河海大学811水文学原理第七章 径流的形成过程

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。
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
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．
(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
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
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。
• 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。
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
流量过程线：将水位按时间顺序点绘而成的曲线 流量水位历时曲线：描绘大于等于某个流量出现的次数
二 径流的定量表示
1 流量——Q 指单位时间内通过流域出口断面的水量，常用单位为m3/s。Q=AV。流
量Q随时间t的变化过程，称为流量过程线Q~t。 Q~t
获得的流量都是瞬时值。实际工作中，常需要时段平均流量，如日平均 流量、月平均流量、年平均流量。时段平均流量等于时段内流过的水量除以 该时段的秒数。
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。
波长 波体与稳定流水面交界面的 长度。
波锋 波前的前锋界面。
• 附加比降： 波体水面相对于稳定流水面的比降。 附加比降可近似地用波体的水面比降和稳定流水 面比降的差值来表示。
•r 表示地面水河网汇流时间，
w • 表示地面水流域汇流时间。
• 坡面阻力一般很大，流速较小，但坡面水流的流程不长， 常只有百米至数百米左右，所以坡面汇流时间一般并不大， 大约只有几十分钟。
• 河网由大大小小的河流交会而成。河网中的流速通常要比 坡面水流流速大得多，但河网的长度更长，随着流域面积 的增大，流域中最长的河流将是坡面长度的数倍、数百倍、 数干倍，乃至数万倍。
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
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。
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。
• 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。
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。
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
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
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
影响洪水过程线形状的因素
• 流域面积 • 流域形状 • 流域植被 • 河谷条件 • 地表地貌
• 土壤 • 暴雨中心位置 • 暴雨过程 • 河道水力因素 • 河网调蓄 • 湖泊调蓄
3、洪水的成因
暴雨型洪水：热带、亚热带和温带地区的河流。
这种类型的洪水，受暴雨量、强度、历时和空间 分布的影响，具有多变性。
(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。
第七章 径流
Surface runoff Soil layer1
Subsurface runoff Soil layer2
Groundwater
Deep soil layer Water table
Surface runoff
Soil layer3
Rapid Subsurface runoff Delayed Subsurface runoff
– 月径流量占年径流量的变化 – 反应径流年内分配不均的特征值
离势系数cv
调节系数cr=V/W
1. 均值，表征的意义
x x1 x2 xn n
1 n
n
xi
i1
均值为分布的中心，表示对象的平均情况，即总体水平的高低。
提问：请问均与分布、指数分布、正态分布的均值是多少？
2 均方差（mean standard deviation）——
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
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。
• 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。
a. 离散型随机变量
D(X)
n
(x i
E(X))2 pi
i1
b. 连续型随机变量
D(X) (x E(X))2 f (x)dx
b. 水文随机变量
设有水文随机变量观测序列：x1， x2 ，x3，…， xn，则均方差为：
n
(xi
x)2
i 1
n
d. 均方差表征的意义 表示分布函数的绝对离散程度。均方差越大，分布函数越分散，其值 变化幅度越大；反之，依然。如图4-2所示。
• 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பைடு நூலகம்的一次洪 水过程。