水文学第二节河流

这是一篇关于水文学第二节河流的思维导图，主要内容有河流、水系和流域、河流的水情要素、河流补给、地下水类型等。

水文学第二节河流

• 河流、水系和流域
  • 河流
    • 两个定义
      • 定义1陆地表面经常或间歇有水流动的泄水凹槽。 • 流动的水+凹槽=河流
      • 定义 2河流概指陆地表面依赖重力顺槽形凹地向低处流的线 性水流。
    • 作用
      • 灌溉、航运、发电、水产、给城市供水、旅游
    • 水文要素
      • 河长
        • 自河源干流至河口的距离
      • 河床横断面
        • 概念：垂直于平均流向或主流方向的平面(中泓线)
        • 形态要素
          • 过水断面面积W
          • 湿周P
            • （过水断面上被水浸湿的河槽部分）
          • 水面宽度B
          • 平均深度H＝W／ B
          • 水力半径 R＝W ／ P
          • 糙度系数
            • n指河槽上的泥沙、岩石、植物等对水流的阻碍作用程度
      • 河床纵断面
        • 定义：河流中线或轴线的剖面
        • 形态要素
          • 落差
            • 任意河段两端(水面或河底)的高差△h
          • 河道纵比降
            • J：单位河长的落差。（水面比降、河底比降）
            • 等面积法
          • 分类
            • 河底纵断面
            • 水面纵断面
          • 河流纵断面比降
            • 用i表示
      • 左岸右岸
    • 河流分段
      • 河源
        • 河流开始的地方，可以是溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊等
      • 上游
        • 直接连着河源，在河流的上段，它的特征是落差大，水流急，下 切力量强，河谷狭，流量小，河流中经常出现急滩和瀑布
      • 中游
        • 一般特点是河道比降变缓，河床比较稳定，下切力量减弱而旁蚀 力量增强，因此河槽逐渐拓宽和曲折
      • 下游
        • 河谷宽，纵断面比降和流速都很小，河道中淤积作用较显著，河 曲发育
      • 河口
        • 河流的终点，也是河流流入海洋、湖泊或其它河流的处所。河口 处泥沙淤积严重
  • 水系
    • 概念：脉络相通的大小河流所构成的系统
      • 干流：水系中直接流入海洋琥珀的河流
      • 支流：流入干流的河流
        • • 一级支流是指直接流入干流的河流。 • 二级支流是指直接流入一级支流的河流。
    • 水系及河流地貌定律
      • 河流可按照斯特拉勒分级法进行分级，直接发源于 河源的小河流为一级河流；两条同一级别的河流汇合而成的河流级 别比原来的高一级；两条不同级别的河流汇合而成的河流级别为两 条河流中的较高者；依此类推至干流。干流是水系中最高级别的河 流。
      • 注意流向 流向 方向
    • 河系分类
      • 扇形
        • 河系如扇骨状分布
      • 羽形
        • 沿途纳入需水支流如羽毛状
      • 平行
        • 几条支流并行排列，至河口处始行汇合
      • 混合型
        • 大河流多数包括第二、三种型式的混合排列
    • 河网密度
      • 等于河系干支流总长度与其流域面积的比值
      • 降水量大、地形坡度陡、土壤不易透水地区，河网密度大。 它表示河网的疏密程度，能综合反映一个地区的汇流能力和自然地理条件
    • 弯曲系数
      • 等于河流实际长度Ｌ与河流两端间的直线ｌ比值
        • 河段越弯越不利于航运，排洪也越不方便
  • 流域
    • 分水线
      • 河网四周最高点的连线。分水线有地面、地下之分
    • 流域
      • 汇集地面水和地下水的区域称为流域,也就是分水线包围的区域
      • 分类
        • 闭合：地面分水线和地下分水线相重合
        • 非闭合：地面分水线和地下分水下不重合的流域
• 河流的水情要素
  • 水位
    • 概念：河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固定基面的高程
      • 应用
        • 水位过程曲线
          • 水位随时间的变化
        • 水位历时曲线
          • 大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出 现的累积天数所点绘而成的曲线。
            • 从水位历时曲线上可看出一年内超过某一水位高 度出现的总天数，对航运、灌溉、防汛都有意义
        • 相应水位曲线
          • 河流各站的水位过程线上，上下游站在同一次涨 落水期间位相相同的水位。
            • 短期的水文预报、校验上下游水位观测成果、插 补延长资料、推求无资料地区的数据
  • 流速
    • 指河流中水质点在单位时间内移动的距离。即 v ＝ L ／t (单位:m／s )
      • 最大
      • 平均
      • 底部流速趋于零
    • 脉动现象
      • 在紊流的水流中，水 质点运动的速度和方向不断地变化， 而且围绕某一平均值上下跳动的现象
    • 运动水体要克服各种阻力，如运动速度不一的水质点之间的摩擦阻力， 与运动水体边界的摩擦阻力。运动水体边界的摩擦阻力的大小，与边界的 粗糙程度有关。因此，通常是中心部位的流速比边沿部位要快得多；用流 速仪测流速时要考虑水面宽度，布多条垂线和考虑水深布多个测点，以求 过水断面平均流速；
    • 河道中的流速分布
      • 在纵断面上，由上游向下游减少；在横断面 上，从水面向河底递减。
    • 谢才公式（（天然河道平均流速计算））
      • • v 为平均流速； c 为谢才系数，它与糙率等因素有关，我国多采 用满宁公式求得；R 为水力半径； i 为水面比降。
    • 满宁公式
  • 流量
    • 单位时间内通过某过水断面的水的体积
    • Q ＝ w · v 单位为 m3／s 式中，w 为过水断面面积；v 为流速
    • 流量过程线
      • 流量随时间变化过程曲线
        • 纵坐标 流量，横坐标 事件
        • 反映径流变化规律水位－流 量关系曲线：是水位随流量变化的曲线。 即 Q ＝ f（H）
    • 水位-流量关系曲线
      • 用水位推求流量
      • 以水位为纵坐标、流量为横坐标，将每组水位、 流量实测值点绘在坐标系中，连接点群中心点的平滑曲线。因此，只 要掌握了水位与流量的变化相关规律，就可以利用水位流量曲线由水 位值推算得相应的流量值
  • 水体颜色
    • 取决于水体对太阳光线的吸收和反射
    • 太阳光中的红光、橙光和紫光进入水体后，在水深20m以内被吸收，绿色、黄光与蓝光透到更深一些，极少量蓝光能透到100-1000m以下。水体的透明度以直径30cm的白圆盘投入水中的可见深度来表示。影响水体颜色与水体透明度的因素很多，尤其如水体中的悬浮微粒、水生生物、水体运动等等。近岸水体常呈绿、黄或棕色，除了水深因素外，便与水生生物丰富和悬浮物质及溶解物质的量多有关。
  • 河流泥沙
    • 成河床和随水流运动的矿物、岩石固体颗粒。随水流运动的泥沙又称固体径流
    • 含沙量
      • 河水中泥沙含量，kg／m3
    • 输沙率
      • 单位时间内通过一定过水断面的泥沙总量。单 位为 kg／s 或 t／s
    • 输沙量
      • 指在一定时段内通过一定过水断面的泥沙总量。 单位为 t 或 万t
    • 侵蚀模数
      • 是指每 km2 流域面积上，每年被侵蚀并汇入 河流的泥沙重量。单位为 t／（km2 · a）
  • 河水化学
    • 主要是河水的化学组成、性质、时空分布变化，以及它们同 环境之间的相互关系
    • 矿化度(g/L)：1升河水中所含离子、分子和各种化合物的总量.天然 河水的矿化度普遍较低
      • 反映河水化学特征的重要指标，一般地，河水矿化度<1g/L
      • 汛期、或以雨水、冰雪融水补给给河流径流时，其矿化度降低；枯水 期、或以地下水补给给河流径流时，其矿化度增加。
  • 河水温情与冰情
    • 水温与冰情的变化，主要受太阳辐射、气温等地带性因素控制，其 分布具有地带性规律。秦岭淮河一线，以南冬季不结冰，以北则冬季结冰
    • 河流水温的地区分布与气温分布基本一致，或略高 1 ～ 2 ℃
    • 河流冰情反战的三个阶段
      • 结冰，封冻，解冻
      • 凌汛：河流由低纬流向高纬，会出现上游解冻早，而下游解冻 晚的现象，向下游移动的冰块可能壅积成冰坝，使水位抬高，称为 凌汛。
• 河流补给
  • 又称为河流的水源
  • 补给来源
    • 雨水
      • 主要来源
      • 通过地表径流，流域的产汇流形式补给河流
      • 补给特点-
        • 降雨的特性-降雨量-降雨强度
        • 补给过程中，补给的含沙量多
      • 热带、亚热带和温带的河流多由雨水补给
    • 融雪
      • 分类
        • 季节性积雪融水
        • 永久性积雪或冰川融水补给
      • 补给特点
        • 取决于流域内冰川、积雪的储量 及分布，也取决于流域内气温的变化
        • 融雪补给量较为缓和，表现为流量过程线较为平 缓和圆滑； •补给过程中，补给的含沙量少
        • 发源于祁连山、天山、昆仑山和喜马拉雅山等地 的河流，都不同程度地接纳了冰雪融水的补给
      • 我国东北松花江就有明显的春汛，流量有所增大
    • 湖泊
      • 位置:河流的源头（长白山的天池）、河流的中下游地区
      • 湖泊对河流的补给作用
        • • 储存水量，缓慢释放，大大降低了河流的洪峰 流量，使河流水量年内变化趋于均匀。
        • • 湖泊和沼泽对河流径流有明显的调节作用，因 此由湖泊和沼泽补给的河流具有水量变化缓慢， 变化幅度较小的特点。
      • 中国鄱阳湖接纳赣江、信水、修水和抚水等水系来 水，后注入长江
    • 地下水补给
      • 河流经常而又比较稳定的补给源
      • 这是河流补给的普遍形式，中国西南岩溶发育地区，河水 中地下水补给量比重尤其大
        • 西江水量丰富，除大气降水丰富外，还有丰富的地下 水补给。
      • 地面地下径流划分
        • 法一水平线分割法
        • 法二退水曲线法
    • 人工补给
      • 跨流域调水
      • 人工降雨
      • 人工融冰化雪
• 地下水类型
  • 按埋藏条件
    • 上层滞水
    • 潜水
    • 承压水
  • 按含水层的空隙性质
    • 孔隙水
    • 裂隙水
    • 岩溶水
• 河川径流下一页

河流

• 径流
  • 定义
    • 降水所形成的,沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等 流动的水流
    • 分类
      • 地面（地表）
        • 沿着地面流动的水流
      • 地下
        • 沿土壤岩石孔隙流动的水流
      • 河川
        • 汇集到河流后,在重力作用下沿河床流动的水流
  • 形成过程
    • 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， 称为径流形成过程
    • 产流
      • 产流过程
        • 垂向运动、产生径流的阶段
        • 损失量：植物截留、填洼、蒸发、下渗（满足土壤缺水） •净雨量= 降雨量-损失量 •径流成分及产流条件 (1) 地面径流：i > f 降雨强度大于下渗强度 (2) 壤中流：f上> f下上层土壤下渗强度大于下层下渗强度 (3) 浅层地下径流：F > θ缺下渗水量大于土壤缺水量 (4) 土壤缺水量= 田间持水量-初始土壤含水量 (5) 深层地下径流：深层透水层具有一定的水头压力，并有 露头，本次降雨对其无影
      • 产流模式
        • • 超渗产流：雨强大于下渗能力，且下渗量小于缺水量第3种模式 蓄满产流：下渗量大于缺水量，第2、4种模式
      • 汇流过程
        • 净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，再沿河网汇集到流域出口断面 的过程（水流横向运动）
        • 汇流类型
          • 坡地汇流
            • 坡面漫流，流程历时较短，大雨是构成河流流量的主要来源 •壤中流，由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长 的暴雨，也是构成河流流量的主要来源 •坡地地下汇流，地下水补给河流，构成河流的基流
          • 河网汇流
            • 从支流到干流，从上游到下游，最后到达流域出口断面 净雨量= 降雨量-损失量= 径流量 二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流 的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要持续很长时间
    • 从实测降雨、径流过程线分析产、汇流
      • 上部为流域降雨过程和扣除损失后的地面净雨过程及地下净雨过程
      • 下部为这场降雨在流域出口形成的流量过程，它又分为地面径流过程 与地下径流过程
      • • 降雨扣除损失后形成净雨 • 净雨要经过相当长的时间才能汇集到出口，所以洪水要比暴 雨滞后，且历时要比暴雨历时长得多 • 地下径流比较稳定，维持河川径流常年不断
  • 径流的表示方法
    • 流量
      • 单位时间内流过江河某一横断面的水量，单位m3/s
        • 流量过程线：流量Q随时间的变化过程，Q(t)
      • 常用流量：
        • 常用流量： • 瞬时流量 •日平均流量 •月平均流量 •年平均流量 •多年平均流量 •时段平均流量
    • 径流量
      • 径流量W指时段T内通过河流某一断面的总水量，单位m3
      • 计算
        • 梯形面积法
          • T时段内的径流量W为流量过程线Q(t)所包围的面积
    • 径流深
      • 定义：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度R，单位mm
    • 径流模数
      • 定义：流域出口断面流量与流域面积之比值，单位L/(s.km2)
    • 径流系数
      • 定义：某一时段的径流深R与相应时段内流域平均降雨深度P之比 值称为径流系数,记为α
    • 综合练习
      • 河流的季节特征
        • 径流的季节分配,主要取决于补给来源的性质及其变化规律。我 国除西北地区一些河流属冰川融水补给为主外,全国大部分河流 是以雨水补给为主。因此,我国绝大部分河流的季节分配主要取 决于降水的季节分配
  • 河川径流
    • 影响形成的因素
      • 气候
      • 下垫面
      • 人为
    • 洪水与枯水
      • 洪水
        • 大量降水短时间内汇入河槽，形成特大的径流，达到威胁沿岸 地区安全的程度。洪水又称为 “ 汛 ” 。洪水溢出河槽而造成洪灾。 洪涝灾害是全世界排位第一的自然灾害类型
        • 三要素
          • 洪峰流量，洪水总量，洪水过程线
          • 洪水波
      • 枯水
        • 年内没有洪水时期的径流。枯水径流发生在以地下水 补给为主的时期，这个时期称为枯水期
• 蒸发
  • 类型
    • 水面
      • 水面蒸发量常用蒸发水层的深度（mm）表示，常用蒸发器进行 观测。
      • 常用的蒸发器有：20cm直径蒸发皿、口径为80cm带套盆的蒸发 器、口径为60cm的埋在地表下的带套盆的E－601蒸发器。E－ 601蒸发器贯彻条件比较接近天然水体，代表性和稳定性都较好。 但是这三者都属于小型蒸发皿，观测到的蒸发量，与天然水体表 面上的蒸发量仍有一定差别
    • 土壤蒸发三个阶段
      • 第一阶段，表层土壤的水分蒸发后，能得到下层土壤水分的补充。 这时土壤蒸发主要发生在表层，蒸发速度稳定，接近相同气象条 件下的水面蒸发；当土壤含水量降至田间持水量以下时，土壤表 面开始干化，进入第二阶段
      • 这时蒸发速度随着毛管水供给地面蒸发范围的缩小而降低，大致 与表层土壤含水量成正比；当毛管水完全不能到达地表时，进入 第三阶段
      • 这时土壤蒸发主要发生于土壤内部，蒸发的水汽由于分子扩散作 用通过表面干涸层逸入大气，蒸发速度极其缓慢。土壤蒸发可通 过称重法观测，但土壤蒸发观测比较困难，而且精度较低，一般 测站均不进行土壤蒸发观测
    • 植物散发
      • 植物根系从土壤中吸收的水分，通过叶面、 枝干散逸到大气中的一种生理过程。其观测也可以通 过称重法进行，但由于植物的多样性及不同生长过程 散发能力的复杂性
  • 流域蒸发总量
• 下渗
  • 水从地表渗入土壤的运动过程。下渗的快慢以下渗率 （单 位时间内入渗的水深，常以mm/h计）表示。
  • 物理过程 非常干燥的土壤，3个阶段
    • 渗润阶段：入渗初期，吸湿水尚未得到满足，在强大的分子力吸引 下，雨水迅速下渗，具有很大的下渗率 ，当入渗水量使土壤达到最 大分子力持水量时，这一阶段结束。 • 渗漏阶段：后期入渗的雨水，主要在毛管力作用下，沿土壤中的毛 管作不稳定运动，直到土壤饱和，毛管力消失。这一阶段结束。 • 渗透阶段：土壤饱和后，水分在重力作用下呈稳定运动，这时下渗 以稳定下渗率 进行。称为稳定下渗率，以fc表示
• 河流的分类 根据河流的补给和洪水进行分类
  • 雨水补给
    • ①雨水补给，夏季有洪水的河流； ②冬季雨水补给，全年分配较均匀的河流； ③ 冬季雨水补给丰富，夏季降水很少的河流； ④ 气候干燥而不成的河流；
  • 融水补给
    • ①平原及 1000 m 以上山地融雪补给的河流； ②山中融雪补给的河流； ③春季或夏初融雪补给为主，常年有大量雨水补给的河流
  • 融雪及雨水补给都不足的河流（干涸的河流）
  • 冰川补给的河流（南极和格陵兰所特有）
• 河流的改造和利用
  • 为了满足人类社会和经济发展的要求，人们要对河流 进行改造，调节径流，克服水资源的时空分布不均的 现象：
    • 人们通过兴建水库、跨流域调水、流域水土保持等措施对河 流进行治理。·
      • 兴建水库：可以调节河川径流、减轻洪涝灾害；还可 以作为农田灌溉、工业和生活用水的水源；亦可以调 节气候。 跨流域调水：解决水量空间分布不均，进行水量再分 配的重要水利措施。 流域水土保持：可以调节径流、固沙保土，有利于保 持生态平衡。
• 当Q为洪峰流量,相应的M为洪峰流量模数, Q为多年平均流量,相应的 M为多年平均流量模数等