第二章水文循环与径流形成

郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二章水文循环与径流形成第一节水文循环与水量平衡第二节河流与流域第三节降水第四节土壤水、下渗与地下水第五节蒸散发第六节径流郑州大学水利与环境学院水资源教研室第一节水文循环和水量平衡一、水文循环概念、成因和范围水圈：地球上以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中的水体构成了地球上的水圈；水文循环：水圈中的各种水体通过不断蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程；水文循环的内因：水的三态在常温下可以转换；水文循环的外因：太阳辐射和地球引力；水文循环的范围：贯穿整个水圈，向上延伸到10km左右，下至地表以下平均1km深处。郑州大学水利与环境学院水资源教研室第一节水文循环和水量平衡图1水文循环示意图郑州大学水利与环境学院水资源教研室第一节水文循环和水量平衡图2水文循环效果图郑州大学水利与环境学院水资源教研室大循环：海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。小循环：海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，又称为内循环。二、水文循环的分类第一节水文循环和水量平衡三、水文循环的作用和意义形成了永无终止千变万化的水文现象；形成江河、湖泊、沼泽等水体，以及三角洲、冲积平原、溶洞等地貌；水文循环是水资源具有再生性；孕育了一个有生命的星球。郑州大学水利与环境学院水资源教研室第一节水文循环和水量平衡五、水文循环的基本规律——水量平衡原理水量平衡原理：在水文循环过程中，对任一区域、任一时段，进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。四、研究水文循环的目的认识它的基本规律，提示其内在联系，有利于人类合理开发利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然。式中：I、O——给定时段内输入、输出该地区的总水量；△S——时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。水量平衡方程I-O=△S………………(1)郑州大学水利与环境学院水资源教研室以地球上的整个大陆作为研究范围，其水量平衡方程为cccSERP以地球上的整个海洋作为研究范围，其水量平衡方程为oooSERPPC、PO——大陆、海洋上的降水量；EC、EO——大陆、海洋上的蒸发量；R——注入海洋的径流量（包括地面和地下径流量）；△Sc、△So——大陆在研究时段内蓄水量的变化量；第一节水文循环和水量平衡………………(2)………………(3)郑州大学水利与环境学院水资源教研室第一节水文循环和水量平衡对多年平均情况，△Sc、△So趋于零。所以ccERPooERPococEEPP以合并式（4）和式（5），即将两式相加，得………………(4)………………(5)………………(6)即：全球的多年降雨量等于全球的多年蒸发量EP………………(7)全球多年平均降水量等于多年平均蒸发量，为1130mm郑州大学水利与环境学院水资源教研室流域的水量平衡方程多年平均情况下：REP图3流域水量平衡原理第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二节河流与流域一、几个概念①流域：汇集地面水和地下水的区域，即分水线和出口断面所包围的区域。流域是相对某一段面的，当不指明断面时，流域即指对河口断面以上区域。闭合流域、不闭合流域图4地面分水线与地下分水线示意图郑州大学水利与环境学院水资源教研室②水系：又称为河系，是指脉络相通的大、小河流组成的河网。③河流：水文上也叫河川径流，它是接纳地面或地下的天然泄水道。④外流河：注入海洋的河流。⑤内流河：流入内陆湖泊或消失于沙漠的河流。⑥干流：水系中直接流入海洋、湖泊的河流称为干流。⑦支流：流入干流的河流称为支流。第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室斯特拉勒（Strahler）河流分级法：直接发源于河源的小河流为一级河流；两条同级别的河流汇合而成的河流级别比原来高一级；两条不同级别的河流汇合而成的河流的级别为两条河流中的较高者；以此类推至干流，干流是水系中最高级别的河流。二、流域内河流的分级：第二节河流与流域图5流域与水系示意图1，2，3——河流的级别水系干流河长郑州大学水利与环境学院水资源教研室三、流域的基本特征：流域面积（F，km2），平面投影面积；河网密度（∑L/F，km/km2）；流域长度（LF）和平均宽度（B）；流域形状系数（B/LF）（扇状流域、羽状流域）；流域平均高度和平均坡度；流域自然地理特征（位置、气候、下垫面）；位置——决定水文循环强弱气候、下垫面——决定水文特征植被率和湖沼率；第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二节河流与流域四、河流的基本特征①河流长度：自最远河源沿主河道至河口的距离称为河流长度，简长为河长（km）。——唯长原则②河流横断面：河流横断面：垂直于水流方向的断面，简称为河流断面、断面。过水断面：断面内通过水流的部分称为过水断面图6河道横断面的一般情况左岸面向下游右岸郑州大学水利与环境学院水资源教研室与横断面有关的几个概念：水位：断面内高出某一水准基面的高程称为水位；基本河床：枯水期水流所淹没的河道部分，常称为主槽；滩地：洪水泛滥所及部分称为滩地；单式断面：有主槽无滩地的断面；复式断面：有主槽且有滩地的断面。③河道纵断面第二节河流与流域中泓线：河流中沿水流方向上，各横断面最大水深点的连线。河流纵断面：沿中泓线的断面称为河流的纵断面；郑州大学水利与环境学院水资源教研室河道纵比降：任意河段两端水面（或河底）的高差△h称为河段之间的落差，单位河长的落差称为河道的水面（或河底）纵比降，简称为比降。图7河道纵断面示意图第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室常用的河道纵比降有水面比降和河底比降，用小数或千分数表示。水面比降随水位的变化而变化，河底比降则较稳定。2012211102)(...)()(LLhlhhlhhlhhJnnn比降计算公式lhlhhJ01河道的平均比降计算公式h1、h0——河段上、下游断面的水面或河底高程，m；l——河段长度，m。L——河段的全长，m。第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二节河流与流域五、河流分段：河源：它是河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊、沼泽等；上游河段：它紧接河源，多处于深山峡谷中，坡陡流急，河谷下切强烈，常有急滩或沼泽；中游河段：一般坡度渐缓，河槽变宽，两岸常有滩地，冲淤变化不明显，河床较稳定；下游河段：一般处于平原区，河槽宽阔，河床坡度和流速均较小，淤积明显，浅滩和河湾较多；河口：它是河流的终点，即河流汇入海洋或湖泊的地方，这一段因流速骤减，泥沙大量於积，往往形成三角洲。郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二节河流与流域六、河流地貌定律（霍顿定律Horton）①河数律：水系中任一级河流数与该级河流的级别呈反几何级数关系，级数首项为1，公比近似于分叉比；②河长律：水系中各级河流的平均河长，与该河流级别近似于正几何级数关系，级数首项为第一级河流的平均河长，公比为河长比（某级平均河长与低一级平均河长之比）；③面积律：水系中各级河流的平均流域面积，与该河流级别近似于正几何级数关系，首项为第一级河流的平均流域面积，公比为面积比（某级平均面积与低一级平均面积之比）；④比降律：水系中任一级河流的平均比降与该河流级别呈反几何级数关系，首项为第一级河流的平均比降，公比为河流比降比；郑州大学水利与环境学院水资源教研室河流名称河长流域面积年径流量含沙量（km)(km2)(亿m3)(mg/l)亚马逊河643670569380290密西西比河60203225982530刚果河46403461230050尼罗河6650294840630长江630018197551400黄河54647559215000恒河270010751003600湄公河2888804720170伏尔加河33501362390100莱茵河136022.469410表1世界一些著名河流第二节河流与流域郑州大学水利与环境学院水资源教研室第二节河流与流域中国流域水系图（图8）中国主要河流走向动态演示锦绣河山江山如画山川、山水郑州大学水利与环境学院水资源教研室第三节降水降水量（mm)降水历时(min，h，d)降水强度(mm/h，mm/d)降水面积(km2)①降水形式：雨、雪、霰、雹、露、霜等；②特征要素：②表示方法：降水量过程线降水量累积曲线等雨量线一、降水概述郑州大学水利与环境学院水资源教研室二、与降水相关的气象因素降水发生在大气中的对流层，对流层是地球大气中最低的一层。①对流层的特点：气温随高度的增加而降低具有强烈的上升和下降的气流受地表差异影响，对流层温度、湿度水平分布不均匀。对流层内与降水相关的因素主要有：气温、气压、风、湿度、云、蒸发②对流层的再分层：下层：地面-1.5km、中层：1.5km-6km、上层：6km-对流层顶部第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室三、降水的形成与分类第三节降水①降水形成三要素：水汽、上升运动、冷却凝结②降水的分类：对流雨：降雨强度大，历时短、雨区较小地形雨：郑州大学水利与环境学院水资源教研室锋面雨：降雨强度大，历时短、雨区较小第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室气旋雨图8温带气旋雨的气旋模式第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室图9热带气旋雨的气旋模式第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室1611200537西北诸河南方四区北方五区四、我国降水的空间分布总体特点：山丘区高于平原区北少南多地区降水量(亿m3)比例（%）面积(万km2)南方四区4096867341北方五区1446524270西北诸河54219336图10我国降水的流域分区图和天气预报分区的区别第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室我国天气预报地理分区东北地区：东北地区包括黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古东部地区华北地区：包括北京市,天津市,山东省.河北省,山西省,内蒙古自治区的一部分西北地区：陕西省，甘肃省，青海省，宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区西南地区：四川省、云南省、贵州省、重庆市及西藏自治区共三省一市一区华南地区：广东省，海南省，广西壮族自治区华东地区：江苏省、安徽省、浙江省、江西省、福建省、台湾省和上海市华中地区：河南省，湖北省，湖南省黄淮地区：黄河中下游和淮河流域的地区，主要是河南、山东大部，江苏北部江淮地区：长江中下游和淮河流域的地区，主要是湖北、安徽、江苏大部江汉地区：长江中游和汉江流域的地区，陕西东南部，河南南部、湖北大部江南：长江中下游以南的地区郑州大学水利与环境学院水资源教研室mm800400200200400800400mm等雨量线由东北至西南斜贯穿中国全境，是我国湿润半湿润与干旱半干旱的地理分界线降水分带(mm)面积降水量万km2比例（％）亿m3比例（％）1600727.61445723.8800～160021322.52500341.1400～80026227.61450923.9200～40015716.647957.920024425.720813.4图11多年平均年降水量等值线图郑州大学水利与环境学院水资源教研室五、降水量观测（一）器测法分辨率为0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。①雨量器：第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室②自记雨量计：虹吸式分辨率：0.1mm；降雨强度适用范围：0.01～4.0mm/min第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室称重式记录降水时全部降水的重量。优点在于能够记录雪、冰雹及雨雪混合降水。翻斗式分辨率：0.1mm降雨强度适用范围：4.0mm/min以内第三节降水郑州大学水利与环境学院水资源教研室虹吸式自记雨量记郑州大学水利与环境学院水资源教研室虹吸式内部结构遥测翻斗式郑州大学水利与环境学院水资源教研室（二）雷达探测气象雷达是利用云、雨、雪等对无线电