水文循环与径流形成

第二章水文循环与径流形成

研究对象

1.自然界的水文循环

2.河流与流域

3.降雨、蒸发、下渗与径流

2/4/20231研究内容1.自然界水文循环及水资源

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、流域水量平衡第二章水文循环与径流形成

2/4/20232研究目的

1.从自然界的水文循环理解水资源的再生性与有限性

2.了解流域对水文变化的作用及影响

3.掌握降水、蒸发、下渗的基本概念与变化规律

4.掌握径流形成的基本概念与定量描述方法

5.熟练掌握水量平衡原理及方程。第二章水文循环与径流形成

2/4/20233主要内容：自然界的水循环、大循环、小循环；地球上的水量平衡。学习要求：了解自然界的水文循环现象、原因与作用；掌握海洋的、陆地的、全球水量平衡原理与方程。第一节水文循环与水量平衡2/4/20234一自然界的水文循环2/4/20235一自然界的水文循环1水文循环定义2水文循环的原因3水文循环分类4水文循环的主要环节5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通过不断蒸发、水汽输送、凝结、降水、下渗、径流的永无休止的往复循环过程，称为水文循环，或水循环。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。主要环节：降水、蒸发、下渗、径流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。2/4/20236二地球的水量平衡1水量平衡原理定义：在水文循环过程中，对任一区域，任一时段输入水量与输出水量的差额必等于其蓄水变化量。它是水文学的基本原理，也是水文学最成熟的理论，主要用于定量分析水文要素值。2水量平衡方程将水量平衡原理应用于某一区域，可列出如下水量平衡方程：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。上式是水量平衡方程的最基本形式，对于不同的区域和研究问题，还应具体分析其输入输出量的组成，写出相应的水量平衡方程。水循环过程中的水量平衡方程的基本因素为降水量、蒸发量和径流量以及区域蓄水量的变化量。2/4/20237二地球的水量平衡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：2/4/20238有利影响不利影响三人类活动对水循环、水平衡的影响修建水库引水灌溉跨流域调水大面积滥伐森林排干湖、沼过度抽取地下水2/4/20239第二节河流与流域主要内容：河流及其特征、河流地貌定律；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。2/4/2023101基本概念：河流：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。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。一河流及其特征2/4/202311河床主槽滩地枯水位洪水位2/4/202312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；一河流及其特征凹岸凹岸凸岸凸岸2/4/202313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(入湖)、石羊河(消失于沙漠)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。一河流及其特征2/4/2023142/4/2023152/4/2023162河流形成

地壳运动——形成线形槽状凹地径流侵蚀作用——冲淤、改道等大气降水——提供水源3河流分段河源上游中游下游河口一河流及其特征河流的发源地，多为溪涧、泉、湖泊、冰川、沼泽等三江源：长江、黄河、澜沧江黄河扎陵湖澜沧江扎曲长江各拉丹东紧接河源，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

河床底坡和水流速度渐缓，河槽变宽，两岸有滩地，河床冲淤不明显。位于冲积平原，河槽宽阔，河床底坡、水流流速较小，泥沙淤积严重，浅滩、河湾多河流的终点，即河流注入海洋、湖泊等的地方。水流流速骤减，大量泥沙淤积，形成三角洲。有些河流消失在沙漠中，则无河口，如甘肃石羊河。2/4/2023172/4/202318长江河口2/4/202319黄河河口2/4/202320黄河河口2/4/202321滦河入海口2/4/202322长江源头沱沱河——湖北宜昌——江西湖口黄河源头扎陵湖、鄂陵湖——内蒙古河口镇——河南桃花峪一河流及其特征2/4/2023234河流基本特征（1）河流长度：或河长，是指自河源沿主沟道至河口的长度，L，km。

在一定比例尺地形图上量出。

河长作用：是河流特性的基本参数，可确定河流落差、比降和能量。一河流及其特征河口河源2/4/202324(2)河网密度定义：单位面积内河流干、支流的总长度称为河网密度。反映了一个地区的河网疏密程度，用符号D表示，单位为km/km2，计算公式如下：式中：D为河网密度,km/km2；F为区域总面积,km2。作用：河网密度越大，流域切割程度越大，径流汇集速度较快；河网密度小，则流域排水不良，径流汇集缓慢；河网密度越大，河道滞蓄水量越大，防洪越有利。一河流及其特征2/4/202325(3)河流弯曲系数定义：河流长度与河源到河口间直线距离之比，表示河流平面形状的弯曲程度。用符号K表示，计算公式如下：式中：K为河流弯曲系数；L为河流实际长度，km；l为河流直线长度。作用：弯曲系数K值越大，河段越弯曲，对航运和排洪不利。一河流及其特征2/4/202326(4)河流断面1）横断面：与水流方向相垂直的断面，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。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，且受冲淤变化影响。横断面分类：河流横断面是河流平面形态和水流长期相互作用和相互影响的结果。根据横断面形状可分为单式断面（V或U形）和复式断面（宽浅阶梯状U形，有多级河漫滩）两类。一河流及其特征河流横断面的一般形状2/4/202327(4)河流断面2）河流纵断面定义：是指沿河流水流方向从河源到河口的各横断面最大水深点的连线的剖面。作用：纵断面图表示河槽纵向坡度（纵比降）和落差的沿程分布。是推算水流特性和估计谁能蕴含量的主要依据。一河流及其特征2/4/202328

(5)河道比降

1）河道纵比降

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，比降计算公式：J=(h上-h下)/l=Δh/l当河段纵断面呈折线时，河道平均比降推求：一河流及其特征2/4/202329h0h1h2h3h4h5l1l2l3l4l5L河道平均纵比降计算示意图ω1ω2ω1

=ω22/4/2023302）河流横比降

在河流弯道段的横断面上存在水面横比降。产生原因是，流经弯道河段水流收到地球自转偏转力和河流弯道离心力共同作用，导致表层水流向凹岸流动，凹岸水面高程大于凸岸水面高程。河流弯道段凹、凸岸水面高程差与相应横断面河宽的比值称为河流弯道横比降。

在二力作用下，河流弯道表层水流从凸岸向凹岸流动，底层水流从凹岸向凸岸流动，构成一个封闭的横向环流。横向环流与纵向水流共同作用形成江河中常见的螺旋流。这种螺旋流使河道的凹岸受到冲刷，凸岸受到淤积，因此将取水建筑物布置在河道弯道凹岸。一河流及其特征2/4/202331二流域及其特征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。

2/4/202332二流域及其特征2/4/202333二流域及其特征2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重合的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水线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。2/4/202334二流域及其特征2/4/202335二流域及其特征3流域基本特征

流域基本特征包括形状特征、地形特征和自然地理特征三类。3.1流域形状特征(1)流域面积，F，km2。定义：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。目前，可用GIS软件自动勾绘出流域边界，计算出流域面积。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2/4/202336(2)流域长度，L，km

流域长度的计算方法有三种：

A：从流域出口沿主沟道至流域最远点之间的曲线距离；

B：从流域出口至流域最远点之间的直线距离；

C：流域平面图形的几何中心轴长度。目前，常用流域几何中心轴长度作为流域长度。

二流域及其特征2/4/202337流域几何中心轴长度推求方法如下：

二流域及其特征流域轴线（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。流域河口2/4/202338(3)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，则流域姓张近似方形，水流越集中，形成的Qm越大，洪水过程越集中。(4)流域形状系数，K

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。三流域及其特征2/4/2023393.2流域地形特征(1)流域平均高程：流域地面分水线内地表的平均高程。常用流域内各相邻等高线间的面积乘以其相应平均高程乘积之和与流域面积的比值，即计算公式如下：

式中：

为流域平均高程，m；fi

为相邻两条等高线之间的面积，km2；Zi

为相邻两条等高线的平均值，m；F为流域面积，，km2。二流域及其特征2/4/2023403.2流域地形特征(2)流域平均坡度：流域地面分水线内地表的平均坡度。是计算流域洪水汇流计算的一个重要参数。常用计算公式如下：

式中：

为流域平均坡度；为相邻两条等高线之间的高差，m；Li

为流域内各条等高线的长度，m；F为流域面积，km2。二流域及其特征2/4/2023413.3流域自然地理特征流域的自然地理特征包括地理位置、气候条件和流域下垫面条件三类。（1）流域的地理位置：包括流域所处经纬度、流域与海洋的距离、四周山脉关系等。主要是影响水汽输送条件。例如，我国西北内陆地区和华北地区相比，纬度相同,但前者因距离海洋较远、降水稀少而形成较干旱气候；秦岭山脉的阻隔，水汽输送不畅，导致秦岭南北地区降雨量相差悬殊，河流水文特征差异显著。喜马拉雅山脉以南水量充沛，以北水量稀少。

三流域及其特征2/4/2023423.3流域自然地理特征（2）流域的气候条件：包括降水、蒸发、气温、风速、湿度、气压等。河流的形成和发展主要受气候条件控制。降水量的大小及分布直接影响河流的年径流量多少；蒸发量则对流域年、月径流有重要影响；气温、湿度、风速、气压等主要通过影响降水和蒸发，间接地影响流域径流的多少。（3）流域的下垫面条件：下垫面指流域的地形、地质构造、土壤、岩性、植被、湖泊等情况。下垫面条件直接或间接地影响流域径流的变化规律。三流域及其特征2/4/202343第三节降水基本概念降水降水量降水历时降水强度降水面积暴雨中心降水三要素：定义：液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象降水现象：雨、雪、雹、露、霰、霜等定义：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：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降水量、降水历时和降水强度2/4/202344一降水的形成与分类1降水的形成形成降水的主要因素：

水汽上升运动冷却凝结2/4/2023452降水的分类按空气抬升而形成动力冷却的原因，降水可分为四类：对流雨、地形雨、锋面雨和气旋雨（1）对流雨定义：因地表局部受热，气温向上递减率过大，大气稳定性降低，而发生水汽垂直上升运动，形成动力冷却而致雨特点：降雨强度大，历时短，雨区较小一降水的形成与分类2/4/202346(2)地形雨定义：暖湿气团在运移途中，遇山脉等地形阻挡，气流被迫沿迎风坡上升，由于动力冷却而成云致雨特点：因空气本身温湿特性，运行速度以及地形特点而异，差别较大

一降水的形成与分类2/4/202347(3)锋面雨锋面：两个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一个不连续面锋面雨：锋面活动产生的降雨

一降水的形成与分类冷锋：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2/4/202348（4）气旋雨气旋：中心气压低于四周的大气旋涡气旋雨：在北半球，气旋内的空气做逆时针旋转，并向中心辐合，引起大规模的上升运动，水汽因动力冷却而致雨分类：按热力学性质可分为温带气旋（雨）和热带气旋（雨）两类

一降水的形成与分类2/4/202349温带气旋雨温带地区的气旋多由锋面波动产生，称为锋面气旋;

气旋前方是暖锋云系及伴随的连续性降水天气气旋后方是狭窄的冷锋云系和降水天气气旋中部是暖气团天气，有层云或毛毛雨

一降水的形成与分类2/4/202350热带气旋雨热带气旋：发生在低纬度海洋上的气旋性旋涡气旋分类：根据风速大小，将其分为4类：

6~8级为热带低压；

8~9级为热带风暴；

10~11级为强热带风暴；大于12级为台风台风：大暴雨，雨强很大，分布不均台风登陆后受地形和冷空气影响，形成狂风暴雨一降水的形成与分类2/4/2023512005年8月8日台风“麦莎”2/4/2023522/4/202353降水量可采用器测法、雷达探测或利用气象卫星云图估算。器测法二降水量观测2/4/202354器测法二降水量观测2/4/202355器测法二降水量观测2/4/202356雷达探测气象雷达利用云、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。

二降水量观测2/4/202357气象卫星云图已引入人～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。二降水量观测2/4/202358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。三我国降水量及时空分布2/4/202359三我国降水量及时空分布分区年均降水量(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2/4/2023602/4/202361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。

三我国降水量及时空分布2/4/202362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。

三我国降水量及时空分布2/4/202363第四节土壤水、下渗与地下水主要内容包气带与饱和带土壤水下渗地下水学习要求

了解土壤水的存在形式与分布；掌握下渗的基本概念与计算方法2/4/202364第四节土壤水、下渗与地下水降雨落到地表之后，一部分渗入土壤中，另一部分形成地表水，直接汇入河流。渗入土层的水量，一部分被土壤吸收成为土壤水，而后通过蒸发返回大气，另一部分渗入地下补给地下水，再以地下径流的形式进入河流。下渗和土壤水的运动影响径流的形成过程，本节着重阐述土壤水、下渗的形成、储存、运动等概念。2/4/202365一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。2/4/202366二土壤水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。

2/4/202367二土壤水2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2/4/2023683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、径流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。二土壤水2/4/2023694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二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2/4/202370三下渗下渗定义定义：降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的过程。研究下渗的目的

1）下渗水量的多少直接影响着径流量的大小，同时直接决定了地面、地下径流量的大小；

2）下渗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。2/4/2023711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。三下渗2/4/202372

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：三下渗2/4/202373三下渗累积下渗曲线：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。2/4/2023742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。三下渗2/4/2023753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2/4/2023764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。三下渗2/4/2023775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。2/4/2023786地下水的类型及特征地下水是指埋藏在地表以下饱和岩土孔隙、裂隙及溶洞中的各种状态的水。地下水划分：a.包气带水埋藏于地表以下、地下水面以上的包气带中，包含吸湿水、薄膜水、毛管水、渗透的重力水等。b.潜水饱水带中第一个不透水层上具有自由水面的地下水。水文中称为浅层地下水。潜水面与地面之间的距离称为潜水埋藏深度，潜水面与第一个不透水层层顶之间的距离称为潜水含水层厚度。特征：a)潜水通过包气带与大气连通，所以不承受静水压力。大气降水、凝结水、地表水渗入包气带补给潜水，潜水也通过包气带或植物吸收而蒸发，在一般情况下，潜水的分布区与补给区是一致的。2/4/202379b)潜水在重力作用下由水位较高处向水位较低处流动，流速大小取决于水力坡度和含水层的渗透性能。潜水向排泄处流动时，其水位逐渐下降，形成曲线形表面。c)潜水埋藏深度及贮量取决于地质、地貌、土壤、气候等条件。一般山区潜水埋藏较深，平原区较浅，有的甚至仅几米深。c.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。主要特征：

一般不直接受气象、水文因素的影响；动态变化较稳定。2/4/2023807流域面平均雨量的计算方法：1）算数平均法

当流域内雨量站分布较均匀，地形起伏变化不大时，可用流域内各站雨量的算数平均值作为流域平均雨量。2/4/2023812）泰森多边形法

假定流域内各点的降雨量可由与其距离最近的雨量站降雨量代表。

具体做法：先用直线连接相邻雨量站（包括流域周边外不远的雨量站），构成若干个三角形（应尽量避免出现钝角三角形）；再做每个三角形各边的中垂线。这些中垂线和流域边界线将流域划分成若干个多边形，每个多边形正好对应一个雨量站，这些多边形称为泰森多边形；最后，计算流域平均雨量。2/4/2023822/4/2023833）等雨量线图法

等雨量线是降雨量相等的点连成的线，类似地形等高线，由等雨量线构成的图称为等雨量线图。当流域内、外雨量站分布较密时，可根据各站降雨量资料绘制出等雨量线图，再用面积加权法计算流域平均雨量。2/4/202384第五节蒸散发主要内容水面蒸发的观测与计算土壤蒸发观测与估算植物散发测定与估算流域蒸发计算学习要求了解蒸发与散发的基本概念掌握水面蒸发与流域蒸发的计算方法2/4/202385一基本概念

据统计，陆地上一年内的降水约有60%耗于蒸发。蒸散发是水文循环的重要环节，也是水量平衡的基本要素之一，对径流量有直接影响。蒸发：水由液态或固态转化为气态的过程；散发或蒸腾：被植物根系吸收的水分，经由植物的枝干和叶面散逸到大气中的过程；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：蒸发面为植物枝干和叶面；2/4/202386一概述陆面蒸发：土壤蒸发与植物散发的总和；流域总蒸发：流域内各类蒸发的总和。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，某一蒸发面的最大蒸发量，Em

一般情况下，蒸发面上的蒸发量小于或等于蒸发能力。2/4/202387二水面蒸发1定义：在自然条件下，水面的水分从液态转化为气态逸出水面的物理过程。2水面蒸发的观测方法

20cm口径蒸发器

80cm口径套盆蒸发器

60cm口径带套盆E601蒸发器2/4/2023883计算水体水面蒸发E=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、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

。

二水面蒸发2/4/202389三土壤蒸发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。2/4/202390三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。

2/4/202391四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。

2/4/202392五流域总蒸发定义：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：2/4/202393水量平衡法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。五流域总蒸发2/4/202394模式计算法——一层模式

流域蒸散发层：整体

假设：流域蒸散发量与流域需水量成正比，

计算公式：

五流域总蒸发2/4/202395缺点：该模式的结构和土壤含水量的垂直分布不完全与实际情况相符，对久旱之后下的一场小雨且土壤水分较少时，计算结果误差较大2/4/202396模式计算法——二层模式

流域最大蓄水量WM分上下两层：上层WUM、下层WLM,WM=WUM+WLM

实际蓄水量相应也分为上下两层：假设：下雨时，先补充上层缺水量WUM-WUt，满足上层后再补充下层。蒸、散发先消耗上层的WUt，蒸发完了再消耗下层的WLt。上层按蒸发能力蒸发，下层蒸、散发量假定与下层蓄水量成正比，即

五流域总蒸发2/4/2023972/4/202398模式计算法——三层模式流域最大蓄水容量WM分为：上层、下层、深层，WM=WUM+WLM+WDM实际蓄水量也分为三层，五流域总蒸发前两层蒸、散发与二层模型相同，但只能用到的情况，这里C是与深层蒸、散发有关的系数。2/4/202399假设：下渗与蒸发均遵循先上后下的原则。C值在北方半湿润地区约为0.09~0.12，南方湿润地区约为0.15~0.20（均为日数值），也可用实测资料优选。2/4/20231001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：<25mm六我国蒸发量概况2/4/2023101六我国蒸发量概况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

2/4/2023102第六节径流主要内容径流形成过程径流的表示方法与度量单位我国径流量概况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了解我国径流量的分布情况2/4/2023103径流概念径流：由降水形成的在重力作用下沿着一定的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）壤中流（Qint）河川径流（Q）降雨径流融雪径流2/4/2023104径流的作用：径流是陆地上重要的水文现象，是水分循环和水量平衡的基本要素，是引起河流、湖泊、沼泽等陆地水体水情变化的直接因素。因此，揭示和了解径流变化规律，分析径流与其它水文要素及各影响因素之间的相互关系，掌握径流形成的基本理论与分析方法是十分必要的。径流概念2/4/20231051径流形成过程1.1定义径流形成过程是指自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个过程。P~tQ~t2/4/20231061径流形成过程1.2径流形成过程的阶段划分径流形成过程是一个复杂而连续的物理过程，开始于降雨过程，结束于流域出口断面的流量过程。为了便于分析，一般将其概括为产流过程和汇流过程。降雨过程产流过程流域蓄渗过程坡地汇流过程汇流过程河网汇流过程径流形成过程2/4/20231071.3产流过程1.3.1基本概念降落到流域表面的雨水，一部分会损失掉，剩余部分形成径流。净雨：降雨扣除损失后用于形成径流的雨量称为净雨。产流过程：降雨扣除损失成为净雨的过程；净雨量也称为产流量；降雨不能产生径流的那部分降雨量称为损失量。1径流形成过程2/4/20231081.3产流过程1.3.1降雨过程流域内的径流由降雨产生，因此降雨过程是径流形成的首要环节。降雨大小及其时空分布特征决定了河川径流的大小和变化过滤。1径流形成过程2/4/20231091.3产流过程1.3.2流域蓄渗过程（即降雨扣损过程）

在分析径流形成过程中，一般将流域地面分为以下三类：（1）与河网连通的水面；降落到水面上的降雨除了少量耗于雨期蒸发外，直接形成径流。（2）不透水面，如屋顶、水泥路面等；降落到不透水面上的降雨除了少量耗于雨期蒸发和被地面吸收损耗外，剩余雨量形成地表径流。（3）透水地面，裸露土壤的地面、草地、森林等。降落到透水地面的雨水一部分被植物的枝干、叶面拦截和滞留，称为植物截留，截留量最终耗于蒸发。

1径流形成过程2/4/2023110植物截留得到满足后，降落的雨水到达地面向土壤中入渗，若雨强小于下渗能力，雨水全部下渗；若雨强大于下渗能力，超出下渗能力的雨水在地表形成积水，蓄存于地面大大小小的洼地，称为地表填洼，填洼的水量最终耗于蒸发和下渗。随着降雨持续进行，满足地表填洼的地方开始产生地表径流Rs。渗入土壤中的水分，首先被土壤吸收，使土壤含水量不断增加，当土壤含水量达到田间持水量后，后续渗入土壤中的雨水沿着土壤孔隙向下流动。在流动过程中，如遇到相对不透水层，则有部分雨水在不透水层上形成积水，进而积水会沿着土壤孔隙发生侧向流动，在一定的位置出露地表，注入河槽形成径流，称这种径流为壤中流Rint。1径流形成过程2/4/2023111随着渗入土壤中的雨水持续增加，透过相对不透水层的雨水继续向土层深处入渗，到达地下水面线以下，以地下水（浅层地下水和深层地下水）的形成补给河流，这部分径流称为地下径流Rg。降雨经过流域蓄渗过程被分配为降雨损失和净雨两部分。产流过程中的水以垂向运动为主，形成不同净雨（径流成分）的基本过程。

1径流形成过程注意：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。2/4/20231121.3产流过程降雨损失：降雨中不能形成径流的那部分雨量，I。

（1）植物截留Is——蒸发（2）地表填洼Vd

——蒸发、下渗（3）下渗f——蒸散发（4）雨期蒸发E降雨损失过程：1径流形成过程2/4/2023113净雨：降雨扣除损失后用以形成径流的那部分降雨量，R，mm。

包括以下几部分：

（1）地表净雨Rs—形成地表径流的净雨；地表（2）壤中流净雨Rint—形成壤中流的净雨；包气带（3）地下净雨Rg

—形成地下径流的净雨，包括浅层地下水（潜水）和深层地下水（承压水）；饱和带净雨过程：1径流形成过程2/4/2023114净雨与径流的区别与联系：联系：净雨和它形成的径流在数量上相等。区别：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。1径流形成过程2/4/20231151.4汇流过程1.4.1流域汇流过程定义净雨沿着坡面从地面和地下汇入河网，经河网汇集到流域出口断面的整个过程称为流域汇流过程。流域汇流过程包括坡地汇流和河网汇流两个阶段。

1径流形成过程2/4/2023116汇流过程1径流形成过程坡面汇流河网汇流流域汇流过程流域出口2/4/20231171.4.2坡地汇流定义：净雨沿坡地从地表和地下汇入附近河网的过程。坡面漫流：流程短，流速大，先到达。壤中流汇流

：流程较长，流速缓慢，后到达。坡地地下汇流：流程最长，流速最慢，最后到达

在径流形成过程中，坡地汇流过程是对净雨在时程上进行的第一次再分配。1径流形成过程2/4/20231181.4.3河网汇流定义：经坡地汇流注入河网的径流沿河网从支流向干流、从上游向下游汇集，最后全部流出流域出口断面的过程。

河网汇流时间大于坡面汇流时间地表径流Qs：陡涨陡落，最先结束；壤中流Qg：平缓，持续时间长；地下径流Qb：稳定，且量小，持续时间很长。在径流形成过程中，河网汇流过程是净雨在时程上进行的第二次再分配。汇流过程中的水以水平侧向运动为主，水平运动机制是构成降雨在时程上再分配的过程。1径流形成过程注意：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。2/4/20231191径流形成过程1.5降雨过程与流域出口断面流量过程之间的差异(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2/4/2023120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2/4/20231212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、多年定义：一定时段内通过河流某一断面的总水量。W，m3，万m3，亿m3

日、月、年径流量、多年平均次洪径流量与Q的关系：定义：径流量平铺在流域面积上形成的水层深度，R，mm

时段、年、次降雨径流深等定义：流域出口断面的流量与流域面积的比值，M，m3/(s•km2)或L/(s•km2)定义：某一时段内的径流深与相应时段内的平均降雨量的比值，α2/4/2023122径流表示方法之间的换算关系QWMRQW/FQ/F103RF/TWQTMFT/103103RFMQ/FW/T/F106R/TRQT/F/103W/F/103MT/1062径流的表示方法2/4/2023123例1：某水文站控制流域面积为54500km2，已知该站的=1680m3/s，该流域

=1650mm，试求，，以及解：多年平均径流量

=1680×365×24×3600=530亿m3

多年平均径流深

=530×108/(54500×103)=972mm

多年平均径流模数

多年平均径流系数

2径流的表示方法2/4/2023124例2：已知某水文站控制面积F=2000km2，某次洪水过程线如下表。试推求该次洪水的径流量W和径流深R。时间(日.时)2.142.203.23.83.143.204.24.8流量(m3/s)10021023016001450