3第三章-流域水文学基础

1、第三章流域水文学基础,第一节 水循环与水量平衡,四水系统：,大气水、地表水、土壤水、地下水,植物水,大循环：全球陆地和海洋之间的水汽交换,小循环：陆地和海洋内部之间的水汽交换,微循环：生态系统内部之间的水分分配,五水系统：,水量平衡: I-O=S,全球多年平均水量平衡方程： 式中： 是大陆的降水量； 是海洋的降水量； 是大陆的总蒸发量； 是海洋的总蒸发量。,大气系统，其水量平衡方程式为： Ai-A0+ET-P=A 式中：Ai，A0分别为大气层中除降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量；P，ET分别为降水量和蒸、散发量；A是大气系统中的蓄水量。,土壤系统，其水量平衡方程式为： P+Cm-R+Si

2、-S0-ET=Ss 式中：P是降水量；ET是蒸散发量；Cm是土壤中的凝结水量；R是径流量；Si是由地下水和土壤中流形式进入土壤层的水量；S0是由土壤层向下渗入地下水和土壤中流形式流出土壤层的水量。,地下水系统，其水量平衡式为； P+qi-q0-Fc=Sg 式中：是地下水的降水入渗补给系数；Fc是地下水上升经土壤到地面后的蒸发量；qi是地下流入水量；q0是地下流出水量；Sg地下的蓄水量。,流域系统水量平衡方程式为： P-R-ET=S 式中：S是流域蓄水量；P是降水量； R是径流量；ET是蒸散发量,S的多年平均值近于零:,式中：R/P=表示多年平均径流系数； E/P=表示多年平均蒸发系数。,在湿润

3、地区，较大，干旱地区较小。而蒸发系数一般湿润地区较小，干旱地区较大。,封闭的小流域,第二节 水文要素及其过程的物理基础,降水(总)量、降水历时与降水时间、降水强度、降水面积、等降水量线、降水特性综合曲线,1、降水：,是雨、雪、露、霜、霰、雹等统称,降水历时是指一场降水自始至终所经历的时间。,面降水量计算方法：,算术平均法:适合于区域内地形起伏不大，雨量站网稠密且分布较均匀的地区。 垂直-平分法（太森多边形法）:适用于雨量站分布不均匀的地区。 等雨量线法：适用于面积较大，地形变化显著而有足够数量雨量站的地区。,垂直平分法缺点是把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程中都视作固定不变，这与实际降水情

4、况不符。,等雨量线法考虑了降水在空间上的分布情况，理论上较充分，计算精确度较高，并有利于分析流域产流、汇流过程。缺点是对雨量站的数量和代表性有较高的要求，在实际应用上受到一定限制。,土壤含水率土壤质量含水率 土壤容积含水率,2、土壤水：,两种土壤的重量含水率均为20%时，但二者的容重分别为1500 Kg/M3 及 1000Kg/m3 时，则二者的含水率相同吗？ 前者的含水率为后者的1.5倍。,土壤含水率是指土壤含水程度的大小，而不是某个土层的含水总量h(深度)： h=土层厚度体积含水率,最大吸湿量 最大分子持水量、 凋萎含水量(凋萎系数) 毛管断裂含水量 田间持水量 饱和含水量,土壤水分常数有

5、：,(1)饱和含水量土壤中所有孔隙全部被水充满时的土壤含水率。 (2)田间持水量(又称田间最大持水量)饱和土壤排水2天后，过剩的重力水已排除，土壤中保持最大毛管悬着水时的土壤含水率。 (3)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率。水分交换将以薄膜水和水汽形式进行。 (4) 凋萎含水量(凋萎系数)：植物无法从土壤中吸收水分，从而开始永久凋萎(枯死)时的土壤含水率。 (5)最大分子持水量由土粒分子力所结合的水分的最大量称最大分子持水量。此时，薄膜水厚度达到最大值。 (6)最大吸湿量在饱和空气中，土壤能吸收的最大水汽量称量最大吸湿量。它表示土壤吸着气态水的能力。,土壤总水势是由各种力产

6、生分势的总和: =m+s+p+g 式中：总土水势；m基模势(常以表示)；s溶质势；p压力势；g重力势。,水总是流向水势低的方向。 在非饱和土壤中，土水势主要由基模势和重力势组成； 饱和土壤中存在有重力势和压力势； 盐碱土时，应包括基模势、重力势和溶质势。,土壤水分特征曲线是反应土壤水势与土壤含水量之间关系的曲线。,整个下渗的物理过程按照作用力的组合变化及其运动特征，可划分为渗润、渗漏、渗透3个阶段。,(1)渗润阶段：初期土壤干燥，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。最大分子持水量。 (2)渗漏阶段：分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，直到基本达到饱和为止。 (3)渗透

7、阶段：在土壤已达饱和状态，重力水呈稳定流动。,3、入渗：,下渗要素 ：下渗率（下渗强度）、下渗能力（下渗容量）、稳定下渗率（稳渗）。,蒸发因蒸发面的不同，可分为水面蒸发，土壤蒸发和植物散发等。其中土壤蒸发和植物散发合称为陆面蒸发,4、蒸发：,水面蒸发：水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发。是从蒸发面跃出的水量和返回蒸发面的水量之差值，称为有效蒸发量。,土壤蒸发：根据土壤供水条件的差别以及蒸发率的变化，可将土壤的干化过程划为定常蒸发率、蒸发率下降、蒸发率微弱三个阶段。,蒸发潜热：凝结潜热：,单位质量的水，从液态变为气态时所吸收的热量，称为蒸发潜热.,(1)定常蒸发率阶段：在充分供水条件下，水通过毛管

8、作用，源源不断地输出，此时，主要受气象条件的影响。 (2)蒸发率下降阶段：当土壤水降到某一临界值W (田间持水量)，土壤供水能力降低，蒸发率明显下降。此时，土壤水主要以薄膜水的形式运动。蒸发量的大小主要决定于土壤含水量，气象因素则退居次要地位。 (3)蒸发率微弱阶段：当土壤含水量逐步降低到凋萎系数时，蒸发便进入微弱阶段。薄膜水运动基本停止，供应中断，只能依靠下层水汽化向外扩散，汽化扩散的速度主要与上下层水汽压梯度及水汽所通过的路径长短和弯曲程度有关，并随汽化层的不断向下延伸，蒸发愈来愈弱。,植物散发又称植物蒸腾，不仅是物理过程，也是植物的一种生理过程。,1 供水条件 2 动力学与热力学的因素

9、3 土壤特性和土壤含水量,影响蒸发的因素：,径流的表示方法：, 流量：指单位时间内通过某一断面的水量。 径流总量：是指T时段内通过某一断面的总水量。 径流深度：是指将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度 径流模数是流域出口断面流量与流域面积的比值。 径流系数：是某一时段的径流深度与相应的降水深度之比值。,5、径流,枯水是河流断面上较小流量的总称。,是指当月平均水量占全年水量的比例小于5%时，则属于枯水期。,流速沿深度的分布称为垂线流速分布。正常情况下，最大流速分布在水面以下0.10.3水深处，平均流速一般相当于0.6米水深处的流速。,第三节 流域产流与汇流,包气带和饱和带,包气带对降雨

10、的再分配作用,“筛子”作用：下渗能力 “门槛”作用：田间持水量,山坡水文学产流机制,超渗地面径流 壤中径流 饱和地面径流 回归流 地下水径流,第四节 泥沙,较粗的颗粒，由于经常沿河底运动相互碰撞和摩擦的机会较多，呈圆形或椭圆形； 较细的颗粒，则因经常悬浮于水中，相互碰撞和摩擦的机会较少，同时它们中的大多数又是较粗颗粒破碎后的坚硬部分，难于磨损，因此往往具有极不规则的棱角形状。 中等的和较大的颗粒近于球体。 河流一般上游比降大，流速高，因而挟运的泥沙粒径较大；而下游一般比降小，挟运的泥沙粒径较小。,泥沙的粒径与级配,（1）泥沙的比重是单位体积无孔隙的泥沙重。 泥沙比重随沙粒成分而变，变化范围不大

11、，大致在2.602.70g/cm3之间。 （2）泥沙的（干）容重是单位体积(包括孔隙)烘干泥沙的重量称,泥沙的水力粗度：泥沙在静水中均匀沉降的速度，以cm/h计。 沉降速度的大小也可用来表达泥沙直径的大小,泥沙的分类,（1）按粒径大小分类 按粒径大小可分为块石、卵石、砾石、沙、粉沙和粘土等级别。有些地区规定，沙的粒径是0.22.0mm，粉沙是0.020.002mm，小于0.002mm的是粘土。 （2）按泥沙运动状态分类 按泥沙运动状态可分为悬移质和推移质两大类。 （3）按河床冲淤情况分类 按河床冲淤情况可分为冲泻质(非造床泥沙)和床沙质(造床泥沙)两大类。,颗粒微小，其沉速经常小于水流内部垂直

12、方向的脉动分流速，悬浮在水流。,泥沙运动,（1） 悬移质的计量方法 含沙量：单位浑水体积内所含泥沙的重量。 输沙率：单位时间内通过断面的悬沙重量。 输沙量：一定时间内通过断面的悬沙数量。,悬移质(悬沙)运动,（2）悬沙的分布, 悬沙沿垂线分布,不均匀，通常水面最小，河底最大,一般主流和局部冲刷处的含沙量比两岸为大，河底含沙量比水面为大。 含沙量在断面内的分布与水位涨落、季节变化及泥沙来源都有关系。,与决定水流挟沙能力的比降、流量的沿程变化及自然地理条件沿程变化有关。 一般河道下游坡度变缓、断面变宽、流速变小，较大颗粒由悬浮状态逐渐下沉河底转变成推移状态，甚至沉积下来。, 悬沙沿横断面分布, 悬

13、沙沿河长的分布,泥沙颗粒越细，沿垂线的分布愈均匀；颗粒越粗，就愈不均匀。 由于紊动的能量与速度随时随地不同，在垂线上同一位置不同时刻所取得的瞬时沙样也不同，称含沙量的脉动现象。,当水流挟带一定数量的泥沙通过某一段河道时，如果既不冲刷也不淤积，这时水流的挟沙量就是水流挟带泥沙的最大能力，称水流挟沙能力。,水力半径是过水断面与湿周之比。 湿周为过水断面上水流所湿润的边界长度（不包括空气界面）。,（1） 基本推移质输沙率：单位时间内通过单宽河床的推移质的数量，以kg/sm计。 （2）推移质断面输沙率：单位时间内通过断面河床的推移质数量，以kg/s计。 （3）总输沙量是底沙输沙量与悬沙输沙量之和。 （

14、4）侵蚀模数：总输沙量除以流域面积。 （5）侵蚀深度：侵蚀模数除以流域内表面土层的平均干容重。,推移质(底沙)运动,由于底沙输沙量在总输沙量中占的比重较小，因此，侵蚀模数都是指悬沙的侵蚀模数。,（1）推移质的计量单位,第五节 森林植被的水文学作用,起动流速是使泥沙颗粒从不动到开始起动的最小流速，也是在一定河床水力条件下河床不受冲刷的最大流速，所以又称为允许流速。在河道和渠道设计中，如要河道和渠道不受冲刷，设计流速必须小于允许流速。 起动流速与泥沙粒径、颗粒沉速、水深等有密切关系。,提出问题,华北地区？年降雨量大概多少？ 全年的降水量植物能够全部吸收吗？ 若不能全部吸收，降水是怎样分配的？,植被

15、对降雨的再分配过程,降 雨,穿透雨,土壤水分分配,第一次分配,枯落物截留,林冠截留,第二次分配,第三次分配,(林冠截留、穿透雨、干流),林冠截留作用，是指降水到达林冠层时，有一部分被林冠枯枝和树干所临时容纳，尔后又蒸发返回大气中去的作用。 林冠截留量是指在降雨过程中的某一时段内，从林冠表面通过蒸发返回大气中的降水量和降水终止时林冠层还保留的降水量； 林冠截留量与林外降水量之比称为林冠截留率。 在大气降水过程中有一部分雨量从林冠枝叶体转到树干流入地表形成树干径流，称为干流量。 林外降雨量与林冠截留量和干流量的差就形成了林内降雨量，又称为穿透雨量。 当降水量达到某一值之后，降水量增加，林冠截留量不

16、再增加，达到它的极限值，即所谓的林冠饱和截留量，也叫林冠贮水容量。,1.林冠层对降雨的截留,机理： 雨滴的粘滞力和叶面的张力， 吸附在叶表面林冠截留 叶片角度钝角的位置，水滴沿 着叶缘滴落地面穿透雨 叶片角度锐角的位置，水滴沿 着叶脉到小枝树干径流,林冠截留量与实际截留量的关系？ 干流雨的生态作用？ 老树的干流雨减少了，为什么？,降雨与林冠截留量,1、降雨量 2、降雨强度 3、降雨的历时 4、降雨的类型,林冠特性与林冠截留量 1、树种：树种不同，枝叶质地、表面 粗糙度、湿润角的大小，表面张力。 2、林冠结构：树冠结构，枝叶排列方式 3、林冠的郁闭度、林冠的湿润状况等,林冠截留量影响因子？,针

17、叶 大 于 阔 叶,降 雨,土壤水分分配,第一次分配,枯落物截留,第二次分配,第三次分配,2.枯枝落叶层对降雨的截留作用,枯枝落叶一般可分为未分解层、半分解层、完全分解层或腐殖质化层，其截留量不仅取决于输入量，还取决于分解速率。,枯落物持水试验 枯落物抗冲试验,降 雨,土壤水分配,第一次分配,第二次分配,第三次分配,3、林地土壤水文,土内径流 在降雨形成土内径流时，其主要特征是发生的深度增加，土壤剖面上的饱和导水率提高了，流路变得更为复杂，径流量减小，土壤剖面蓄水能力提高，垂直渗透能力增强，水分可进入更深的土层。,三、消洪补枯、涵养水源作用,削减洪峰、补充枯水期流量 植被通过截留、调节径流、增

18、加入渗 等作用削减洪峰、减少洪水总量。,改变洪水过程线,无林地,有林地,洪水过程线对比,涵养水源 涵养水源是指暂时贮存的水分的一部分以土内径流的形式或以地下水的方式补给给河川，从而起到调节河流流态，特别是季节性河川水文状况的作用。,有林地的水源涵养,无林地,皆伐引起洪峰流量的变化？,1 采伐集运木材时，对土壤的破坏与践踏，降低了土壤的入渗能力 2 地上林冠截留减无，植被蒸腾降低，减少了产流的初损量,1 皆伐后土壤干燥，蒸发量大。,减少,增加,森林增加对流域总径流量的影响？,降低：美国,增加：前苏联,与森林水文相关的几个比喻,抽水机 土壤水库 饮水器,蒸腾作用 消洪补枯 增加降水,保证国土安全的最低森林覆盖率为多少？,水文要素测定方法,降水测定 林地蒸发散测定 坡面径流泥沙测定 流域径流泥沙测定,到达林地的降雨，因受到林冠的拦截作用，林内降雨分布非常不均。用常规的雨量计测定将会造成极大的误差。因此，常用增加雨量计或增大受雨面积的办法，提高精度。,在林内随机或机械的布设多个雨量计 增加雨量计的受雨面积,2、林内降雨测定,3.树干流测定,到达林冠的降雨，一部分穿过林冠层，成为林内降雨，还有一部分由树叶拦截后，汇集到枝条、树干，成为树干流。树干流