第三章水文學-河流

水文學西南大學地理科學學院主講人：卞鴻雁2014年10月

（Hydrology）河流、水系和流域河流的水情要素河流的補給3.13.23.3第三章河流河川徑流的變化河水的運動3.63.5河川徑流的形成過程3.43.1河流、水系和流域3.1.1河流一、河流定義：降水或由地下涌出地表的水，匯集在地面低洼處，在重力的作用下，經?；蛑芷谛缘匮刂魉旧碓斐傻耐莸亓鲃拥乃?。河流在我國的稱謂很多，較大的稱江、河、川、水，較小的稱溪、澗、溝、曲等。藏語稱藏布，蒙古語稱郭勒。河流所經過的線狀凹地稱為河谷，又叫河槽、河道。河谷組成上包括以下部分：

河床、河漫灘、谷坡、沙洲、階地麗江金沙江北東岸多級階地地貌麗江金沙江虎跳峽上游河谷中的江心洲廣東清遠地下河裸露的嘉陵江河床二、河流的分段每一條河流都有河源與河口，而較大河流的流程通常按地質━━地理特征分成上、中、下游三段，即河流共分成五段。河流分段依據(jù)主要有：a、按河槽的縱比降劃分；

b、按河槽的形態(tài)與組成物質劃分；c、按地貌形態(tài)劃分；d、按支流的匯集和河道的彎曲狀況及流向上游：指緊接河源的河段，常常穿行于深山峽谷之中。③中游：指介于上游與下游的河段。河源：指河流最初具有地表流水形態(tài)的地方。河源的確定標準：河流長度、水量大小、河流彎直和歷史習慣。一般可為溪、泉、冰川、沼澤或湖泊等。因此常常是全流域海拔最高的地方，通常與山地冰川、高原湖泊、沼澤和泉相聯(lián)系。特征：河谷窄，呈“V”字形，河床多為基巖或礫石；比降和流速大；侵蝕（下切和溯源侵蝕）強烈，縱斷面呈階梯狀，多急流瀑布；流量?。凰蛔兎?。特征：河谷展寬，呈“U”字形，河床多為粗砂；比降和流速減?。幌虑星治g減弱而側蝕顯著；流量較大；水位變幅較小。下游：介于中游與河口的河段。河口：河流的終點，即河流與接受水體的結合地段。特點：河谷寬廣,呈“︶”形，河床多為細砂或淤泥；比降很?。涣魉僖埠苄?；水流侵蝕力弱，淤積顯著，多淺灘沙洲和汊河灣道；流量大；水位變幅較小。接受水體可以是海洋、湖泊、沼澤或上一級河流。在河流的入海、入湖處，因水流分散，流速驟然減小，常有大量泥沙淤積，形成三角洲，因土地肥沃，常成為重要的糧食基地。在干旱地區(qū)，由于河水沿途強烈的蒸發(fā)和下滲，以致河水全部消失于沙漠之中，沒有河口，稱為瞎尾河或無尾河，如塔里木河。

入海河流的河口，又稱感潮河口，受徑流、潮流和鹽度三重影響。一般把潮汐影響所及之地作為河口區(qū)。河口區(qū)可分為河流近口段、河口段和口外海濱三段，如右圖所示。從某種意義講，可以把河流近口段與河口段的分界處視為河流真正意義上的終點。長江流域水系圖宜昌湖口黃河流域水系組成圖河口孟津長江三角洲遙感影象圖黃河三角洲遙感影象圖三、河流的分級流域水系中各種大小不等的溝道與河流，可用河流的級別來表示。河流分級方法主要有兩類：河流分級示意圖

一是，從河流水系的研究分析方便考慮，把最靠近河源的細溝作為一級河流，最接近河口的干流作為最高級別的河流，然而，這在具體劃分上又存在不同的做法，如下圖。二是，把流域內的干流作為一級河流，匯入干流的大支流作為二級河流，匯入大支流的小支流作為三級河流，如此依次類推。四、河流特征參數(shù)①河流落差：指河流上、下游兩地的高程差。河源與河口的高程差，即為河流的總落差。

某一河段兩端的高程差，稱之為河段落差。（1）河流縱斷面(縱剖面)河流的縱斷面是與水流方向一致的斷面，是指沿河流軸線的河底高程或水面高程的沿程變化。故河流縱斷面可分為河槽(底)縱斷面(指河底高程的沿程變化)和水面縱斷面(水面高程的沿程變化)兩種。河流縱斷面圖②河流比降：一般是指河流縱比降，即單位河長的落差，也稱坡度。

河流比降有水面比降與河床比降之分，兩者不盡相等，但因河床地形起伏變化較大，故在實際工作中多以水面比降代表河流比降。設某河段i的比降為Ji，則

Ji＝(Zi-Zi-1)／Li

式中：Ji—

河段i的河底或水面比降，常用以百分率（%）、千分率(‰)表示Zi、Zi-1—分別為河段i的上、下游斷面的水面或河底高程；Li——河段i的長度（m）。（2）河流橫斷面(橫剖面)指河流某處垂直于主流方向河底線與水面線所包圍的平面。不同水位有不同的水面線，其斷面面積也不相同。

河流橫斷面是決定輸水能力、流速分布、河流橫比降和流量的重要因素。通常河水面不是一個嚴格的幾何平面，而是一個凹凸曲面，存在著橫比降。主要原因是由于地轉偏向力和彎道離心力作用，使得流速分布不均勻，發(fā)生凹凸變形。河流橫斷面圖

①大斷面：是指最大洪水時的水面線與河底線包圍的面積。②過水斷面：是指某一時刻水面線與河底線包圍的面積。常用的過水斷面形態(tài)要素有：過水斷面面積F，濕周P（即過水斷面上被水浸濕的河槽部分），水面寬度B，平均深度

H，水力半徑R（R=F/P），糙度n（指河槽上的泥沙、巖石、植物等對水流阻礙作用的程度,常用糙率系數(shù)n表示，可從下表查出）等，這些要素與河流的過水能力有密切的關系。河槽糙率系數(shù)表

深泓線：是指沿流程各斷面河床最深點的平面平順連接線。在通航河道中，深泓線的位置往往就是航道的所在位置。

主流線：為沿流程各斷面最大垂線平均流速處的平面平順連接線。圍繞主流線兩側一定寬度內平均單寬流量較大的流帶，稱為主流帶。在某些河流上，主流帶在洪水期往往呈現(xiàn)出浪花翻滾、水流湍急的現(xiàn)象，肉眼可以看得很清楚。主流線通常也叫水流動力軸線，具有“大水趨直，小水趨彎”的傾向。主流線與深泓線，兩者在河段中的位置通常相近而不一定重合，但有的河段有時也可能相差很遠。主流線與深泓線位置示意圖（3）河流的深泓線與主流線河流長度：從河源到河口的長度稱為河流長度。河流長度可沿河道深泓線或中軸線在河道地形圖上量取。常用L表示，以km計。量算河長，通常在較大比例尺的地形圖上，用曲線計或兩腳規(guī)量取。量算河長應采用最新資料為好。世界最長河流為非洲尼羅河，6650km；世界第二長河為南美亞馬孫河，長6437km；長江為世界第三長河，長6300km。由于量算方法和采用的地形圖不同，以及河源的選取也有差別，因此同一河流量算出的結果會有較大的出入。（4）河流的長度與寬度河流寬度：指河槽兩岸間的距離，它隨水位變化而變化。洪、中、枯水河槽示意圖水位常有洪、中、枯水之分，因而河槽寬度相應有洪水河寬、中水河寬和枯水河寬。通常意義下的河寬多指中水河槽寬度，即河道兩側河漫灘灘唇間的距離。指某河段的實際長度與該河段直線距離之比值?？捎孟率奖硎荆菏街校篕為彎曲系數(shù)；L為河段實際長度（km）；l為河段的直線長度（km）。河流的彎曲系數(shù)K值越大，河段越彎曲，對航運和排洪就越不利。（5）河流的彎曲系數(shù)下荊江自由河曲極為發(fā)育，橫向擺幅達20～40千米，河彎曲折率平均為3，素有“九曲回腸”之稱。河流侵蝕基準面：指河流在沖刷下切過程中其侵蝕深度并非無限度，往往受某一基面所控制，河流下切到這一基面后侵蝕下切即停止，此平面稱為河流侵蝕基準面。

侵蝕基準面可以是能控制河流出口水面高程的各種水面，如海面、湖面、河面等，也可以是能限制河流向縱深方向發(fā)展的抗沖巖層的相應水面。這些水面與河流水面的交點稱為河流的侵蝕基點(如右圖)。河流的沖刷下切幅度受制于侵蝕基點。（六）河流侵蝕基準面與侵蝕基點河流侵蝕基準面示意圖

河流侵蝕基準面可進一步地分為終極侵蝕基準面和局部侵蝕基準面。2.1.2

水系一、水系定義：指河流從河源到河口沿途接納眾多的支流并形成復雜的干支流網(wǎng)絡系統(tǒng)。由干流、各級支流及與河流相通的湖泊、沼澤、水庫等組成。鄱陽湖流域水系及其在長江流域中的位置水系的名稱通常以干流的河名命名；也有用地理區(qū)域或把同一地理區(qū)域內河性相近的幾條河作為綜合命名①河網(wǎng)密度：水系總長與水系分布面積之比，即單位面積內河道的長度?？捎孟率奖硎荆篋＝∑L/F

式中：D為河網(wǎng)密度（km/km2）；∑L為河流總長度（km）；F為流域面積（km2）。

二、水系的特征參數(shù)河網(wǎng)密度表示一個地區(qū)河網(wǎng)的疏密程度。河網(wǎng)的疏密能綜合反映一個地區(qū)的自然地理條件，它常隨氣候、地質、地貌巖石土壤和植被等條件不同而變化。一般地說，在降水量大，地形坡度陡，土壤不易透水的地區(qū)，河網(wǎng)密度較大；相反則較小。例如我國東南沿海地區(qū)比西北地區(qū)河網(wǎng)密度大。②河系發(fā)育系數(shù)：各級支流總長度與干流長度之比。

一級支流總長度與干流長度之比稱為一級河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)，二級支流總長度與干流長度之比稱為二級河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)，等等。河流的發(fā)育系數(shù)越大，表明支流長度超過干流長度越多，對徑流的調節(jié)作用越有利。③河系不均勻系數(shù)：干流左岸支流總長度和右岸支流總長度之比，表示河系不對稱程度。

不均勻系數(shù)越大，表明兩岸匯入干流的水量越不平衡水系內湖泊面積或沼澤面積與水系分布面積（流域面積）之比。由于湖泊或沼澤能調節(jié)河水流量，促使河流水量隨時間的變化趨于均勻，減少洪水災害和保證枯水季節(jié)用水。因此，湖泊率和沼澤率越大，對徑流的調節(jié)作用越顯著。④湖泊率和沼澤率：三、水系的類型水系的平面形態(tài)千奇百異，主要受地質構造、地理條件以及氣候因素所影響。常見水系形態(tài)可歸納為樹枝狀水系、扇形水系、羽狀水系、平行狀水系、格狀水系等。西江水系海河水系三江并流淮河水系閩江水系2.1.3流域一、分水嶺、分水線和流域山峰、山脊、鞍部和分水線①分水嶺：相鄰兩個流域之間的山嶺或高地。降落在分水嶺兩邊的降水沿著兩側的斜坡匯入不同的流域。如秦嶺為長江與黃河的分水嶺。②分水線：指相鄰兩個水系或流域之間的分界線，是分水嶺最高點的連線。降落在分水線兩側的降水分別注入兩個流域。③流域：

由分水線所包圍的河流或湖泊的地面集水區(qū)和地下集水區(qū)的總和。流域平面圖流域分水線示意圖流域的地面分水線和地下分水線一般不重合。對于這種情況，將有部分降水滲入地下流到相鄰流域而流失，則這種流域稱為非閉合流域；若地面分水線和地下分水線重合，全部降水都通過地面徑流與地下徑流流向該流域出口，此流域稱為閉合流域。

通常情況下，可以把流域視為閉合流域。二、流域特征流域面積：流域地面分水線和出口斷面所包圍的面積，在水文上又稱集水面積，單位是平方公里。河網(wǎng)密度：流域中干支流總長度和流域面積之比。單位是公里/平方公里。其大小說明水系發(fā)育的疏密程度。流域形狀：對河流水量變化有明顯影響。流域高度：主要影響降水形式和流域內的氣溫，進而影響流域的水量變化。流域方向或干流方向：對冰雪消融時間有一定的影響。

流域形態(tài)指標：包括流域的長度、平均寬度、長寬比、對稱性和平均坡度等項。3.2河流的水情要素水情要素是反映河流水文情勢及其變化的因子。它主要包括水位、流速、流量、泥沙、水化學、水溫和冰情等。通過這些因素反映河流在地理環(huán)境中的作用，及其與自然地理環(huán)境各組成要素之間的相互關系，也是研究水文規(guī)律的基礎。

2.2.1

水位水位：即水面位置或水面高程，河流水位是指河流某處的水面相對于某一基面的高度?；妫河纸谢鶞拭?，是高程的起算面，指高程起算的固定零點?；婵煞纸^對基面和相對基面。絕對基面(也稱標準基面)：是以某一入海河口的平均海平面為零點。如珠江口基面、吳淞口基面（長江口）、黃?；娴龋覈?guī)定統(tǒng)一采用青島基面。相對基面（也稱測站基面）：是以觀測點最枯水位以下0.5-lm處作為零點的基面。相對基面可減少記錄和計算工作量，但它與其他水文站的水文資料不具有可比性，故進行全河水文資料整編和水文預報時，必須換算為全河統(tǒng)一的基面。一、水位的定義與基面觀測水位最簡便、常用的方法是在河岸設置水尺，定時讀數(shù)；水位計自動監(jiān)測。自動水位監(jiān)測計河岸水尺二、水位過程線水位過程線：是指水位隨時間變化的曲線。水位過程線與歷時曲線過程線最高水位歷時曲線最低水位水位歷時曲線：是指大于和等于某一數(shù)值的水位與其在研究時段中出現(xiàn)的累積天數(shù)（歷時）所點繪而成的曲線三、特征水位在河流水文研究中，通常用到各種特征水位值。①最高水位與最低水位

最高水位指研究時段內水位最高值，有日最高、月最高、歷年最高值等。主要用于防洪。平均水位

指研究時段內的水位平均值，有日、月、年、多年平均水位。③平均最高水位與平均最低水位

指歷年最高水位的平均值和歷年最低水位的平均值。④中水位指研究時段內，水位歷時曲線上歷時為50%的水位。如一年逐日水位中的中水位，是指有半數(shù)日期高于此值，又有半數(shù)日期低于此值的水位。此外，在防汛工作中，水利部門常根據(jù)防洪防汛工作需要，設有防汛水位、警戒水位與保證水位等。指同一次水位漲落過程中，河流上、下游站位相相同的水位叫相應水位。相應水位關系曲線的繪制方法是：以縱軸為上游站的水位,以橫軸為下游站的水位，把上下游站相應的水位點繪在坐標紙上，過點群中心連成的圓滑曲線便成（如下圖）。

其作用：可用它做短期水文預報；校驗上、下游水位觀測成果；用已知站水位插補缺測站水位記錄；推求鄰近斷面未設站的水位變化。四、相應水位2.2.2

流速河流中水質點在單位時間內移動的距離。一、概念二、天然河道中的流速分布流速流速在垂線上的分布圖深度①垂線流速分布：

絕對最大流速一般出現(xiàn)在水面以下水深的0.1～0.3處；平均流速出現(xiàn)于水深的0.6m處；在水面,由于空氣的摩擦阻力,流速較小；在河底，流速趨于零。受河床的地勢傾斜和粗糙程度，以及斷面水力條件的影響，天然河道中的流速分布十分復雜。②

斷面流速分布：

斷面上流速分布可用等流速線表示。等流速線是斷面上流速相等各點的連線（如下圖）。

斷面上流速分布規(guī)律：河底和兩岸附近V最?。ú诙扔绊懀?。水面流速在岸邊最小，向最大水深方向增加。流速從水底向水面增加（有冰蓋時例外）斷面上流速的分布三、天然河道中的平均流速的計算在有實測資料時，可根據(jù)實測資料求得。在沒有實測資料時，可用水力學公式——謝才公式計算，即：式中：v為河道斷面平均流速；R為水力半徑；i為水面比降；c為謝才系數(shù)，它與糙率等因素有關，其數(shù)值可用經驗公式求得。我國多采用曼寧公式，（n為糙率系數(shù)）謝才公式是根據(jù)水流作勻速運動的理論推導而得的。2.2.3

流量流量：指單位時間內通過某過水斷面的水量體積。常用Q表示，單位是m3/s。它可用下式表示：

Q=Av式中：Q為流量（m3/s）；A為過水斷面積（m2）；v為流速（m/s）。

一、流量的概念流量是河流的最重要特征。為了便于進行水文分析，常把測得的流量資料繪成曲線圖。常用的有流量過程線和水位——流量關系曲線。二、流量過程線:流量：m3/s流量歷時曲線流量過程線流量過程線與歷時曲線流量過程線的主要作用是：可反映測站以上流域的徑流變化規(guī)律；分析流量過程線，相當于對一個流域特征的綜合分析研究；根據(jù)流量過程線計算某一時段的徑流總量和平均流量。三、水位-流量關系曲線:（1）水位與流量的關系：河流水位的變化，從本質上看是河流流量的變化，是流量變化的外部反映和表現(xiàn)；另一方面，流量大小可以通過水位高低反映出來，即二者呈某種函數(shù)關系Q=f(H)，水位升高，流量增大。即Q=f(H)呈單調遞增函數(shù)。（2）水位流量關系曲線的繪制以水位為縱坐標，流量為橫坐標，將各次施測的流量與相應的水位點繪在坐標紙上，連接通過點群中心的曲線，便是水位——流量關系曲線。一般是下凹上凸曲線。2.2.4

河流泥沙河流泥沙：是指組成河床和隨水流運動的礦物、巖石固體顆粒。河流泥沙運動的形式可分滾動、滑動、跳躍和懸浮。前三者運動形式的泥沙，稱為推移質；懸浮運動的泥沙，稱為懸移質。含沙量：河水中泥沙含量的多少，單位是kg/m3。輸沙率：單位時間內通過一定過水斷面的泥沙總量，單位是t/s或kg/s。輸沙量：一定時段內通過一定過水斷面的泥沙總量，單位是t或萬t。河流泥沙主要是水流從流域坡面上沖蝕而來。每年從流域地表沖蝕的泥沙量通常用侵蝕模數(shù)表示。侵蝕模數(shù)是指每km2流域面積上，每年被侵蝕并匯入河流的泥沙重量。單位是萬t/(km2)。

河流含沙量的影響因素：河流的補給條件、流域內巖石土壤性質、地形的切割程度、植被覆蓋程度的人類活動等。2.2.5

河水化學河水化學主要是指河水的化學組成、性質、時空分布變化，以及它們同環(huán)境之間的相互關系。一、天然河水的主要化學成分：HCO32-，SO42-，CI－，Ca2+，Na+，

Mg2+，K+等離子組成。但在不同河流中，這些離子的比例并不相同。河水中除上述離子外，還有生物有機質、溶解氣體（BOD、COD、O2、CO2等）和一些微量元素等。二、水化學指標：

①礦化度：河水中溶解質的含量。以單位體積水中化驗到的離子、分子和各種化合物的總量或烘干后殘余物的重量表示，稱為礦化度G。單位mg/L礦化度分為四級：低礦化度水：（<200mg/l），中礦化度水：(200-500mg/l)較高礦化度水：(500～1000mg/l)，高礦化度水：(>1000mg/l)地球上大多數(shù)河流屬低礦化度和中礦化度水。

②溶解質徑流率：單位時間通過河流某斷面的溶解質重量，稱溶解質徑流率或離子徑流率Rg單位：g/s，mg/s。因溶解質在河流斷面上變化范圍不大，可由下式推求：

式中：Q0為斷面平均流量m3/s

③

溶解質徑流量：某一段時間通過河流某斷面的溶解質總量，稱為該時段溶解質徑流量或離子徑流量Wg，單位：T，即④溶解質徑流模數(shù)：單位時段內，河流由單位流域面積上帶走的溶解質重量。單位：

三、影響河水化學成分和礦化度的因素：①補給水源：

冰川和高山融雪補給為主的河流，由于高山溫度低，風化弱，且土壤巖石經常處于濕潤狀態(tài)，長期被洗蝕，所以缺乏易溶性巖類，礦化度低。

季節(jié)性融雪補給為主的河流，鹽分含量也不多。

占優(yōu)以雨水補給為主的河流，礦化度弱高。以地下水補給為主的河流，礦化度較高。

含量較大②自然地理條件如氣候，地質、土壤等影響：

干旱地區(qū)蒸發(fā)強烈，礦化度高；降雨充沛地區(qū)由于地表徑流稀釋，礦化度低。河水流經易溶巖石或土壤地區(qū)，礦化度高，反之較低。

河水穿過大面積石灰?guī)r地區(qū)，

含量高2.2.5

河流水溫與冰情（1）水溫影響因素①太陽輻射為水溫升高的主要熱源②補給水源：雪水補給河流，水溫低；雨水補給河流，水溫較高。③氣溫對水溫影響（2）水溫變化：

①垂線上水溫分布具成層特性；②日變、年變；

③沿河長變化：a.高山冰雪融水補給河流，水溫沿河長逐漸升高；b.由低向高緯流動的河流，水溫逐漸降低；相反，水溫逐漸升高。（3）冰情（三階段）：結冰、封凍、解凍2.3河流的補給河流的補給也即河流的水源。根據(jù)降水形式及其進入河流路徑的不同，河流補給可分為:

地表補給：

(1)雨水補給

(2)融水補給：①季節(jié)積雪融水補給；②永久積雪和冰川融水補給

(3)湖泊和沼澤水補給

地下水補給：

(1)潛水補給（沖積層水）；

(2)承壓水補給（深層地下水）人工補給

2.3.1

河流的補給類型與及其特點一、雨水補給類型⑴分布地區(qū)：分布普遍，尤其濕潤地區(qū)，雨水補給所占比重大。雨水是全球大多數(shù)河流最重要的補給來源，也是我國河流的一種最普遍、最主要的補給來源，尤其東南半壁季風區(qū)的河流，雨水補給占絕對優(yōu)勢，秦嶺━━淮河一線以南，青藏高原以東的廣大地區(qū)，雨水補給一般占年徑流量的60－80%。⑵補給時間和補給特征補給時間：雨水補給時間取決于降雨時間，即主要發(fā)生在雨季。因而取決于雨型（夏雨型、冬雨型、年雨型、全年少雨型）。比如，我國大部分地區(qū)位處東亞季風區(qū)，雨水主要集中在夏、秋雨季，則夏秋雨季河流多處于汛期；相反，冬春旱季處于枯水期。

補給特征雨水補給的特點，主要決定于降雨量和降雨特性。降雨過程具有不連續(xù)性和集中性，使雨水補給也具有間斷不連續(xù)性和集中性，集中在雨季，其補給過程來得迅速和集中。降雨分配的不均勻性，雨水補給年內、年際變化大。

閩江流域建溪葉坊站1953年雨量、流量綜合過程線二、融水補給類型（一）季節(jié)性積雪融水補給（1）分布地區(qū)：中高緯地帶（溫帶和寒帶）和高山地區(qū)，我國北方河流尤其東北地區(qū)河流，積雪融水補給量占較大比重。（2）補給時間：主要發(fā)生在氣溫回升的春季。并常常形成春汛，正值桃花盛開時節(jié)，故又稱“桃汛”、“桃花汛”。（3）補給特征：積雪融水補給量大小及其變化與流域的積雪量大小和氣溫變化有關，補給過程具有明顯的時間性和連續(xù)性。積雪融化期間，河流水量變化同氣溫變化相一致，比雨水補給為主的河流水量平穩(wěn)而有規(guī)律。一般地全年有兩次流量高峰，即積雪消融造成的春汛和雨水補給造成的夏汛，夏汛為主。（二）冰雪融水補給（2）補給時間和補給特點：補給量及變化與太陽輻射和氣溫變化一致，補給過程具有連續(xù)性和時間性，補給水量比雨水補給穩(wěn)定，河流水量的年、日變化明顯，尤其日變化明顯。新疆的瑪納斯河紅嘴山站1956年相對流量過程線（1）分布地區(qū)：高山地區(qū)和兩極地區(qū)，河流多靠永久積雪和冰川融水補給，尤其干旱、半干旱地區(qū)和高寒地區(qū)，冰雪融水常成為河流的主要補給水源。三、湖泊沼澤水補給類型（2）影響因素①湖沼位置：山區(qū)湖沼常成為河流的源頭，直接決定著河流水量大小。河流中、下游湖泊，既匯集湖區(qū)來水，又流出補給干流，增加河流水量。②水量多少：面積越大，深度越深，容水越多，調節(jié)作用就越顯著。（3）補給特點

一般地，由于湖沼的調節(jié)作用，使湖沼水補給的河流，水量變化較均勻，流量過程線較平緩、變幅小。（1）分布地區(qū)：與湖沼分布區(qū)一致，分布普遍。四、地下水補給類型（1）分布地區(qū)：地下水是河流補給的一種普遍形式（2）補給時間：一般河流全年均有地下水補給，尤其在缺乏地表水補給的枯水季節(jié)，河流仍保持著連續(xù)不斷的水流，稱為“基流”，幾乎全靠地下水補給來維持，此時河流流量過程實質上是地下水補給過程。（3）補給特征：穩(wěn)定、可靠、均勻淺層地下水又叫沖積層地下水，受外界氣候條件影響大，補給水量有明顯的季節(jié)變化對河水的補給存在雙向互補和單向補給關系。事實上，一般較大的河流，常常是兩種或多種形式的補給，稱為混合補給。如長江、黃河既有雨水、雪水、冰川水，也有地下水、湖沼水補給。深層地下水，由于埋藏較深，受氣候條件影響小，其補給水量只有年際變化，季節(jié)變化不明顯，故它是河流最穩(wěn)定的補給來源。

除了河流的天然補給以外，還可根據(jù)人類發(fā)展生產的需要而進行人工補給。如我國南水北調工程，將水量多的長江水北調補給水量缺乏的黃河等。2.3.2河流水源的定量估計（流量過程線的分割）一、地表徑流與地下徑流的分割（基流分割）（1）平割（水平直線分割法）在洪水流量過程線上找到漲水段的最低點，即起漲點A，由最低點A引一水平直線交退水曲線于B點，AB線以下的水量作為基流（地下水補給），AB線以上作為地面經流。此法簡單易行，當有淺層地下水補給混雜其中時，這種方法就不適用了。（2）斜割（斜線分割法）B/

事實上，雨后淺層地下水補給量比雨前有所增加，則地面徑流停止點B‘應比B點高。由起漲點A引斜線到退水段上的地表徑流終止點B’。AB‘線以下部分為地下徑流補給，AB’以上部分為地表徑流補給。同理，AB線以下部分為深層地下水補給，而AB與AB‘之間部分可認為淺層地下水補給。直線分割法的缺陷：忽視了河水與地下水的水力聯(lián)系，因而誤差較大。但簡單易行。（3）退水曲線法退水曲線法示意圖指根據(jù)標準退水曲線，將流量過程線由兩端向內展延地下水退水曲線，退水曲線以下部分即為地下徑流部分。即由起漲點A順退水趨勢延伸到C點，AC段為前次洪水過程的延續(xù)。再從地表徑流終止點B向前延伸到D點，最后用直線CD將兩條退水曲線連接起來，ACDB線以下即為地下水補給。2.3.3河流的類型根據(jù)補給水源不同，可分為三類：①雨水補給的河流河流水量隨雨量的增減而漲落，徑流的年內變化趨勢與降水一致。汛期集中在雨季，汛期水量呈現(xiàn)陡漲陡落的變化，常形成峰高、量大的洪水過程，流量過程線呈鋸齒狀、梳狀或雙峰狀。②雨水-融水補給的河流

③融水-雨水補給的河流2.4河川徑流的形成過程降雨-徑流過程概化圖在徑流形成中通常將流域蓄滲過程，到形成地面匯流及早期的表層流過程，稱做產流過程。坡地匯流與河網(wǎng)匯流合稱為流域匯流過程或匯流過程。1、降雨量；2、降雨強度；3、降雨過程；4、暴雨范圍（降雨范圍）；5、暴雨中心的移動路徑。2.4.1、降雨階段(降雨特征對徑流過程的影響)2.4.2、流域蓄滲階段（降雨損失階段）1、植被截留及其影響因素；通常把降雨開始之后，到地表徑流產生之前，降雨的截留、下滲、填洼及蒸散發(fā)等雨水的耗損過程概化為流域的蓄滲階段（停蓄階段）。W:樹冠投影面積截留量;

E:單位面積的蒸發(fā)量;

T:時間;

P:雨強(次降雨量);

2、下滲及其影響因素；3、填洼及其影響因素；（1）下滲的物理過程及其計算霍頓公式:

k:土壤的滲透系數(shù);

（2）影響因素:土壤的滲透性；土壤的前期含水量；降水量和降水強度；地形坡度；植被條件影響因素：閉合洼地數(shù)量、大小有關水庫；堰塘；湖泊；洼地2.4.3、產流階段1、超滲地面徑流的產流機制p,In,e,s,f分別為降雨強度，截留率，蒸發(fā)率，填洼率，下滲率指供水與下滲矛盾發(fā)生在包氣帶上界面（地面）的產流機制。產流條件：

降雨強度要大于下滲能力。一、產流機制超滲地面產流示意圖（2）壤中徑流的產流機制發(fā)生在非均質或層次性土壤中的透水層和相對不透水層的界面上產流率：rss=fA-fB產流條件：

上層有下滲水流（必要條件）；有比上層下滲能力小的界面（前提條件）；供水強度要大于下滲強度（充分條件）；產生臨時飽和帶，同時要有產生側向流動的動力條件（充分條件）（3）地下徑流的產流機制是指包氣帶較薄、地下水位較高時的地下水產流機制，發(fā)生在包氣帶下界面上。對均質土層水量平衡有：對非均質土層水量平衡有：產流率：rg=fc產流率：rg=fc-rss產流條件：與壤中徑流相同，只是其界面為包氣帶的下界面。（4）飽和地面徑流的產流機制是指表層土壤具有較強透水性情況下的地面產流機制?？刂频孛鎻搅靼l(fā)生的并不是上層土層本身的界面和下滲能力，而是其下相對不透水層的界面和下滲能力。產流率：rsat=i-(rss+fB)產流條件：供水、界面供水強度大于下滲強度及形成飽和積水帶。其界面不是地面，而是下層弱透水層的上界面。產流機制的共同規(guī)律（1）有供水條件；（2）大于下滲率的供水強度；（3）對壤中流和地下徑流，還需要在界面上產生臨時飽和帶；對飽和地面徑流，還必須達到表層全層飽和，才具備產流充分條件。（4）要有側向運行的動力；

（5）都發(fā)生在包氣帶的某些界面上根據(jù)氣候條件，可將產流分成超滲產流、蓄滿產流以及兩者的組合等形式。二、流域產流方式指包氣帶土壤層含水量未達到飽和，而降雨強度i＞下滲強度f產生地面徑流的產流方式。（一）超滲產流（非飽和產流）一次降雨過程的產流量：（二）蓄滿產流（飽和產流）飽和產流量：R=Rsat+Rss+Rg=P-(Wm-W0)Wm——飽氣帶最大蓄水量；W0——降雨前的含水量；三種類型：其一是包含飽和地面徑流、壤中徑流和地下徑流三種產流機制的類型；其二是飽和地面徑流與壤中徑流兩種機制的類型；其三為飽和地面徑流與地下徑流兩種機制的類型。項目\類型超滲產流蓄滿產流產流條件降雨強度i大于下滲強度f，而包氣帶蓄水量小于田間持水量，即未飽和或未蓄滿降雨量P大于包氣帶缺水量（Wm-W0）即包氣帶飽和或蓄滿損失量DL下滲量F全為損失量DL、雨期蒸發(fā)量E包氣帶缺水量（Wm-W0）和蒸發(fā)量E（下滲量F大于損失量DL）徑流量徑流率（產流強度）rsrs=i-f滿足包氣帶缺水量后的后續(xù)雨量［P-(Wm-W0)-E］徑流成分只有地表徑流Rs地表徑流Rs、壤中流Rss和地下徑流Rg產流量的決定因素降雨強度i，雨前土壤含水量（影響下滲率），與降雨量關系不大降雨量P、雨前土壤含水量W0（影響包氣帶缺水量）產生地區(qū)干旱地區(qū)或半濕潤、半干旱地區(qū)的多雨季節(jié)濕潤地區(qū)或半干旱、半濕潤地區(qū)的多雨季節(jié)蓄滿產流和超滲產流的關系總之，無論哪一種產流方式，總是首先在蓄滲得到滿足的地方，局部產流。隨著降雨過程的持續(xù)進行，產流面積不斷擴大，最后達到全流域產流。2.4.4、匯流階段由降雨產生的地表徑流、壤中流和地下徑流經坡地到溪溝、河系，直到流域出口的過程，稱為流域匯流過程。它是降雨徑流形成的最終環(huán)節(jié)。1、坡地匯流坡面匯流壤中匯流地下水匯流三種匯流成份就其特性而言，它們之間的量級有大小，過程有緩急，出現(xiàn)時間有先后，歷時有長短。坡地匯流過程起著對各種徑流成分在時程上的第一次再分配作用，降雨停止后，坡地匯流還將持續(xù)一定時間。2、河網(wǎng)匯流河岸調節(jié)河槽調節(jié)

河岸調節(jié)和河槽調節(jié)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為河網(wǎng)調蓄作用，河網(wǎng)調蓄是對降雨在時程上的又一次再分配，使得流域出口斷面的流量過程線比降雨過程線要平緩的多。2.5

河川徑流的變化①流量Q：單位時間內通過某一斷面的水量（m3/s）。②徑流總量W：T時段內通過某一斷面的總水量（m3），W=QT③徑流深度R：將徑流總量（m3）平鋪在整個流域面積F（km2）上所得的水層深度（mm）④徑流模數(shù)M：流域出口斷面流量（m3/s）與流域面積F（km2）的比值。⑤徑流系數(shù)α：某一時段徑流深度R與相應降水深度Pi比值。α<12.5.1、徑流特征值練習：（1）某流域面積F=1000km2，多年平均降水量1261.6mm，蒸發(fā)系數(shù)0.5，求W（年徑流總量），Q，R，M，α。（2）某閉合流域面積為1000km2，多年平均流量為12m3/s，多年平均蒸發(fā)量為380mm。求各徑流的特征值？該流域位于干旱地區(qū)、濕潤地區(qū)還是其它地區(qū)？

1、年平均徑流量2、多年平均徑流量

3、正常年徑流量2.5

河川徑流的變化2.5.2徑流的年際變化一、年徑流量的有關概念二、正常年徑流量的計算一般情況下只要徑流序列足夠長（一般大于30年），就可以用年徑流量的多年平均值代替正常年徑流量：1、資料充分時：2、資料不足時：采用相關分析法3、缺乏實測徑流資料時：間接推求法選擇參證流域、參證站或選取與徑流量有成因聯(lián)系的參證變量進行相關分析，相關展延系列資料，然后再計算多年平均年徑流量?？梢杂脧搅鞯戎稻€法或經驗公式法估算三、徑流的年際變化徑流量的年際變化一般指年徑流量年際間的變化幅度和多年變化過程兩個方面長江漢口站和鄱陽湖湖口站流量年際變化過程圖（一）年徑流量的年際變化幅度1、年徑流量的變差系數(shù)（Cv

）：標準差：總體標準差樣本標準差影響年徑流Cv值大小的因素主要有年徑流量、徑流補給來源和流域面積的大小三方面。2、年徑流量的年際極值比：

（二）年徑流量的多年變化過程1、流量資料的概率分析：（1）作經驗頻率曲線1）將多年的年平均流量從大到小排列2）計算經驗頻率3）做頻率曲線（2）理論頻率曲線，P-Ⅲ曲線（3）適線法做頻率曲線：根據(jù)經驗頻率點據(jù)，找出配合最佳之頻率曲線，相應的分布參數(shù)為總體分布參數(shù)的估計值。長江漢口站年徑流量頻率分布圖頻率與重現(xiàn)期的概念當研究暴雨洪水問題時,P（X＞x）是暴雨洪水事件發(fā)生的頻率，其重現(xiàn)期

例，當暴雨或洪水頻率為1%時，重現(xiàn)期T＝100年，稱此暴雨為百年一遇的暴雨或洪水當研究枯水問題時P（X≤x）是枯水頻率，而P（X＞x）稱為保證率，其重現(xiàn)期：例，對于P（X＞x）＝80％枯水流量，重現(xiàn)期T＝5年，稱此為五年一遇的枯水流量,或稱為保證率為80％的流量。

所謂百年一遇的暴雨或洪水，是指大于或等于這樣的暴雨或洪水在長時期內平均100年發(fā)生一次，而不能認為每隔100年必然遇上一次。2、趨勢變化：鄱陽湖湖口站年流量變化趨勢圖3、徑流變化的階段性和周期性：鄱陽湖流域外洲站(a)，梅港站(b)年徑流模比系數(shù)差積曲線2.5.2徑流的年內變化根據(jù)一年內河流水情變化特征，可以分成若干個水情特征期，即汛期、平水期、枯水期或冰凍期等。一、徑流的季節(jié)分配二、徑流年內變化的表示方法1、計算各月徑流量所占的百分比：2、徑流年內分配不均勻系數(shù)（CVy

）：3、完全年調節(jié)系數(shù)（Cr）：為各月徑流量占年徑流的百分比。V為調節(jié)庫容；W為年徑流總量。2.5.3特征徑流——洪水和枯水一、洪水大量降水或積雪融水在短時間內匯入河槽，形成的特大徑流。（一）概念：（二）成因及分類：暴雨洪水、融雪洪水、潰壩洪水和冰凌洪水等。（三）影響因素：主要是天氣因素和流域下墊面因素。（四）洪峰流量的推求（五）歷史洪水的調查（m3/秒）二、枯水（一）概念：枯水是指長期無雨或少雨，缺少地表徑流，河槽水位下降出現(xiàn)較小流量甚至枯竭的現(xiàn)象。（二）影響枯水徑流的因素：流域蓄水量，流域下墊面條件因素。W月/W年<5%平均狀況:W月/W年=8.33%）2.6河水的運動河水受到重力、地轉偏向力、慣性離心力及河床摩阻力的作用。重力是河道水流運動的基本動力。

河道水流除了縱向運動以外還會產生各種形式的環(huán)流運動。一、流體運動的有關概念（一）均勻流與非均勻流凡流場中同一條流線各空間點上的流速都相同的流動，稱為均勻流;否則，為非均勻流。V-流速；R-管徑或水力半徑；ν-液體運動粘滯系數(shù)。明渠流中，雷諾數(shù)Re臨≈300（二）層流與紊流(laminarflow&turbulentflow)層流---流體運動規(guī)則，分層流動互不摻混，質點軌線光滑，流場穩(wěn)定。紊流---流體運動極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質點軌線雜亂無章，流場極不穩(wěn)定。由雷諾數(shù)判別流動形態(tài):天然河道中水流多數(shù)為紊流，紊流的基本特征是：在流量不變的情況下，流速呈不規(guī)則變化。即：實際流速忽大忽小，圍繞著平均流速上下跳動，稱為流速脈動。任一時刻，流速可以表示為：U-瞬時流速；-平均流速；-脈動流速。根據(jù)實測資料表明，脈動強度的大小自水面向河底增大。由于存在流速脈動，因此在流速測驗時，測速時間要足夠長，一般需要在100秒以上。（一）洪水波的概念

洪水水位的漲落在河槽剖面上形成的波形，稱為洪水波。穩(wěn)定水面之上疊加的水量，稱為波流量。洪水波面上任一點相對于穩(wěn)定水面的高度，稱為洪水波高（BD）；波高隨河長而變化，最大波高處為波峰；AC為波長，BC為波前，AB為波后。洪水波水面相對于穩(wěn)定水面的比降稱為附加比降（iΔ):iΔ=i－i0；波前為正，波后為負。二、河水的縱向運動洪水波示意圖洪水波形狀示意圖1、洪水波的推移：洪水波上任一位相的水位（或流量），在河流下游斷面的出現(xiàn)時間總是遲于在上游斷面出現(xiàn)的時間。這個時間差，稱為洪水波的傳播時間（t）。（二）洪水波的運動洪水波面上的每一點都處于一定的相對位置（如波峰，波前，波后），稱為位相。相對于一定位相的流量稱為相應流量。洪水波體上某一位相點沿河道的運動速度，稱為該位相點的波速。由于波面各點附加比降是不同的，因此洪水波各位相點的波速各不相同。因此洪水波的運動不是正平移運動。各站水位過程線由于洪水波面存在附加比降，使洪水波不同位相點的運動速度不同，造成洪水波的變形（1）展開變形：波長不斷加大，波高不斷減小，洪峰流量減小。（2）扭曲變形：洪水波前段長度不斷減小，比降不斷增大；波后段長度逐漸增大，比降逐漸平緩。2.洪水波的變形洪水波運動變形圖（一）環(huán)流定義及其作用力三、河水的環(huán)流運動1、重力：mg2、慣性離心力：3、地轉偏向力

河水內部不同水層或水團，在重力、慣性離心力，地轉偏向力等綜合作用下，環(huán)繞一定的旋轉軸呈螺旋狀下移，或是漩渦狀運動的水流。主要作用力有：螺旋狀水流漩渦狀水流

環(huán)流是引起河流橫向輸沙的主要動力，形成河槽形狀多樣化的主要原因，對泥沙運動和河床演變有重要影響。（二）環(huán)流類型1、縱軸環(huán)流2、橫軸環(huán)流3、斜軸環(huán)流4、豎軸環(huán)流旋轉軸呈水平狀并基本上與主流方向平行。它多與主流結合在一起，形成螺旋流。1、縱軸環(huán)流對河道影響：巖質河岸常出現(xiàn)凹岸沖刷，凸岸堆積；沙質河岸，會造成河流改道。彎道環(huán)流示意圖彎道螺旋流

受彎道慣性離心力作用下形成的，是蜿蜒性河段水流結構的主要形式。復合螺旋流

復合螺旋流發(fā)生在較大的順直河段，由兩個或兩個以上旋轉方向不同的縱軸環(huán)流組成，但在各個環(huán)流交界面上流向必須相同。雙向環(huán)流邊灘形成機理河道的截彎取直和牛軛湖的形成旋轉軸呈水平狀，但與縱向主流垂直2、橫軸環(huán)流發(fā)生地方：有擋水建筑的地方；河流縱比降突變的地方。對河道影響：一般造成河床沖刷。橋墩前橫軸環(huán)流示意圖攔水堰下游橫軸環(huán)流示意圖橋墩附近的沖刷瀑布后緣的沖刷旋轉軸與河流流向有一個夾角，實際是橫軸環(huán)流的特例。3、斜軸環(huán)流北碚嘉陵江中的“碚石”旋轉軸成鉛直方向，與主流及河底垂直。是相對封閉的回旋流。4、豎軸環(huán)流（漩渦流）發(fā)生地方：河道突然拓展的地方；洪水時的凹岸撇彎現(xiàn)象形成的回流。對河道影響：有時淤積，有時沖刷，取決于環(huán)流強度和水流挾沙能力；對于洪水時撇彎形成的環(huán)流，一般造成河床淤積。都江堰二千多年前李冰父子利用河流的曲流原理,修建了都江堰第一個曲流處,利用凹岸和凸岸,設置了魚嘴工程，江水一分為二，清水入內江,泥沙濁水入外江。引水工程寶瓶壺設于凹岸處，將清水引向成都平原，而泥沙礫拋向凸岸，并被水流沖走。飛沙堰在枯水期將江水臺高，引入寶瓶口，洪水時，多余的水將越過飛沙堰流走。四、河水的泥沙運動（一）泥沙的水力特征靜水中：層流狀態(tài)下：紊流狀態(tài)下：泥沙在靜止的水中下沉時，在重力作用下，開始具有一定的加速度，隨下沉速度的增加，下沉阻力加大。當重力與阻力相等時，泥沙等速下沉，這時泥沙的運動速度，叫做泥沙的沉降速度。1、泥沙的沉降速度2、推移質與懸移質推移質：沿著河床被水流推動向下運動的泥沙或卵石。懸移質：懸浮在水體中，歲水流而運動的泥沙。造床質：組成河床的泥沙。（有一部分泥沙隨水流速度的變化，在推移質與懸移質之間轉換）設：河床表面泥沙顆粒為立方體，棱長為d，水流推力（Px）與泥沙接受推力的面積（d2)成正比，與流速水頭(v2/2g)成正比。即：（三）推移質運動1、推移質運動的力學機制抗拒泥沙啟動的力W與泥沙在水中的有效重力G和摩擦系數(shù)成正比：艾里定律：推移質的粒徑與水流速度的平方成正比，推移質的重量與水流速度的6次方成正比：

d＝αV2

W＝βV6d

為粒徑，α、β是系數(shù)，V為流速，W為泥沙重量。泥沙在水中將動而又未動的臨界狀態(tài)：

Px=W忽略比降的情況下，整理上式可得：