水循环与径流形成

第二章水循环及径流形成

研究对象

1.自然界的水循环及水量平衡

2.河流与流域

3.降雨、蒸发、下渗及径流

研究内容1.自然界水循环及水量平衡2.河流、流域特征及其对水文变化的影响

3.降水成因、分类、观测

4.蒸发观测与计算

5.下渗观测与计算

6.径流及其形成过程

7.全球、流域水量平衡1/16/20231一自然界的水循环第一节水循环及水量平衡1/16/20232一自然界的水循环1水循环定义2水循环的原因3水循环分类4水循环的主要环节5水循环与水资源的关系6水文循环作用定义：地球上各种水体中的水在太阳辐射和地心引力作用下以蒸发、水汽输送、降水、下渗和径流等方式进行的永无休止的往复交替运动过程。主要环节：降水、蒸发、下渗、径流关系：水循环供给陆地源源不断的降水、径流。某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即为该地区的水资源量，因此水循环的变化将引起水资源的变化。

水循环是一切水文现象的变化根源。外部因素：地心引力、太阳辐射太阳辐射为水分蒸发提供热量，促使液态、固态的水变成水汽，并引起空气流动；地心引力使空中水汽以降水形式回到地面，并促使地表水、地下水汇入海洋。另外，陆地上的地形、地质、土壤、植被等条件对水文循环也有一定的影响。内部因素：水的物理三态（固、液、气）在一定条件下可以相互转换。水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。它对地球环境的形成、演化和人类生存都有着重要的作用和影响。正是由于水文循环，才使得人类生产和生活中不可或缺的水资源具有了可再生性和时空分布的不均匀性，提供了江河湖泊等地表水资源和地下水资源，同时也造成了旱涝灾害，给水资源的开发利用增加了难度。研究水文循环的目的在于认识其基本规律，揭示其内在联系，这对合理开发利用水资源、抵御洪旱灾害等都有重要的意义。1/16/20233二地球的水量平衡1水量平衡原理定义：在水循环过程中，地球上任一区域，在一定时段内进入水量与输出水量之差等于其蓄水变化量。地位：它是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式，也是水文学的基本原理，更是水文学最成熟的理论。作用：有助于了解水循环各要素的数量关系，估计地区水资源量。2水量平衡方程将水量平衡原理应用于某一区域，对某一时段Δt:式中：I为给定时段内输入研究区域的总水量；O为给定时段内输出研究区域的总水量；△S为给定时段内研究区域蓄水量的变化量。1/16/20234二地球的水量平衡3全球水量平衡全球=陆地+海洋全球：Δt：陆地：海洋：多年平均：陆地：海洋：全球：1/16/20235区域面积多年平均降水量多年平均蒸发量多年平均径流量106km2mmkm3mmkm3mmkm3陆地1498001190004857200031547000海洋3611270458000140050500013047000全球51011305770001130577000全球水量平衡表1/16/20236非闭合流域水量平衡方程：三流域水量平衡流域蒸发与凝结合并：EO-EI=E1/16/20237三流域水量平衡闭合流域水量平衡方程：多年平均：闭合流域多年平均水量平衡方程降水、径流、蒸发是流域水量平衡的中的三个基本要素1/16/20238第二节河流与流域主要内容：河流及其特征、流域及其特征；学习要求：了解河流、水系的基本概念；掌握河流主要特征的计算方法；掌握流域、闭合流域、非闭合流域的基本概念以及流域特征对径流的影响。1/16/20239一河流河流定义：汇集一定区域内地表水与地下水的天然泄水通道，由流动的水体与容纳水流的河槽两大要素构成。

降水降落到地表，除下渗、蒸发等损失外，形成的地表水在重力作用下沿着陆地表面上的有一定坡度的凹地流动，地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇成河流。1/16/202310与河流相关的一些概念河谷：河流流经的谷地。河床或河槽：河谷底部有水流的部分。枯水期水流所占据的河床称为主槽；仅在汛期才被洪水淹没的河床部分称为河漫滩。主槽滩地枯水位洪水位1/16/202311左、右岸：面向下游，位于身体左侧的河岸为左岸，位于身体右侧的河岸为右岸。凹、凸岸：弯曲河段沿流向的平面水流形态呈凹形的岸称为凹岸，相反称凸岸；凹岸凹岸凸岸凸岸与河流相关的一些概念1/16/202312干流：将汇集的水流注入海洋、湖泊甚至沙漠等的河流。如长江、黄河、珠江，以及塔里木河(消失于沙漠)、石羊河(入湖)等。支流：将汇集的水流注入一个更高一级河流的河流；支流分级：直接汇入干流的河流称为干流的一级支流，直接汇入一级支流的河流称为干流的二级支流，依此类推。南溪河黑河泾河渭河黄河岔巴沟大理河无定河黄河河系或水系：河流的干流及其全部支流以及流域内的湖泊、沼泽等水体彼此连接构成的脉络相通的水流系统。水系通常用干流命名，如长江水系、黄河水系；或以归宿的湖泊而定名，如洞庭湖水系，鄱阳湖水系等。222213333干流与支流示意图1水系、干流和支流1/16/2023132010.071/16/202314重庆交通大学工程水文学长江水系1/16/202315重庆交通大学工程水文学

按照河段不同特性，一条发育完整的河流沿水流方向，自高向低可分为以下五段，可以划分为河源、上游、中游、下游和河口五部分。2河流分段1/16/202316河源河流的发源地，可以是溪涧、泉水、湖泊、沼泽、冰川等。黄河扎陵湖澜沧江扎曲长江各拉丹东1/16/202317河源长江发源于唐古拉山主峰各拉丹冬西侧的姜根迪如冰川；黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓海拔4500米的卡日曲泉眼；黑龙江发源于额尔古纳河和石勒喀河，高山冰雪；珠江发源于云南省沾益县境内的马雄山水洞流水；塔里木河发源于天山西段的山地降水及冰雪融水。1/16/202318上游紧接河源，多处于深山峡谷，坡陡流急，河谷下切剧烈，常有急滩或瀑布白水河黄果树瀑布高77.8m，宽101.0m

1/16/202319中游河槽地势渐趋缓和，水流下切力减弱，旁蚀力加强，河道有弯曲，两岸逐渐开阔，河面增宽，水量增加，水面比降减缓，冲淤接近平衡状态，两岸常有滩地，河床较稳定1/16/202320下游处于平原区，河床宽阔，河床坡度和流速较小，淤积明显，多浅滩和河湾1/16/2023211/16/202322河口河流的终点，河流注入海洋或内陆湖泊的地方，河口泥沙大量淤积，往往形成三角洲1/16/202323长江河口1/16/202324黄河河口1/16/202325黄河河口1/16/202326滦河入海口1/16/202327勒拿河三角洲1/16/202328外流河：注入海洋的河流；内流河：注入内陆湖泊或消失于沙漠中的河流。如新疆塔里木河、青海格尔木河长江、黄河的上中下游分界点：长江源头——湖北宜昌——江西湖口黄河源头——内蒙古河口镇——河南桃花峪1/16/202329长江上中下游分界点宜昌湖口1/16/202330黄河上中下游分界点1/16/2023312010.073水系形态扇形水系平行水系羽状水系﹡思考:水系形态对河流水情的影响？扇形：汇流时间短，形成尖瘦洪水过程羽毛形：汇流时间长，形成矮胖洪水过程根据河流干支流分布形态，水系分为扇形水系、羽状水系、平行水系、混合水系。1/16/202332重庆交通大学工程水文学4河流长度

自河源沿干流到流域出口的长度，L，km在一定比例尺地形图上量出河口河源1/16/2023335河网密度

单位面积内的河流河流干、支流的总长度称为河网密度。河网河网密度越大，流域切割程度越大，径流汇集越快；反之，则流域排水不畅，径流汇集缓慢。河网密度越大，河道滞蓄水量越大，对下游防洪越有利。1/16/2023346河流弯曲系数河流长度L与河源到河口间直线距离l的比值。河口河源河流弯曲系数表示河流平面状态的弯曲程度越大河流越弯曲，河网汇流时间长，河槽调蓄能力越大一般平原河流大于山区河流，下游大于上游1/16/2023352010.07横断面：河流某处与水流平均流向或主流方向垂直的断面。两边以河岸、下面以河底为界、上面为水面。包括水位线在内的横断面则叫过水断面，其面积称为过水断面面积。河流横断面能表明河床的横向变化；任一条河流自河源至河口有无数个横断面，各横断面形状各异，受冲淤变化影响。7河流断面河床主槽滩地枯水位洪水位1/16/202336重庆交通大学工程水文学2010.07单式断面枯水位洪水位主槽复式断面枯水位洪水位主槽一阶滩地二阶滩地单式断面：只有主槽而无滩地的断面。复式断面：既有主槽又有滩地的断面。横断面：1/16/202337重庆交通大学工程水文学7河流断面纵断面：沿河流深泓线的剖面。深泓线：河槽中沿水流方向从河源到河口的各横断面最大水深点的连线。中泓线：河槽中沿水流方向从河源到河口的各横断面水流表面最大流速点的连线。深泓线中泓线1/16/202338用高程测量法测出深泓线上若干个河底地形变化点的河底高程，以河长为横坐标，河底高程为纵坐标，可绘制河槽的纵断面图河流纵断面绘制作用：可反映河底纵坡和落差的沿程分布是推算河流水能蕴藏量的主要依据1/16/202339长江纵断面图1/16/202340

落差：河段两端的高程差Δh=h上-h下当河段纵断面呈直线时，比降计算：

J=(h上-h下)/l=Δh/l当河段纵断面呈折线时，河道平均纵比降推求方法如下：8河道纵比降lh上h下1/16/202341h0h1h2h3h4h5l1l2l3l4l5L河道平均纵比降计算示意图ω1ω2ω1

=ω21/16/202342二流域及其特征1流域与分水线概念流域：河流某一横断面以上汇集地面水和地下水的区域称为流域。分水线：流域四周地面最高点的连线，通常就是流域四周山脉的脊线。例如，降落在秦岭以南的雨水流入长江，降落在秦岭以北的雨水则汇入黄河，秦岭便是长江和黄河的分水岭。对较小流域而言，其间虽无山岭，但有地形上的脊线，也构成分水线。

1/16/2023431/16/202344PERDS1/16/202345闭合流域和非闭合流域河流水源有地面水和地下水之分，同样分水线也有地下水分水线和地面水分水线之分。二者一般大体一致，但有时受地貌特征和水文地质条件的影响，二者可能不一致。地面分水线与地下分水线的水平投影重合的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水线的水平投影不完全重合的流域称为非闭合流域。完全闭合流域是不存在的。在实际工作中，除了有石灰岩溶洞等特殊地质情况外，对于一般大中流域而言，当对所讨论问题影响不大时，多按闭合流域考虑。1/16/2023461流域面积F（km2）流域地面分水线所包围区域的水平投影面积。通常先在适当比例尺的地形图上定出流域分水线，然后量出它所包围的面积作用：自然条件相似的情况下，流域面积越大，河流水量越大。

分水线流域面积河流1/16/202347

2流域长度L（km）流域轴线（1）以河口为圆心绘制同心圆（2）作同心圆弧割线交于流域周线（3）通过割线中点作流域轴线，其长度为流域长度流域河口作用：流域长度越大，汇流时间越长，洪峰流量越小，利于下游防洪。1/16/202348流域平均宽度B（km）定义：流域面积与流域长度的比值

B＝F/L

作用：B越小，流域形状越狭长，水流越分散，形成的Qm越小，洪水过程线越平缓；若B≈L，则流域形状近似方形，水流越集中，形成的Qm越大，洪水过程越集中。3流域平均宽度B1/16/202349定义：流域平均宽度与流域长度的比值

K=B/L=F/L

2

作用：K越大，流域形状近似于扇形，洪水过程越集中，形成尖瘦型洪水过程线；K越小，流域形状越狭长，洪水过程越平缓，形成矮胖型洪水过程线。4流域形状系数K1/16/202350流域的地理位置经纬度、与海洋的距离、四周山脉关系流域的气候特征降水、蒸发、气温、风速、湿度、气压等流域的下垫面条件地形、地质构造、土壤、岩性、植被、湖泊等5流域自然地理特征1/16/2023512010年春季西南五省市发生严重旱情2010年5月以来，南方十省遭遇水灾第三节降水1/16/202352重庆交通大学工程水文学第三节降水（1）降水的定义

液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象。（2）降水的形式主要有雨、雪、雹、霰、露、霜等。一、降水的形成与分类1/16/202353第三节降水（3）降水的成因形成降水的主要因素：

水汽上升运动冷却凝结1/16/202354第三节降水按空气抬升而形成动力冷却的原因，降水可分为以下四类：（4）降水的分类：（1）对流雨（2）地形雨（3）锋面雨（4）气旋雨1/16/202355对流雨成因：因地表空气局部受热而发生垂直上升运动所形成。特点：因上升速度较快，形成的云多为垂直发展的积状云，特点是范围小，强度大，历时短。1/16/202356重庆交通大学工程水文学2010.07地形雨成因：暖湿空气在运移过程中，因受地形（如山脉等）影响而被抬升冷却形成的降雨。特点：降水多集中在迎风面山坡上，背风坡雨量稀少。山脉1/16/202357重庆交通大学工程水文学冷锋：雨强大，历时较短，雨区较小锢囚锋：降水量增加，雨区扩大暖锋：雨强小，历时较长，雨区大静止锋：雨强小，历时长，最长可达30d，雨区大

锋面雨成因：不同性质的两个气团相遇，形成一个不连续面，称为锋面。锋面活动产生的降水称为锋面雨。特点：根据锋面种类的不同，降水各具特点。1/16/202358气旋雨成因：当一地区气压低于四周气压时，周围的气流就要向该处汇集。由于气流向低压中心辐合而引起的大规模上升运动，使空气冷却而致雨。分类：按热力学性质可分为温带气旋（雨）和热带气旋（雨）两类。

气旋平面图低气压区

气旋立面图低气压区1/16/202359重庆交通大学工程水文学热带气旋：发生在低纬度海洋上的气旋性旋涡中心附近地面风速8~11级称台风；大于12级为强台风台风雨：形成于海上，水汽充足，上升运动比较强烈，带来狂风暴雨热带气旋雨1/16/2023602005年8月8日台风“麦莎”1/16/2023611/16/202362（1）降水量的观测方法降水量可采用器测法、雷达探测法或气象卫星云图估算法。A.器测法二、降水的观测1/16/202363A.器测法二、降水的观测1/16/202364A.器测法a)可确定出降雨的起迄时间、雨量大小、降雨强度的变化过程；b)储存推求降雨强度和确定暴雨公式的资料；c)应与雨量器同时进行观测，便于校核。二、降水的观测1/16/202365降水观测场1/16/202366B.雷达探测法气象雷达利用云、雨、雪等对无线电波的反射现象来发现目标——降雨云层。用于水文方面的雷达，有效范围一般是40~200km。

二、降水的观测1/16/202367C.气象卫星云图估算法已引入人～机交互系统，自动进行数据采集、云图识别、降雨量计算、雨区移动预测等工作。二、降水的观测1/16/2023682、降水特性的描述降水量降水历时降水强度降水面积暴雨中心定义：一定时段内降落在某一点或某一面上的水层深度，P，mm降水量分类：点降水量与面降水量常用降水量：日降水量、次降水量、年降水量、多年平均降水量等降水量分级：定义：单位时间的降水量，i，mm/h或mm/min降雨强度：单位时间的降雨量，简称雨强瞬时雨强与平均雨强定义：降水笼罩的水平面积，km2定义：暴雨量最大的较小局部区域定义：降水持续的时间，min，h或d降水三要素24h雨量（mm）＜0.10.1~1010~2525~5050~100100~200＞200等级微量小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨A.降水特性

1/16/202369（1）降雨强度过程线：降雨强度随时间的变化过程线通常以时段平均雨强为纵坐标，降雨时程为横坐标的柱状图或光滑曲线表示。当△t趋近于0时，称为瞬时雨强过程线。如果以时段雨量为纵坐标，则称为雨量过程线，也称为雨量直方图。用途：降水过程线是分析流域产汇流与洪水的最基本资料。柱状图光滑曲线B.降雨的时程分配1/16/202370（2）降雨量累积曲线：自降雨开始起至各时刻降雨量的累积值随时间的变化过程线。a.曲线上某一时段的平均坡度即为该时段内的时段平均雨强；b.曲线上任意一点的斜率即为该点相应时刻的瞬时雨强。用途：读出任一时段降水量和时段平均雨强或推求任一时刻的瞬时雨强。光滑曲线B.降雨的时程分配1/16/202371(3)雨强～历时曲线以降雨强度过程线中各历时的最大平均雨强为纵坐标，以相应历时为横坐标绘制而成的曲线称为降雨强度～历时曲线。同一场降雨过程中雨强与历时之间成反比关系，即随着降雨历时的增加，平均降雨强度逐渐减小，二者成负指数函数关系。B.降雨的时程分配1/16/202372（4）等雨量线流域内某时刻降雨强度相同点的连线。

作用：A：反映降水的空间分布情况，如暴雨中心、各地大致降雨量、降水边缘等。B：分析暴雨中心移动路径；C：计算流域平均降水量。B.降雨的时程分配1/16/202373【例2-1】已知某雨量站一场降雨观测结果如表2-1，试绘制该场降雨的雨强过程线、雨量累积曲线和雨强历时曲线。表2-1实测降雨及雨强、累积雨量统计表时间（h）实测雨量（mm）时段平均雨强（mm/h）时段末累积雨量（mm）历时（1h）最大平均雨强（mm/h）13~145.725.725.72143.7414~1543.7443.7449.46228.1015~1612.4612.4661.92320.6416~170.920.9262.84415.71B.降雨的时程分配1/16/202374时间（h）实测雨量（mm）时段平均雨强（mm/h）13~145.725.7214~1543.7443.7415~1612.4612.4616~170.920.92（1）雨强过程线

1/16/202375(2)雨量累积曲线

时间（h）实测雨量（mm）时段末累积雨量（mm）13~145.725.7214~1543.7449.4615~1612.4661.9216~170.9262.84B.降雨的时程分配1/16/202376（3）雨强历时曲线

时间（h）实测雨量（mm）历时（1h）最大平均雨强（mm/h）13~145.72143.7414~1543.74228.1015~1612.46320.6416~170.92415.71B.降雨的时程分配1/16/202377时段序号(△t=1h)时段降雨量（mm）15283104357627685研究历时（h）12345678累积最大降雨量(mm)1018232833364146最大雨强(mm/h)10.009.007.677.006.606.005.865.75【例2-2】已知某雨量站一场降雨观测结果如表2-2，试绘制该场降雨的雨强历时曲线。1/16/202378雨量站观测的降雨量（称为点降雨量）只代表那一点的降雨，而形成河川径流的则是整个流域上的降雨量，对此，可用流域平均雨量（或称面雨量）来反映。目前，流域平均降雨量的常用计算方法包括算术平均法、垂直平分法和等雨量线法三类。三、流域平均降雨量计算1/16/202379（1）算术平均法

流域内各站同时段观测的降雨量的算术平均值为流域平均降雨量。适用条件：地形平坦、雨量站分布均匀的流域。优缺点：计算简便但精度较差；注意问题：参与计算的雨量站必须在流域内。三、流域平均降雨量计算1/16/202380（2）垂直平分法（又称泰森多边形法）该方法假定流域各处的降雨量可由距离其最近的雨量站的点降雨量代表。适用条件：地形起伏变化不大、雨量站分布不太均匀的流域。优点：各站权重确定后计算简便，精度较高；缺点1：计算繁琐；降雨量空间分布不完全符合实际情况；当流域增加雨量站时，需重新绘制泰森多边形，不灵活。缺点2：把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程中视作固定不变假设站与站之间的雨量呈线性变化，与实际降水情况不符1/16/202381泰森法划分雨量站控制面积示意图。

。 。

。

f1

f2

f3

f4

P1P2P3P4某一流域有n个雨量站P1,P2,…

Pn

要求划分各雨量站权重面积(1)勾绘n-２个锐角三角形(2)绘制三角形各边的垂直平分线(3)量算n个雨量站的权重面积f1,f2,…

fn

泰森多边形的绘制1/16/202382流域内外各1站1/16/202383流域内外各1站1/16/202384流域内2站、外1站1/16/202385流域内2站、外1站1/16/202386汉江陕西境内泰森多边形图1/16/202387（3）等雨量线法利用流域各雨量站测得的同时段雨量，绘制等雨量线，推求流域平均雨量。式中：P为流域平均降雨量；Pi为相邻等雨量线之间区域的平均降雨量；fi为第i个相邻等雨量线之间的流域面积。适用条件：地形起伏显著、雨量站分布密集的流域。优点：精度高；考虑了地形变化对降雨的影响，能了解降雨量的真实空间分布；缺点：需要的雨量站多，权重计算工作量大；每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。1/16/202388年降水量的地理分布总体特点：东南多雨、西北干旱

降水量由东南沿海向西北内陆逐渐递减

全国多年平均降水量648mm全球陆面平均降水量800mm亚洲陆面平均降水量740mm按年降水量的多少，全国大致可分为5个区。

四、我国降水量及时空分布1/16/202389分区年均降水量(mm)年均降水日数地区多雨区超过1600160d以上广东、海南、福建、台湾、浙江大部、广西东部、云南西南部、西藏东南部、江西和湖南山区、四川西部山区湿润区800~1600120~160d秦岭—淮河以南的长江中下游地区、云南、贵州、四川和广西大部分地区半湿润区400~80080~100d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区200~40060~80d东北西部、内蒙、宁夏、甘肃大部、新疆西部干旱区低于200低于60d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、藏北羌塘地区四、我国降水量及时空分布1/16/2023901/16/202391降水量的年内分配

我国大部分地区降水的季节分配不均匀长江以南地区，雨季较长，多雨期为3~6月或4~7月。正常年份，最大4个月雨量约占全年的50%~60%。华北和东北地区，雨季为6~9月，正常年份，最大4个月雨量约占全年的70%~80%，其中华北雨季最短，大部分降雨集中在7~8月。西南地区一般5~10月为雨季，11~4月为旱季。四川、云南和青藏高原东部，6~9月降水量占全年的70%~80%，冬季则不到5%。新疆西部终年在西风气流控制下，降水量不大，但四季分配较均匀。台湾的东北端，受东北季风的影响，冬季降水量约占全年的30%，是我国降水量年内分配较均匀的地区。

四、我国降水量及时空分布1/16/202392降水量的年际变化

我国降水量年际间变化很大，且常有连续几年降水量偏多或连续几年降水量偏少的现象。年降水量越小的地区，年际变化越大。以历年年降水量最大值与最小值之比值K来表示年际变化，西北地区K可达8以上；华北为3~6；东北为3~4；南方为2~3，个别地方可达4；西南最小，一般在2以下。

四、我国降水量及时空分布1/16/202393第四节蒸发主要内容

蒸发的物理机制水面蒸发的确定方法流域总蒸发学习要求

了解蒸发与水面、流域总蒸发概念掌握水面蒸发与流域总蒸发的计算方法1/16/2023941基本概念蒸发：水由液态或固态转化为气态的过程蒸发面：具有水分子的物体表面水面蒸发：蒸发面为水面土壤蒸发：蒸发面为土壤表面植物散发：蒸发面为植物茎叶陆面蒸发：土壤蒸发与植物散发流域蒸散发：流域内各类蒸发的总和，又叫流域总蒸发1/16/202395蒸发量：一定时段内从蒸发面出去的水层深度，E，mm蒸发率：单位时间内的蒸发量，e，mm/h、mm/d蒸发能力：充分供水条件下，某一蒸发面的蒸发量，Em一般情况下，蒸发面上的蒸发量只能小于或等于蒸发能力

1基本概念1/16/2023962水面蒸发量的确定方法1）器测法20cm口径蒸发皿80cm口径套盆蒸发器60cm口径带套盆E601蒸发器1/16/202397E=KE器折算系数K

随蒸发器直径而变，也与蒸发器类型、自然环境、地理位置、季节变化等因素有关。在实际工作中，应根据当地实测资料分析

2水面蒸发量的确定方法1/16/202398型号东北区华北区华中区华南区康滇区青藏区蒙新区全国平均E6010.910.930.960.970.970.880.830.92800.820.800.810.720.890.730.640.78200.610.510.660.680.600.600.540.61ΓΓи-30000.900.890.910.920.900.810.820.88我国不同型号蒸发器折算系数1/16/2023992经验公式法经验公式一般根据湍流扩散理论建立重庆蒸发试验站100m2蒸发池经验公式：重庆蒸发试验站20m2蒸发池经验公式：1/16/20231003土壤蒸发1）定义

土壤蒸发指土壤中所含水分以水汽的形式逸入大气的现象。2）湿润土壤的蒸发过程稳定蒸发阶段：存在自由重力水，土层中毛细管上下沟通，供水充分，土壤蒸发主要发生在表层，蒸发速度稳定，E=Em。蒸发强度主要决定于气象条件。结束标志：土壤含水量小于田间持水量。蒸发强度随土壤含水量降低阶段：土层中毛细管连续状态逐渐断裂，供水不充分，土壤蒸发强度随土壤含水量的减小而减小。蒸发强度主要决定于土壤含水量。结束标志：土壤含水量小于毛管断裂含水量。1/16/20231013土壤蒸发水汽扩散阶段：毛管向土壤表面输送水分的机制完全破坏，水分只能以水汽形式通过土壤孔隙外逸，土壤蒸发强度很小。蒸发强度主要决定于土层内水汽扩散能力，而气象因素、土壤含水量大小对蒸发均不起明显作用。

1/16/20231024植物散发植物散发指在植物生长期，水分从植物叶面和枝干蒸发进入大气的过程，又称蒸腾。植物散发与土壤蒸发同时存在，合称为陆面蒸发植物散发比水面蒸发及土壤蒸发更复杂，与土壤环境、植物生理结构以及大气状况有密切的关系目前，我国植物散发的观测资料很少，散发量难以估算。

1/16/20231035流域总蒸发定义：即流域中水面蒸发、土壤蒸发和植物散发的总和。计算方法（1）面积加权法水面面积：FW；土壤面积：FS；植被面积：FP水面蒸发：EW；土壤蒸发：ES；植物散发：EP流域总蒸发按下式计算：1/16/2023104（2）水量平衡法闭合流域多年平均水量平衡方程：根据降水量与径流量观测值，已绘制多年平均蒸发量等值线图，可以直接查算。5流域总蒸发1/16/20231051）年蒸发量的地理分布我国年蒸发量：364mm总的趋势：由东南向西北递减淮河以南、云贵高原以东：700~800mm海南岛东部、西藏东南：1000mm以上华北平原：400~600mm东北平原：400mm大兴安岭以西、内蒙古高原、鄂尔多斯、阿拉善：<300塔里木盆地、柴达木盆地：<25mm6我国蒸发量概况1/16/20231066我国蒸发量概况2）年蒸发量的年内分配与太阳辐射、气象要素的年内变化一致年最小值：12月到次年1月年最大值：存在地区差异云贵高原：4~5月华北、西南：5~6月长江中下游、沿海：7~8月

1/16/2023107第五节土壤水、下渗主要内容包气带与饱和带土壤水下渗学习要求

了解土壤水所受作用力类型、存在形式与分布；掌握下渗的阶段划分、基本概念、计算方法、下渗与雨强的关系、下渗的影响因素等1/16/20231081包气带与饱和带以地下水面为界，地表土层可分为两个不同的含水带：包气带定义：地下水面以上，土壤含水量未达饱和，是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相系统。

饱和带

定义：在地下水面以下，土壤处于饱和含水状态，是土壤颗粒和水分组成的二相系统。1/16/20231092土壤水1）定义及研究意义

水文学中一般将包气带中吸附于土粒和存在于土壤空隙中的水分称为土壤水，而将饱和带中的水称为地下水，包括潜水和承压水。包气带的上界直接与大气接触，既是大气降水的承受面，又是土壤蒸散发水分的逸出面。因此包气带是土壤水分剧烈变化的土壤带。土壤含水量的大小直接影响到蒸发和下渗的大小，并决定了降雨量中产生径流的比例，它把降雨、下渗、蒸发和径流等水文要素在径流形成过程中有机的联系起来。因此，研究土壤水的运动与变化，对认识水文现象有重要的意义。

1/16/20231102土壤水2）土壤水与土壤颗粒间的作用力

分子力毛管力重力土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力（3.1~0.625）MPa由于浸润液体表面张力作用引起的水分在土壤毛细管中上升的力地球引力对水分产生的作用力1/16/20231112土壤水3）土壤水分的存在形式

当水分进入土壤后，在分子力、毛管力和水分子自身重力的作用下，形成不同类型的土壤水。

吸湿水薄膜水毛管水重力水定义：因分子力而被吸附在土壤颗粒表面的水分。特点：被紧紧地束缚在土粒表面，不能流动，也不能被植物利用；呈气态。定义：由土粒剩余分子力所吸附在吸湿水层外的水膜特点：能从水膜厚的土粒向水膜薄的土粒缓慢移动。定义：土壤孔隙中由毛管力所持有的水分毛管上升水：是地下水面以上由毛管力所支持而存在于土壤孔隙中的水分。由于空隙分布不均导致毛管水上升高度不同。孔隙越细，毛管水上升高度越大毛管悬着水：土壤孔隙中毛管合力支持一部分水悬吊于孔隙之中而不与地下水面接触，称为毛管悬着水定义：在重力作用下沿土壤孔隙自由流动的水特点：在重力作用下流动图5-4毛管悬着水和毛管上升水示意图毛管悬着水毛管上升水各类型的水分在一定条件下可以相互转化，例如：超过薄膜水的水分即成为毛管水；超过毛管水的水分成为重力水；重力水下渗聚积成地下水；地下水上升又成为毛管支持水；当土壤水分大量蒸发，土壤中就只有吸湿水1/16/20231123）土壤含水量（率）

土壤中所含水分的数量不仅与土壤特性密切相关，同时受到降雨、下渗、蒸发等水文循环过程的影响。因此，土壤所含水量是动态的和不断发生变化的。为了描述土壤水分的时空变化状态，通常引入土壤含水量概念。定义：某一单位土壤中所含水分的数量，又称土壤湿度。土壤体积含水量（常用）：土壤重量含水量：在实际工作中，为了便于同降雨量、径流量及蒸发量进行比较计算，一般讲某土层所含水量以相应水层深度表示土壤含水量，称为土壤蓄水量。单位以mm计。2土壤水1/16/2023113土壤蓄水量用水层深度表示，W，mm土壤蓄水量W=土壤体积含水量θ×单位底面面积的土层厚度H

WaterSoilAir1/16/20231144）土壤水分常数定义：反映土壤水分的形态和性质的特征值。最大吸湿量最大分子持水量凋萎系数（凋萎含水量）毛管断裂含水量田间持水量饱和含水量2土壤水在饱和空气中，土壤能够吸附的最大水汽量由土壤颗粒分子力所结合的水分的最大值植物根系无法从土壤中吸收水分，开始凋萎时的土壤含水量毛管悬着水的连续状态开始断裂时的土壤含水量土壤中所能保持的最大毛管悬着水量土壤中所有孔隙都被水充满时的土壤含水量1/16/2023115土壤水分常数的水文学意义干燥最大吸湿量凋萎系数最大分子持水量毛管断裂含水量田间持水量饱和含水量土壤水分常数作用力大小104Pa分子力30414761.30.78作用力类型毛管力重力土壤水类型吸湿水薄膜水毛管水重力水束缚水自由水980000.0011/16/2023116华北平原几种典型土壤的水分常数土壤类型最大吸湿量凋萎系数田间持水量饱和含水量紫砂土——26~32—砂壤土2~35~932~4245~52轻壤土2~36~1230~3640~52中壤土3~58~1530~3544~54重壤土3~49~1832~4240~50轻黏土—2040~4545~54中黏土—17~2435~4548~53重黏土——10~5048~551/16/20231173下渗下渗定义：降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的过程。研究下渗的意义：A.直接决定地面、地下径流量的大小。B.影响土壤水分的增长，以及表层流与地下径流的形成，是将地表水、地下水、土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水文循环过程的重要环节。因此，分析下渗的物理过程与规律对认识径流形成的物理机制有重要的意义。下渗作用力：分子力、毛管力、重力下渗水分：吸湿水、薄膜水、毛管水、重力水

1/16/2023118一、下渗的物理过程

渗入土壤中的水分在分子力、毛管力和重力作用下发生运动。按水分所受的力和运动特征，整个下渗的物理过程可划分为以下三个阶段：（1）渗润阶段：降雨初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力作用，被土粒所吸附形成吸湿水，进而形成薄膜水。

结束标志：土壤含水量大于最大分子持水量。（2）渗漏阶段：下渗水分主要在毛管力、重力作用下沿土壤孔隙向下做不稳定运动，并逐步填充土壤控制直至饱和，此时毛管力消失。

结束标志：土壤含水量大于饱和含水量。（3）渗透阶段：当土壤孔隙充满水达到饱和后，水分在重力作用下呈稳定流动，下渗率趋于稳定渗率。一般，前两个阶段属于非饱和水流运动，而渗透阶段属于饱和水流运动。3下渗1/16/2023119入渗现象0θ0θsZt10θ0θsZt3t20θ0θsZ0θ0θsZt40θ0θsZt50θ0θsZt0河南农业大学1/16/2023120二、基本概念供水强度：指降雨或灌溉水喷洒的强度，表示单位时间单位面积地表所截获的水量。当只有降雨补给土壤水时，供水强度即为降雨强度。下渗率：又称下渗强度，指单位时间从地表渗入单位面积土壤中的水量，f，常以mm/min、mm/h计；下渗能力：又称下渗容量，指土壤表面充足供水条件下的下渗率，fP，常以mm/min、mm/h计；下渗能力仅与初始土壤含水量和土壤质地、结构有关，而与供水强度无关。下渗曲线：又称下渗能力曲线，指下渗能力fP随时间t的变化过程线，即f(t)～t。常用下渗曲线定量描述土壤下渗规律。3下渗1/16/2023121

在下渗刚开始阶段，下渗的水分被土壤颗粒吸收以填充土壤空隙，下渗率很大。随着时间的增长，下渗水量越来越多，土壤含水量逐渐增大，下渗率逐渐递减。当土壤中的空隙被水充满时，下渗率趋于稳定。初始下渗率：指在下渗刚开始时的下渗率，f0；稳定下渗率：指当土壤中的空隙被水充满，下渗趋于稳定时的下渗率，fC；累积下渗量：自下渗开始至下渗过程中某时刻为止通过单位面积渗入土壤中的总水量，简称下渗量，F，mm；F与f之间的关系如下：3下渗1/16/20231223下渗累积下渗曲线：累积下渗量随时间的变化过程线，即F～t曲线。时段平均下渗率：研究时段下渗量△F与△t的的比值，。

几何意义：F～t曲线上任意两点之间连线的斜率。瞬时下渗率：下渗过程中某一时刻的下渗率，f(t)；

f(t)几何意义：F～t曲线上任一点切线的斜率。1/16/2023123三、下渗量测定测定方法：注水型——单管下渗仪或同心环下渗仪人工降雨型——人工降雨设备观测同心环下渗仪：内环：直径30cm，高20cm，上下无底外环：60cm，20cm实验时，内外环均打入土壤10cm，外留10cm内外环均保持5cm水层减少侧渗影响1/16/2023124理论下渗曲线：饱和与非饱和下渗理论推导经验下渗曲线：实验数据拟合四、下渗公式R.E.Horton下渗曲线：1/16/2023125五、天然条件下下渗与雨强的关系

天然状态下的降雨复杂多变，实际降雨强度i和下渗能力fp之间可能有如下3种情况：①i1≥fp，此时相当于充分供水条件，各时刻均按下渗能力下渗，如图中A线所示。②i2≤fc，此时下渗率取决于降雨强度，下渗过程与降雨过程完全相同，如图中B线。③fc<i3<fp，这种情况开始时，雨强小于下渗能力，全部降雨渗入土壤，如图中C线。随着下渗水量增加，土壤含水量也增加，下渗率随之递减，到某时刻，雨强大于下渗率，将按下渗能力下渗，如图中D线。天然降雨条件下的下渗过程1/16/2023126六、下渗的空间分布流域（面）下渗过程比点下渗复杂：（1）流域土壤性质的空间分布不同；（2）降雨开始时流域内土壤含水量空间分布也不同；（3）一场降雨在空间和时间上分布是不均匀的；（4）流域内各处地下水位高低不一；以上因素导致流域下渗在空间上分布不均。3下渗1/16/2023127七、下渗的主要影响因素a.土质与土壤干湿状况对初始下渗率、稳渗率的影响在充分供水条件下，初始下渗率和土质、土壤干湿状况有关，土壤组成颗粒越大、土壤含水量越小，初始下渗率就越大；反之亦然。稳渗率也和土质、土壤干湿状况有关，土壤组成颗粒越大、土壤含水量越小，初始下渗率就越大。土壤分层结构也影响下渗。b.植被对下渗的影响有植被地区的下渗一般大于裸地，因为植被阻止地表径流，减少径流流速，延缓了下渗时间，且枯枝落叶及根系腐烂以及根系在土壤中形成的孔隙有利于改善土壤结构、增加土壤有机质含量，导致下渗能力的提高。c.流域地形的影响坡度、坡形（凹凸坡）、坡向（阴阳坡）、坡位（坡上中下）都对下渗有一定影响。d.人类活动植树造林、开展水土保持措施等可以使流域滞水和蓄水能力增加，从而影响下渗。深耕的初始下渗率和稳渗率均高于浅耕。1/16/2023128第六节径流及径流形成过程主要内容径流形成过程径流的表示方法与度量单位影响径流的因素学习要求熟悉次降雨径流量过程的描述掌握径流的表示方法与度量单位

1/16/2023129径流概念径流：由降水形成的在重力作用下沿着一定方向和路径流动的水流。径流的分类按流动路径：按成因：地表径流（Qs）地下径流（Qg）表层流（Qint）河川径流（Q）降雨径流融雪径流1/16/2023130径流的作用：

人类生产生活不可缺少的水源；水文循环中陆面水与海洋水之间的纽带。径流概念1/16/2023131一径流形成过程自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个过程P~tQ~t1/16/2023132地表径流径流形成过程框图降雨透水地面填洼及地面蓄水植物截留土壤蓄水地下蓄水深层地下水蓄水蒸散发不透水地面壤中流地下径流河网蓄水流量过程与河网连通的水面产流过程汇流过程1/16/2023133产流过程

降雨过程扣除损失得到净雨过程：

降雨过程：流域面降雨过程损失：降雨中不能形成径流的雨量，I植物截留Is——蒸发填洼Vd

——蒸发、下渗下渗f——蒸散发雨期蒸发E

一径流形成过程1/16/2023134净雨：扣除损失后的降雨量，R，mm地表净雨Rs——地表壤中流净雨Rint——包气带地下净雨Rg

——饱和带净雨过程：一径流形成过程1/16/2023135净雨与径流深的区别与联系：

相同：净雨和它形成的径流在数量上相等不同：过程完全不同（1）净雨是径流的来源，径流是净雨汇流的结果（2）净雨在降雨结束时就停止，而径流还要持续很长一段时间一径流形成过程1/16/2023136汇流过程一径流形成过程坡面汇流河网汇流流域汇流过程流域出口1/16/2023137坡面汇流：坡面到河网

：流程短，流速大，先到达：介于二者之间：流程长，流速慢，后到达净雨在时程上进行的第一次再分配注意：Rs与Rint在汇流过程中，可相互转化，计算时，二者合并，当作地面径流一径流形成过程1/16/2023138河网汇流：河网到流域出口河网汇流时间大于坡面汇流时间一径流形成过程Qs：陡涨陡落，最先结束Qg：平缓，持续很长时间Qb：稳定，且小净雨在时程上进行的第二次再分配注意：降雨径流形成过程中的产流与汇流过程不能截然分开，而是交替出现。1/16/2023139一径流形成过程(1)P>R(2)形状不同

P~t变化剧烈而不规则

Q~t相对平缓光滑(3)Q~t的起始时刻、洪峰、重心等均较P~t后出现(4)TQ~t>TP~t原因：流域下垫面条件降水特征——过程与空间分布流域对降雨的调蓄作用1/16/2023140二径流的表示方法流量径流量径流深径流模数径流系数定义：单位时间内通过某一断面的水量，Q，m3/s。瞬时流量：Q(t)、Q~t平均流量：日、月、年