水文循环与径流形成

华南理工大学水利水电工程系黄国如研究对象：（1）自然界的水文循环；（2）河流与流域；（3）降雨、蒸发、下渗与径流4.流域水量平衡研究内容：（1）自然界水文循环及水资源；（2）河流、流域特征及其对水文变化的影响；（3）降水成因、分类、观测与计算；（4）蒸发观测与计算；（5）下渗观测与计算；（6）径流及其形成7.研究目的：（1）从自然界的水文循环理解水资源的再生性与有限性；（2）了解流域对水文变化的作用及影响；（3）掌握降水、蒸发、下渗、径流形成的基本概念与定量描述方法；（4）熟练掌握水量平衡原理及方程第二章水文循环与径流形成华南理工大学水利水电工程系黄国如2.1水文循环与水量平衡内容提要：1、自然界的水文循环、大循环与小循环2、地球上的水量平衡学习要求：1、了解自然界水文循环的现象、原因与作用2、掌握海洋的、陆地的和全球的水量平衡原理与方程华南理工大学水利水电工程系黄国如2.1.1自然界的水文循环自然界中的水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面（江、河、湖、海）、陆面（土壤、岩石）和植物的茎叶面，通过蒸发或散发，以水汽的形式进入大气圈，在适当的条件下形成降水。一部分降水通过地面渗透地下，成为土壤水，再经过蒸发和散发重新进入大气圈，或者形成地下水最终进入江河、海洋；一部分形成地面径流，最终汇入海洋。华南理工大学水利水电工程系黄国如华南理工大学水利水电工程系黄国如大循环：从海洋蒸发的水汽，被气流输送到大陆形成降水，其中一部分以地面和地下径流的形式从河流汇归海洋；另一部分重新蒸发返回大气。这种海陆间的水分交换过程称为大循环或外循环。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，这种局部的水文循环称为小循环或内循环。海洋、内陆小循环。华南理工大学水利水电工程系黄国如水文循环与水资源的关系在水文循环过程中，水的物理性质、水质、水量等都在不断地变化，水通过蒸发、水汽输送、降水和径流四个环节进行着交换。水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，形成某区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化。华南理工大学水利水电工程系黄国如水文循环具有全球水文循环、流域或区域水文循环和水－土（壤）－植（物）系统水文循环尺度。全球水文循环是最完整的水文循环，它涉及大气、海洋和陆地之间的相互作用，是全球水文学研究核心。流域或区域水文循环就是流域降雨径流形成过程，是流域水文学或径流形成学研究的核心。水－土－植系统是一个由土壤、植物和水分构成的相互作用的系统，是流域或区域水文循环的一部分，可以是一个微分土块，最小的水文循环。它是流域水文学的重要基础，也是生态水文学的重要课题。水文循环的尺度华南理工大学水利水电工程系黄国如华南理工大学水利水电工程系黄国如存在于地球各圈存中的水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四部分。地面水主要是指储存在海洋、湖泊、河流、冰川和沼泽等水体中的水地下水是指储存在土壤和岩石孔隙的水，包括土壤水大气水主要是指悬浮于大气中的水汽生物水是指含在生物体内的水2.1.2地球上的水及其水量平衡（1）地球系统中水的储量华南理工大学水利水电工程系黄国如总水量咸水淡水水体种类亿km3%亿km3%亿km3%海洋水13.3896.5413.3899.0400冰川与冰盖0.2406411.736000.24064168.7湖泊水0.0017640.0130.0008540.0060.000910.26沼泽水0.00011470.0008000.00011470.033河流水0.00002120.0002000.0002120.006地表水小计0.2425411.750.0008540.0060.24168769.0重力水0.234001.6880.128700.9530.1053030.06地下水0.003000.022000.003000.86地下水小计0.237001.710.128700.9530.1083030.92土壤水0.0001650.001000.0001650.05大气水0.0001290.009000.0001290.04生物水0.00001120.0001000.00001120.003全球总储量13.85984610013.5095541000.350292100华南理工大学水利水电工程系黄国如地球上总水量有13.86亿m3，平均每年只有57.7万km3的水参与水文循环，更新一次需要2400年。（2）地球系统中水的更新速度水体类别更新时间水体类别更新时间极地冰川、常年雪地约10000年土壤水1年世界大洋2500年河流水16日高山冰川1600年大气水8日深部地下水1400年生物水几个小时湖泊水17年全球2400年沼泽水5年华南理工大学水利水电工程系黄国如水平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体体现，即sOI时段内进入系统的水量是系统“收入”的水量，时段内从系统输出的水量是系统“支出”的水量，时段内系统蓄水量的变化量是系统“库存”水量的变化，因此，水量平衡方程式实际上是系统的水量收支平衡关系式。（3）水量平衡原理华南理工大学水利水电工程系黄国如对流域而言，其水量平衡方程式写为WqRRERPgOsOgIWREP若该流域为闭合流域，假设用水量很小，则简化为000ERP闭合流域多年水量平衡方程式为（4）流域水量平衡方程式华南理工大学水利水电工程系黄国如流域流域面积(万km2)降水量(mm)径流量(mm)蒸散发量(mm)辽河21.90472.664.5408.0松花江55.68526.8136.8390.0海河26.34558.786.547.2黄河75.20464.687.5387.1淮河26.90888.7231.0657.7长江180.851070.5526.0544.5珠江44.21469.2751.3718.0雅鲁藏布江24.05949.4687.8261.0华南理工大学水利水电工程系黄国如ssscccWRPEWRPE陆地和海洋年水量平衡方程式为多年平均水量平衡方程式为000000RPERPEsscc00PE（5）全球水量平衡方程式华南理工大学水利水电工程系黄国如水量(万m3)深度(mm)面积(万km2)降水量径流量蒸发量降水深径流深蒸发深世界海洋3610045.80.4750.512701301400外流区1190011.04.76.3924395529内流区30000.9－0.9300－300世界陆地小计1490011.94.77.2800315435全球5100057.7－57.71130－1130多年平均降水量与多年平均蒸散发量相等华南理工大学水利水电工程系黄国如1、为什么我国的年降水量从东南沿海向西北内陆递减？2、使水资源具有可再生性的原因,是由于自然界的什么所引起？3、自然界中，在海陆间的水循环称为什么？4、时段的长短对水量平衡计算没有影响，对吗？复习思考题华南理工大学水利水电工程系黄国如（1）因为降水是水文循环过程中输送的水汽在适当的条件下形成的，而这些水汽主要来自海洋的蒸发，在向内陆的输送中，距离海洋愈近，水汽愈丰沛，形成降水的条件愈有利，所以降水丰沛；水汽输送途中，随着不断的降水，气流中的水汽不断减少，形成降水的条件愈来愈不利，使西北内陆的降水量也就逐渐减少。（2）水循环；（3）大循环（4）不对。时段越长，水量平衡方程中的蓄水量变化相对其他各项而言将愈小，当时段很长时，甚至可以忽略不及，如多年平均水量平衡那样。复习思考题答案华南理工大学水利水电工程系黄国如2.2河流与流域内容提要：1、河流及其特征、河流地貌定律2、流域及其特征学习要求：1、了解河流、水系的基本概念，掌握主要河流特征的计算方法2、掌握流域、闭合流域、非闭合流域的基本概念和流域特征对径流的影响华南理工大学水利水电工程系黄国如1、河流及其分段河流：自然界中脉络相通的排泄降水径流的天然输水通道,其中分为各级支流及干流。河流分段：河源、上游、中游、下游、河口2.2.1河流华南理工大学水利水电工程系黄国如2、河流基本特征（1）河长L：自河源沿干流到流域出口流程长度（2）河流横断面：河流断面有横断面和纵断面。垂直于水流方向的断面称为横断面，河流横断面能表明河床的横向变化。断面内自由水面高出某一水准基面的高程称为水位。枯水期水流所占部分为基本河床，或称为主槽，洪水泛滥所及部分为洪水河床，或称为滩地。只有主槽而无滩地的断面称为单式断面，有主槽又有滩地的断面称为复式断面。2.2.1河流华南理工大学水利水电工程系黄国如（3）河流纵断面：河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线称为中泓线，沿中泓线的断面称为河流的纵断面。河流纵断面能反映河床的沿程变化。（4）河道纵比降：任意河段两端（水面或河底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。常用的比降有水面比降和河底比降。河流沿程各河段的比降不同，自河源向河口减少。当河底高程沿程变化时，可在纵断面图上从下断面河床处作一斜线，使斜线以下的面积与原河底线以下面积相等，该斜线的坡度即为河道的平均比降JJ=[(h0+h1)L1+(h1+h2)L2+…+(hn-1+hn)Ln-2h0L]/L2华南理工大学水利水电工程系黄国如3、水系、河流分级水系（河系或河网）：流域中大大小小河流交汇形成的树枝或网状结构称为水系或河系，自然形成的多为树状结构，人工开挖的平原水系多为网状结构。华南理工大学水利水电工程系黄国如“羽毛状”水系由于各支流汇集到流域出口断面的时间相互错开，所以产生矮胖的洪水过程“平行状”水系由于各支流汇集到流域出口断面的同时性强，所以产生较尖瘦的洪水过程“混合状”介于两者之间华南理工大学水利水电工程系黄国如水系分叉：自然界的天然水系一般属于二分叉树的形状。“树枝”的端点为河源，源的总数是水系量级的度量。一个量级为N的二分叉水系，必有N个源，N条外链和N-1条内链，链的总数为2N-1条。例如，水系的量级为12，河源12，外链12，内链11。华南理工大学水利水电工程系黄国如河流分级：为了对水系中大小不同的河流进行区别，需要对河流进行分级。20世纪以前，一般采用定性分为支流和干流。1914年后，采用序列命名法，即将水系中各条河流按一定的次序排列成序列，并以序号对序列中的河流加以命名。斯特拉勒河流分级法：如图中的各个河流按自上而下的顺序分为1级、2级……。规定2条同级的河流汇合为高一级的河流，例如2条1级河流汇合后为2级；不同级的汇合时，则不增加汇合后的河流级别，如2级与1级汇合后仍为2级。华南理工大学水利水电工程系黄国如1、分水线：地形等高线中的极大值称为山峰，山峰的下坡方向为山脊，相邻山峰之间的区域称为鞍部，山峰、山脊和鞍部的连接线称为分水线，它能将降雨形成的水流分开流向相邻的两条河流。地面分水线将地面水流分开流向相邻的两条河流，地下分水线将含水层中的地下水流分开流向相邻的两条河流。2.2.2流域华南理工大学水利水电工程系黄国如华南理工大学水利水电工程系黄国如2、流域及其分类流域：地面分水线包围的区域称为流域。地面分水线与地下分水线重合的流域为闭合流域，不重合的为非闭合流域。闭合流域与周围区域不存在水流联系，较大的流域为闭合流域。非闭合流域存在地下水流的联系，较小流域或干旱地区或咯斯特地区多为非闭合流域。闭合流域非闭合流域华南理工大学水利水电工程系黄国如3、流域的几何特征流域面积：在地形图上绘出流域的分水线，用求积仪量出分水线包围的面积，即流域面积，km2。河网密度：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值，km/km2流域长度：从流域出口到流域最远点的流域轴线长度，km流域平均宽度：流域面积与流域长度之比，km流域形状系数：流域平均宽度与流域长度之比。扇形流域的形状系数较大，狭长形流域则较小，反映流域的形状。流域平均高程与平均坡度：将流域地形图划分为100个以上的正方格，依次定出每个正方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡