自然地理复习之河川径流

河川径流王丽丽径流（runoff):径流：流域内的大气降水，除掉部分被蒸发耗损外，其余的在重力或静水压力作用下沿着地表面或地下运动的水流。径流包括降水沿地表与地下汇入河网，并向出口断面汇集和输送的全部水流。其中，沿地表（坡面与河槽）流动的水流称为地表径流；在地表面以下岩石、土壤和冲积层空隙中流动的水流叫做地下径流。而从地表和地下汇人河川后，向流域出口断面汇集和排泄的水流称为河川径流。由不同形式的降水（固态和液态）形成的径流，可分为降雨径流和冰雪融水径流。河川径流是水循环的基本环节，又是水量平衡的基本要素，它是自然地理环境中最活跃的因素，是陆地上重要的水文现象，其变化规律集中反映了一个地区的自然地理特征。河川径流是可资人类长期开发利用的水资源。河川径流的运动变化，又直接影响着防洪。灌溉、航运、发电、城市供水等事业，以及人们的生命财产的安全。因此，河川径流是河流水文地理研究的重要内容。一径流的形成过程指从降水开始到水量流出河流出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。因降水形式不同，径流形成过程不一样。我国河流以降雨径流为主。为便于说明，常将降雨径流形成过程概化为四个阶段：流域降雨阶段、流域蓄渗阶段、流域产流和坡地汇流阶段、河网汇流阶段。1、流域降雨阶段降雨过程为降雨径流的形成提供了必要的物质基础，降雨引起径流。因此，降雨过程是降雨径流形成过程的首要环节。降雨量大小、降雨历时、降雨强度及其时空变化对径流形成过程有着直接的影响。2、流域蓄渗阶段（停蓄阶段）降雨初期，除小部分雨水直接降落到河槽水面上（称为槽上降水)直接形成径流外，绝大部分降水降落在流域表面上并不立即产生径流，而是消耗于植物截留、地表填洼、下渗与蒸散发，并在满足植物截留、地表填洼、下渗与蒸散发之后，才能产生地表径流。因此，降雨初期，流域内的植物截留、地表填洼、下渗与蒸散发过程，对于径流形成来讲，是降雨的耗损过程；但从减少水土流失和增加下渗补给地下水来说，这个阶段具有重要意义。通常把降雨开始之后，到地表径流产生之前，降雨的截留、下渗、填洼及蒸散发等雨水的耗损过程概化为流域的蓄渗阶段（停蓄阶段）。1）植物截流（1）概念指植物枝叶（茎叶、树冠、树干）或建筑物拦截雨水的现象。（2）截留的特点①截留过程贯穿（持续）降雨过程的始终（随雨始而始，雨止而止）。②截留的雨水几乎全部消耗于蒸发（3）影响因素影响截留的因素主要是降雨特性和植物特性。截留总量与降雨量、降雨历时成正相关，与植物覆盖度、叶面积指数成正相关。2）下渗（infiltration）（1）概念雨水或地表水渗入到地下岩石、土壤空隙中的过程。（2）特点①下渗过程持续于降雨过程的始终，并在雨停后还将持续一段时间，只要有地表水的地方，便会有下渗的存在。②下渗强度在降雨初期特别大，以后随土壤含水量的增加而逐渐减小，最后趋于稳定。原因是：降雨初期，土壤干燥，雨水受到土壤分子力、毛管力及雨滴的重力作用，下渗能力很大。随后，随着土壤含水量增加，下渗能力迅速下降，直到土壤含水量达到饱和后，便在重力作用下稳定下渗补给地下水，形成地下径流。③下渗的水量一部分滞蓄于岩石土壤空隙中，在无雨期耗于蒸发；另一部分补给地下水，产生地下径流，补给河流。（3）影响下渗的因素影响下渗的因素众多，主要与降雨特性、岩石土壤性质、植物覆盖度等有关。一般地，降雨强度越大、降雨历时越长、岩石土壤透水性能越好、植物覆盖度越高，则下渗量就越大。3）填洼（depression，detention）（1）概念指坡面流水或超渗雨在流域内大小坑洼停蓄起来的现象。洼地蓄水的来源有两个：其一直接降落在洼地上的超渗雨超渗雨：指降雨强度大于下渗强度的降雨。当降雨强度大于下渗强度时，雨水除满足植物截留、下渗和蒸发外，有一部分将蓄积在地面洼地中，或由于重力作用沿坡面流动形成坡面水流。其二附近坡面流入的水量只有当洼地蓄满以后，才会外流。（2）填洼的特点①只有在有超渗雨或坡面流水的地方才会产生填洼即当降雨强度i小于下渗强度f时，全部降雨下渗；当降雨强度大于下渗强度时，就会有部分雨水被填洼。②填洼的水量最终消耗于蒸发和下渗。（3）影响填洼的因素填洼的水量大小与闭合洼地数量、大小有关。总之，在蓄渗过程中，植物截留、下渗、填洼和蒸散发，都是降雨的损失过程，只有当蓄渗得到满足之后才会产生地表径流。3坡面产流或坡面漫流1）坡地产流当流域内的降雨量满足了流域蓄渗之后，若降雨持续进行，则开始产生地表或地下径流，称为产流。根据气候条件，可将产流分成蓄满产流和超渗产流两种主要形式。Ⅰ、蓄满产流（饱和产流、超蓄产流）是土壤含水量达到饱和时的产流方式。包气带：指地表面与潜水面之间的岩石土壤层带，包含有空气，为水、土、气三相系统。蓄满产流：指包气带含水量达到田间持水量（最大毛管水量）产流方式。蓄满产流多发生在湿润地区，尤其发生在地下水位较高、包气带薄、土壤透水性好的流域。但干旱地区的多雨季节也可产生蓄满产流。我国淮河流域及以南的大部地区和东北的东部，以蓄满产流为主。Ⅱ超渗产流（非饱和产流）指包气带土壤层含水量未达到饱和，而降雨强度＞下渗强度产生地面径流的产流方式。多发生在干旱、半干旱地区，但湿润地区久旱初雨时期也可发生。尤其发生在地下水位低、包气带厚、土壤透水性差、植被差的地区。我国黄河流域和西北地区，以超渗产流为主。项目\类型蓄满产流超渗产流产流条件降雨量大于包气带缺水量即包气带饱和或蓄满降雨强度大于下渗强度，而包气带蓄水量小于田间持水量，即未饱和或未蓄满损失量包气带缺水量和蒸发量（下渗量大于损失量）下渗量F全为损失量、雨期蒸发量E径流量满足包气带缺水量后的后续雨量径流率（产流强度）径流成分地表径流、壤中流和地下径流只有地表径流产流量的决定因素降雨量、雨前土壤含水量（影响包气带缺水量）降雨强度，雨前土壤含水量（影响下渗率），与降雨量关系不大产生地区湿润地区或半干旱、半湿润地区的多雨季节干旱地区或半湿润、半干旱地区的多雨季节总之，无论哪一种产流方式，总是首先在蓄渗得到满足的地方，局部产流。随着降雨过程的持续进行，产流面积不断扩大，最后达到全流域产流。2）坡地漫流超渗雨水或超蓄雨水在重力作用下沿着坡面流动的细小水流，叫做坡地漫流或坡面漫流。当蓄渗得到满足以后，开始产生大量的地面径流，进入漫流阶段。在漫流过程中，坡面水流一方面继续接受雨水的补给，分别注入不同的河槽；另一方面又继续消耗于下渗和蒸发。其中下渗的水，一部分在一定条件下形成壤中流；另一部分补给地下水，以地下径流形式流入河槽。坡地漫流是地表径流向河槽汇集的中间环节，分片流、沟流和壤中流三种形式，其中网状细沟流为主要形式，但无固定的槽沟。只有在地面坡度相当大的山区，降雨强度大的情况下，才可能在坡面上形成小的侵蚀沟。片流不很常见，分布在坡度不大但坡面较平整的地区，大暴雨（降雨强度很大）情况下，可能产生片流。一般地，坡地漫流的流程不超过数百米，甚至仅几米，汇流历时很短，故对小流域很重要，而对大流域则因历时短而在整个汇流过程中可以忽略。地面径流经过坡地漫流汇入河网。壤中流和地下径流也同样具有沿坡地土层的汇流过程，它们都是在有孔介质中的水流运动。壤中流汇流速度比地表径流慢，但比地下径流快得多，有时与地表径流相互转化，所以时常将二者合称为直接径流。地下径流运动慢，变化也慢，补给河水的地下径流平稳而持续时间长，构成河流的基流。地表径流、地下径流和壤中流，这三种径流成分的汇流过程，构成了坡地汇流的全部内容。流域上的净雨量（径流量）有85－95%都是通过坡地汇流而进入河网的，只有5－15%的净雨量直接降入河网。可见，坡地汇流在流域汇流过程中占有十分重要的地位。4、河槽集流阶段（河网汇流）由降雨产生的地表径流、壤中流和地下径流通过不同路径注入河网后，在河网内沿河槽由上游向下游作纵向的流动和汇集，直到最后流出出口断面的整个物理过程，称为河槽集流或河网汇流。它是降雨径流形成的最终环节。在河槽集流过程中，随着地表径流和壤中流不断地汇入河网（河槽），使河网水量增加、水位上涨、流量增大，成为流量过程线上的涨洪段（涨水段）。在涨水过程中，由于大量地表径流和壤中流的汇入，河流水量增加，大部分水量沿河网迅速下泄，最后流出出口断面；而有一部分水量被河网容蓄起来，使河网水位升高；还有一小部分水量渗入到河谷两岸堆积物中，补给地下水。当降雨和坡地漫流停止时，河网蓄水和河谷冲积层蓄水达到最大值，而河网汇流过程仍在继续进行。当上游河网补给量（河网总入流量）小于出口断面排泄量时，灌网蓄水开始消退，水位降低、流量减小，形成流量过程线上的退水段。可见，在涨水段河网（河槽）滞蓄一部分水量，而退水段河网蓄水消退，称为河网调蓄（河槽调节）。另外，在河水与地下水有水力联系情况下，涨水时河水位高于两岸冲积层地下水位，河水向两岸冲积层渗漏补给地下水，即河岸蓄水；退水时，河水位低于河岸地下水位，河流冲积层地下水流出来补给河水，即河岸蓄水消退，称为河岸调节。河网调节和河岸调节作用的结果，使降雨径流过程历时拉长，出口断面流量过程线变得平缓。在径流形成中通常把从降雨开始，到地表径流和壤中径流产生的过程，称为产流过程；而把坡地汇流和河网汇流过程，统称为流域汇流过程。径流形成过程实质上是雨水在流域内的再分配与运行过程。产流过程中的水以垂向运行为主，空间上的再分配；汇流过程中水以侧向水平运行为主，时程上再分配。二径流的计算为了便于对河川径流的分析研究和对不同河川径流进行比较，就必须使用具有一定物理意义的，又能反映径流变化尺度的径流特征值。它是说明径流特征的数值。最常用的径流特征值有：（l）流量Q流量是指单位时间内通过某一横断面的水量，常用单位为m3/s。其计算式：Q＝AVA为过水断面面积（m2)；V为断面平均流（m/s）。流量有瞬时流量、日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。（2）径流总量W径流总量是指在一定时段内通过河流某一横断面的总水量（一般指出口断面）。常用单位为m3，其计算式为：W=QT式中：Q为流量（m3/s）；T为时段（如日、月、年等）长（s）。•（3）径流深度R（y)•径流深度是指单位流域面积上的径流总量。也即是把径流总量平铺在整个流域面积上所得到的水层深度，常用单位为毫米（mm）。其计算式为：•式中：W为径流总量（m3）；F为流域面积（km2）；为单位换算系数。10001FWR(4)径流模数。径流模数是指单位时间在单位流域面积上的产水量。常用单位为dm3/(s·km2），其计算式为：•式中；Q为流量（m3/s）；F为流域面积（km2）；1000为单位换算系数（即lm3水为l000dm3）。1000FQm•（5）径流系数α。径流系数是指任一时段内的径流深度（或径流总量）与该时段的降水量（或降水总量）之比值。为无量纲，一般用小数或百分率表示。其计算式为：•式中：R为径流深度（mm）；P为降水量（mm）。PR•（6）模比系数K•模比系数又称径流变率，是指某一时段径流值（mi，Q或Ri等），与同时段的多年平均径流值（mi，Q或Ri等）之比。其计算式为式中，m，Q，R含义同上。000RRQQmmKiiii问题：径流系数为1的含义？上述这些径流特征值之间都存在着一定的关系，并且可互相转换（表5．3）。三正常年径流量1、年径流量指在一年中通过河流某一断面的水量。它可用年平均流量Q（m3/s）、年径流深度R（mm)、年径流总量W或年径流模数M表示。2、正常年径流量概念由于受气候、下垫面等因素的影响，对于任意一条河流，不同年份的径流量是不相同的，有的年份水量偏多，有的年份水量偏少，有的年份则一般。年径流量的多年平均值称为多年平均径流量。即niiQnQ11式中，Q为历年的年径流量，n为年数。实践证明，在气候和下垫面条件基本稳定的情况下，随着年数n的不断增加，多年平均流量逐渐趋于一个稳定的数值，这个稳定的数值称为正常年径流量，以Q0表示，即niinQnQ1