第二章 水循环与径流形成

第二章水循环与径流形成§2—1水循环与水量平衡§2—2河流与流域§2—3降雨§2—4蒸发与下渗§2—5径流§2—1水循环与水量平衡一、自然界的水文循环二、地球上的水量平衡一、自然界的水文循环1、定义：地球上各种形态的水，不断从水面和陆面蒸发，变为水汽上升高空，被气流输送到其他地区，在适当的条件下凝结，然后又降到地面。水的这种不断蒸发、输送、降落，无始无终，往复循环的过程就称为水循环。一、自然界的水文循环水循环包括了多种的复杂过程，如蒸发、水汽输送、冷凝、降水、植物截留、滞蓄、下渗、径流等。其中最重要的基本现象是蒸发、降水、下渗、径流。1113853水汽输送1蒸发4降水1蒸发4降水1植物蒸腾湖6地表径流6地下径流海洋5蒸发2降水一、自然界的水文循环2、形成水循环的原因：（1）外因：太阳辐射和地心引力———水循环的基本动力（2）内因：水的物理三态（气、液、固态）的相互转化———水循环的前提条件此外，地形、地质、土壤、植被等对水循环也有一定影响。一、自然界的水文循环3、水循环的分类：（1）大循环：海陆间水分的变换过程叫做水的大循环。（2）小循环：陆地上的水蒸发后，在空中凝结成水又降回到陆地，或从海洋上蒸发的水汽，在空中凝结成水后又回到海洋中。这种局部的水循环叫做水的小循环。前者称内陆小循环，后者称海洋小循环。水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。正是由于自然界的水文循环，才形成永无终止千变万化的水文现象。水文循环也是水资源具有再生性的原因。思考题沿海湿润、内陆干旱的原因？一、自然界的水文循环4、水文现象和水文过程水循环中水的存在、运动和变化，统称为水文现象。各种现象在时间或空间上的变化称为水文过程。水循环是地球上一切水文现象的根源，没有水循环，就不会发生蒸发、降水、径流，不存在江河、湖泊。二、地球上的水量平衡1、水量平衡原理根据质量守恒原理，对任一区域，在给定的时段内，进入的水量和输出的水量之差额必定等于该区域内的蓄水变量。水平衡原理示意图图A图B某一地区某一段时期内某一地区某一段时期内储水变量（增加）储水变量（减少）原有水量水量的支出水量的收入二、地球上的水量平衡2、水量平衡方程式若以陆地作为研究范围，其水量平衡方程式为：E陆＝P陆－R＋△U陆E陆——陆地在研究时段内的蒸发量；P陆——陆地在研究时段内的降水量；R——在研究时段内的入海径流量；△U陆——陆地在研究时段内的蓄水量的变化量。二、地球上的水量平衡在多年平均情况下的水量平衡方程式为：——陆地的多年平均年降水量；——陆地的多年平均年蒸发量；——多年平均年入海径流量。RPE陆陆RPE陆陆RPE陆陆陆E陆PR二、地球上的水量平衡对海洋而言，——海洋的多年平均年蒸发量；——海洋的多年平均年降水量。将两式合并，即得全球的水量平衡方程：即：上式表明：全球多年平均年蒸发量等于全球多年平均年降水量。海陆海陆PPEERPE海海海陆海陆PPEE海陆海陆PPEE海P海EPE二、地球上的水量平衡3、水量平衡方程式的作用（1）定量描述水循环要素间的相互关系和作用，（2）由某些已知要素推断未知要素，（3）用来校核水文计算成果，（4）对计算成果进行合理性分析等。本节小结一、自然界的水循环1、定义2、成因3、分类二、水量平衡1、原理2、方程式§2—2河流与流域一、河流二、流域一、河流（一）河流的形成与分段河流是接纳地面和地下水的天然泄水道，是水循环的路径之一。一条河流一般都分为五个分段：河源、上游、中游、下游、河口（二）河流的基本特征1、河流的长度L一条河流，自河源沿河道溪线至河口的曲线长度称河长，以km计。一般在大比例尺，如万分之一或五万分之一的地形图上用分规或曲线仪量计。（二）河流的基本特征2、河流的断面分为横断面和纵断面。河流某处垂直于平均流向或主流方向的平面，称河流在该处的横断面。相应于某一时刻水位以下的断面，称过水断面。山区河槽常为深而窄的单式断面，底部多为基岩或砾石；平原河槽常为宽而浅的复式断面，底部多为细砂或淤泥。河流横断面示意图单式断面图复式断面图2、河流的断面河流纵断面是指沿河流中线或溪线的剖面。从河口向上游量出河底地形变化转折点的高程，以河长为横坐标，河底高程为纵坐标，即可绘出河流的纵断面图。河流纵剖面图3、河道纵比降J河段两端的河底高程差称落差，单位河长的落差称为河道的纵比降。01hhh3、河道纵比降J（1）当河段纵剖面近于直线变化时J＝(h1－h0)/L＝△h/L式中，J——河段纵比降；h1、h0——河源、河口的河底高程，m；L——河流总长度，m。3、河道纵比降J（2）当河道纵断面呈折线或曲线变化时式中，h0、h1、┈、hn——自河口起沿流程各点的河底高程，m；l1、l2、┈、ln——各点间距离，m；L——河道总长度，m。20nn1-n221110LL2hlhhlhhlhhJ4、河系河系：河流分为支流与干流，它们和湖泊等构成脉络相通的泄水系统，称为河系，也称水系或河网。常取水量最多或长度最大的作为干流，汇入干流的河流称为一级支流，汇入一级支流的河流称为二级支流，以此类推。水系的名称一般用干流的名称命名。4、河系根据干支流分布状况，河系分为四种类型：（1）扇形河系：河系如手指状分布，如海河；（2）羽毛形河系：干流沿途接纳许多支流，如滦河；（3）平行状河系：几条支流并行排列，各成为一独立水系，至入海附近始行汇合，如淮河；（4）混合状河系：大河流大多包括上述两种或三种形式的混合排列，如长江。5、河网密度D流域内水道的多少一般用河网密度表示。河网密度D等于河系所有水道的总长度∑L与其流域面积F之比值，即：D=∑L/F二、流域在河流某一控制断面以上，汇集地表水和地下水的区域叫做河流在该断面以上的流域。1、流域分水线流域的界线称为分水线。分水线有地面和地下两种。当流域的地面与地下分水线一致时，称闭合流域；两者不一致时，称非闭合流域。二、流域2、流域的几何特征（1）流域面积F流域分水线所包围的面积，也叫集水面积，也可在地形图上先勾绘分水线，再用求积仪量计，或用数方格法量算。（2）流域长度L流域长度是指流域的中心轴长。（3）流域平均宽度B是指流域面积F与流域长度L的比值，即：B=F/L二、流域3、流域的地形特征（1）流域平均高程：是指流域内地表的平均高程。在流域地形图上，量出流域范围内相邻两等高线之间的面积fi，并求出相邻两等高线的平均高度Zi，则流域平均高程可由下式计算：FzffffzfzfzfZniiinnn1212211......FzffffzfzfzfZniiinnn1212211......FzffffzfzfzfZniiinnn1212211......FzffffzfzfzfZniiinnn1212211......FzffffzfzfzfZniiinnn1212211......二、流域3、流域的地形特征（2）流域平均坡度：是指流域地表面坡度的平均值。若相邻两等高线的高差用△z表示，流域范围内各条等高线的长度用l0，l1，l2,…，ln表示，则流域平均坡度可用下式求得：FllllZJn)5.0...5.0(210二、流域4、流域的自然地理特征主要指流域地理位置，气候，地形，土壤特性，地质构造，植物被覆，湖泊和沼泽情况。与流域水文特征值有密切关系。本节小结一、河流的基本特征1、河流的长度2、河流的断面（横、纵）3、河道纵比降4、河系5、河网密度二、流域1、定义2、流域的几何特征、地形特征、自然地理特征§2—3降雨一、降雨的成因和类型二、降雨特性及图示方法三、流域平均降雨量计算一、降雨的成因和类型空气的垂直上升运动1、成因：空气中水汽含量超过饱和水汽含量冷却凝结2、类型类型锋面雨地形雨对流雨台风雨降雨类型（1）锋面雨锋面：冷暖气团相遇，其交界面叫锋面。锋：锋面与地面的相交地带叫锋。a.冷锋雨：当冷气团向暖气团推进时，因冷空气较重，冷气团楔进暖气团下方，把暖气团挤向上方，发生动力冷却而致雨，这种雨叫冷锋雨。特点：强度大，历时短，雨区小冷锋雨降雨类型b.暖锋雨：当暖气团向冷气团移动时，由于地面的摩擦作用，上层移动较快，底层较慢，使锋面坡度很小。暖空气沿着这个平缓的坡面在冷气团上滑行，在锋面上形成了一系列云系并冷却致雨，叫暖锋雨。特点：强度小，历时长，雨区广我国受季风影响，东南地区多暖锋雨，北方地区多冷锋雨。暖锋雨思考长江中下游地区春夏交替时出现的梅雨属于冷锋雨还是暖锋雨？降雨类型（2）地形雨暖湿气流遇到丘陵、高原、山脉等阻拦，被迫沿坡上升而冷却致雨，称地形雨。思考：降雨多发生在迎风坡还是背风坡？答：地形雨大部分降落在山地的迎风坡。降雨类型（3）对流雨当暖湿空气笼罩一个地区时，因下垫面局部受热增温，与上层温度较低的空气产生强烈对流作用，使暖空气上升冷却而降雨，称作对流雨。特点：强度大，雨区小，历时短，并常伴有雷电，又称雷阵雨。降雨类型（4）台风雨台风雨是热带海洋上的风暴带到大陆来的降雨。这种风暴是异常强大的海洋高温高湿气团形成的低气压造成的，它带来狂风暴雨，一天内暴雨量可达数百mm，甚至可达1000mm以上，极易造成灾害。降雨分级降雨按其雨量大小可分为6级：日雨量小于10mm为小雨；10~25mm为中雨；25~50mm为大雨；50~100mm为暴雨；大于100mm为大暴雨；大于200mm为特大暴雨。二、降雨特性及图示方法1、降雨特性（1）降雨量：为一定时段内降落在地面上的总雨量，常以水层深度表示，以mm计。（2）降雨历时：指一次降雨过程所经历的时间，包括降雨过程中短暂间歇在内，以min，h或d计。（3）降雨强度：指单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。（4）降雨面积：指降雨所笼罩的水平面积，以km2计。（5）降雨中心：是指降雨笼罩面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地点。二、降雨特性及图示方法2、图示方法：用图线表示降雨在时间和空间上的分布特性（1）降雨量过程线（2）降雨量累积曲线（3）降雨量等值线图除上述几种特性曲线外，对雨量大，历时短，强度大的暴雨还常需分析绘制它们的降雨特性综合曲线，即平均雨深~面积~历时曲线，简称时面深关系曲线降雨量过程线降雨量累积曲线降雨量等值线图23.536.652.683.290.0675.360.038.047.766.415.517.10.64040606040402020三、流域平均降雨量计算1、算术平均法：适用范围：当流域内地形起伏变化不大，雨量站分布比较均匀时。公式：——为流域或区域平均降雨量，mm；Pi——为各雨量站同时段（相同起讫时间）内的降雨量，mm；n——为雨量站数。niinPnnPPPP1211...P三、流域平均降雨量计算2、泰森多边形法（垂直平分法）适用范围：此法能考虑雨量站或降雨量分布不均匀的情况。工作量也不大，故在生产实践中应用比较广泛。公式：式中，F——所有多边形面积之和，即全流域面积，km2；Ai——为各雨量站权重，即Ai=fi/F，以小数或百分率计。niiiniiinnnPAPfFfffPfPfPfP112122111......泰森多边形法示意图三、流域平均降雨量计算3、等雨量线法适用范围：在较大流域或区域内，如地形起伏较大，对降雨影响显著，且有足够的雨量站。公式：优缺点：此法比较精确，但对资料条件要求较高，且工作量大，因此应用上受到一定的限制。主要用于典型大暴雨的分析。iniiifPPFP1121等雨量线法示意图P1P2P3P4P5f1f2f3f4本节小结一、降雨的成因和类型1、成因2、类型3、冷锋雨、暖锋雨、对流雨、地形雨二、降雨特性及图示方法1、特性：降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨面积、降雨中心2、图示方法三、流域平均降雨量计算方法、公式及各自适用范围§2—4蒸发与下渗一、蒸发二、下渗§2—4蒸发与下渗一、蒸发蒸