工程水文學(xué)第二章徑流形成

工程水文學(xué)第二章徑流形成第1頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.1概述

徑流過程是地球上水文循環(huán)中最為重要的一環(huán)。徑流過程復(fù)雜多變，它與人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)密切相關(guān)，研究和揭示其變化規(guī)律十分重要。本章主要介紹河流和流域的基本概念，然后介紹降水、下滲、蒸發(fā)，最后闡述徑流的形成過程及表示方法。

第1講第2頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.2河流與流域第3頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.2.1河流

2.2.1.1河流的形成和分段一條河流可分為河源、上游、中游、下游及河口五段。長(zhǎng)度最長(zhǎng)或水量最大者作為干流，匯入干流的為一級(jí)支流，匯入一級(jí)支流的稱二級(jí)支流，其余類推。

第4頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

河源：河流的發(fā)源地，多為冰川、泉水、溪澗、湖泊或沼澤等。第5頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

上游：緊接河源，多處深山峽谷，坡陡水急，河谷下切強(qiáng)烈，常有急灘瀑布。第9頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

中游：河段坡度減緩，河槽變寬，兩岸常有灘地，河床較穩(wěn)定。第12頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

下游：河流最下段，一般處于平原區(qū)，河槽寬闊，淤積明顯，淺灘和河灣多。第15頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

河口：河流注入大?；騼?nèi)陸湖泊的地段，因流速驟減，泥沙大量淤積，往往形成三角洲。第17頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.2.1.2河流的基本特征①河流長(zhǎng)度L（km）：自河源沿河道至河口的長(zhǎng)度稱為河流長(zhǎng)度，或稱河長(zhǎng)，可在大比例地形圖上用曲線儀或小分規(guī)量出。

第24頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一河源河口第25頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一②河流的平面形態(tài)凹岸凸岸凸岸凹岸左岸右岸溪線第26頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

落差：河段兩端的河底高程差

河道縱比降J

：當(dāng)河段縱斷面比降相同時(shí):

當(dāng)河流縱斷面各段比降不同時(shí):③河流的縱斷面：第27頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一l1l2l3l4l5L圖1－1河道縱比降計(jì)算示意圖ω1ω2h5h3h4h1h2h0ω1

=ω2

第28頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

流動(dòng)的水體與容納流水的河槽是構(gòu)成河流的兩個(gè)要素。河槽亦稱河床，枯水期水流所占部位為基本河床，或稱主槽；洪水泛濫及部位為洪水河床，或稱灘地。

④河流的橫斷面第29頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.2.2水系第32頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第33頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

河流某斷面的集水區(qū)域稱為該斷面的流域。流域的周界稱為分水線。2.2.3流域第34頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一地面分水線與地下分水線重合，這樣的流域稱為閉合流域。地面分水線與地下分水線不一致的流域稱為不閉合流域。

第37頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

①流域面積F（km2）:流域面積是流域的主要幾何特征。通常先在適當(dāng)比例尺的地形圖上定出流域分水線，然后量出它所包圍的面積。

第39頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

②河網(wǎng)密度:單位面積內(nèi)的河流總長(zhǎng)度稱為河網(wǎng)密度。它表示一個(gè)地區(qū)河網(wǎng)的疏密度。

河網(wǎng)第40頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一③流域長(zhǎng)度L（km）

河流流域面積1.以河口為圓心繪制同心圓。2.做同心圓弧割線交于流域周線。3.通過割線中點(diǎn)作流域軸線，其長(zhǎng)度為流域長(zhǎng)度。第41頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一④流域平均寬度B：流域面積與流域長(zhǎng)度的比值

B

＝F/L流域形狀系數(shù)：流域平均寬度與流域長(zhǎng)度的比值

r

＝B/L

＝F/L2

第42頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一⑤流域平均高度H（m）與平均坡度J：將流域劃分成100以上的正方格，定出每個(gè)方格交叉點(diǎn)上的高程及坡度，這些格點(diǎn)的高程和坡度的平均值為流域平均高度和平均坡度。流域平均高度直接影響流域的氣溫與降水，流域平均坡度對(duì)徑流的產(chǎn)流、匯流、下滲、土壤流失等有很大的影響。

第43頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

⑥流域的自然地理特征：流域的地理位置、氣候、地形、植被、土壤特性，地質(zhì)構(gòu)造，沼澤及湖泊情況等，都是與流域水文特性密切有關(guān)的。第44頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一降水：是指液態(tài)或固態(tài)水汽凝結(jié)物從云中降落到地面的現(xiàn)象。降水要素：降水量、降水歷時(shí)、降水強(qiáng)度、降水面積和暴雨中心。降水等級(jí)：24h降水量達(dá)到和超過50mm的降水量稱為暴雨。2.3降水Precipitation

第2講第45頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第47頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.3.1基本概念

在一定溫度下，空氣中最大的水汽含量稱為飽和濕度。

如果空氣中的水汽達(dá)到飽和濕度，就說這團(tuán)空氣處于飽和狀態(tài)。

在一定水汽含量下，空氣達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度稱露點(diǎn)溫度。

空氣中水汽量超過飽和濕度，則達(dá)到過飽和狀態(tài)。具有均勻的溫濕特性，在氣壓場(chǎng)作用下向同方向移動(dòng)的大氣稱為氣團(tuán)。第48頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

空氣達(dá)到飽和的原因是空氣溫度下降至露點(diǎn)溫度以下。水汽在過飽和狀態(tài)下是不穩(wěn)定的，多余的水汽很容易凝結(jié)成水。充足的水分、強(qiáng)烈持久的空氣上升動(dòng)力冷卻是降水的充分必要條件，而造成空氣冷卻的主要原因是氣團(tuán)抬升，氣壓下降，體積膨脹耗能。降水的成因第49頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

降水常按照使空氣抬升而形成動(dòng)力冷卻的原因分為對(duì)流性降水、地形性降水、鋒面性降水和氣旋性降水，習(xí)慣上把它們分別稱為對(duì)流雨、地形雨、鋒面雨與氣旋雨。降水的分類第50頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

對(duì)流雨:是因地表局部受熱而發(fā)生垂直上升運(yùn)動(dòng)所形成。因上升速度較快，形成的云多為垂直發(fā)展的積狀云，降雨強(qiáng)度大，雨面不廣，歷時(shí)較短。

第51頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第54頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第55頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

地形雨：地形雨是空氣在遷移途中，因所經(jīng)地面的地形天然升高而被抬升時(shí),受動(dòng)力冷卻而成云致雨，地形雨降雨特性,隨空氣自身溫濕特性，運(yùn)行速度以及地形特點(diǎn)而異。第56頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第57頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

兩個(gè)溫濕特性不同的氣團(tuán)相遇來不及混合而形成一個(gè)不連續(xù)面，稱為鋒面或鋒區(qū)。鋒面與地面的交線稱為鋒線。習(xí)慣上統(tǒng)稱為鋒。鋒面活動(dòng)產(chǎn)生的降水稱為鋒面雨。其特點(diǎn)是降雨范圍大，歷時(shí)長(zhǎng)。鋒面雨第58頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

冷氣團(tuán)向暖氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬暖氣團(tuán)的地區(qū)，這種鋒稱為冷鋒；暖氣團(tuán)向冷氣團(tuán)方向移動(dòng)并占據(jù)原屬冷氣團(tuán)的地區(qū)，這種鋒稱為暖鋒，冷、暖氣團(tuán)勢(shì)均力敵，在某一地區(qū)擺動(dòng)或停滯的鋒稱為準(zhǔn)靜止鋒，簡(jiǎn)稱靜止鋒。第59頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第60頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第61頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

氣旋雨：當(dāng)一地區(qū)氣壓低于四周氣壓時(shí)，四周氣流就要向該處匯集。氣流匯入后再轉(zhuǎn)向高層，上升氣流中的水汽因動(dòng)力次序冷卻凝結(jié)成云，條件具備時(shí)，形成氣旋雨。第62頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第63頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第64頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一暴雨名稱最大風(fēng)速（m/s）平均風(fēng)力熱帶低壓10.8~17.16~7級(jí)熱帶風(fēng)暴17.2~218~9級(jí)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴17.2~32.610~11級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)>32.612及以上熱帶氣旋雨的分類第65頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第66頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第67頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第68頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第69頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第70頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.4.1包氣帶和飽和帶

以地下水面為界，土層可分為兩個(gè)不同的土壤含水帶。在地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土壤顆粒和水分組成的二相系統(tǒng)，稱為飽和帶。在地下水面以上，土壤含水量未達(dá)飽和，是土壤顆粒、水分和空氣同時(shí)組成的三相系統(tǒng)，稱為包氣帶。2.4下滲

第3講第71頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2.1土壤水分存在形式土粒表面的分子對(duì)水分子的吸附力稱為分子力。由分子力所吸附的水分子稱為吸濕水。由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水膜稱為薄膜水。土壤空隙中由毛管力所持有的水分稱為毛管水。當(dāng)土壤水的含量超過土壤顆粒分子力和毛管力作用范圍而不能被土壤所保持時(shí)，在重力作用下沿土壤孔隙流動(dòng)，這部分水稱為重力水。2.4.2土壤水第72頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2.2土壤含水量和水分常數(shù)

土壤重量含水率

土壤容積含水率

第73頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一土壤水分常數(shù)

最大分子持水量：土粒分子力所結(jié)合的水分的最大量稱為最大分子持水量。凋萎含水量：植物根系無法從土壤中吸收水分，開始枯死時(shí)的土壤含水量。田間持水量：指土壤中所能保持的最大毛管懸著水量。飽和含水量：指土壤中所有孔隙被水充滿時(shí)的土壤含水量。第74頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

下滲是從土壤表面進(jìn)入土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。

當(dāng)雨水落在干燥土壤表面后，滲入土壤的水分受附著力的作用，吸附于土垃表面，形成薄膜水。當(dāng)薄膜水滿足以后，繼續(xù)滲入的水分充填土壤形成毛管水。2.4.3下滲第75頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)表層土壤中的毛管水滿足以后，繼續(xù)入滲的水分使表層土壤飽和。水分在毛管力的作用下向下層透水同時(shí)，空隙中的自由水在重力作用下，也沿空隙向下游以動(dòng)，形成重力水。如果地下水埋藏不深，重力水可能滲過整個(gè)包氣帶，形成地下徑流。2.4.3下滲第76頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

隨著土壤含水量的持續(xù)增加，下滲率不斷降低。當(dāng)下滲僅靠重力作用時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的下滲率稱穩(wěn)定下滲率。影響一次降水下滲過程的主要因素，有降雨強(qiáng)度及歷時(shí)、土壤含水量、土壤構(gòu)成情況等。此外，地表坡度與糙率、植被及土地利用狀況對(duì)下滲亦有影響。下滲過程可用各時(shí)段下滲量F（mm）和各時(shí)刻下滲率f(mm/h)表示。第77頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一在充分供水條件下，下滲率的變化規(guī)律，也可用數(shù)學(xué)公式表示，如常用的霍頓公式：

ft=（f0－fC）e-βt+fc

式中，ft—t

時(shí)刻的下滲率；

f0—初始下滲率；

fc—穩(wěn)定下滲率；

β—遞減指數(shù)；

式中f0、fc及β都是反映土壤特性的參數(shù)，只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料推求。

第78頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一tfcfofcft=fc+(fo-fc)e-t

霍頓下滲曲線第79頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一①當(dāng)i1≥fp時(shí),此時(shí)相當(dāng)于充分供水的情況,各時(shí)刻均按下滲能力下滲。ti1i3i2②當(dāng)i2≤fc時(shí),此時(shí)下滲率取決于降雨強(qiáng)度。③當(dāng)fc<i3<fp時(shí),此時(shí)下滲如圖下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系fp③①②第80頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

蒸發(fā)是水由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的物理反應(yīng)，是水分子克服了分子間的引力進(jìn)入空氣的過程。影響蒸發(fā)過程的主要因素有水溫（或土溫）、空氣飽和差、風(fēng)速等，它們分別影響到水分子的運(yùn)動(dòng)速度以及逸入空中后水分子向外擴(kuò)散的速度。

蒸發(fā)量常用蒸發(fā)水層的深度（mm）表示。2.5蒸散發(fā)Evapotranspiration第81頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一觀測(cè)水面蒸發(fā)量的蒸發(fā)器有20cm口徑蒸發(fā)器、80cm口徑套盆蒸發(fā)器、還有埋在地下的60cm口徑帶套盆蒸發(fā)器（E601）。

這三者都屬于小型蒸發(fā)器皿，觀測(cè)到的蒸發(fā)量，都應(yīng)乘一折算系數(shù)，才能作為天然水體蒸發(fā)量的估計(jì)值。折算系數(shù)隨蒸發(fā)皿（器）的類型而異，且與月份及所在地區(qū)有關(guān)。

水面蒸發(fā)第82頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一20cm小型蒸發(fā)器第83頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第84頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站第85頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一飄浮水面蒸發(fā)觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)

第86頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一土壤蒸發(fā)

第一階段，土壤蒸發(fā)主要發(fā)生在表層，蒸發(fā)速度穩(wěn)定，其蒸發(fā)量接近蒸發(fā)能力。

第二階段，土壤表面局部地方開始干化，土壤蒸發(fā)一部分在地表進(jìn)行，另一部分發(fā)生在土壤內(nèi)部。蒸發(fā)速度逐漸降低，其蒸發(fā)量與土壤含水量成正比。

第三階段，當(dāng)毛管水完全不能到達(dá)地表，土壤水分蒸發(fā)生發(fā)生在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)的水汽由分子擴(kuò)散作用逸入大氣，蒸發(fā)速度緩慢。

第87頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第88頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一植物散發(fā)：土壤中的水分經(jīng)植物根系吸收后，輸送至葉面，經(jīng)帽氣孔逸入大氣，稱為植物散發(fā)。植物散發(fā)的水量隨植物的品種和季節(jié)而不同。植物散發(fā)與蒸發(fā)總是同時(shí)存在的。通常將此二者結(jié)合稱為陸面蒸發(fā)。

第89頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.6徑流形成及度量方法第90頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、徑流的形成過程徑流形成過程可以概化成：產(chǎn)流過程和匯流過程。產(chǎn)流過程：是指降雨經(jīng)植物截留、下滲和填洼等過程，形成地面徑流和地下徑流的過程。匯流過程：是指坡面匯流和河網(wǎng)匯流的過程。第91頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第92頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一蒸發(fā)通氣層通氣層EVR3R4淺層地下水層淺層地下水層深層地下水層深層地下水層河流不透水層不透水層不透水層p降水f植物截留或填洼R1地表徑流R2壤中流潛水深層地下水下滲第93頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一坡面漫流流域出口