第二章-流域径流形成过程教材

第二章流域径流形成过程2.1、概述2.2、河流与流域2.3、降水2.4、下渗主要内容第二章流域径流形成过程2.5、蒸散发2.6、径流2.1、概述径流：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地表径流：沿着地面流动的水流地下径流：沿着土壤、岩石孔隙流动的水流河川径流：水流汇集到河流后，在重力作用下沿着河道流动的水流降水

P蒸发E地面径流RSEP陆地海洋蒸腾E水汽输送水汽输送

水汽凝结水文循环地下径流Rg下渗F2.1、概述径流蒸发水汽输送降雨下渗循环2.1、概述概化的水文循环——简单的理解成垂向和水平（侧向）运动2.1、概述

径流过程是地球上水文循环中最为重要的一环。在水文循环中，陆地上降水的34%转化为地面径流和地下径流汇入海洋。活跃因子：降水、下渗、蒸发2.1、概述降水、下渗、蒸发是地球上水文循环中最活跃的因子，也是径流形成的主要影响因素。流域是降水的承受面，也是蒸发的逸出面，也是径流形成的下垫面。流域的主要功能是将降水转化为径流，流域的基本特征是形成径流量大小及其变化过程的重要影响因素。河流是径流的重要通道，在水文循环中，河流是陆地和海洋之间进行水量横向交换的路径之一本章内容：流域河流→降水、下渗、蒸发→径流形成过程及其表示方法2.2、河流与流域第二章流域径流形成过程2.2.1河流

2.2.1.1河流的形成和分段一条河流可分为河源、上游、中游、下游及河口五段。长度最长或水量最大者作为干流，汇入干流的为一级支流，汇入一级支流的称二级支流，其余类推。

2.2、河流与流域

河源：河流的发源地，多为冰川、泉水、溪涧、湖泊或沼泽等。2.2、河流与流域

中游：河段坡度减缓，河槽变宽，两岸常有滩地，河床较稳定。2.2、河流与流域

下游：河流最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，淤积明显，浅滩和河湾多。2.2、河流与流域

河口：河流注入大海或内陆湖泊的地段，因流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三角洲。2.2、河流与流域2024/3/2425黄河河口2.2、河流与流域2.2.1.2河流的基本特征①河流长度L（km）：自河源沿河道至河口的长度称为河流长度，或称河长，可在大比例地形图上用曲线仪或小分规量出。

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。

2.2、河流与流域河源河口2024/3/2430左、右岸：面向下游，位于身体左侧的河岸为左岸，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为凹岸，相反称凸岸凹岸凹岸凸岸凸岸②河流的平面形态2.2、河流与流域落差：河段两端的河底高程差

河道纵比降J

：当河段纵断面比降相同时:

当河流纵断面各段比降不同时:③河流的纵断面：2.2、河流与流域l1l2l3l4l5L图1－1河道纵比降计算示意图ω1ω2h5h3h4h1h2h0ω1

=ω2

2.2、河流与流域

流动的水体与容纳流水的河槽是构成河流的两个要素。河槽亦称河床，枯水期水流所占部位为基本河床，或称主槽；洪水泛滥及部位为洪水河床，或称滩地。

④河流的横断面河流横断面的一般形状2.2、河流与流域2.2、河流与流域2.2.2水系2.2、河流与流域2.2、河流与流域2.2、河流与流域2.2.3流域2.2、河流与流域流域：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。流域的周界称为分水线分水线：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。

2.2、河流与流域2.2、河流与流域地面分水线与地下分水线重合，这样的流域称为闭合流域。地面分水线与地下分水线不一致的流域称为不闭合流域。

2.2、河流与流域不闭合流域2.2、河流与流域①流域面积F（km2）:流域面积是流域的主要几何特征。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。

分水线流域面积河流2.2、河流与流域

②河网密度: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度。

河网2.2、河流与流域③流域长度L（km）

河流流域面积1.以河口为圆心绘制同心圆。2.做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。2.2、河流与流域④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。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。2.2、河流与流域⑤流域平均高度H（m）与平均坡度J：将流域划分成100以上的正方格，定出每个方格交叉点上的高程及坡度，这些格点的高程和坡度的平均值为流域平均高度和平均坡度。流域平均高度直接影响流域的气温与降水，流域平均坡度对径流的产流、汇流、下渗、土壤流失等有很大的影响。

⑥流域的自然地理特征：流域的地理位置、气候、地形、植被、土壤特性，地质构造，沼泽及湖泊情况等，都是与流域水文特性密切有关的。2.2、河流与流域降水：是指液态或固态水汽凝结物从云中降落到地面的现象。降水要素：降水量、降水历时、降水强度、降水面积和暴雨中心。降水等级：24h降水量达到和超过50mm的降水量称为暴雨。2.3降水Precipitation24h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2024/3/2449降水量降水历时降水强度定义：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：降水持续的时间，min，h或d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2.3降水Precipitation降水面积暴雨中心定义：降水笼罩的水平面积，km2定义：暴雨量最大的较小局部区域降水三要素：降水量、降水历时和降水强度2.3降水Precipitation2.3.1基本概念

在一定温度下，空气中最大的水汽含量称为饱和湿度。

如果空气中的水汽达到饱和湿度，就说这团空气处于饱和状态。

在一定水汽含量下，空气达饱和状态时对应的温度称露点温度。

空气中水汽量超过饱和湿度，则达到过饱和状态。具有均匀的温湿特性，在气压场作用下向同方向移动的大气称为气团。2.3降水Precipitation

空气达到饱和的原因是空气温度下降至露点温度以下。水汽在过饱和状态下是不稳定的，多余的水汽很容易凝结成水。充足的水分、强烈持久的空气上升动力冷却是降水的充分必要条件，而造成空气冷却的主要原因是气团抬升，气压下降，体积膨胀耗能。降水的成因2.3降水Precipitation

降水常按照使空气抬升而形成动力冷却的原因分为对流性降水、地形性降水、锋面性降水和气旋性降水，习惯上把它们分别称为对流雨、地形雨、锋面雨与气旋雨。降水的分类2.3降水Precipitation对流雨降雨的分类气旋雨地形雨锋面雨

对流雨:是因地表局部受热而发生垂直上升运动所形成。因上升速度较快，形成的云多为垂直发展的积状云，降雨强度大，雨面不广，历时较短。

2.3降水Precipitation2.3降水Precipitation

地形雨：地形雨是空气在迁移途中，因所经地面的地形天然升高而被抬升时,受动力冷却而成云致雨，地形雨降雨特性,随空气自身温湿特性，运行速度以及地形特点而异。2.3降水Precipitation锋面雨：两个温湿特性不同的气团相遇来不及混合而形成一个不连续面，称为锋面或锋区。锋面与地面的交线称为锋线。习惯上统称为锋。锋面活动产生的降水称为锋面雨。其特点是降雨范围大，历时长。

冷气团向暖气团方向移动并占据原属暖气团的地区，这种锋称为冷锋；暖气团向冷气团方向移动并占据原属冷气团的地区，这种锋称为暖锋，冷、暖气团势均力敌，在某一地区摆动或停滞的锋称为准静止锋，简称静止锋。

气旋雨：当一地区气压低于四周气压时，四周气流就要向该处汇集。气流汇入后再转向高层，上升气流中的水汽因动力次序冷却凝结成云，条件具备时，形成气旋雨。2.3降水Precipitation2.4、下渗主要内容：（1）包气带和饱和带（2）土壤水（3）下渗（4）地下水土壤水地下水下渗整个过程存在于包气带和饱和带2.4、下渗(1)包气带和饱和带地表土层为多孔介质，能吸收，存储和向任何方向输送水分。在地面以下，土壤处于饱和含水状态，是以土壤颗粒和水分组成的二相系统，称为饱和带或饱水带在地面以下地下水面以上，土壤含水量尚未达到饱和，是土壤颗粒、水分和空气组成的三相系统，称为包气带或通气带地面不透水层地下水面包气带饱和带地下水面地面毛管悬着水带毛管上升水带中间带(1)包气带和饱和带残积层溶提层淀积层母质层基岩2.4、下渗2.4、下渗(2)土壤水水文学中常把存储于包气带中的水称为土壤水，而将饱和带中的水称为地下水土壤水存在形式吸湿水薄膜水毛管水重力水土粒表面的分子对水分子的吸引力称为分子力。由分子力所吸附的水分子称为吸湿水。由土粒剩余分子力所吸附在吸湿水层外的水膜称为薄膜水。土壤孔隙中由毛管力所持有的水分称为毛管水。当土壤含水量超过土壤颗粒分子力和毛管力作用范围而不能被土壤所保持时，在重力作用下沿着土壤孔隙流动，这部分水分称为重力水2.4、下渗土壤水存在形式吸湿水薄膜水毛管水重力水土粒表面的分子对水分子的吸引力称为分子力。由分子力所吸附的水分子称为吸湿水。由土粒剩余分子力所吸附在吸湿水层外的水膜称为薄膜水。地面地下水面中间带毛管悬着水带毛管上升水带(2)土壤水2.4、下渗(2)土壤水——土壤含水量和水分常数实际工作中．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面积上的水层深度来表示土壤含水量，以mm计又称为土壤湿度，它表示一定量的土壤中所含水分的数量。土壤含水量水分常数（6个）(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：由土粒分子力所结合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。(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，它取决于土壤孔隙的太小。介于田间持水量到饱和含水量之间的水量，就是在重力作用下向下运动的自由重力水分。2.4、下渗(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。当土壤古水量大于此值时．悬着水就能向土壤水分的消失点或消失面(被植物吸收或蒸发)运行。(5)田间持水量：指土壤中所能保持的最大毛管悬着水量。当土壤含水量超过这一限度时，多余的水分不能被土壤所保持，将以自由重力水的形式向下渗透。(3)凋萎含水量：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。2.4、下渗

下渗是水从土壤表面进入土壤内的运动过程。影响下渗过程的主要因素有降雨强度及历时、土壤含水量、土壤构成情况等。下渗过程可用时段下渗量F（mm）和时刻下渗率f(mm/h)表示。(3)下渗(3)下渗——下渗的物理过程2.4、下渗

下渗的水分主要受分子力的作用，直至土壤含水量达最大分子持水量。水在毛管力和重力的作用下向下层渗透，直至土壤饱和。水在重力作用下呈稳定运动。此时的下渗率称稳定下渗率。渗润阶段渗漏阶段渗透阶段a下渗的三个阶段渗润阶段：

分子力渗漏阶段：

毛管力渗透阶段：

重力2.4、下渗(3)下渗——下渗的物理过程

单位时间内渗入单位面积土壤中的水量称为下渗率或下渗强度，记为f，以mm／min或mm／h计。2.4、下渗(3)下渗——下渗率和下渗能力下渗曲线下渗累积曲线与时间t是非线性关系下渗率的变化规律，可用下渗公式或下渗曲线表达。如霍顿下渗公式参数f0、fc及β反映土壤特性，根据实验资料推求。f（t）=（f0－fC）e－βt+fc

f0——初始下渗率；fc——稳定下渗率(3)下渗——下渗率和下渗能力2.4、下渗tfcfofcft=fc+(fo-fc)e-t

霍顿下渗曲线2.4、下渗①当i1≥fp时,此时相当于充分供水的情况,各时刻均按下渗能力下渗。ti1i3i2②当i2≤fc时,此时下渗率取决于降

雨强度。③当fc<i3<fp时,此时下渗如图下渗与雨强的关系fp③①②2.4、下渗

(4)地下水

广义上的地下水指埋藏在地表以下各种状态的水。2.4、下渗①包气带水②潜水③承压水埋藏于地表以下、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。按埋藏条件可分为

(4)地下水——地下水的特征由于潜水具有自由水面，通过包气带与大气连通，所以不承受静水压力。潜水面与地面之间的距离为潜水埋藏深度，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。2.4、下渗

1．潜水

2．承压水

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。2.4、下渗承压水含水层按水文地质特征可分为：2.4、下渗两者对比

(4)地下水——地下水的特征2.1、概述2.2、河流与流域2.3、降水2.4、下渗主要内容第二章流域径流形成过程2.5、蒸散发2.6、径流

蒸发是水由液态或固态转化为气态的物理反应，是水分子克服了分子间的引力进入空气的过程。影响蒸发过程的主要因素有水温（或土温）、空气饱和差、风速等，它们分别影响到水分子的运动速度以及逸入空中后水分子向外扩散的速度。

蒸发量常用蒸发水层的深度（mm）表示。2.5蒸散发Evapotranspiration2.5、蒸散发2.5、蒸散发2.5、蒸散发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阶段。陆地上一年的降水约66％通过蒸散发返回大气，由此可见蒸散发是水文循环的重要环节。水面蒸发土壤蒸发植物蒸发2.5、蒸散发在自然条件下，水面的水分从液态转化为气态逸出水面的物理过程，其过程可概括的分为水分气化和水分扩散两个阶段（1）水面蒸发计算公式：E:水体天然水面的蒸发量，mmE器：蒸发器实测水面蒸发量，mmK：蒸发器折算系数观测水面蒸发量的蒸发器有20cm口径蒸发器、80cm口径套盆蒸发器、还有埋在地下的60cm口径带套盆蒸发器（E601）。

这三者都属于小型蒸发器皿，观测到的蒸发量，都应乘一折算系数，才能作为天然水体蒸发量的估计值。折算系数随蒸发皿（器）的类型而异，且与月份及所在地区有关。2.5、蒸散发20cm小型蒸发器2.5、蒸散发2.5、蒸散发2.5、蒸散发飘浮水面蒸发观测试验场

2.5、蒸散发2.5、蒸散发（1）水面蒸发---K的计算据研究，当蒸发器直径大于3.5m时，其蒸发量与大水体天然水面蒸发量较为接近，因此，可用面积20m2或100m2大型蒸发池的蒸发量E池与同步观测的蒸发量E器的比值作为折算系数：说明：折算系数K蒸发器直径而变，也与蒸发器型式、地理位置、季节变化、天气变化等因素有关指在自然条件下，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。湿润的土壤蒸发过程一般可以分为三个阶段2.5、蒸散发（2）土壤蒸发气象条件土壤含水量无影响影响因子含水量大含水量小含水量很小土壤蒸发

第一阶段，土壤蒸发主要发生在表层，蒸发速度稳定，其蒸发量接近蒸发能力。

第二阶段，土壤表面局部地方开始干化，土壤蒸发一部分在地表进行，另一部分发生在土壤内部。蒸发速度逐渐降低，其蒸发量与土壤含水量成正比。

第三阶段，当毛管水完全不能到达地表，土壤水分蒸发生发生在土壤内部，蒸发的水汽由分子扩散作用逸入大气，蒸发速度缓慢。2.5、蒸散发在植物生长期，水分通过植物的叶面和枝干进入大气的过程，又称蒸腾。（3）植物蒸发气孔是植物蒸腾失水的“门户”，也是气体交换的“窗口”。它是由一对半月形的细胞——保卫细胞围成的空腔。奇妙的是保卫细胞的形状是能够调节的，气孔既能张开，又能闭台。2.5、蒸散发2.5、蒸散发（4）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。但由于下垫面情况非常复杂，所以流域总蒸发量通常综合估计，常用的方法有水量平衡法;如建立流域多年平均水量平衡方程：——多年平均蒸发量，mm——多年平均径流量，mm——多年平均降雨量，mm2.1、概述2.2、河流与流域2.3、降水2.4、下渗主要内容第二章流域径流形成过程2.5、蒸散发2.6、径流2.6、径流2.6.1径流形成过程2.6.2径流表示方法2.6.3我国河川年径流分布和变化情况主要内容：2.6、径流流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程。产流过程汇流过程坡面汇流河网汇流2.6.1径流的形成过程（1）径流过程

径流形成过程中的从降雨扣除各项损失称为产流阶段；坡面汇流及河网汇流称为汇流阶段。2.6、径流（2）产流过程植物截留下渗填洼蒸发P:降雨E:蒸发f:下渗R:径流净雨量：降雨量扣除损失后的雨量净雨量=径流量2.6、径流（2）汇流过程地表径流地下径流壤中流坡面汇流

当降雨强度超过了土壤下渗能力时，产生的超渗雨沿坡面向低处流动，称为坡面漫流。扣除植物截留、下渗、填洼后的雨量进入溪沟，最后成为流域出口径流，这部分径流称为地面径流。

表层土壤的含水量首先达到饱和后，继续下渗的雨量沿饱和层的坡度在土壤孔隙间流动，注入河槽形成径流，称为壤中流（表层流）。

降落到地面上的水量向土中入渗，除补充土壤含水量外，逐步向下层渗透，如能达到地下水面，则成为地下径流。坡面汇流→2.6、径流不透水层不透水层不透水层R2R1fEP包气带通气层径流形成过程（流域产流）ΔVR3潜水层浅层地下水层R4深层地下水层压力水层降水蒸发下渗植物截留与洼蓄地表径流壤中径流潜水深层地下水河流坡面汇流→

进入河网的水流，从上游向下游，从支流向干流汇集，最后全部先后流经流域出口断面，这个汇流过程称为河网汇流。坡面汇流河网汇流流域汇流过程流域出口河网汇流→2.6、径流2.6、径流2.6、径流（二）径流的表示方法1、流量1、流量2、径流量3、径流深4、流量模数5、径流系数单位时间内通过某一断面的水量成为流量，记为Q最高点流量成为洪峰，记为Qm

Q(m3/s)tW流量过程线

流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示。2.6、径流2、径流量Q2Q1Q0Qn-1Qnt2t1Tt0QW2、径流量2.6、径流时段T内的平均流量:径流量：——时段平均流量2.6、径流2.6、径流2.6、径流2.6、径流2.6.3我国河川径流分布和变化概况2.