1、第三章第三章_ _陆地表面水的组成与运陆地表面水的组成与运动动13.1 3.1 陆地表面水的组成与结构陆地表面水的组成与结构3.2 3.2 流域产流与汇流流域产流与汇流3.3 3.3 河流的水情河流的水情3.4 3.4 河水的运动河水的运动3.5 3.5 冰川运动与补给冰川运动与补给3.6 3.6 湖水的运动与调蓄湖水的运动与调蓄3.7 3.7 径流向海汇集及其效应径流向海汇集及其效应2第一节第一节 陆地表面水的组成与结构陆地表面水的组成与结构3一、陆地表面水的组成一、陆地表面水的组成4水水 体体面面 积积(km(km2 2) )水水 量量(10(108 8m m3 3) )备备 注注冰冰 川
2、川58650586505132251322湖湖 泊泊718007180070887088淡水占淡水占31%31%沼沼 泽泽110000110000占国土面积占国土面积1.15%1.15%河河 流流 2711527115我国地表水的组成我国地表水的组成5二、陆地表面水的结构二、陆地表面水的结构河流：蓄量最小河流：蓄量最小，是地表唯一，是地表唯一的畅流液态水。水循环动力机的畅流液态水。水循环动力机制受热力因素、制受热力因素、重力作用重力作用控制，控制，交替更新的交替更新的周期最短周期最短，在地表，在地表水循环过程中起着水循环过程中起着上接大气水，上接大气水，下通地下水，最后联结海水下通地下水，最后
3、联结海水的的主干作用，是地表水循环亚系主干作用，是地表水循环亚系统的主干子系统，是全球水循统的主干子系统，是全球水循环大系统的传递支系统。环大系统的传递支系统。6冰川：冰川：地表第一大水体，水循地表第一大水体，水循环动力机制主要是环动力机制主要是热力作用热力作用，交替更新交替更新周期最长周期最长，在地表水，在地表水循环中发挥着循环中发挥着储存和补给储存和补给的功的功能。能。7湖泊与沼泽湖泊与沼泽：地表洼地的滞留：地表洼地的滞留液态水体，水循环动力兼受热液态水体，水循环动力兼受热力和重力力和重力作用，水循环活力较作用，水循环活力较弱。在地表水循环系统中，主弱。在地表水循环系统中，主要起着要起着传
4、递、调蓄传递、调蓄的功能。的功能。8河口区：河口区：河海传递的子系统，河海传递的子系统，兼受河川径流与海洋潮流等的兼受河川径流与海洋潮流等的影响，故河口子系统有着特殊影响，故河口子系统有着特殊的运动变化规律。的运动变化规律。9第二节第二节 流域产流与汇流流域产流与汇流 产流、汇流理论产流、汇流理论是河流水文学的是河流水文学的核心核心理论理论，以综合分析自然现象各个因素之间，以综合分析自然现象各个因素之间的关系为基础。的关系为基础。10一、流域产流理论一、流域产流理论 产流过程：产流过程：流域中各种径流成分的生成过流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程
5、降雨的再分配过程。 产流实质上是流域降水后，水在具有不同产流实质上是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水、输水特性的下垫面的阻水、吸水、持水、输水特性的下垫面土层中垂向运行时，土层中垂向运行时，“供水与下渗供水与下渗”一组一组矛盾相互作用的产物。矛盾相互作用的产物。11（一）产流机制（一）产流机制 水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程，盾在一定介质条件下的发展机理和过程，称为称为产流机制产流机制。 超渗地面径流超渗地面径流 的产流机制的产流机制 饱和地面径流饱和地面径流 的产流机制的产流机制 地下径流地下径流 的产流机
6、制的产流机制 壤中径流壤中径流 的产流机制的产流机制产产流机制121.1.超渗地面径流的产流机制超渗地面径流的产流机制 干旱地区的地下水埋藏很深，包气带可达干旱地区的地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降水不易使包气带蓄几十米甚至上百米，降水不易使包气带蓄满，下渗的水量一般不会产生地下径流。满，下渗的水量一般不会产生地下径流。只有降水强度超过下渗率时才有地面径流只有降水强度超过下渗率时才有地面径流产生。这种产流方式，称为产生。这种产流方式，称为超渗产流超渗产流。13 Horton Horton产流理论产流理论 霍顿：美国生态学家、土壤学家。霍顿：美国生态学家、土壤学家。被称为被称为“现
7、代水文学现代水文学”之父。之父。o o 提出入渗能力的概念；提出入渗能力的概念；o o 提出了下渗曲线的经验公式；提出了下渗曲线的经验公式；o o 将水循环过程分为入渗、蒸发、截留、将水循环过程分为入渗、蒸发、截留、蒸腾和地面径流等过程；蒸腾和地面径流等过程；o o 提出最大可能降水的概念；提出最大可能降水的概念；Robert Elmer HortonRobert Elmer Horton(1875 (1875 1945)1945)o o 提出土壤侵蚀理论提出土壤侵蚀理论o o 提出流域产流理论提出流域产流理论14自降雨开始至任一时刻的产流过程如下式自降雨开始至任一时刻的产流过程如下式： R
8、Rs s(t)t(t)t时刻地面径流深时刻地面径流深； i i降雨强度；降雨强度；i in n截留率；截留率； e e蒸发率；蒸发率；s sd d填洼率；填洼率；ff下渗率（下渗率（mm/dmm/d）。）。 i in n， e e， s sd d一般较小，因此一般较小，因此下下渗在地面径流的渗在地面径流的产流过程中具有决定性的作用。产流过程中具有决定性的作用。前式中忽略雨期蒸前式中忽略雨期蒸发和填洼损失项，并微分可得发和填洼损失项，并微分可得： r rs s为地面径流产流率（为地面径流产流率（mm/dmm/d）。从上式可见，）。从上式可见，地面径流是供水与下渗矛盾发展的产物。地面径流是供水与下
9、渗矛盾发展的产物。15 综上，超渗地面径流产生的前提条件：综上，超渗地面径流产生的前提条件： 产流界面是地面产流界面是地面( (包气带的上界面包气带的上界面);); 必要条件是要有供水源必要条件是要有供水源( (降水降水);); 充分条件是降雨强度要大于下渗能力。充分条件是降雨强度要大于下渗能力。162.2.壤中径流的产流机制壤中径流的产流机制 壤中径流发生于壤中径流发生于非均质非均质或层次性土壤中的透水或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面层与相对不透水层界面上，饱和水流与非饱和上，饱和水流与非饱和水流均可发生，一般前水流均可发生，一般前者是主要的，是形成洪者是主要的，是形成洪水径流的主要
10、部分。水径流的主要部分。17 假定供水稳定，下垫面为两种不同质地的土壤，假定供水稳定，下垫面为两种不同质地的土壤，上层为粗质地土壤上层为粗质地土壤，下层为相对较细的土壤层下层为相对较细的土壤层，则上层容重小于下层，而上层的毛管传导度、饱则上层容重小于下层，而上层的毛管传导度、饱和传导度及下渗率均大于下层。和传导度及下渗率均大于下层。18 当上层水流渗达两层交界当上层水流渗达两层交界面时，因下层传导度小于面时，因下层传导度小于上层，因此在上层，因此在交界面上形交界面上形成饱和积水成饱和积水，当上层土壤，当上层土壤含水量大于其田间持水量含水量大于其田间持水量时，在下层界面上形成自时，在下层界面上形
11、成自由水，并随上层的继续供由水，并随上层的继续供水，积水层增厚，形成水，积水层增厚，形成临临时饱和水带时饱和水带，从而形成，从而形成壤壤中径流中径流。19 W W(t)(t)该层该层t t时刻的含水量时刻的含水量 W W(O)(O)该层的起始含水量该层的起始含水量 r rssss壤中径流的产流率壤中径流的产流率 f fA A界面供水率界面供水率 f fB B界面下渗率界面下渗率对上式积分后对上式积分后r rssss= = f fA Af fB B20 壤中径流产流的前提条件：壤中径流产流的前提条件： 要有供水、即上层有下渗水（必要条件）要有供水、即上层有下渗水（必要条件） 下层要有比上层下渗能
12、力小的界面（前提条件）下层要有比上层下渗能力小的界面（前提条件） 供水强度要大于下渗强度（充分条件）供水强度要大于下渗强度（充分条件） 产生临时饱和带，还要具有产生侧向流动的动产生临时饱和带，还要具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件（充分条件）力条件，即坡度及水流归槽条件（充分条件）21 壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，它它只取决于上层的下渗率只取决于上层的下渗率。 只要上层下渗率大于下层下渗率，形成临只要上层下渗率大于下层下渗率，形成临时饱和带，即可产生壤中径流。时饱和带，即可产生壤中径流。223.3.地下径流的产流机制地下径流的产流机
13、制 指包气带较薄、地下水位较高时的地下水指包气带较薄、地下水位较高时的地下水产流机制。产流条件与壤中径流相同。产流机制。产流条件与壤中径流相同。f fc c稳定下渗率稳定下渗率r rg g地下径流产流率地下径流产流率23 地下径流的产流条件：地下径流的产流条件： 界面：包气带下界面界面：包气带下界面 上层有下渗水上层有下渗水 存在比上层下渗能力小的界面存在比上层下渗能力小的界面 供水强度大于下渗强度供水强度大于下渗强度 产生临时饱和水带并具有产生侧向流动的动力产生临时饱和水带并具有产生侧向流动的动力条件条件244.4.饱和地面径流产流机制饱和地面径流产流机制 在表层土壤具有较强透水性情况下的地
14、面在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。产流机制。 随着壤中流积水的增加，继续下雨终将达到地随着壤中流积水的增加，继续下雨终将达到地面，即包气带全部变成临时饱和水带，此后继面，即包气带全部变成临时饱和水带，此后继续降雨所形成的就不是壤中流，而是以地面径续降雨所形成的就不是壤中流，而是以地面径流的形式出现，这种地面径流就成为饱和地面流的形式出现，这种地面径流就成为饱和地面径流。径流。25 饱和地面径流产流条件：饱和地面径流产流条件： 界面：饱和积水层的上界面界面：饱和积水层的上界面 供水、界面供水强度大于下渗强度供水、界面供水强度大于下渗强度 饱和济水带上界面到达地面饱和济水带上界面到达
15、地面26流域产流的界面 地面径流超渗地面径流饱和地面径流 壤中流 地下径流供水与下渗矛盾在一定界面上的发展1327（二）流域产流方式（二）流域产流方式3.3.超渗与饱和产超渗与饱和产流交替型方式流交替型方式2.2.饱和产流饱和产流方式方式1.1.超渗产流方式超渗产流方式4.4.我国一些地区的我国一些地区的产流方式产流方式281.1.超渗产流方式超渗产流方式 遵循超渗地面径流产流机制。主要发生在地下水遵循超渗地面径流产流机制。主要发生在地下水埋藏深、包气带厚度大、土壤透水性差、植被也埋藏深、包气带厚度大、土壤透水性差、植被也较差的丘陵区或干旱地区；较差的丘陵区或干旱地区； 特点是特点是降雨强度大
16、于下渗强度时才产生地面径流降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，径流量与产流面积主要与降雨强度与下渗能力有径流量与产流面积主要与降雨强度与下渗能力有关。关。292 2、饱和产流（蓄满产流）方式、饱和产流（蓄满产流）方式 饱和产流方式共同性是多发生在包气带较薄、植饱和产流方式共同性是多发生在包气带较薄、植被较好、土壤透水性强、下渗强度大的地区。被较好、土壤透水性强、下渗强度大的地区。 特点是土壤比较湿润，且接近地下水面有毛管水特点是土壤比较湿润，且接近地下水面有毛管水带，土壤层缺水量较小，一次降水下渗锋面很容带，土壤层缺水量较小，一次降水下渗锋面很容易与毛管水建立水力联系，包气带很容易达到饱易与
17、毛管水建立水力联系，包气带很容易达到饱和。降雨强度超过稳定下渗率部分的水量产生地和。降雨强度超过稳定下渗率部分的水量产生地面径流。面径流。303.3.超渗与饱和产流交替型方式超渗与饱和产流交替型方式 主要主要发生在包气带厚度约发生在包气带厚度约2-42-4米左右，土壤透米左右，土壤透水性中等，年内及多年降水量很不均匀，且地下水水性中等，年内及多年降水量很不均匀，且地下水位变幅较大的地区位变幅较大的地区。干旱期，地下水位较低，降雨以超渗地面径流的产干旱期，地下水位较低，降雨以超渗地面径流的产流机制为主，汛期到来，雨水集中，地下水位升高，流机制为主，汛期到来，雨水集中，地下水位升高，有时甚至上升到
18、地表，则变为以饱和地面径流的产有时甚至上升到地表，则变为以饱和地面径流的产流机制为主。流机制为主。314.4.我国一些地区的产流方式我国一些地区的产流方式 淮河以南，雨量丰沛，以饱和地面产流类型为主；冻土、淮河以南，雨量丰沛，以饱和地面产流类型为主；冻土、永冻土带，森林茂密流域等也以饱和产流为主永冻土带，森林茂密流域等也以饱和产流为主 西北地区，气候干燥，地下水埋藏深，以超渗地面产流西北地区，气候干燥，地下水埋藏深，以超渗地面产流为主为主 华北、东北的西南部以超渗地面产流居多华北、东北的西南部以超渗地面产流居多, ,局部呈现超渗局部呈现超渗径流和壤中径流复合型的产流特征径流和壤中径流复合型的产
19、流特征 滨海平原及淮北以渗与饱和产流交替（变换）型滨海平原及淮北以渗与饱和产流交替（变换）型 32二、流域汇流分析二、流域汇流分析 流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程，即为沟、河系，直到流域出口的过程，即为流域汇流流域汇流过程过程。 通常可以把流域分成通常可以把流域分成坡地及河网坡地及河网两个基本部分，两个基本部分，因此流域汇流也可以分为坡地汇流与河网汇流两因此流域汇流也可以分为坡地汇流与河网汇流两部分。坡地汇流又有地表汇流和地下汇流两个途部分。坡地汇流又有地表汇流和地下汇流两个途径。因此，流域出口断面的水文过程线，
20、通常是径。因此，流域出口断面的水文过程线，通常是由槽面降水、坡地表面径流，坡地地下径流（包由槽面降水、坡地表面径流，坡地地下径流（包括壤中流和地下径流）等水源汇集到流域出口断括壤中流和地下径流）等水源汇集到流域出口断面形成的面形成的3334 最大流域汇流时间最大流域汇流时间：指流域中路径最长的水质点指流域中路径最长的水质点流到出口断面的时间。流到出口断面的时间。 流域滞时流域滞时：指流域出口断面指流域出口断面洪水过程线的形心洪水过程线的形心出出现的时间与现的时间与净雨过程的形心净雨过程的形心出现时间的间隔，即出现时间的间隔，即滞后的时间滞后的时间K。35（三）流域汇流的影响因素（三）流域汇流的
21、影响因素 降水降水特性的影响：暴雨中心的空间分布及其移动方向的影响，特性的影响：暴雨中心的空间分布及其移动方向的影响，不同降水强度反映了对流域汇流的不同供水强度不同降水强度反映了对流域汇流的不同供水强度。图。图3-143-14、3-153-15 流域流域的地形坡度的影响的地形坡度的影响: :地形坡度越陡，汇流速度越快，汇地形坡度越陡，汇流速度越快，汇流时间越短，地面径流的损失量就越小，流量过程线越尖瘦。流时间越短，地面径流的损失量就越小，流量过程线越尖瘦。 流域流域形状的影响形状的影响: :在其它条件相同时，不同的流域形状会产在其它条件相同时，不同的流域形状会产生不同的流量过程生不同的流量过程
22、。图。图3-163-16 水力水力条件的影响条件的影响: :在畅流条件下，水位越高、流速越快，汇在畅流条件下，水位越高、流速越快，汇流历时越短，峰量越大，因而峰形越尖瘦流历时越短，峰量越大，因而峰形越尖瘦。图。图3-173-1736三、流域产、汇流计算与模型简介三、流域产、汇流计算与模型简介（一）流域产汇流计算方法（一）流域产汇流计算方法下渗下渗曲线法曲线法降雨径流降雨径流关系法关系法径流径流系数法系数法等流等流时线法时线法单位线法单位线法371.1.下渗曲线法下渗曲线法 运用运用降雨过程和下渗曲线降雨过程和下渗曲线推求产流量的一种方法。推求产流量的一种方法。降雨过程：降雨过程：i(t)i(t
23、)下渗曲线：下渗曲线：f(t)f(t)该时间段内产流该时间段内产流: : R Rs s逐时间段比较：逐时间段比较：If ifIf if，R Rs s=i=it-ft-ft tR Rs s= =R Rs s382.2.径流系数法径流系数法 一次降雨产生的径流量和降雨量的比值称为本次一次降雨产生的径流量和降雨量的比值称为本次降雨的降雨的径流系数径流系数 降雨量降雨量径流系数径流系数= =产流量产流量 一般可将各地区的径流系数支撑等值线图供查用，一般可将各地区的径流系数支撑等值线图供查用，但此方法经度较差，是一种粗略估算的方法。但此方法经度较差，是一种粗略估算的方法。393.3.降雨径流关系法降雨径
24、流关系法 根据实测点数据，给出降雨与径流的根据实测点数据，给出降雨与径流的经验经验关系关系 将降雨量、产流量及其主要影响因素，通将降雨量、产流量及其主要影响因素，通过一定的关系进行表达，在实际中查算加过一定的关系进行表达，在实际中查算加以应用。以应用。404.4.等流时线法等流时线法1 1）等流时线的基本概念）等流时线的基本概念 流域内汇流时间相等的各点连接成的线，称为流域内汇流时间相等的各点连接成的线，称为等流时线等流时线。 相邻两条等流时线的面积，称相邻两条等流时线的面积，称等流时面积等流时面积。 降落在同一条等流时线上的降水形成的径流，降落在同一条等流时线上的降水形成的径流，将同时达到流
25、域的出口断面。将同时达到流域的出口断面。41 图中虚线图中虚线1 1、2 2、3 3、4 4为等流时线为等流时线, , F F1 1、F F2 2 F F5 5为为等流时面积等流时面积42l如图以等流时面积如图以等流时面积F Fi i为为纵坐标，以其相应的纵坐标，以其相应的流域汇流时间为横坐流域汇流时间为横坐标所作的图，称为标所作的图，称为面面积分配曲线积分配曲线或或面积面积流时曲线流时曲线：=(F=(Fi i) )l汇流面积累积曲线汇流面积累积曲线： =(F=(Fi i) )43442）等流时线的绘制）等流时线的绘制 1选定选定汇流时段汇流时段 ，即两相邻等流时线的汇流历时差。，即两相邻等流
26、时线的汇流历时差。一般取一般取 等于等于降雨时段降雨时段 ，即，即 。 2求出流域平均汇流速度求出流域平均汇流速度 。对于较大的河流，因为。对于较大的河流，因为坡面汇流历时很短，可以忽略，故可取河槽的平均流速。坡面汇流历时很短，可以忽略，故可取河槽的平均流速。利用利用明渠稳定流明渠稳定流谢才公式谢才公式计算汇流速度，即计算汇流速度，即。式中，式中，m为河槽平均糙率系数；为河槽平均糙率系数；I为河槽纵比降；为河槽纵比降；R为水力为水力半径。半径。1216321,Vc RIcRVmI Rnttv45 对于小流域，坡地汇流所占比重大，则流域汇对于小流域，坡地汇流所占比重大，则流域汇流历时为流历时为坡
27、地汇流坡地汇流与与河网汇流河网汇流之和，流域平均之和，流域平均汇流速度为汇流速度为式中，式中， 为流域最长坡地的长度；为流域最长坡地的长度； 为主河槽长度；为主河槽长度； 为坡地汇流历时；为坡地汇流历时； 为河槽汇流历时为河槽汇流历时。1l2l122211llv46 3以以 为相邻等流时线的间距，自流域出为相邻等流时线的间距，自流域出口逐条向上游绘等流时线，得口逐条向上游绘等流时线，得等流时面积分配线等流时面积分配线，可用可用 表示。表示。Lv )(f等流时线汇流计算示意图)(f若取1，则，即为汇流曲线47等流时面积分配线等流时面积分配线4849 3）出口流量过程的计算）出口流量过程的计算 假
28、定把分成假定把分成5块等流时面积等块等流时面积等 （图（图321），现有），现有 3个时段的均匀净雨量，根个时段的均匀净雨量，根据等流时线的概念，第一块等流时面积据等流时线的概念，第一块等流时面积 上的净上的净雨量雨量 ，在第一时段内流到出口断面，则第一时，在第一时段内流到出口断面，则第一时段内平均流量为段内平均流量为 ： 第二时段内流出的水体为第二时段内流出的水体为 上第二时段净雨上第二时段净雨 和和 上上第一时段上的净雨量第一时段上的净雨量 ，即，即 ，则第二时段内，则第二时段内的平均流量为的平均流量为 为：为：54321,321,hhh11h1Q1 111hQtt图中12h21h1221
29、hh2Q122122hhQtt 图中50 同理同理：t图中thhhQ31322313t图中thhhQ41423324t图中thhhQ51524335t图中thhQ625346t图中thQ7357 利用求得的利用求得的 就可以绘制出口断面就可以绘制出口断面流量过程流量过程柱状图柱状图或或过程线图。过程线图。721,QQQ4 4）等流时线法存在的问题。）等流时线法存在的问题。 1 1实际实际流域的汇流速度是变化的流域的汇流速度是变化的，等流时线也是，等流时线也是变的，但绘制等流时线时，采用流域平均汇流速变的，但绘制等流时线时，采用流域平均汇流速度，等流时线固定不变，不符合实际情况。度，等流时线固定
30、不变，不符合实际情况。 2 2降落在同一等流时面积上的净雨量，在同一时降落在同一等流时面积上的净雨量，在同一时段内全部流出，段内全部流出，没有考虑河槽的调蓄作用没有考虑河槽的调蓄作用，故推，故推得的流量过程线偏尖瘦，洪峰流量偏大。得的流量过程线偏尖瘦，洪峰流量偏大。515.5.单位线法单位线法1 1）单位线的概念与假定）单位线的概念与假定 在在给定的流域下，单位时段内均匀分布的给定的流域下，单位时段内均匀分布的单单位净雨量位净雨量，在流域出口断面形成的，在流域出口断面形成的地面径流地面径流过程过程线，称为线，称为单位线单位线。 单位单位净雨量（径流深）一般取为净雨量（径流深）一般取为10mm1
31、0mm。单位。单位时段时段t t可取可取1 1、3 3、6 6、1212、24h24h等等，依流域大小等等，依流域大小而定。而定。 时间时间h10mm流量流量m3/st5253单位线三要素单位线三要素 用来控制单位线形状用来控制单位线形状的指标称为单位线要的指标称为单位线要素。一般选定的要素素。一般选定的要素是单位线是单位线洪峰流量洪峰流量q qm m，洪峰滞时洪峰滞时T TP P，和单位，和单位线总历时线总历时( (底长底长)T)TD D。，。，如图所示。其中以如图所示。其中以T TP P，q qm m是主要的单位线要是主要的单位线要素。素。 由于实际降雨量并不一定是由于实际降雨量并不一定是
32、一个单位净雨一个单位净雨量量和和一个单位时段一个单位时段，因此单位线法还需要，因此单位线法还需要补充补充2 2个假定。个假定。54倍比定律假定倍比定律假定 如果单位时段内的净雨不是一个单位而是如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k k个单位，则形个单位，则形成的流量过程是单位线纵坐标的成的流量过程是单位线纵坐标的k k倍。倍。 时间时间h10mm流量流量m3/st时间时间h19.7mm流量流量m3/stQmQmQm19.7/10Q19.7/10Qk55叠加法则假定叠加法则假定 如果净雨不如果净雨不是一个时段是一个时段而是而是m m个时个时段，则形成段，则形成的流量过程的流量过程是各时段净是各时
33、段净雨形成的部雨形成的部分流量过程分流量过程错开相加。错开相加。 时间时间h流量流量m3/sQ1Q2Q3Q1+ Q2 + Q2000056 上述两个假定就是把流域视为上述两个假定就是把流域视为线性系线性系统统，符合倍比定律和叠加原理。如果流域，符合倍比定律和叠加原理。如果流域内内降雨分布均匀降雨分布均匀，每个单位时段，每个单位时段降雨强度降雨强度大致不变大致不变，单位线方法就可以应用。，单位线方法就可以应用。572 2）单位线的分析与推求）单位线的分析与推求 分析法的原理是逐一求解，如地面径流过程为分析法的原理是逐一求解，如地面径流过程为 单位线的纵坐标为单位线的纵坐标为 时段净雨时段净雨量为
34、量为 根据上述假定可得：根据上述假定可得：,321QQQ,321hhh,321qqq11110qhQ ，即 11110hQq 122210101qhqhQ，即 101011222hqhQq581322313101010qhqhqhQ,即1010101133233hqhqhQqninnnqhqhQ111110110,即 10101111hqhQqnininnn将已知的 代入上式，即可以求得 即为单位线的纵坐标。,321QQQ,321qqq591111112211222121323313123321311111111110,1010,1010101010,101010101110,101010nn
35、nnninnnihQQqqhhQqhhQqqqhhhQqqhhhQqqqqhh qQh qhQqqh60441.9744 0.944 0.761小结：小结： 利用单位线来推求河水汇流过程线称为单位线法。利用单位线来推求河水汇流过程线称为单位线法。 单位净雨深一般取单位净雨深一般取10mm10mm。 时段上有瞬时、时段上有瞬时、1 1、3 3、6 6、12h12h等。等。 由于实际降雨量不一定是一个单位和一个时段，由于实际降雨量不一定是一个单位和一个时段，故分段时使用时要作两条假定：线性倍比和叠加故分段时使用时要作两条假定：线性倍比和叠加原理。原理。a)a) 倍比定律假定：即如降雨是倍比定律假定
36、：即如降雨是n n个单位，则形成过程线个单位，则形成过程线是流量的是流量的n n个单位。个单位。b)b) 叠加法：叠加法：m m个时段净雨，则各时段净雨所形成的径流个时段净雨，则各时段净雨所形成的径流过程线之间互不干扰，出口断面的流量等于各时段净过程线之间互不干扰，出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和。雨量所形成的流量之和。624)4)单位线存在的问题单位线存在的问题 首先，首先，单位线的倍比和叠加线性假定不能完全符合实单位线的倍比和叠加线性假定不能完全符合实际际，由各次大洪水分析得到的单位线并不全相同。原因是：，由各次大洪水分析得到的单位线并不全相同。原因是：河槽水流非线性变化，大
37、小洪水汇流的速度是不相同。河槽水流非线性变化，大小洪水汇流的速度是不相同。 其次，其次，净雨量在流域上的分布也不完全是均匀的净雨量在流域上的分布也不完全是均匀的，暴，暴雨中心分布与移动方向不同可使流量过程线峰值与峰型发雨中心分布与移动方向不同可使流量过程线峰值与峰型发生变化。生变化。 此外，此外，地下水的多少也影响单位线地下水的多少也影响单位线，地面径流比重大，地面径流比重大的洪水，单位线尖瘦，洪峰提前，地下水径流比重大则单的洪水，单位线尖瘦，洪峰提前，地下水径流比重大则单位线平缓，洪峰滞后。位线平缓，洪峰滞后。63巩固练习巩固练习 1.1.对同一流域而言，不管净雨历时是否相同，但只对同一流域
38、而言，不管净雨历时是否相同，但只要是要是10mm10mm净雨，则形成的单位线的形状相同。（净雨，则形成的单位线的形状相同。（ ） 2.2.单位线假定考虑了净雨地区分布不均匀对其形状单位线假定考虑了净雨地区分布不均匀对其形状的影响。（的影响。（ ） 3.3.某流域由某一次暴雨洪水分析出不同时段的某流域由某一次暴雨洪水分析出不同时段的10mm10mm净雨单位线，它们的洪峰将随所取时段的增长（净雨单位线，它们的洪峰将随所取时段的增长（ ） a a、增高、增高 b b、不变、不变 c c、减低、减低 d d、增高或不变、增高或不变C64 4.4.净雨在流域上分布不均匀是单位线变化的主要净雨在流域上分布
39、不均匀是单位线变化的主要原因之一，一般暴雨中心在上游的单位线比暴雨中原因之一，一般暴雨中心在上游的单位线比暴雨中心在下游的单位线心在下游的单位线_ _ _ a a、峰值小，峰现时间早、峰值小，峰现时间早 b b、峰值大，峰现时间早、峰值大，峰现时间早c c、峰值小，峰现时间迟、峰值小，峰现时间迟 d d、峰值大，峰现时间迟、峰值大，峰现时间迟 5.5.降雨在流域上分布不均匀是单位线变化的主要降雨在流域上分布不均匀是单位线变化的主要原因，一般暴雨中心在下游的单位线比暴雨中心在原因，一般暴雨中心在下游的单位线比暴雨中心在上游的单位线上游的单位线 a a、峰值小，峰现时间迟、峰值小，峰现时间迟 b
40、b、峰值大，峰现时间早、峰值大，峰现时间早c c、峰值小，峰现时间早、峰值小，峰现时间早 d d、峰值大，峰现时间迟、峰值大，峰现时间迟Cb65 6.6.某流域根据三场雨强相同，但暴雨中心分别某流域根据三场雨强相同，但暴雨中心分别在上、中、下游的洪水分析的三条在上、中、下游的洪水分析的三条6h10mm 6h10mm 单位线单位线，它们的洪峰流量分别为，它们的洪峰流量分别为q q上、上、q q中、中、q q下下 ，则它，则它们之间一般应该们之间一般应该_ _ _ a a、 q q上上qq中中qq下下 b b、q q上上qq中中q=q=q中中=q=q下下 7.7.某流域根据暴雨中心都在中游，但三场
41、净雨某流域根据暴雨中心都在中游，但三场净雨强度分别为强度分别为5 5、1010、20mm/h20mm/h的洪水分析出三条的洪水分析出三条6h10mm6h10mm单位线，它们的单位线洪峰流量分别为单位线，它们的单位线洪峰流量分别为q5,q10,q20q5,q10,q20，则它们之间一般应，则它们之间一般应_ _ _ a a、 q5q10q20 bq5q10q20 b、 q5q10q20q5q10=q10=q20q5=q10=q20 bb663434（二）流域产汇流模型简介（二）流域产汇流模型简介 以流域为研究对象，对流域内发生降雨径流这一特以流域为研究对象，对流域内发生降雨径流这一特定的产汇流过
42、程进行定的产汇流过程进行数学模拟数学模拟，即，即把流域上的降雨把流域上的降雨过程进行模拟计算出流域出口断面的流量过程。过程进行模拟计算出流域出口断面的流量过程。 流域产汇流模型的三要素：流域产汇流模型的三要素：过程、空间、时间过程、空间、时间。67斯坦福斯坦福IVIV流域模型流域模型 新安江模型新安江模型P107-110P107-11068第三节第三节 河流的水情河流的水情 河流的水文情势主要指河流的水文情势主要指河川径流的分河川径流的分布与变化，洪水、枯水布与变化，洪水、枯水的特征等。的特征等。69世界河流4970 世界河流之最世界河流之最世界上最长的河：尼罗河世界上最长的河：尼罗河世界上含
43、沙量最大的河：黄河世界上含沙量最大的河：黄河世界上流量最大流域最广的河：亚马逊河世界上流量最大流域最广的河：亚马逊河世界上干流流经国家最多的河：多瑙河世界上干流流经国家最多的河：多瑙河世界上海拔最高的河：雅鲁藏布江世界上海拔最高的河：雅鲁藏布江世界上水能资源最丰富的河：刚果河世界上水能资源最丰富的河：刚果河505071一、水情要素一、水情要素流速流速流量流量水位水位水情要素水情要素721.1.水位水位 水位即水面位置或水面高程，河流水位是指水位即水面位置或水面高程，河流水位是指河河流某处的水面相对于某一流某处的水面相对于某一基面基面的高度的高度。 基面又叫基准面，是高程的起算面，指高程起基面又
44、叫基准面，是高程的起算面，指高程起算的固定零点。基面可分算的固定零点。基面可分绝对基面和相对基面绝对基面和相对基面。73 绝对基面绝对基面( (标准基面标准基面) )：以某一入海河口的平均海平面：以某一入海河口的平均海平面为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口）、黄为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口）、黄海基面等，我国规定统一采用黄海基面。海基面等，我国规定统一采用黄海基面。 相对基面（测站基面）相对基面（测站基面）：以观测点最枯水位以下：以观测点最枯水位以下0.50.5lmlm处作为零点的基面。处作为零点的基面。 相对基面可减少记录和计算工作量，但它与其他水文相对基面可减少记录和计算
45、工作量，但它与其他水文站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。 观测水位最简便、常用的方法是在河岸设置水尺，定观测水位最简便、常用的方法是在河岸设置水尺，定时读数。时读数。74影响水位变化的因素：影响水位变化的因素：l 水位与水位与流量流量有直接关系，水位高低是流量大小的主要有直接关系，水位高低是流量大小的主要标志。水量增加，河水位上涨；水量减少，河水位下标志。水量增加，河水位上涨；水量减少，河水位下降。而流量大小取决于降。而流量大小取决于补给水源补给水源。流
46、域内的。流域内的降水降水、冰冰雪消融状况雪消融状况是影响流量和水位变化的主要因素。是影响流量和水位变化的主要因素。l 河道冲淤变化、风、潮汐、结冰、植物、支流的汇入河道冲淤变化、风、潮汐、结冰、植物、支流的汇入、人工建筑物、地壳升降等均可引起水位的变化。如、人工建筑物、地壳升降等均可引起水位的变化。如河道冲刷，水位下降；河道淤积，水位上涨。顺风，河道冲刷，水位下降；河道淤积，水位上涨。顺风，流速加快，水位下降；逆风则水位上升等。流速加快，水位下降；逆风则水位上升等。l 总之，影响水位变化的因素众多复杂，水位变化是各总之，影响水位变化的因素众多复杂，水位变化是各种影响因素综合作用的结果，因此河流
47、水位情势是非种影响因素综合作用的结果，因此河流水位情势是非常复杂的。常复杂的。75水位变化及水位过程线水位变化及水位过程线 河流水位有年内变化和年际变化，山区冰雪融水补河流水位有年内变化和年际变化，山区冰雪融水补给河流和感潮河段，水位日变化明显给河流和感潮河段，水位日变化明显。 例如由雨水补给的河流，其水位随降雨的变化而变例如由雨水补给的河流，其水位随降雨的变化而变化，雨季水位高，旱季水位低。由冰雪融水补给的化，雨季水位高，旱季水位低。由冰雪融水补给的河流，其水位随气温的变化而变化，气温高，冰雪河流，其水位随气温的变化而变化，气温高，冰雪融水量多，则河流水位高；气温低，冰雪融水量少融水量多，则
48、河流水位高；气温低，冰雪融水量少，则河流水位下降。，则河流水位下降。76水位变化及水位过程线水位变化及水位过程线 为了帮助分析研究水位变化规律、断面以上流域为了帮助分析研究水位变化规律、断面以上流域内自然地理各因素（特别是气候因素）对该流域内自然地理各因素（特别是气候因素）对该流域水文过程的影响，以及提供各方面的参考使用，水文过程的影响，以及提供各方面的参考使用，常对水位观测资料进行整理，主要有常对水位观测资料进行整理，主要有水位过程线水位过程线、水位历时曲线、相应水位关系曲线、水位历时曲线、相应水位关系曲线。77水位过程线水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。：是指水位随时间变化的曲线。 其
49、其绘制方法绘制方法，是以纵坐标为水位，横坐标为时，是以纵坐标为水位，横坐标为时间，将水位变化按时间顺序排列起来所点绘的曲线，间，将水位变化按时间顺序排列起来所点绘的曲线，便为水位过程线。便为水位过程线。 78 水位过程线主要作用水位过程线主要作用：可分析水位的变化规律，能：可分析水位的变化规律，能直接看出特征水位（如最高水位和最低水位）的高度和直接看出特征水位（如最高水位和最低水位）的高度和出现的日期；可研究各补给源的特征；可用来分析洪水出现的日期；可研究各补给源的特征；可用来分析洪水波在河道中沿河传播的情形，以及做洪水的短期预报。波在河道中沿河传播的情形，以及做洪水的短期预报。 79 根据需
50、要，可绘制不同时段的水位过程线。根据需要，可绘制不同时段的水位过程线。逐日水逐日水位过程线位过程线是以日平均水位为纵坐标，横坐标表示日期，是以日平均水位为纵坐标，横坐标表示日期，反映水位在一定时间内的变化。在洪水期间或感潮河段，反映水位在一定时间内的变化。在洪水期间或感潮河段，常需要绘制常需要绘制逐时水位过程线逐时水位过程线。80水位历时曲线：水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线。而成的曲线。 其绘制方法其绘制方法，是先将一年内之，是先将一年内之日平均水位日平均水
