第二章河流与径流

第2章河流与径流CHAPTER2RiverandRunoff

§2.1河流和流域RiverandBasin海洋

降落到地面的雨水，除了下渗、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(surfacerunoff)。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。河流的形成：

河流流经的谷地称为河谷（rivervalley），河谷底部有水流的部分称为河槽（riverchannel）。海洋右岸左岸左岸（leftbank）右岸（rightbank）外流河、内流河（内陆河）

1、河流的分段：

河源（riverhead、riversources）上游（upper

course、upperreaches）中游（middlecourse、river

reaches）下游（downstream、lowerreaches）河口（rivermouth）海洋河源河源上游中游下游河口

2.1.1河流特征（characteristicsofriver）河源：洪水位上游断面：中游断面：洪水位下游黄河入海口河口：3、河流的断面

横断面（riversection）纵断面（riverprofile）2、河流的长度L：自河源沿主河道至河口的长度，简称河长，以km计海洋L图2.2横断面示意图（1）河流横断面（简称：断面cross-section）：水位（waterlevel、waterstage）

高水位低水位

河槽（riverchannel）河滩（floodplain）低水位中水位高水位河槽河滩河滩边滩主槽河床主槽（mainchannel）边滩（rivershoal）高水位以下为河床：图2.2横断面示意图单式断面(singlecross-section)

复式断面(compoundcross-section)图2.2河槽断面图

横断面内，通过水流部分称为过水断面（wettedcross-sectionorwater-carryingsection），其面积称为过水断面面积（m2）。

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（thalweg），沿河流深泓线的剖面称为河流的纵断面（riverprofile）。表示河床自上游向下游沿程变化。（2）河流纵断面lZ2Z1河底4、河道比降落差（fall）以小数、千分数表示。水面比降（slopeofwatersurface）河底比降（slopeofriverbed）lZ2Z1河底比降（slopeofriver）一条河流的河底平均比降：图2-3河道平均纵比降计算示意图

2.1.2流域（Basin、Valley）特征水系（河系）（watersystem、drainagesystem、rivernetwork）干流（trunkstream）支流（tributary）干流是水系中最高级别的河流。1、分水线和流域（1）分水线分水线（basindivided、watershedline）山脊线（2）流域

流域是相对应于某一出口断面（outlet）的，当不指明断面时，指河口以上区域。闭合流域（closedbasin）不闭合流域（unclosedbasin）地面分水线地下分水线2、流域的几何特征（1）流域面积F(catchmentarea)：在地形图上绘出流域的分水线，量算出分水线包围的面积，即流域面积，以km2（2）流域长度LF（thelengthofwatershed）：从流域出口到流域最远点的流域轴线长度，km计。平均宽度B（theaveragewidthofwatershed）:

B=F/LF

（3）流域形状系数（coefficientofbasinshape）:

K=B/LF=F/LF2(2-2)

3、流域的自然地理特征（thephysicalfeaturesofriverbasin）

地理位置（geographicalposition）：经纬度气候条件（climaticcondition）：气温（temperature）、气压（airpressure）、湿度（humidity）、降水（precipitation）、蒸发（evaporation）、风（wind）4、流域的下垫面条件（underlyingsurfacecondition）地形（topography）地貌（geomorphy）：山区、山丘区、平原湖区…地质构造（geologicalstructure）岩石性质（rockfeatures）土壤（soilcharacteristics）植被（vegetationcover）湖泊（lake）与沼泽（swamp、marsh、bog）人类活动措施（humanactivities）

2.1.3山区河流和平原河流1、山区河流特点：流域内坡面陡峭，河床断面呈“V”、“U”型，河床多为基岩、卵石组成，河床稳定；沿程常有急滩、卡口、深潭，河底比降大；洪水暴涨暴落，水位变幅极大，水流流态紊乱，存在回流、漩涡、跌水和水跃。洪水位洪水位2、平原河流特点：断面开阔，常有河滩；河床由水流冲积而成，冲积层常常数十米，泥沙组成呈分层现象：最深处多为卵石，其上为夹砂卵石，再上为粗砂、中砂以至细砂；河滩常为粘土、粘壤土。断面不稳定，主槽常左右摆动，河槽冲淤；河床比降小，洪水涨落缓慢，水位变幅较小，汇流历时长。...............................

冲积层（riveralluvium）....................................基岩（bedrock）洪水位（floodlevel）......

平原河流按平面形状及演变过程，分为四种类型的河段：1）顺直微弯型（边滩平移型）河段（straightreach）泛滥边界泛滥边界边滩河槽边界河滩深槽河滩2）弯曲型（蜿蜒型）河段（curvedreach、meanderingreach）河槽河滩防洪堤3）分叉型河段（braidedreach）4）散乱型（游荡型）河段（wanderingreach）不同类型的河段对建桥有何影响？§2.2径流及其形成过程RunoffFormation径流（Runoff）:是指降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。包括：地面径流（surfacerunoff）地下径流（undergroundrunoff）。汇集到河流后，在重力作用下沿河床流动的水流称为河川径流（riverrunoff）。1、自然界的水文循环（WaterCycleinNature）

地球上的水是以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地面、地下及生物体内，组成一个相互联系的水圈（Hydrosphere）。

2.2.1水文循环与水量平衡河川径流源源不断，是由于地球上存在着自然界永不停止的水分循环，也称为水循环或水文循环。水分循环水汽水汽湖泊海洋蒸发降水水汽输送水汽输送降水植物散发蒸发下渗地面径流地下径流陆地土壤蒸发

水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。在水文循环中，水的物理状态、水质、水量都在不断变化，水通过蒸发、水汽输送、降水和径流四个环节进行着交换。由于地球大气环流机制和海陆分布决定了地球上水汽的运行规律，加上不同地区地形地貌特点、岩石土壤性质、植被、湖泊、沼泽等条件的差异，所以水在自然界循环的路径（Path）和过程（Process）极其复杂并且多变。

径流是水文循环中最为重要的一个环节，与人类社会的关系最为密切。有的地区湿润多雨，水量丰沛；有的地区则干旱少雨，河湖干涸。即使同一地区有时大雨滂沱，江河横溢；有时却久旱无雨，江河枯竭。正是由于自然界的水文循环，才形成这种永无终止、千变万化的水文现象。2、地球上的水量平衡（GlobalWaterBudget)水量平衡原理（PrincipleofWaterBudget)：

在水文循环过程中，任意区域，任一时段，进入的水量与输出的水量之差，必等于其蓄水量的变化量。

水量平衡原理（物理学中的质量平衡原理）是水文学中最重要的原理之一，水量平衡法是分析研究水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空分布变化规律等的主要方法之一。水量平衡方程（WaterBudgetEquation):

I–O=ΔS

式中，ΔS可正可负。上式为通式，对具体的研究对象，需根据具体的输入输出组成写出具体的水量平衡方程。陆地：

全球多年降水量与多年平均蒸发量相等，为1130mm。多年平均：

陆地：

（2-3）海洋：

（2-4）全球：

（2-5）

海洋：流域水量平衡图2-6某一区域水量平衡示意图3、流域水量平衡对某一闭合流域，某一时段T：

P–E–R=ΔS（2-7）多年平均：2.2.2径流形成过程（processofrunoffformation）

径流形成过程是从降雨开始，到径流流出流域出口断面整个物理过程。

1、径流形成的物理过程1）降雨过程降雨量（mm）降雨强度（mm/minmm/h）笼罩面积（km2）暴雨中心降雨量及其在时间和空间的变化决定了径流过程的大小和变化趋势。2）流域蓄渗过程降雨的损失：降雨中不能形成径流的那一部分雨量

植物截留IS（interceptionbyvegetation）

下渗f（infiltration）填洼Vd

（depressiondetention）

雨期蒸发E

这几部分雨量将耗于流域蒸、散发，不会形成径流，因此称之为损失（losses）。降雨量减去损失等于净雨量。降雨过程减去损失过程称为净雨过程。

3）坡地汇流（坡面漫流过程）

净雨首先从流域的坡面汇入河网（小沟、小溪、小河），形成地面径流，这部分径流速度快，历时短，是形成洪水的主体；另一部分净雨沿地下潜水层流入河网，形成地下径流，这部分径流流速较小，形成比较稳定的地下径流。坡面漫流是从流域局部开始漫流，然后逐渐扩大到全流域。4）河网汇流（河槽集流过程）

进入河网的径流（河川径流），在重力作用下沿着河道从支流到干流，从上游到下游汇集到流域出口断面，完成径流形成的整个物理过程。径流的形成过程，通常把降雨转化为净雨的过程称为产流过程；净雨转化为河川径流的过程称为汇流过程。

必须指出：径流形成过程是从降雨开始，到径流流出流域出口断面整个物理过程。降雨、流域蓄渗、坡面漫流、河槽集流是径流形成过程中的四个阶段，它们在时间上没有截然的分界，而是同时交错进行的。2、径流的表示方法与度量单位（1）流量Q（flow、discharge）：单位时间内通过河流某一断面的水量称为流量，以m3/s计。流量随时间的变化过程称为流量过程线

（hydrograph），以Q～t表示。水位过程线，以Z~t表示。洪峰流量Qm

（peakflow）涨水段t1（risinglimb）退水段t2（fallinglimb）洪水总历时T=t1+t2（totaldurationofflood）

一次洪水过程可以用三个要素：洪峰（流量、水位）、洪量和洪水过程线表示。

年最大洪峰流量、年最大洪峰流量系列（2）径流量W（runoffamount）时段T内通过河流某一断面的总水量，以m3，万m3，亿m3计。WQtt1t2图2-23（3）径流深

R（runoffdepth）将径流总量W平铺在流域面积F上的水深，以mm计：

（4）径流模数M（runoffmodulus）平均单位流域面积上的流量，以L/(s.km2)计：

M=1000Q/F

（2-30）（5）径流系数α（runoffcoefficient）径流量与降雨量（形成的径流量的那部分降雨量）之比：

α=R/P

（2-31）

且

α≦1【例2-1】某断面以上集水面积F=54500km2，多年平均降雨量1650mm，多年平均流量1680m3/s，求径流量指标。解：1、多年平均径流量2、多年平均径流深4、多年平均径流系数3、多年平均径流模数净雨量和径流量有何区别？两者之间有何联系？

2.2.3水文资料的搜集和整理CollectionandAnalysisofHydrologicalData

工程设计所需资料：

年最高洪水位、年最大洪峰流量流速、洪水比降、糙率、年最高潮位。水位~流量关系曲线、水位~过水断面面积关系曲线、水位~断面平均流速关系曲线历史调查洪水资料小流域：流域内暴雨资料（小桥、涵洞）水文资料的来源：（1）水文站实测资料（2）洪水调查资料（3）历史文献考证资料泥沙：包括悬移质含沙量、推移质输沙率、床沙及河床地质钻探资料，包括各层泥沙平均粒径及粒径级配曲线。（1）水文站观测资料范围：桥位河段及附近流域途径：水文部门的《水文年鉴》、《水文数据库》、《水文特征值》、《水文手册》、《水文图集》等；海洋部门的《潮位资料》；已建水利工程或桥梁设计资料等等。（2）洪水调查资料已刊印或出版的历史调查洪水资料。洪水调查主要是在桥位上下游调查历史上发生过的大洪水、特大洪水的洪水位，确定洪水比降，推算相应的洪峰流量，作为桥位水文设计的依据；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。洪水调查的一般步骤：①查明历史洪水发生的时间：深入群众，访问沿岸的居民；查阅历史文献资料等，查清雨情、水情、灾情。②调查洪水痕迹：实地踏勘，调查洪水痕迹及淹没范围③测量洪水位及断面④计算洪水流量ⅠⅡⅡⅠⅡⅡⅠⅠ桥位断面1935年1947年J1947年调查洪水位1935年调查洪水位河底流量计算：1）水文断面选择计算流量的断面称为水文断面，又叫形态断面。水文断面选择：桥位断面，上、下游各一个

测量水文断面的断面图2）流速和流量计算谢才-曼宁公式（Chezy–ManningFormula）：对宽浅型断面（）：流量：

单式断面：复式断面：3）洪水比降的确定由调查水面线确定，或用河底比降近似。ⅡⅡⅠⅠ桥位断面1935年1947年J河底4）河床糙率（粗糙系数）的选择水文站实测流量、流速、断面资料分析的结果，或根据河段特性及水流状态，查天然河道糙率表（设计手册、水力学书籍）。河槽、河滩糙率需分别确定（3）历史文献（historicaldocuments）考证资料

考证桥位河段历史洪水（historicalflood）（大洪水或特大洪水），估计洪水流量的数值范围以及大小顺序，重现期等等。调查洪水流量计算实例【例2-2】某公路桥梁跨越一条平原河流，桥位河段基本顺直，上游有河湾，河床平坦，两岸较为整齐，无坍塌现象。河槽土质为沙砾，河滩为耕地，表层为沙和淤泥。实测桥位断面如图。河槽、河滩分界桩号K0+622.60。粗糙系数：河槽mc=1/nc=40，河滩mt=1/nt=30。调查历史洪水位63.80m，洪水水面比降J=0.3‰，试求洪峰流量。K0+500.00+509.60+546.50+550.60+575.40+582.20+600.00+622.60+645.35+650.00+661.35+681.35+700.00+702.35+715.35+725.97+730.07+734.27+740.0064.0060.7060.4260.6161.7461.4251.9651.2651.9552.3553.7863.0363.3264.83河底高程间距桩号

桩号河床标高（m）水深（m）平均水深（m）水面宽度（m）过水面积（m2）累计面积（m2）合计K0+500.5863.8000

河滩ωt=336.19m2Bt=122.02m1.559.0213.98+509.6060.703.1013.983.2436.90119.56+546.5060.423.38133.543.2928.9095.08+575.4060.613.19228.542.636.8017.88+582.2061.742.06246.502.2240.4089.69+622.60