒间的孔隙完全被水充满，故称饱水带。 水文学中常把储存于包气带中的水成为土壤水，而将饱和带中的水称为地下水。 （二）土壤水分存在形式 土壤水是指吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水分。其存在有以下几种形式： （1）吸湿水：被分子力紧紧吸附在土粒表面、不能流动、也不能为植物吸收的土壤水分； （2）薄膜水：被剩余的土粒分子力吸附在吸湿水层外的水膜，这部分水可运动，也可被植物吸收； （3）毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走； （4）重力水

27、：在重力作用下可以流动的土壤水，是地下水的主要来源。 （三）土壤含水量和水分常数 土壤含水量(率)又称为土壤湿度，它表示一定量的土层中所含水分的数量。在实际工作中，为了便于同降雨、径流及蒸发量进行比较与计算，将某个土层所含的水量以相应水层深度来表示土壤含水量，以mm计。此外，还可用土壤重量含水率和土壤容积含水率表示土壤含水量。 图2-1 土层中的包气带和饱和带示意图 图2-2 包气带的水分带示意图 质量含水率(gravimetric water content)：土块中水的质量Mw与固体颗粒质量Ms之比值称为质量含水率。 饱和度(the degree of saturation)：土块中水的容

28、积Vw与孔隙容积Vf之比值称为饱和度。 容积含水率(volumetric water content)：土块中水的容积Vw与总容积Vt之比值称为容积含水率。 水文学中常用的土壤水分常数有以下几种： （1）最大吸湿量：在饱和空气中，土壤能够吸附的最大水汽量称为最大吸湿量。它表示土壤吸附气态水的能力。 （2）最大分子持水量：由土壤颗粒分子力所吸附的水分的最大量称为最大分子持水量。薄膜水厚度此时达到最大值。 （3）凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系无法从土壤中吸收水分，开始凋萎，即开始枯死时的土壤含水量称为凋萎含水量。 （4）毛管断裂含水量：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。 （5）田间持水量：

29、指土壤中所能保待的最大毛管悬着水量，即土壤颗粒所能保持水分的最大值。 （6）饱和含水量：指土壤中所有孔隙都被水充满时的土壤含水量。 （四）土壤水分布特征 土壤水蕴藏于包气带中，包气带按其水分分布特征，可分为三个明显不同的水分带：毛管悬着水带、中间带和毛管上升水带。 （1）包气带上部靠近地表面的土壤，具有吸附空气中的水汽和液态水分子的性能，称为毛管悬着水带，简称悬着水带。它的特点之一是直接或间接与外界进行水分交换。 （2）中间带是处于悬着水带和毛管水带之间的水分过渡带，它本身不直接与外界进行水分交换，而是水分蓄存及输送带。 （3）在地下水面以上，由于土壤毛管力的作用，一部分水分沿着土壤孔隙侵入地

30、下水面以上的土壤中，形成一个水分带称为毛管水上升带或支持毛管水带，简称毛管水带。 （五）土壤水分的测定方法 （1）烘干法。土壤含水率一般用烘干法测定。具体做法：从土壤中某一点取土后立即称重，然后在105110下用烘箱烘干（一般为6-8h）后再次称重，即可计算出该点的土壤重量含水率。 （2）射线法。采用放射性同位素测定。 （3）中子法。采用镭-铍等放射源测定。 （六）土壤水分特征曲线 将土壤水的吸力S与土壤含水率之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线。脱湿与吸湿曲线不重合的现象称为土壤水分的滞后现象。不同质地土壤的水分特征曲线 （七）流域土壤含水量的计算 流域土壤含水量一般是根据流域前期降雨、蒸发及

31、径流过程，依据水量平衡原理采用递推公式推求。 流域土壤含水量的上限称为流域蓄水容量Wm。 限制条件：0WWm。六、下渗 （一）下渗的概念 下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤中的运动过程。 （二）下渗的物理过程 非常干燥的土壤，在充分供水的条件下，下渗的物理过程将经历以下三个阶段： （1）渗润阶段：入渗初期，吸湿水尚未得到满足，在强大的分子力吸引下，雨水迅速下渗，具有很大的下渗率，当入渗水量使土壤达到最大分子力持水量时，这一阶段结束。 （2）渗漏阶段：后期入渗的雨水，主要在毛管力作用下，沿土壤中的毛管作不稳定运动，直到土壤饱和，毛管力消失。这一阶段结束。 （3）渗透阶段：土壤饱和后，水分在

32、重力作用下呈稳定运动，这时下渗以稳定下渗率进行，称为稳定下渗率，以fc表示。 （三）下渗率和下渗能力 （1）供水强度：指降雨或灌溉水喷洒的强度，表示单位时间、单位面积地表土壤所截获的水量。只有降水补给土壤水时，供水强度即为降水强度。 （2）下渗率f：又称下渗强度，指单位时间从土表进入单位面积土壤的水量。常以mm/min、mm/h计。 （3）下渗能力fp：当土壤表面水分供应充足时，此时的下渗率称为下渗能力，下渗能力也称为下渗容量。下渗容量只与初始土壤含水率、土壤质地、结构有关，与供水强度无关。 （4）下渗曲线：将下渗能力f随时间t的变化过程线称为下渗曲线。 （5）累积下渗量：入渗开始后一定时段内

33、，通过单位面积下渗到土壤中的总水量，简称下渗量，以mm计。 （6）累积下渗曲线：累积下渗量随时间的变化曲线。 （7）实际下渗率：累积曲线上任一点切线的斜率称为某一时刻的实际下渗率。 （8）稳定下渗率：随时间的推移下渗率逐渐减小，最后趋于一较稳定的数值，不再继续下降。此时的下渗率称为稳定下渗率。 下渗能力随时间的变化过程线，称为下渗能力曲线，简称下渗曲线。以f(t)t表示。下渗的水量用累积下渗量F随时间的增长曲线来表示。 初始含水量不同，下渗曲线也不同，所以，下渗曲线是以初始土壤含水量为参变量的一簇曲线。 （四）下渗的数学表达式 (1)霍顿（Horton）公式 式中： ftt时刻的下渗率（mm/

34、h）；fo初始下渗率（mm/h）；fc稳定下渗率（mm/h）；递减系数；e自然对数的底（e2.7183）。 (2)Philip（菲利普）公式 (3)Kostiakov（考斯加科夫）公式下渗曲线和累积下渗曲线 （五）自然条件下的下渗 （1）下渗与降雨强度的关系。对于某一时刻，若降雨强度i下渗能力f，此时相当于充分供水条件，该时刻的下渗率为下渗能力f；而当if，降水全部渗入土壤中，即该时刻的下渗率为i。 （2）下渗的空间分布。流域下渗在空间和时间上的分布是不均匀的。七、地下水 （一）地下水的定义 广义上的地下水指埋藏在地表以下各种状态的水。 （二）地下水的类型 以地下水埋藏条件为依据，地下水可划分

35、为三个基本类型： （1）包气带水：埋藏于地表以下、地下水面以上的包气带中，包括吸湿水、薄膜水、毛管水、渗透的重力水等。 （2）潜水：埋藏于饱和带中，处于地表以下第一个不透水层上，具有自由水面的地下水，称为潜水，水文中称为浅层地下水。 （3）承压水：埋藏于饱和带中，处于两个不透水层之间，具有压力水头的地下水，水文中称为深层地下水。 （三）地下水的特征 （1）潜水的特征 潜水具有自由水面，通过包气带与大气连通，不承受静水压力。潜水补给的主要来源是降水和地表水等，干旱地区还有凝结水补给。 （2）承压水的特征：承压水的主要特性是处在两个不透水层之间，具有压力水头，一般不直接受气象、水文因素的影响，具有

36、动态变化较稳定的特点。承压水的水质不易遭受污染，水量较稳定，是河川枯水期水量的主要来源。承压水含水层按水文地质特征可分为三个组成部分:补给区、承压区和排泄区。 八、蒸散发 （一）蒸发基本术语 蒸散发是水文循环中自降水到达地面后由液态或固态转化为水汽返回大气的过程。 蒸发(evaporation)：水分子从物体表面（即蒸发面），向大气逸散的现象称为蒸发。蒸发潜热(latent heat of evaporation)：蒸发必须消耗能量，单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热。 凝结(condensation)：水汽分子从空气中返回水面的现象叫凝结现象。凝结潜热(latent heat of

37、condensation)：凝结要释放能量，单位水量从空气中凝结返回水面释放的能量称为凝结潜热。 蒸发率(evaporation rate)：单位时间内通过单位蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气返回到蒸发面的水分子数之差值（当为正值时），称蒸发率。一般用mm/d or mm/a表示。 蒸发能力(evaporation capacity or potential evaporation)：在充分供水条件下，单位时间通过单位蒸发面逸散到大气中的水分子数与从空气中返回到蒸发面的水分子数之差值（当为正值时）称为蒸发能力。 天然流域蒸散发包括：水面蒸发、土壤蒸发和植物散发（或称植物蒸腾）。 （二）水面

38、蒸发 水面蒸发是指在自然条件下，水面的水分由液态转化为气态逸出水面的物理过程，分为水分气化和水分扩散两个阶段。单位时间蒸发的水深，称蒸发率或蒸发强度，以mm/d计。 影响水面蒸发的因素：1）气象条件：太阳辐射、温度、湿度、水汽压差、风速等；2）自身的因素：水面面积、水深、水质等。 水面蒸发量的计算方法：1）理论计算法:热量平衡法、空气动力学方法、综合法、水量平衡法；2）经验公式法；3）器测法：如雨量器、E-601型蒸发器。（二）水面蒸发E601型蒸发器 （三）土壤蒸发 土壤蒸发是指在自然条件下，土壤保持的水分从液态转化为气态逸出土壤进入大气的物理过程。 湿润的土壤，其蒸发过程一般可分为三个阶段

39、： 第一阶段：表层土壤的水分蒸发后，能得到下层土壤水分的补充。这时土壤蒸发主要发生在表层，蒸发速度稳定，接近相同气象条件下的水面蒸发； 第二阶段：当土壤含水量降至田间持水量以下时，土壤表面开始干化，进入第二阶段。这时蒸发速度随着毛管水供给地面蒸发范围的缩小而降低，大致与表层土壤含水量成正比； （三）土壤蒸发 第三阶段：当毛管水完全不能到达地表时，进入第三阶段。这时土壤蒸发主要发生于土壤内部，蒸发的水汽由于分子扩散作用通过表面干涸层逸入大气，蒸发速度极其缓慢。 土壤蒸发可通过称重法观测，但土壤蒸发观测比较困难，而且精度较低，一般测站均不进行土壤蒸发观测。第一阶段第二阶段第三阶段 （三）土壤蒸发

40、土壤蒸发的确定方法：水量平衡法、经验公式法、器测法等。其中水量平衡法的计算公式如下： 影响土壤蒸发的因素： 气象因素（大气蒸发能力）：温度、湿度、风速、气压等。土壤的供水能力：土壤含水量状况、土壤孔隙性、温度梯度、地下水埋深等。 （四）植物散发 植物散发是指植物根系从土壤中吸收的水分，通过叶面、枝干散逸到大气中的一种生理过程，又称蒸腾。其观测也可以通过称重法进行，但由于植物的多样性及不同生长过程散发能力的复杂性，我国植物散发的观测资料很少，故流域散发量难以估算。 （五）流域总蒸发 流域总蒸发包括水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发和植物散发。流域多年平均年蒸发量为 （六）流域蒸发量的计算方法 流域

41、蒸发量的大小主要决定于气象要素及土壤湿度，可以用流域蒸发能力和土壤含水量在表征。 流域蒸发能力是在当日气象条件下流域蒸发量的上限，可由当日水面蒸发观测值通过折算间接获得。 我国水利部门常用的流域蒸发量计算模式有三种，具体如下： 一层蒸发模式： 把流域蒸散发层作为一个整体，假定蒸散发量同该层土壤含水率及流域蒸发能力成正比，则有式中：E流域蒸散发量，mm/d；Em流域蒸散发能力，mm/d；W土壤蒸发层实际蓄水量，mm；Wm土壤蒸发层最大蓄水量，mm。 二层蒸发模式： 把流域可蒸发层分为上、下两层，并认为降水、蒸发自上而下进行，上层按蒸发能力进行蒸发，下层蒸发与蒸发能力和土壤含水率成正比，则有式中：

42、Eu、El分别为上层与下层的蒸散发量，mm/d；Wu、Wl分别为上层与下层的实际土壤蓄水量，mm；Wlm为下层的最大蓄水量，mm。 三层蒸发模式： 把流域可蒸发层分为上、中、下三层，并认为降水、蒸发自上而下进行，上、下两层按二层蒸发模式进行，最后一层按下式计算，有 式中：Ed为深层的蒸散发量，mm/d； C为经验系数，取0.050.15。 （七）我国蒸发量的情况 (1)年总蒸发量地理分布 我国年总蒸发量为364mm，地理分布与年降水量地区分布大体相当，总的趋势由东南向西北递减。蒸发量还受地形、地质、土壤、植被、降水等因素的影响而出现差异。 (2)年总蒸发量年内变化 年总蒸发量的年内变化与气象要

43、素及太阳辐射的年内变化趋势一致。 我国蒸发量的分布情况九、径流 （一）定义及分类 径流是指降水形成的沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等处流动的水流。 其中，沿着地面流动的水流称为地面径流，或称地表径流；在土壤中流动的水流成为壤中流；在饱和土层及岩石孔隙中的水流称为地下径流。 水流汇集到河流后，在重力作用下沿着河道流动的水流称为河川径流，分为降雨径流和融雪径流。 降水、下渗、蒸发是径流形成的主要影响因素。 （二）径流的形成过程 径流形成过程是指自降水开始到水流汇集到流域出口断面的整个过程。该过程是一个复杂而连续的物理过程，可分为产流阶段和汇流阶段。 （1）产流阶段。产流阶段是降水扣除各

44、种损失产生径流的阶段。转化为径流的降雨称为净雨，由降雨过程扣除各种损失推求净雨过程的计算称为产流计算。 （2）汇流阶段。净雨沿坡面汇入河网，然后沿河网汇集到流域出口，称为汇流阶段。汇流阶段包括坡面汇流过程和河网集流过程。 坡面汇流：地面净雨从坡面流入最近的河网，称为坡面汇流，也称坡面漫流。一般流速较慢，历时较短。 河网集流：进入河网的水流从支流向干流，从上游向下游汇集，最后流出出口断面，这一过程称为河网集流。一般以洪水波的形式运动，流速较快，历时较长。 九、径流 坡地汇流指净雨沿坡面从地面和地下汇入河网过程，包括地面漫流（地面径流汇流过程），壤中流汇流和地下水汇流等。 （1）地面径流RS(Ru

45、noff Surface flow)：流速快，流程短，历时短。 （2）壤中流RI(Runoff Interflow)：流速次之，流程次之，历时次之。 （3）地下径流RG(Runoff Ground flow)：流速最慢，流程最长，历时长。 河网汇流：各种径流成分经坡地汇流注入河槽，以洪水波的形式沿河槽向流域出口断面汇集的过程。 河槽调蓄作用：在涨水段，由于河槽贮蓄一部分水量，所以对任一河段，下断面流量总小于上断面流量。随降雨和坡地漫流量的逐渐减少直至完全停止，河槽水量减少，水位降低，这就是退水阶段。这种现象称为河槽调蓄作用。 （三）径流的表示方法 （1）流量Q：流量是指单位时间内通过河流某一断

46、面的水量，单位为m3/s。流量随时间的变化过程可用流量过程线表示，记为Q-t。流量过程线上升阶段为涨水段，下降部分为退水段，最高点的流量值称为洪峰流量，简称洪峰，记为Qm。 （2）径流总量 W：径流总量是指时段T内 通过某一断面的总水量，常用的单位为:m3、万m3、亿m3、(m3/s)d等。若时段T内的平均流量为Q，则径流总量W可用式W=QT计算。 （3）径流深R：将径流总量W 平铺在流域面积F上得到的水深，以mm计。 （4）径流模数M：平均单位流域面积上产生的流量，以L/(s.km2) 计。 （5）径流系数：径流系数是某一时段的径流深度R与相应的降雨深度P之比值，即：= R/ P，因RP,故

47、1。 十、河流水情 （一）定义 河流水情，即河流的水文情势，主要是指河川径流的分布与变化，洪水与枯水的特征等。图示 水位过程线和水位历时曲线 （二）水情要素 水情要素是用以表达河流水文情势变化的主要尺度。包括水位、流速、流量等。 水位：水体的自由水面高出某一基面以上的高程，以m计。常用水位特征值反映水位变化规律，如：起涨点水位、最高水位（或洪峰水位）、最低水位、平均水位、警戒水位、保证水位等。常用水位过程线和水位历时曲线研究水位变化规律。 流速：河流中水质点在单位时间内运动的距离，以m/s计。 流量：单位时间内通过河流某断面的水量，常用Q表示，以m/s计。流量随时间的变化可以用流量过程曲线和流量历时曲线表示。 （三）河流的径流情势 河流的径流情势是指河川径流的时程变化特征，包括径流的年内变化，年际变化，洪、枯水特征及水温、冰情等。 河川径流的年内分配又称径流的年内变化或季节分配，是指径流在一年内的变化过程及特性。常用参数“不均匀系数”和“完全年调节系数”表示。 河川径流的年际变化是指径流在多年