水文学复习资料河流

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1、第三章 河流第一节 河 流知识体系 一、河流、水系和流域（一） 河流的分段和纵、横断面（二 ）水系和水系特征（三）流域和流域 二、河流的水情 水情要素：水位、流速、流量、水温与冰情、泥沙、矿化度 三、河川径流（一）河川径流的形成与影响因素 (二)产汇流计算（三）河川径流的变化（时变性、变化表征）（四）特征径流（洪水和枯水）四、河流的补给（一）雨水补给（二）融水补给（三）湖泊水补给（四）沼泽水补给（五）地下水补给（六）人工补给五、河流水源的定量估算六、河川的利用和改造七、河流与自然地理环境的关系 （一）河川径流的形成与影响因素 1.河川径流的形成概念：河川径流是指降落到流域表面上的雨水，由地面与

2、地下汇入河川，最终流出流域出口断面的水流。形成阶段：降雨径流形成过程大致可分为如下四个阶段：（1）降雨阶段 （2）流域蓄渗（停蓄）阶段（3）坡地漫流阶段 （4）河槽集流(河网汇流)阶段 降雨扣除损失之后，剩下的部分称为净雨，在数量上就等于它所形成的径流深。在我国常称净雨量为产流量.上述过程为降雨转化为净雨的过程,称为产流过程。注意：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。 产流模式 决定产流的气象条件是降水，流域条件主要是土壤缺水量和下渗能力。几种条件的不同组合决定不同的产流模式.

3、第1、2两种模式都不会发生洪水,习惯上称第3种模式为“超渗产流”，第4种模式为“蓄满产流”，所谓蓄满是指含气层蓄满到了田间持水量。1）坡地汇流过程 坡地汇流分为三种情况: A.坡面流:超渗雨满足了填洼后产生的地面净雨沿坡面流到附近河网的过程,称为坡面漫流。坡面漫流是由元数股彼此时分时合的细小水流所组成,通常没有明显的固定沟槽,雨强很大时可形成片流。坡面漫流的流程较短,一般不超过数百米,历时亦短。地面净雨经坡面漫流注入河网,形成地面径流。大雨时地面径流是构成河流流量的主要来源。B.表层流径流:表层流净雨沿坡面侧向表层土壤孔隙流人河网,形成表层流径流。表层流流动比地面径流慢,到达河槽也较迟,但对历

4、时较长的暴雨,数量可能很大,成为河流流量的主要组成部分。表层流与地面径流有时能相互转化,例如,在坡地上部渗入土中流动的表层流,可在坡地下部流出,以地面径流形式流入河槽;部分地面径流也可能在坡面漫流过程中渗入土壤中流动成为表层流。这就是实际工作中把表层流归入地面径流的原因。C. 地下径流和基流:地下净雨向下渗透到地下潜水面或深层地下水体后,沿水力坡度最大的方向流入河网,称为坡地地下径流。深层地下水汇流很慢,所以降雨以后,地下水流可以维持很长时间,较大河流可以终年不断,是河川的基本径流,所以常称为基流。 在径流形成过程中,坡地汇流过程对净雨在时程上进行的第一次再分配。降雨结束后,坡地汇流仍将持续一

5、定时间。 净雨沿着坡面汇入河网(称坡地汇流)，然后经河网汇流形成流域出口的径流，这个过程称作流域汇流过程。（4）河槽集流(河网汇流)阶段 河网汇流过程:各种成分径流经坡地汇流注入河网,从支流到干流,从上游向下游,最后流出流域出口断面,这个过程称为河网汇流或河槽集流过程。对地面径流来说，坡面汇流距离最多不过200m，汇流时间不到0.5hr。汇流时间主要是河网汇流时间，可达10h以上，所以地面汇流过程以河网汇流为主。幻灯片8河岸调节与河槽调蓄河岸调节：在河槽集流过程中，当河槽水位高于两岸地下水位，且河水与河岸地下水之间有水力联系的情况下，河水补给地下水；反之，地下水补给河水。高低河槽调蓄：河槽接收

6、坡地汇流，河槽水位抬升，增加河槽蓄水；坡地汇流停止后，河槽水位渐退，河槽蓄水流出，这种河槽“库容”对径流产生的调节作用，称为河槽调蓄。河岸调节和河槽调蓄是对净雨在时程上进行的第二次再分配。河槽调蓄和河岸调节作用使降雨径流历时延长，出口断面流量过程变得平缓。上述作用与河流形状、河网密度及河槽纵比降有关。2影响河川径流的因素P99 影响径流的因素主要有气候、下垫面和人为因素。 (l）气候因素 气候是影响河川径流的最基本和重要因素，气候因素中的降水和蒸发直接影响径流的大小和变化 (2）下垫面因素 流域的下垫面因素具有对降水再分配的功能。下垫面因素包括地貌、植被和土壤岩性等。(3)人为因素 人类活动影

7、响径流是多方面的。积极方面：植树造林、修筑梯田、修水库；消极方面：围湖、伐林扩大农田，对水资源的污染等幻灯片11(二)产汇流计算P1011.下渗曲线法2.径流系数法3.降雨径流关系法流域蓄水量W或其前期影响雨量Pa表示流域的干湿程度幻灯片124.等流时线及其在地面汇流分析中的应用􀂄 同一时刻在流域各处形成的净雨距流域出口断面远近、流速各不相同,所以不可能全部在同一时刻到达流域出口断面。􀂄 不同时刻在流域内不同地点产生的净雨,却有可能在同一时刻流达流域的出口断面。幻灯片13（1）基本概念及含义：汇流时间：流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间。流域汇流时间

8、 ：流域上最远点的净雨流到出口的历时。等流时线：流域上汇流时间相等点子的连线，如图中标有1 、2 、的虚线（ 为单位汇流时段长）。 等流时面积：两条相邻等流时线间的面积。幻灯片14（2）等流时线的应用为计算上的方便，取计算时段等于汇流时段t=。幻灯片151） 地面净雨历时等于一个汇流时段Ts = t = T s= t m = 3 部分面积造峰幻灯片162）地面净雨历时多于一个汇流时段流域上净雨历时Ts = 3 t ，雨强i s1 = Rs1/ t ， i s2 = Rs2/ t ， i s3 = Rs3/ t ，它们各自在流域出口形成的地面径流流量过程，可用与上面完全相同的方法求得。幻灯片17

9、（3）结论一个时段的净雨在流域出口断面形成的地面径流过程，等于该净雨强度与各块等流时面积的乘积，即Qi=isFi多时段净雨在流域出口形成的地面径流过程，等于它们各自在出口形成的地面径流过程叠加。当净雨历时Ts小于流域汇流时间m时，称为流域部分面积汇流造峰（部分汇流造峰）。当净雨历时Ts大于或等于m时，称为流域全面积汇流造峰（全面汇流造峰）。地面径流总历时T等于净雨历时Ts与流域汇流时间m之和.该法是对地面汇流进行概化的一种设想，与实际情况有一定的出入，难以实际应用。但对于理解流域汇流的本质和原理是非常有益的。幻灯片18作 业根据表中资料计算河流出口的地面径流5、时段单位线法（1）.单位线的基本

10、概念定义：在给定的流域上,单位时段内均匀降落单位深度的地面净雨，在流域出口断面形成的地面径流过程线，称为单位线。单位净雨一般取10mm,单位时段可取1、3、6、12、24h等,依流域大小而定。倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个单位,则形成的流量过程是单位线纵标的k倍。叠加假定：如果净雨不是一个时段而是m个时段,则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开时段叠加。推流公式：R1+R2Q1=R1/10*q1Q2=R1/10*q2+R2/10*q1Q3=R1/10*q3+R2/10*q2Q1=R1/10*q1Q2=R1/10*q2Q3=R1/10*q3R1 式中，Qi为流域出

11、口断面各时刻流量值，m3/s；Rj为各时段净雨量，mm； qi-j+1为单位线各时刻纵坐标，m3/s；k=m+n-1为流域出口断面流量过程线时段数；m为净雨时段数；n为单位线时段数（2）单位线的分析与推求。1根据实测的暴雨径流资料制作单位线时，首先应选择历时较短的暴雨及该次暴雨所产生的明显的孤立的洪峰作为分析对象。2求出本次暴雨各时段的流域平均雨量，扣除损失，得出各时段的净雨深Ri，净雨时段t。3由实测流量过程线上分割地下径流及计算地面径流深，务使净雨深等于地面径流深，即Ri=y。4要将流量过程线割去地下水以后得到的地面径流过程线各时段纵坐标值，除以净雨量的单位(个)数（一个单位为10毫米）就

12、可得出单位线。将该单位线代入其它多时段净雨的洪水中进行验算，将算得的流量过程与实测洪水进行对比，如发现明显不符，可将单位线予以修正，直到最后由单位线推出的流量过程符合实际为止。 分析法推求单位线详解: 设出口断面的地面流量过程为Q1,Q2,Qk,流域的净雨过程为R1,R2,Rm, 由推流公式构成一个以q1,q2,qm为未知数的线性代数方程组,解之即可得单位线。式中,i=1,2,n, n为单位线的时段数,n=k-m+1。 j=1,2,m幻灯片26【例】某流域实测流量资料分割地下径流后的地面径流过程以及推算出的地面净雨过程见下表,试分析单位线。本例净雨时段数m=2,地面流量过程时段数=20,计算时

13、段t=12h。由幻灯片27幻灯片28(3)单位线法存在的问题及处理方法 单位线的两个假定不完全符合实际，一个流域上各次洪水分析的单位线常常有些不同，有时差别还比较大。在洪水预报或推求设计洪水时，必须分析单位线存在差别的原因并采取妥善的处理办法。幻灯片291)净雨强度对单位线的影响及处理方法 在其他条件相同情况下，净雨强度越大，流域汇流速度越快，由此洪水分析出来的单位线的洪峰比较高，峰现时间也提前；反之，由净雨强度小的中小洪水分析单位线，洪峰低，峰现时间也要滞后，如图所示。针对这一问题，目前的处理方法是：分析出不同净雨强度的单位线，并研究单位线与净雨强度的关系。进行预报或推求设计洪水时，可根据具

14、体的净雨强度选用相应的单位线。单位线受地面净雨强度影响 幻灯片302.净雨地区分布不均匀的影响及处理方法单位线受暴雨中心位置影响 同一流域，净雨在流域上的平均强度相同，但当暴雨中心靠近下游时，汇流途径短，河网对洪水的调蓄作用减少，从而使单位线的峰偏高，出现时间提前；相反，暴雨中心在上游时，大多数的雨水要经过各级河道的调蓄才流到出口，这样使单位线的峰较低，出现时间推迟，如图所示。针对这种情况，应当分析出不同暴雨中心位置的单位线，以便洪水预报和推求设计洪水时，根据暴雨中心的位置选用相应的单位线。 当一个流域的净雨强度和暴雨中心位置对单位线都有明显影响时，则要对每一暴雨中心位置分析出不同净雨强度的单

15、位线，以便将来使用时能同时考虑这两方面的影响。幻灯片31(4)应用单位线预报洪水过程 举例 试利用下表所给资料，采用单位线法计算洪水过程。某河某站用单位线法由降雨推求洪水过程（F=5253km2）幻灯片32作业：列表计算流域单位线幻灯片33（三）河川径流的变化 为了充分合理地利用水资源，必须首先掌握河川径流变化的一些特性：年内变化和年际变化。年径流分析计算的任务： 一般地说，是研究径流年际水量变化与年内水量变化的规律，为合理兴建水利工程提供正确的水文依据。具体地说，工程水文学中的年径流分析计算：主要是为水库的规划设计和调度运行服务。幻灯片341、河川径流的时变性 年内变化：汛期（夏汛和春汛）、

16、平水期、枯水期或冰冻期。（P159） 年际变化：丰水年，枯水年，中水年。通常以径流的离差系数表示变化程度。 幻灯片352、河川径流变化表征(P158)（l）正常年径流量 ：如果实测资料的年数增加到无限大时，多年平均径流量将趋于一个稳定的数值，此称为年正常径流量。（2）河川径流的年际变化表征：径流的离差系数n为观测资料数列的年数。幻灯片36（3）Cv值的变化与自然地理因素的关系1）降水量少的地区，其Cv值大于降水量多的地区以雨;2）水补给为主的河流，其Cv值大于以地下水补给为主的河流，也大于以冰雪融水补给为主的河流。幻灯片373）平原和盆地的Cv值大于相邻的高山和高原地区。4）流域面积小的河流，

17、其Cv值大于流域面积大的河流。原因：大河集水面积大，各支流径流变化情况不一，丰枯年可以相互调节；大河河床切割很深，地下水补给量多而稳定。幻灯片38我国河川径流时变特征1.年内变化 我国大部分地区河川径流靠雨水补给,季节性变化剧烈,有明显的汛期和枯水期。汛期河水暴涨,容易泛滥成灾;枯水期水量很小,水源不足。汛期连续最大4个月径流量占年总径流量60%以上,其中长江以南、云贵高原以东和西南大部分地区为60%70%,松辽平原、华北平原、淮河流域大部分地区为70%80%,广大西部地区为60%左右。以冰雪融水补给为主的河流,由于流域内热量的变化比雨量变化小,所以年内分配比较均匀。地下水补给比例大的河流,其

18、年内变化也较小。大江大河因接纳不同地区径流的汇入和地下径流的补给,径流的年内分配也较均匀。幻灯片392.年际变化 径流的年际变化,较降水更为剧烈,北方大于南方,水量越贫乏的地区,丰枯年间的水量相差越大。以历年最大最小年径流量的比值为指标,长江以南各河一般小于3倍;淮河、海深河各支流可达1020倍,部分平原河流甚至更大。年径流的变化,不仅有时枯时丰的情况,而且存在连续枯水和连续丰水的情况。如黄河在近60年中出现过从19221932年共11年的少水期,该段时间年径流的平均值比正常年份少24%;也出现过19431951年连续9年的丰水期,该段年径流平均值比正常年份多19%。松花江在近80年中也出现过

19、18981908年连续11年和19161928年连续13年的少水期,平均年径流量比正常值少40%;也出现过19601966年连续7年的丰水期,平均年径流量比正常值大32%。海河近60年来连旱、连丰更频繁,如19191923年、19271931年、19411943年、19461948年、19651968年、19711972年等连续23年甚至5年的干旱;也出现过19541956年、19631964年等连续23年的洪涝。幻灯片40 （三）特征径流-洪水和枯水 1洪水 （1）概念 洪水是指因连续降水或大量积雪融水在短时间内汇入河槽，形成的特大径流。 幻灯片41洪水三要素：洪峰流量 Qm、洪水总量 W和

20、洪水总历时幻灯片42（2）洪峰流量的推求1）有长期观测资料 有较长年限观测资料（20年以上），从每年中挑选出最大的一个洪峰流量组成样本进行频率计算，从而求得所需频率的洪峰流量。幻灯片432）无洪水观测资料经验公式(水利科学研究院)Qm=0.278aipFa：径流系数；F流域面积(km2)；ip:频率为p的暴雨强度（mm/h).利用等值线图估算（查水文手册）。 根据给定频率或重现期，在等值线图上查得流域中心处的洪峰流量模数Mp, 计算式：Qp=MpF幻灯片44（3）洪水分类上游演进洪水：上游径流量显著增加，洪水自上而下沿河推进形成；当地洪水：由所处河段的地面径流直接形成。观看洪水录像幻灯片45暴

21、雨洪水是我国大多数河流的主要洪水类型，是水文学研究的重点之一。幻灯片462枯水 枯水就是特别小的径流。枯水径流发生在以地下径流补给为主的时期，故此时期称为枯水期幻灯片473、洪水、枯水期的调整 目前调整的方法主要有：兴修水利、人工降雨等幻灯片48第二节 河 流知识体系四、河流的补给（一）雨水补给（二）融水补给（三）湖泊水补给（四）沼泽水补给（五）地下水补给（六）人工补给五、河流水源的定量估算六、河川的利用和改造七、河流与自然地理环境的关系 一、河流、水系和流域（一） 河流的分段和纵、横断面（二 ）水系和水系特征（三）流域和流域 二、河流的水情 水情要素：水位、流速、流量、水温与冰情、泥沙、矿化

22、度 三、河川径流（一）河川径流的形成与影响因素（二）径流特征值（三）河川径流的变化（时变性、变化表征）（四）特征径流（洪水和枯水）幻灯片49预习思考题河流补给的形式及其特点？幻灯片50四、河流的补给(河流的水源 )雨水补给、融水补给、湖泊水补给、沼泽水补给、地下水补给、人工补给（一）雨水补给(最主要的补给类型) 雨水补给的特点（主要决定于降雨量和降雨特性） 集中、不连续； 年内、年际变化大； 补给量的大小由降水强度大小决定； 含沙量大。（二）融水补给 融水补给包括季节性积雪融水和永久积雪或冰川融水的补给。融水补给特点（主要决定于冰雪量和气温的变化）冰雪量大,补给量大。流量过程线与气温变化过程线

23、一致，平缓和圆滑年际变化较小。明显的日周期变化和年周期变化河流含沙量较小。（三）湖泊水补给 特点（主要取决于湖泊面积大小、水深和变化）： 水量变化缓慢且稳定。（四）沼泽水补给 沼泽水多属于渗流运动，故补给河流的过程较缓慢，使河流的流量过程线较平缓。（五）地下水补给特点：地下水补给一般约占河流径流总量的1530.总体稳定而均匀.深 层 地 下 水浅 层 地 下 水（六）人工补给人工补给主要是通过跨流域引水、抽取地下水、人工融冰化雪、人工降雨等方式来扩大河流水源。 河流的补给为多种形式的综合，其中以一种方式为主。 五、河流水源的定量估计 河水流量的变化决定于补给的分配情况。由于各种补给所发生的时间

24、、强度和它们的组合不同，因而造成河流水文情势的种种变化。为了了解各种形式的补给在河流水情中所起的作用，研究河川径流的形成规律和预报方法，必须估计各种补给的水量和它们的变化过程。因此有必要从河流的流量过程线上把各种形式的补给部分分割开来，从成因上研究径流的形成过程及各种因素的影响。 从河流的流量过程线中，把各种形式的补给分割出来进行河流水源的定量估算，叫做流量过程线的分割。1. 地下径流（基流）的分割方法： （1）直线分割法 如下图所示： 假定在一次降雨以前，河流中实测流量就是地下径流量，同时不考虑该次降雨产生的地下径流，则可以从流量过程线上找到起涨点A。从A点引一水平线交退水曲线上的B点。于是

25、AB线以下的水量作为基流、AB线以上作为地面径流。(2)斜线分割法在洪水时涨水曲线的起始点在流量过程线上往往有明显的转折而易找出，如图A点。 B点可根据地面径流和地下径流退水的特点来确定。地面退水比地下退水快。估计作图法目估法：目估由陡而突然转变为缓的转折点，找出B点。时段流量比较法：如目估困难可将退水曲线按等时段t去划分， Q1 Q2，但 Q3比 Q2小得多，可认为B是地面径流的终止点。曲率比较法：在退水曲线上找出最大曲率点洪峰后持续天数确定比较：水平线分割法简便易行，对地下径流小，洪水历时短的流域较为适合；而对地下径流比重大、洪水连续时间长的流域，则会造成比较大的误差，此时改用斜线分割法较

26、为合理。 （3）退水曲线法 实际上是根据标准退水曲线，从流量过程线两端向内延伸，退水曲线以下部分就是地下径流。如下图所示： 退水曲线法在一定程度上反映了地下水补给河流的规律性，但在推求退水曲线和展延退水曲线的过程中，仍不可避免存在一定的任意性。幻灯片64标准退水曲线的绘制： 下图中的下包线Qgt，即为流域地下径流标准退水曲线，其绘制方法步骤是 以相同的比例尺，在方格纸上绘出各场洪水的退水流量过程线； 用一张透明纸描绘出最低的退水过程线； 将此曲线移到另一场洪水的次低的退水段，在保持时间坐标重合的条件下左右移动透明纸，使方格纸上的退水过程线在后部与透明纸上的退水过程线相重合，并把它也描绘在透明纸

27、上； 如此逐一描绘各场洪水的退水流量过程线，就构成Qgt线。 幻灯片652. 地表径流的分割幻灯片66六、流域水量平衡方程 若将通用公式应用于一个流域内，则称流域水量平衡方程。流域有非闭合流域(开放流域)和闭合流域（封闭流域）之分。 若所研究的水量平衡区为非闭合流域（即流域的地下分水线与地表分水线不相重合），则通用水量平衡方程式中的R10，则其水量平衡方程式为： 幻灯片67若所研究的水量平衡区为闭合流域（即流域的地下分水线与地表分水线相重合），则通用水量平衡方程式中的R1=0，R2=0，并令 ,则其水量平衡方程式为： 在多年的情况下，蓄水变量（ ）趋于零。于是多年闭合流域的水平衡方程式为：幻灯

28、片68七、河流的分类（一）分类的意义1.利于深入研究每一类河流水文要素的变化规律，为人类对各类水资源的开发利用提供可靠依据；2.某河流在规划设计水利工程时，如缺乏水文资料，则可采用同一类型河流的水文数据作为参考。幻灯片69（二）分类的原则1.以河流的水源作为标志，按气候条件分类；2.据水源和最大径流发生季节分；3.根据径流年内分配的均匀程度分；4.根据径流的季节变化，按河流月平均流量过程线分；5.根据河槽的稳定性分；6.根据河流流域的气候、地貌、水源、水量、水情、河床变化综合因素分。可根据研究目的的需要选择分类。幻灯片70（三）河流类型 1.世界分类（气候分类）（1）融水补给；（2）雨水补给；

29、（3）融雪及雨水补给；（4）冰川补给。幻灯片712.我国的分类按河流径流的年内动态差异为标志进行分类，分成几个地域类型，有东北型，华北型，华南型，西南型，西北型，阿尔泰型，内蒙古型，青藏型。幻灯片72八、河流与自然地理环境的相互关系 自然地理环境 河 流分布（密度、径流特征） 水源补给（变化与发展 ）河床特征 径流形成（过程） 气候 地貌 水循环 搬运作用侵蚀作用 气候调节 环境生态 物质转移 地貌形态 自然地理环境河 流幻灯片73九、河流的利用和改造 河川径流不仅是极好的水资源，而且还蕴藏着丰富的水能资源。日常生活用水、工业用水、农业灌溉用水、航运、水产养殖，利用水能资源为动力发电等。 主要措施 ： （l）兴建水库 （三峡大坝、梯级开发） （2）跨流域调水 （南水北调） （3）流域水土保持 应注意的是开发利用过程中需尽可能避免或减轻负面影响幻灯片74青居电站幻灯片75工程对水体环境的影响 宝珠寺电站库区 九寨沟风景区内一角 碧口电站库区河道 碧口电站大坝和发电厂房观看录像2观看录像1