河海大学811水文学原理第七章 径流的形成过程

第二节 河流水情
一、河川水文要素，如水位、流速、流量、泥沙和 冰情等多年的一般变化情况，称为河川水文情势 （水文要素）
• （一）水位:水体的自由水面高出某一基面以上的高程。 • 影响因素：河流水量、河流冲淤、潮汐、人类活动 • 特征水位：
– 起涨点水位 – 最高水位 – 最低水位 – 平均水位 – 警戒水位 – 保证水位：按照防洪堤防设计标准计算得到。
5、河流洪水波
• 设某时刻河道水流处于某种状态，例如稳定流状 态。如果由于暴雨径流、水电站运行或闸坝放水 等原因，突然有一定水量在此时注入河道，原来 的水面就因受到干扰而形成不稳定波动 。
• （1）相关概念 • 洪水波：天然河道某些河段水量短时间大量增加，
使原来河段恒定水面受到干扰所形成的沿河传播 的波。
(二)截流过程
• 降雨初期，雨滴降落在植物枝叶上被枝叶表面所截留。在 降雨过程中截留不断增加，直至达到最大截留量(又称截留 容量)。植物枝叶截留的水分，当水滴重量超过表面张力时， 便落至地面。
• 特点：截留过程延续整个降雨过程。积蓄在枝叶上的水分 不断地被新的雨水滴所更替。雨止后截留水量最终耗于蒸 发。
地面径流 总径流过程
降雨径流形成过程框图
蒸发E
降雨P
不透水面积上的径流
植物截留、填洼和表层土壤储存
土壤储存 浅层地下储存 深层地下储存
壤中流R2
浅层地下径流 R3
深层地下径流 R4
地面径流 R1
总径流R
(3) 汇流阶段
净雨通过坡地、河网汇集到流域出口断面的过程，可细分为坡地汇流和 河网汇流。
a.坡地汇流 坡面漫流，流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源； 表层流径流，由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时
• 四、河流的径流情势 • 河川径流的时程变化特征：包括径流的年内变化，
年际变化，洪、枯特征及水温、冰清。 • 1、年内变化：径流在一年内的变化过程及特征。 • 2、年际变化：径流在多年期间的变化特点。
1、年内变化表示 水文年度：按照总体蓄量变化最小的原则选择连续12个月，使跨年度 的水量减到最小。选择降水量极少，地表径流接近停止时刻为开始日 期。
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。
b. 河网汇流：
从支流到干流，从上游到下游，到流域出口断面； 河槽调蓄作用； 降雨损失，进入河网的水量小于降雨量； 汇流过程，径流过程比降雨过程变化缓慢。
地面水流域汇流时间
w l r
l • 表示地面水坡面汇流时间．
Groundwater
River
▽
第一节 径流形成过程概述
一、基本概念 径流：在重力的作用下沿一定的方向和路径流动的水流。 地表径流：沿地面流动的水流 壤中流：在土壤中流动的水流 地下径流：在饱和土层及岩石孔隙流动的水流 河川径流：汇集到河流后，在重力作用下沿河床流动的水流
二、径流形成过程
在流域中，从降水到达地面至水流汇集于流域出口断面的物理过程。
图4-2
提问：请问均匀分布、指数分布、正态分布的均方差是多少？
例 1 计算均方差并比较它们的离散程度。
序列1：5，10，15
序列2：1，10，19
2 计算变差系数（Cv）并比较它们的离散程度。
序列1：5，10，15
序列2 ：995，1000，1005
答案：1：σ1= 4.08 σ2=7.35
2 ：EX1=10
mm。 其关系式为：
R=W/(1000F) 式中，W的单位为m3，F的单位为km2。可计算各种时间尺度(日、月、
年) 的径流深。
4 径流模数——M 指单位流域面积上所产生的流量，单位为m3/(s.km2) 。即：
M=Q/F 式中各符号同前。
5 径流系数——α 指同一时段内的径流深R与对应时段降雨量P之比值。即：
融雪洪水
①积雪融化洪水
②融雪与降雨混合，以融雪为主的洪水
4、影响洪水的因素
天气因素：决定暴雨特征的天气因素，主要是气流的 上升运动强弱及持续性，另外还有水汽输送情况。有 利于暴雨洪水的天气系统：气旋波，静止锋，台风。
流域下垫面因素。流域坡度大，植被少，土壤透水性差的流 域，易造成陡涨陡落的大洪水。大流域洪水过程线较平缓， 而小流域则反之； 流域内高大的山脉，对气流有抬升作用， 容易形成地形雨。通常迎风 坡雨量大，而背风坡雨量小。
1、水位过程线：将水位按时间顺序点绘而成的曲 线
2、水位历时曲线
历时：大于等于某一水位出现的次数和 意义：查得一年中大于等于某一水位的总天数，对航运、 桥梁、引水工程的设计和运行管理具有重要意义。
（二）流速 河流中水质点在单位时间内运动的距离。 最大流速： （三）流量 单位时间通过河流某断面的水量。 Q=AV
• 六、河流的水源补给 – 雨水补给 – 冰雪融水补给 – 地下水补给
第三节 洪水 、枯水、冰清
洪水
枯水
一、洪水
1. 洪水的定义 2. 洪水的特征值 3. 洪水的成因 4. 影响洪水的因素
1、洪水的定义
洪水是指暴雨或大量冰雪融水汇入河 槽，引起河流水量增加，水位迅猛上 涨，形成有涨水段和退水段的一次洪 水过程。
(三)影响植物截留的因素
• 一类是植物本身的特性，如树种、树龄、林冠厚 度、茂密度等。
• 另一类是气象、气候因素，如降雨量、降雨强度、 气温、风和前期枝叶湿度等。
(四)填洼基本概念 洼地：流域上的池塘、小沟等大大小小的闭合洼陷
部分称为洼地。 填洼量：在降雨中被洼地拦蓄的那部分雨水称为填
洼量。
（五） 填洼过程
P t
Q t
径流形成分两个阶段：产流阶段和汇流阶段。如下图所示。
P
R
产流
t 降雨过程
图中，R=P-P损。 P损包括 植物截留、填洼、下渗、 蒸发等损失水量。
Q 汇流
t 净雨过程
t 流域出口断面流量过程
• (一)植物截留定义：降雨在植物枝叶表面吸着力、承托力 和水分重力、表面张力等作用下储存于植物枝叶表面的现 象。
• 河网汇流时间一般远大于坡面水流汇流时间，只有当流域 面积很小时，两者才可能具有相同的量级。
• 降雨过程与流量过程的区别： • 1、次降雨量大于相应的次洪径流 • 2、两条过程线的形状不同 • 3、流量过程的起始时刻，洪峰，重心等出现的时
间滞后于降水过程 • 4、流量过程的总历时比降水时长很多。
三、产流过程
定义 ：降雨扣除损失成为净雨的过程 降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等 的。 但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，而径流却要延长很长时间。
地面净雨→地面径流 表层流净雨→表层流或壤中流
地下净雨→地下径流
2 径流总量——W 指一段时间内通过流域出口断面的总水量，单位为m3、万m3 、亿m3 。 计算公式为：
W tt12 Q(t)dt Q(t 2 t1) QT
Q
Q ——时段T内的平均流量
W
t1
T
t2
t
日径流总量、月径流总量、年径流总量通过上式都可以获得。
3 径流深——R 把径流总量W平铺在流域面积F上所得到的水深，称为径流深，单位
2、洪水的特征值
洪水过程线：用曲线表示流量从起涨到退落随时间的 变化过程，用以描述流域一次暴雨、连续暴雨或冰雪 融化流量过程。 特点： 洪峰流量，即一次洪水流量过程的流量最大值； 起涨点，即洪峰流量出现前的最低点； 地表径流退水终点，以该点为界，之前为地表径流与地 下径流联合退水，之后只有地下径流退水。
例1：甲地区年降雨量的均值为1200mm，均方差为1=360mm；乙地区年降 雨量的均值为800mm，均方差为1=320mm。试比较甲、乙两地区降水量的 分散程度。 例2：一条河流上、下游断面的年平均流量的Cv值哪个大？为什么？
2、年际变化 年径流变差系数cv 年径流的极值比：最大年径流量与最小
年径流量的比值
融雪性洪水
。
• 暴雨型洪水
①雷暴雨洪水，也称骤发暴雨洪水。局部地区因强对流作用， 挟带水汽的水流急剧上升而 产生雷暴雨，由于这种雷暴雨雨 强大、历 短、雨区小，长在小流域上形成陡涨陡落、峰高量 小的洪水过程，往往造成严重的灾害。
②台风暴雨洪水。台风暴雨洪水峰高量大，能在较大流域 上形成洪水威胁。
③锋面暴雨洪水。因受冷暖气团交绥而产生的暴雨所引起 的洪水。锋面雨一般历时长，强度较小，降雨总量大往往 造成较严重的洪水灾害。
σ1=4.08 Cv1=0.48
EX2=1000 σ2=4.08 Cv2=0.0048
3 离差系数或变差系数Cv（the deviation coefficient）
定义： Cv E(X) x
变差系数表示分布函数的相对离散程度。Cv越大，分布函数越分散；反 之，依然。如图4-3所示。
图4-3
• 波流量：突然注入一定水量而在河道里增加的流 量称为波流量。
（2）洪水波的待征
洪水波的几何特征包括波体、波高、波锋和波长。 洪水波的运动特征则可用附加比降、相应流量(水位)
和波速。 传播特点：展开，扭曲
波体 初始稳定流水面上的附加部 分水体，即洪水波本身。
波高 波体轮廓线上任一点相对于 稳定流水面的高度。波高是随河 长而变化的。其中最大波高称为 洪峰。
当降雨强度大于地面下渗能力时，超渗雨即开始填充洼地， 当每一洼地达到其最大容量后，后续降雨，就会产生洼地 出流。在降雨过程中，流域上较小的洼地总是先行填满， 然后才是较大者。雨止后，填洼量最终耗于下渗和蒸散发。
（六） 洼地分配曲线
• 设S为流域上的洼地蓄水深。a 表示蓄水深小于等于s的洼地的 面积占流域面积的比重，则a与 S必存在正变函数关系，即S增 大时，a也必增大