第二章-河川径流

普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪交通版高等学校教材人民交通出版社桥涵水文（第四版）第二章河川径流高冬光王亚玲编著李家春李朋丽课件编制高冬光校审自然界的水循环

地球表面的各种水体，在太阳幅射热的作用下，不断蒸发成水汽，上升至空中，随气流的运动散布到各处，并在适当条件下凝结，以降水(雨、雪、霄、雹等)的形式降落到地面，到达地面的水分，除部分被植物截留和蒸发外，其余的一部分沿地表流动汇入江河，另一部分渗入地下，随含水层流动并以泉水的形式汇入江河，汇入江河的水，大部分流入大海。然后又重新蒸发，继续输移、凝结形成降水，运转流动，往复不已。这种过程，称为自然界的水循环。第一节河流和流域一河流河流是一种天然水体，它由一定区域内的地面水和地下水所补给，并经常或间歇地沿着由其自身所造成的连续延伸凹地流动。流域把地面水和地下水补给河流的区域，即河流的地面集水区和地下集水区，合称为流域。1.河流的形成和分段在桥涵水文中，对于地球上雨、雪、霄、雹等自然现象，统称为降水。降水在重力的作用下沿一定方向和路径流动的水流称为地面径流。地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集而成河流，河流流经的谷地称为河谷。河谷底部（谷底）有水流的部分称为河床。受重力作用沿河床流动的水流称为河川径流。（1）河流的形成河谷河床水系

流域里大大小小的水流路线，构成脉络相通的系统，称为河系，又称河系或河网。水系由干流及其支流组成。一般把直接流入海洋或内陆湖泊的河流称为干流，汇入干流的称为一级支流，汇入一级支流的称为二级支流，其它类推。黄河流域水系略图长江流域水系水系形状

扇形河系如手指状分布。羽形河系支流从左右两岸相间汇入于流，如羽毛。平行河系几条支流平行排列，至下游或河口附近始行会合。树枝状河系干、支流的分布呈树枝状。大多数河流属此类型。一般较大河流，难以用一种类型概括，而是由两种或两种以上水系类型组成。水系类型直接影响洪水水情变化。如扇形河系和平行河系，支流洪水几乎同时汇入干流，易造成干流出现较大洪水，而羽形河系因支流洪水是先后汇入干流，洪水对干流威胁较小。一条河流从河源到河口通常可分为上游、中游、下游三部分。

河源是指河流的发源地，可以是溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊等。

河口是河流流入海洋、湖泊或干流的地方。（2）河流的分段上游直接连着河源，其特点是河道坡度大，水流急，流量小，水情变化大，河谷窄、多急滩瀑布，河槽以冲刷下切占优势。中游特点是河道坡度变缓，流速减小，流量加大，冲淤不严重，河床比较稳定，但侧蚀力量增强，河糟逐渐拓宽和曲折，两岸出现滩地。下游河道坡度更缓，流速更小，流量更大，淤积作用显著，多浅滩或沙洲，河曲发育。河流各分段特点一般用河流断面、河流长度及河流比降来表示.2.河流的基本特征（1）河流断面有横断面和纵断面。

垂直于水流方向的断面称为河流横断面。

横断面内，自由水面高出某一水准基面的高程，称为水位。河流断面的一般形状高水位以下部分由河槽与河滩两部分组成。河槽宣泄洪水和输送泥沙的主要通道，常年流水，底沙处于运动状态，植物不宜生长。河滩只有在汛期才有水流，无明显的底沙运动，通常生长杂草、树木，有的还种植农作物。河槽中两岸较高的、可移动的泥沙堆，称为边滩，其余部分称为主槽。河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线，称为深泓线。河流的纵断面是指沿河流深泓线的断面。河流纵断面的坡度一般从上游往下游逐渐变缓。只有河槽无河滩的横断面称为单式断面，有河槽又有河滩的称为复式断面。横断面内通过水流的部分称为过水断面，过水断面的大小随断面的形状和水位变化。（2）河流长度从河源到河口的距离（3）河流比降任意河段两端的高程差与其长度之比称为该河段的纵比降，即

式中i为河道纵比降，通常以千分率表示。河流比降自河源向河口逐渐减小，沿程各河段的比降都不相同。

二流域流域是河流的集水域。有时我们称河流某一过水断面的流域，是指该断面以上的集水区域，即此集水区域的地面水和地下水，汇集到河流以后，通过该断面流出本区域。流域的周界称为分水线。分水线就是流域四周最高点的连线，在山区是流域四周的山脉脊线；平原地区是四周地面最高点的连线。如秦岭是黄河和长江的分水线，而黄河和淮河的分水线则是黄河南岸大堤。（地上河）主要是流域面积和流域形状河流集水区域的面积大小，称为流域面积或汇水面积。如某水文测站的流域面积是指该水文站断面以上的集水区域面积。流域面积是河流水量的主要影响因素之一。1.几何特征思考题：流域面积和流域形状是如何影响径流的？在相同地理条件下，流域面积A越大，径流量Q越大，流域对径流变化的调节作用也越大，因而洪水涨落平缓；流域面积A越小，Q越小，但洪水涨落较为急剧。流域形状影响径流汇集时间的长短和径流形成过程。若流域形状狭长为羽毛形，则出口断面流量就小，径流过程的变化较小而历时较长。相反，流域形状为扇形，则出口断面流量大，径流过程的历时较短。主要是流域的地理位置和地形

流域的地理位置一般以流域中心和流域边界的经纬度来表示。一切水文特征都与地理位置有密切关系。流域的地形一般以流域平均高程和流域平均坡度来表示。前者影响降雨和蒸发，后者是确定径流汇流时间的重要因素。流域内的地质、土壤、森林植被、湖泊等也是流域的自然地理特征，都与径流的形成过程有密切关系。2.流域的自然地理特征三山区河流和平原河流根据河流的流域地形特点，一般将河流分为山区河流和平原河流两大类。对于较大的河流，上游段多为山区河流，下游段则为平原河流，而中游段常兼有两类河流的特征，是过度性河段，称为山前区、半山区河流。对于较小的河流，则上、中、下游河段，可能都属于山区河流，也可能都属于平原河流。1.山区河流流域内坡面陡峻，岩石裸露，汇流时间短，降雨强度大，洪水暴涨暴落，水位、流量变幅大，洪水持续时间短。河床稳定，容易受地震、山崩、滑坡、泥石流影响。2.平原河流汇流时间长，洪水涨落平缓，水位流量变幅小，洪水持续时间长。河床稳定性差。河床演变剧烈。

平原区河流的平面形态极为复杂，急弯、卡口比比皆是，两岸和河心常有巨石突出，岸线极不规则，河宽变化很大。

平原河道的平面形态，根据河床的稳定性情况可分为四种类型：顺直型弯曲性分汊型散乱型顺直微弯型河段弯曲型河段（长江下荆江蜿蜒型河段）分叉型河段（长江南京附近八卦洲）游荡型河段（黄河花园口）顺直微弯型弯曲型分汊型散乱型第二节河川径流的形成

降落在流域表面的雨水，除去损耗外，剩余的部分从地面和地下汇入河槽中而形成河川径流。其中来自地面的部分称为地面径流，来自地下的部分称为地下径流.

一径流形成过程

流域内，自降水开始到水量流过出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。漫流漫流集流集流降雨蓄渗径流形成过程示意图1.降水过程降水是形成地面径流的主要因素，降水的多少决定径流量的大小。降水的形式：雨、雪、霰、雹、霜等。降水的特征要素：（1）降水量（mm）：以降水厚度表示。（2）降水历时（min或h）：降水的持续时间。（3）降水强度（mm/min或mm/h）：单位时间内的降水量降水的变化过程直接决定径流过程的趋势，降水过程是径流形成过程的重要环节。2.流域蓄渗过程降水开始时并不能立即形成径流。雨水被流域内的树木、杂草以及农作物等的茎叶截留一部分，不能落到地面，称为植物截留；落到地面上的雨水，部分渗入土壤，称为入渗；单位时间内的入渗量（mm）称为入渗强度（mm/min或mm/h）。降雨开始时入渗较快，随着降雨量的不断增加，土壤中水分逐渐趋于饱和，入渗强度减缓，达到一个稳定值，称为稳定入渗；还有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼里，称为填洼。植物截留、入渗和填洼的整个过程，称为流域蓄渗过程。流域蓄渗这部分雨水不产生地面径流，对降雨而言，称为损失，扣除损失后剩余的余量，称为净雨量。3.坡面漫流过程流域蓄渗过程完成后，剩余雨水沿着坡面流动，称为坡面漫流。4.河槽集流过程坡面漫流的雨水汇入河槽后，顺着河道由小沟到支流，由支流到干流，最后到达流域出口断面，这个过程称为河槽集流。汇流过程产流过程(蓄渗过程)径流形成过程河槽集流

河槽内的过程坡面漫流

流域面上的过程河川径流的大小和变化，通常用流量和水位来表示。河流的流量和水位都是随时间不断变化的，流量和水位随时间变化的关系曲线，分别称为流量过程线和水位过程线曲线最高峰处的流量和水位，分别称为洪峰流量和洪峰水位。一年内的最大洪峰流量，称为年最大流量。二影响径流的因素1.气候因素（1）降雨降水强度、降水历时和降水面积对径流的影响及其变化过程都有很大的影响。降水强度大，雨水来不及入渗，使径流量增大；降水强度小，雨水大部分深入土壤，径流量减小。降水历时长，降水面积大，产生的径流量必然大，反之则小。流域内一次降水强度最大的地方，称为暴雨中心；暴雨中心在流域下游时，出口断面的洪峰流量就大些，暴雨中心在流域上游时，则洪峰流量就小些。（2）蒸发流域内的蒸发是指水面蒸发、陆面蒸发、植物散发等各种蒸发的总和。在一次降雨过程中，蒸发对径流影响不大，但对降雨前的流域蓄渗影响却很大；如蒸发强度大，则雨前土壤的含水率就小，降雨的入渗损失量就增大，而径流量就减小。因此，蒸发也是影响径流变化的重要因素。2.下垫面因素流域的地形、土壤、地质、植被、湖泊等自然地理因素，相对于气候因素而言，称为下垫面因素。流域的地理位置直接影响降雨量的多少，流域的地形对降雨、蒸发以及蓄渗和回流过程都有影响，流域面积的大小、形状又与径流量有直接关系。土壤和地质因素决定着入渗和地下径流的状况。植物茎叶截留部分降雨，植物根系又能贮藏大量水分，可改造土壤和气候。湖泊也有贮存水量、调节径流的作用。3.人类活动因素人类活动对河川径流也有重要影响。封山育林和水土保持将增加降雨的截留和入渗，减少汛期水量和洪峰流量；同时增大地下径流，能补给枯水期的水量。修建水库对河流起蓄洪调节的作用，并使流域内的蒸发面积增大，从而加大蒸发量。三我国河流的水量补给

雨源型

雪源型

雨雪源型宜昌站6－10月流量过程线

流入海洋的河流，称为外河流；

流入内陆湖泊或消失于沙漠之中的河流，称为内流河。1.雨源类

地区分布：秦岭、淮河以南直到台湾、海南岛、云南等地区。

特点：一年内径流量的变化与降雨变化完全一致。水量充沛。西部和北部地区的河流以秋汛为主，东南沿海地区常因台风影响而发生大洪水，多出现夏汛。年流量过程线：双峰或多峰肥胖型长江汉口水文站1954年和1955年流量过程线2.雨雪源类

华北、东北地区年流量过程线：双峰型（夏汛、秋汛）黄河花园口水文站流量过程线3.雪源类

西北地区新疆、青海等地年流量过程线：单峰型额尔齐斯河某水文站年流量过程线

我国幅员辽阔，江河众多，各地区的自然条件相差很大，因而各地区的河流也具有不同特性。以下列举了我国几大河流，具体说明其特征长江长江洪水主要由暴雨形成，汛期时间长达半年之久，洪水发生时间一般是中下游洪水早于上游，江南先于江北。洞庭湖、鄱阳湖水系洪水多发生于5～7月金沙江和长江上游北岸支流洪水发生时间为6～9月。受支流影响，长江上游干流洪水发生时间为7～9月，中下游干流为5～10月。长江洪水峰高量大，历时长，上游一次洪水过程短则7～10d，长的可达一月以上，中下游由于众多支流汇入，常形成多次洪峰的连续洪水，持续30～60d，甚至更长。黄河黄河洪水主要由暴雨和冰凌形成。暴雨洪水发生在7～8月的称“伏汛”，9～10月的称“秋汛”，“伏秋大汛”是黄河的主汛期。2～3月上游宁、蒙河段和下游山东河段易发生冰凌型洪水，称“凌汛”。黄河上游洪水过程平缓，含沙量小，一次洪水历时平均40d左右；黄河下游洪水主要来自中下游地区。含沙量大、水少沙多、水沙异源、水沙过程不同步以及年际变化大是黄河下游洪水的最大特点，使黄河防洪具有特殊难度。淮河淮河流域洪水发生时间主要集中在6～8月。从梅雨期开始，大范围连续多次暴雨可形成历时达2个月以上的流域型洪水；而由台风或涡切变天气系统暴雨则往往形成的局地性洪水，且洪峰流量很大。淮河水系为非对称的羽状河流，来自淮南山区的暴雨洪水源短流急，暴涨暴落，而来自北部平原支流的洪水在比降平缓的中游河段相继汇入。

13~19世纪黄河夺淮期间，大量泥沙淤积在淮河下游，使淮河丧失了自己的入海通道，在淮河平原洼地上蓄积成洪泽、高邮等湖泊后，被迫向南汇入了长江。而在干流中游入洪泽湖的河段甚至形成了倒比降，使得中游洪水消退缓慢，汛期长时间处于高水行洪状态，不得不沿河设置大量行洪区与蓄洪区以分滞大量的洪水。海河海河洪水来自夏季暴雨，可分南系洪水和北系洪水，南系洪水主要来源于太行山区，北系洪水主要来源于燕山山区。海河洪水发生时间主要集中在7月下旬至8月上旬，洪水季节最为集中。大部分河道中游段短，洪水源短流急，洪量集中。洪水洪峰流量量级和洪水年际变化大是本流域洪水的最大特点。辽河辽河暴雨洪水多出现在7~8月份，其主要支流大都流经山丘地区，集水面积小，流程短，故洪水一般为陡涨陡落，一次洪水过程一般不超过7d，最长为半个月左右。两大支流浑河与太子河相邻，常处于同一暴雨区，洪水同时发生且在下游遭遇，因而量级很大。辽河洪水年际变化大，仅次于海河洪水。松花江松花江的暴雨洪水多发生在7～9月，干流洪水涨落缓慢，洪水过程持续时间长，一次洪水过程历时可达90d甚至更长。干流(哈尔滨以上)大洪水主要来自于嫩江和第二松花江，干流下游大洪水则是由干流上游洪水和支流呼兰河或牡丹江或汤旺河洪水相遭遇而形成。

我国东南部沿海还有许多独流入海的中小河流，具有河流比降大、源短流急、洪水暴涨暴落的特点。西北地区一些内陆河流，包括季节性河流，行洪能力较弱，一旦遭遇暴雨也时有泛滥发生。

总之，我国各地河流特性差别较大，洪水特性也有显著的不同。汛期到来早晚，持续时间长短，洪峰流量大小，洪水涨落快慢，水位变幅高低，超额水量多少等，都与河流治理方略和防洪对策的选择有关。其他第三节水文测验对各项水文因素的观测，称为水文测验。水文站是进行水文测验的观测站，在固定的测流断面上，按国家水文测验规范的要求，定时进行水位、流速、流向、流量、比降、降雨、蒸发、泥沙、地下水位等各项水文因素的观测和资料整编工作。1.水位观测某一时刻该水文站测流断面的水面高程叫水位。水位是河流最基本的水文因素，河流的水位变反应河道中水量的增减，是工程建设中不可缺少的水文资料，并可用以推算流量。水位观测必须连续进行,以便掌握水位变化的规律。通过水位观测，能得到各种特征水位、平均水位、水位过程线，水面比降和过水断面图等资料。观测水位设备：水尺、自记水位计水尺读数加水尺零点高程就是水位。自记水位计测量水位测量水位沿断面宽度选若干个测点及测深垂线测量各垂线的水深将水位减去水深得到河底高程绘制河槽断面图计算过水断面面积过水断面的测绘过程某河道过水断面图2.流速测验天然河道过水断面的流速分布，一般是由河岸向河心逐渐增大，由河底向水面逐渐增大，断面流速分布水面以下0.2倍水深处流速最大，垂线平均流速约在水面以下0.6倍水深处。流速测验的目的是通过实际的流速测量，推算过水断面的流量。流速测量常用的方法有：流速仪法和浮标法两种。（1）流速仪测流速流速仪分为旋杯式和旋桨式两种。旋杯式旋桨式采用流速仪测流速，应先测定过水断面，再沿水面宽度布设测速垂线，确定测速垂线上的测点数和测点位置，测出每一条垂线上哥测点的流速，并按下式计算各垂线平均流速。五点法三点法二点法一点法式2-3-1常用的流速仪法测速垂线数及垂线测点数与位置表常用测速垂线数测速垂线上的测点数及位置注：△——流速仪净空（2）浮标法测流速浮标：带有识别标志的漂浮体。浮标测流速应选择顺直河段，并布设基本测流断面，如右图，在上浮标断面投放浮标，在基线处观测浮标漂浮并记下浮标经上、下浮标断面的时间t，河段长度L可预先测定，由此可得流速v=L/t。按此法在上浮标断面沿水面宽度每隔一定距离投放浮标，即可得沿过水断面宽度的流速分布。浮标法测流速，测点平均流速可按下式计算——相邻浮标流速——两岸近岸区流速——流速系数。斜坡岸边，陡岸边，死水区，式2-A3.流量计算河流的流量：是过水断面的面积与断面平均流速的乘积。过水断面的流速分布是不均匀的，上述流速测验的方法只能测得某点的流速或睡眠流速，不能直接测得断面平均流速，也不能利用实测流速计算断面平均流速。因此，流量的计算需采用间接的分块计算方法。流速仪测流速，流量的计算步骤（1）以测速垂线将测流断面划分成若干部分，计算各部分过水面积，岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。如下图。（2）根据各测点的实测流速，计算各测速垂线的垂线平均流速。按式2-3-1计算（3）计算各个部分面积的断面平均流速。按式2-A计算（4）计算各个部分面积的流量（5）计算全断面流量全断面的过水面积为，断面平均流速为浮标法测流速，流量的计算步骤（1）以测深垂线将测流断面划分为若干部分，并分别计算各部分的面积。如下图（2）根据各浮标的漂行速度和起点距，在测流断面上绘出水面流速分布曲线，并从该曲线上读出各测深垂线处的水面流速。（3）将各测深垂线的水面流速直接作为垂线平均流速，按上述流速仪测流速时流量的计算方法，计算部分平均流速、部分流量和全断面流量。注：浮标法计算的全断面流量并不是全断面的实际流量，称为全断面虚流量,而全断面的实际流量为——浮标系数，一般水深较大的大河约为0.85~0.9，而小河约为0.75~0.85。4.相应水位的计算测流过程中，水位是不断变化的，观测各条垂线的流速时，水位也各不相同。全断面流量所对应的水位即相应水位，需通过计算确定。1）算术平均法测流过程中，平均水深大于1m时，由水位变化而引起的过水断面面积的变化，不超过5%~10%；或平均水深小于1m时，由水位变化而引起的过水断面面积的变化，不超过10%~20%，一般可取测流开始和结束时，两侧观测水位的算术平均值作为相应水位。2）加权平均法测流过程中，水位变化引起的过水断面面积的变化，超过上述限度时，可按下式计算相应水位H（m）——第i条测速垂线的垂线平均流速（m/s）。——第i条测速垂线上测速时观测的水位。——第i条测速垂线所代表的水面宽度（m），对于断面中间部分的垂线，应为该垂线至两侧相邻垂线间距的平均值；对于岸边垂线，则为水边至该垂线的间距加该垂线至相邻垂线间距的一半。如右图，第三条测速垂线所代表的水面宽度第一条测速垂线所代表的水面宽度第四节水文资料的收集和整理水文资料是河流水情变化的记录，是进行水文分析和计算的基本数据。

水文资料，是指江河、湖泊、渠道、水库的水位、流量、水质、水温、泥沙、冰情、水下地形和地下水资源以及降水量、蒸发量、墒情等监测调查数据和经整编后的成果资料。

水文资料的来源：水文站观测资料、洪水调查资料、文献考证资料。桥涵水文计算所需的水文资料，1990年以前的大部分可查阅《水文年鉴》，1990以后的则应向水资源局数据库查询，但有时也需要到水文站详细了解。其内容包括：搜集水文站历年最大洪峰流量（同一洪水成因）及其相应的洪峰水位、洪水比降、粗糙系数、流速等实测资料，并应了解水文站的设站历史、测流方法和设备、测流断面和河段的情况以及水文站所掌握的水文调查资料。

一、水文站观测资料水文站观测资料，由于天然或人为的原因，往往会存在一些差错，整编时也可能未加改正，在使用水文站的整编资料时，应进行复核，一般重点复核水位和流量资料。1．洪水水位资料的复核

应了解水文站的水准基面和基本水尺历年有无变动；了解水位观测过程中有无水毁、中断、漏测等情况。若发现异常水位，也应注意检查。一般可利用水位过程线或水位与流量关系曲线，检查洪水位的变化规律。2．洪峰流量资料的复核

应了解水文站测流河段，洪水时断面的变化情况，上下游有无分洪、决堤的情况，以及流量的测算方法和精度。洪峰流量若由观测的流速计算而得，应了解流速的观测和计算方法；若由水位与流量关系曲线外延而得，则应注意其外延部分是否合理。

一般可利用水文站历年水位与流量关系曲线的综合比较进行检查，也可以利用上下游水文站观测资料或洪水调查资料对比检查。二、洪水调查洪水调查是搜集水文资料的一种有效方法，不论有无水文站观测资料，都是非常重要的。通过洪水调查，能补充水文站观测资料和文献考证资料的不足，提高水文分析和计算的精度。

洪水调查，是对某一流域或地区历史上或近期发生洪水情况的调查。洪水调查包括考察洪水痕迹和收集有关资料，推算一次洪水的总量、洪峰流量、洪水过程以及重现期的全部技术工作。历史洪水痕迹常留于古庙、碑石、老屋、祠堂、堰坝、桥梁、老树等处，实地调查即可发现。洪水调查主要是在桥位上下游调查历史上各次较大洪水的水位，确定洪水比降，推算相应的历史洪水流量，作为水文分析和计算的依据；同时，调查桥位附近河道的冲淤变形及河床演变，作为确定历史洪水计算断面和桥梁墩台天然冲刷深度的依据。历史洪水位相应的洪水流量，可按水力学中明渠均匀流复式断面的方法计算。1.水文断面的选择计算流量所依据的河流横断面，称为水文断面，又称形态断面。水文断面应选在近似于均匀流的河段上，一般要求河道顺直，水流通畅，河床稳定，河滩较小，河滩与河槽的洪水流向一致，并且无河湾、河汊、沙洲等阻塞水流的现象。水文断面应尽量靠近调查的历史洪水位，但距桥位也不宜过远。水文断面与桥位断面之间，应既无支流汇入，又无分流或壅水现象。水文断面的数量应结合实际需要而定，一般可在桥位上下游各选一个断面，以便核对计算结果。符合条件的桥位断面，也可以作为水文断面使用。选定水文断面以后，应进行断面测量，绘制河流横断面图。水文断面必须垂直洪水流向。水文断面的形状应尽量符合历史洪水发生时的实际情况，一般可根据调查资料对河道变迁及河床冲淤作出定量估计，在断面图上适当修正。2.水文断面的流速和流量的计算水文断面的断面平均流速，用谢才——曼宁公式计算——断面平均流速（m/s），对于复式断面，河槽与河滩的断面平均流速应分别计算。——粗糙系数。——水力半径（m）。——洪水比降，以小数计。——湿周对于宽浅式河流（水面宽度大于断面平均水深10倍以上），湿周可近似应水面宽度来代替，则水利半径等于断面平均水深。用表示断面平均水深，则断面流量为单式断面时复式断面时3.洪水比降的确定河流中出现洪峰时的水面比降，称为洪峰比降。天然河流中每次洪水的洪水比降各不相同，水文断面计算流速时，应采用断面所在河段的洪水比降；根据历史洪水位计算历史洪水流速时，应采用与历史洪水相对应的洪水比降。洪水比降可根据水文站观测资料推算，也可根