第二章水循环及径流形成课件.ppt

第二章 水循环及径流形成,2.1 水循环及水量平衡(The hydrologic cycle and water balance)2.2 河流和流域(River and Basin)2.3 降水(Precipitation)2.4 蒸发(Evaporation)2.5 下渗(Infiltration)2.6 径流(Runoff),一 水循环 1 定义：地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升，冷却、凝结，并在适当条件下，再降落到地面，这种不断循环的过程，称为水循环。如下图。,2.1 水循环及水量平衡,图2-1,2 分类 (1)大循环：海洋与陆地之间的水分交换。 (2)小循环：海洋与大气之间、陆地与大气之间水分交换。3 水循环内外因 (1)外因：太阳辐射、地心引力 (2)内因：水的气、液、固三态之间的转化4 水循环要素 降水(P)、蒸发(E)、径流(R),二 水量平衡 1. 概念 任一区域给定时段内，输入水量与输出水量之差等于该区域内的蓄水量变化。 2. 水量平衡方程 I O = W (2-1)式中，I给定时段内输入水量； O给定时段内输出水量； W给定时段内蓄水量变化。,I,O,W,三 地球上的水量平衡 1 陆地水量平衡方程 P陆-(E陆+R)= W陆 多年平均情况：,W陆,R,P陆,E陆,图中 E陆陆地蒸发；P陆陆地降雨；R径流,(2-2),2 海洋水量平衡方程 R+P海-E海= W海 多年平均情况：,W海,R,P海,E海,图中 E海海洋蒸发；P海海洋降雨；R径流,3 地球水量平衡方程,(2-3),由式(2-2)、(2-3)得地球多年平均水量平衡方程：,四 流域水量平衡 流域水量平衡方程为： (2-4)Where P precipitation RSI,RGI surface and groundwater inflow into the boundary from outside E evaporation and transpiration RSO,RGO surface and groundwater outflow from the boundary W change of storage volume within the boundary n discrepancy term,W,E,P,RSI,RGI,RSO,RGO,地表分水线,地下分水线,2.2 河流和流域,河流(River) 1 概念 一定地质和气候条件下形成的河槽与在其中的水流。河流可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。 2 河流长度（河长L） 自河源沿河道至河口的长度，称河长，以km计。,3 河流横断面 如图2-2所示。 4 水系及水系形态 (1)水系 由干流、支流及流域内水库、湖泊连成的一个庞大系统，成为水系。,图2|3水系示意图,(2)水系形态 羽毛状 扇形 平形状 混合形,4 河网密度 流域内干支流的总长度L和流域面积F之比： D= L/F (km/km2) 5 河流弯曲系数 指河流实际长度与河流两端间的直线l之比值： =L/l二 流域（Basin） 1 概念 由分水线包围的汇集地表水和地下水的区域，称为流域。可分闭合流域和非闭合流域两种。,地表分水线,地下分水线,l,章,流域示意图,2 流域面积 分水线所包围的面积，用F表示，单位：Km2。 3 流域长度LA 指流域几何中心长。以河口为圆心，画不同半径的若干圆弧与分水线相交于两点。连两点成割线，取这些割线中点的连线长度，即为流域长度。 4 流域形状系数 K=B/LA 其中, B=F/LA为流域宽度。 5 流域自然地理特征 包括: (1)地理位置：经纬度表示，反映流域所处的气候。 (2) 气候特征：包括降水、蒸发、温度、湿度、气压、风等要素。是河流形成和发展的主要因素，也是决定流域水文特征的重要因素。 (3)流域下垫面条件：包括地形、地貌、土壤、植被、湖泊等因素。它们影响径流的变化规律。,2.3 降水(Precipitation),降水的成因及分类 1 成因 地面湿热气团因各种原因而上升，体积膨胀作功，消耗内能而冷却。当温度降低到露点以下时，气团中的水汽开始凝结为水滴或冰晶，形成云。云中的水滴或冰晶，继续吸附水汽凝结于其表面，或由于互相碰撞而结合成大水滴或冰粒，当其重量达到不再能被上升气流所顶托的时候，即形成降水。 2 分类 (1)对流雨 对流层的特点：1. 气温随高度的增加而降低； 2. 具有强烈的上升和下降的气流； 3. 受地表差异影响，对流层温度、湿度水平分布不均匀。 对流层又可分三部分：下层（地面-1.5km）；中层（1.5km-6km）；上层（6km-对流层顶部）,(2)地形雨：水平运动的湿热气团受山脉、高原阻挡，气流被迫沿迎风坡上升，因动力冷却形成的降雨。其特点是：a.迎风坡降雨多，背风面降雨少；b.降雨量随高程增加而增加，到一定高度后，随高程增加反而减少。,(3)系统性降雨,-6,二 降雨观测 降雨一般通过雨量器和自记雨量计两种方式进行观测的。随着科学技术的发展，利用雷达探测和气象卫星云图来预估未来一定时期的降雨量。 1 雨量器 一般采用人工定时(8时、20时)观测，雨季要增加观测次数。 2 自记雨量计 自动记录降雨量，不需人为干预。方便、快捷。有三种类型：称重式、虹吸式和翻斗式。,3 雷达探测 利用云、雨、雪等对雷达无线电波的反射现象来研究天气系统。不同形状的雷达回波反映不同性质的天气系统。从而预测探测范围内的降水量、强度及开始和终止时刻。,4 气象卫星云图 将卫星云图资料结合气象模型，通过专家系统，进行降雨量预测。,三 降水特性描述 降雨特性主要包括：降水量、降雨历时、降雨强度三种指标。 1 降雨量 指一定时段降落在某点或某区域上的总水量，以深度表示，单位mm。如12小时降雨量、日降雨量，月降雨量，年降雨量等。降雨量反映了时段内雨量的多少。 2 降雨历时 一次降雨所经历的时间。常用分(min)、小时(h)、日(d)等单位。 3 降雨强度 单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。雨强反映了降雨的强弱。一般用雨强进行降雨分级。降雨等级划分如下：,某站99年日降雨强度过程线,4 降雨过程线 一定时段内的降雨随时间变化的过程，称降雨过程。实质是降雨强度过程线，一般用直方图表示。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 时间（h）,雨强(mm/h),某站小时降雨强度过程线,四 面降水量计算 在水文计算中，常需要推求一个流域或一个区域特定时段降水量，即面降水量。已知某观测点降雨量。有三种计算方法。 1 算术平均法(Arithmetic method) 流域内有n个雨量站，具有同步、同时段观测资料。则流域面平均雨量为：,式中，Pi为第i站点降雨量。使用条件：流域地形起伏不大， 雨量站分布较均匀。优点：简便缺点：精度不高,2 垂直平分法（Thiessen polygon method） (1)方法原理：假定流域各处的降水量可由其最近的雨量站代表。将相邻雨量站用直线连接起来，形成多个三角形，然后对每个三角形各边作垂直平分线，这些垂直平分线将流域分成若干多边形。按面积加权计算面雨量。,垂直平分法示意图,式中，Pj为第j站点降雨量；Aj为第j站控制的多边形面积(j=1,2,n)，n为多边形个数；A为研究流域面积，A=Aj。 (3)说明使用条件：流域地形起伏大， 雨量站分布不均匀。优点：精度较高缺点：计算繁琐； 降雨量空间分布不完全符合实际情况； 当流域增加雨量站时，需重新绘制泰森多边形，不灵活。,(2)Thiessen多边形法面降雨量计算公式：,3 等雨深线法（isohyetal line method） (1) 方法原理：降雨量具有地区分布规律。根据雨量站的降雨量的空间分布，绘制等雨深线(isohyetal line )。按面积加权计算流域面雨量。,等雨深线法示意图,(2) 等雨深线法面降雨量计算公式：,式中， 为相邻两等雨深线的平均降雨量，Pi为第i条等雨深线雨量；Ai为相邻两等雨深线间的面积(i=1,2,n)；A为流域面积，A=Ai。 (3)说明 使用条件：流域雨量站足够多。 优点：精度高；能了解降水量在空间的真实分布。 缺点：需要的雨量站多，工作量大； 当流域增加雨量站时，不需重新绘制等雨深线，灵活方便。我国降水量及时空分布,2.4 蒸发(Evaporation),蒸发 1 概念 水从液态或固态变为气态的过程。蒸发是水循环河水量平衡的基本要素之一。 2 蒸发的种类 水面蒸发、土壤蒸发、植物散发（transpiration）二 水面蒸发 充分供水条件下的蒸发现象。 1 水面蒸发的影响因子 气温 水 温 风速 饱和汽压差(es-ez) 水面面积 水 质,2 水面蒸发量观测 蒸发量的单位为mm。水面蒸发量常用方法有器测法、水量平衡法和经验公式法等。 (1) 器测法 用蒸发器或蒸发池观测水面蒸发。 E=kE式中，E为天然水面蒸发量；E为蒸发器实测蒸发量；k为蒸发器折算系数。 (2)经验公式法 常用的经验公式为：E=f(u)(es-ez)式中，E为天然水面蒸发量； u为水面上某高处风速； es为水面温度下的饱和水汽压； ez为距水面上z处的水汽压， (es-ez)为饱和汽压差； 函数f，不同地区，形式不一样。,(3)彭曼水面蒸发公式,3 蒸发量描述 a. 蒸发率：单位时间内的蒸发量 b. 可能最大蒸发率或蒸发能力（EM)： 在充分供水的条件下，某一蒸发面的蒸发量，即同一气象条件下可能达到的最大蒸发率。,三 土壤蒸发 土壤中的水以水汽形式跃入大气的现象，称土壤蒸发。 1 土壤蒸发的影响因子 气象因素： 气温，风速，饱和水汽压差(es-ez) 土壤因素：土壤含水量，土壤特性，植被，地形,2 土壤蒸发量观测 土壤蒸发量常用方法有器测法、水量平衡法和经验公式法等。 器测法计算公式：,式中，G1，G2分别前后土壤干重；P为降落在土壤蒸发器上的降雨量；R为径流；q为引流量。,3 土壤蒸发三个阶段 a. 第一阶段：土壤充分湿润，供水充足，E接近最大蒸发能力EM； b. 第二阶段：土壤水分减少，WW田，供水条件变差，E逐渐减小； E=W/W田EM c. 第三阶段：WW断，水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,植物散发 植物中的水通过枝干、叶面散逸导大气中的现象。这方面的研究成果很多。观测方法包括器测法、水量平衡法和经验公式法等。流域总蒸发量 (1) E=E水+E陆+E植 (2) 水量平衡方程法 E=P-R-W,2.5 下渗(infiltration),下渗概念 水分从土壤表面进入土壤内的运动过程。它是径流形成的重要环节。二 下渗的物理过程 在重力、分子吸引力和毛管力作用下，水分进入土壤的过程大致分为三个阶段： 1 渗润阶段 分子吸引力作用被土壤表面吸附 2 渗漏阶段 毛管力和重力作用 3 渗透阶段 重力作用下渗量计算 下渗量一般用下渗率描述。下渗率指单位时间内，单位面积内渗入土中的水量，单位mm/h。下渗量可通过野外实验获得，也可以由经验公式推求。 目前，常使用Horton公式和Philiph公式。,1 Horton公式 ft=fc+(f0-fc)e-t式中，ft为t时刻下渗率；fc为稳定下渗率；f0为初始下渗率；为衰退系数。fc、 f0 、由实测资料获得。,2 Philiph公式 ft=fc+0.5st -1/2式中，ft为t时刻下渗率；fc为稳定下渗率；s为土壤吸水系数。影响下渗的因素 1 土壤性质 土壤粒径大小、初始土壤含水量 2 降雨 雨强、降雨时程分布 3 植被 4 流域地形 5 人类活动,2.5 径流(Runoff),径流形成过程 1 径流的含义 径流指由流域上的降水所形成的、沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地流动的水流。按流动的路径可分为：地表径流(Surface runoff)和地下径流(Ground water)。 2 径流的形成过程 (1) 概念 在流域中，从降水到达地面至水流汇集于流域出口断面的物理过程。,t,P,Q,t,t,P,t,Q,t,径流形成分两个阶段：产流阶段和汇流阶段。如下图所示。,R,产流,汇流,降雨过程,净雨过程,流域出口断面流量过程,图中，R=P-P损。 P损包括植物截留、填洼、下渗、蒸发等损失水量。 (2) 产流阶段 由降雨形成净雨的过程。,产流过程 ：降雨扣除损失成为净雨的过程 降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等的。 但二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。 地面净雨地面径流 表层流净雨表层流或壤中流 地下净雨地下径流,地面径流,总径流过程,(3) 汇流阶段 净雨通过坡地、河网汇集到流域出口断面的过程，可细分为坡地汇流和河网汇流。,a.坡地汇流 坡面漫流，流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源； 表层流径流，由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长的暴雨，也是构成河流流量的主要来源。 坡地地下汇流，地下水补给河流，构成河流的基流。,b. 河网汇流： 从支流到干流，从上游到下游，到流域出口断面； 河槽调蓄作用； 降雨损失，进入河网的水量小于降雨量； 汇流过程，径流过程比降雨过程变化缓慢。,蒸发E,降雨P,地面径流R1,总径流R,植物截留、填洼和表层土壤储存,土壤储存,浅层地下储存,深层地下储存,深层地下径流R4,浅层地下径流R3,壤中流R2,降雨径流形成过程框图,不透水面积上的径流,二 影响径流的因素 水量平衡方程：P-R-E=W R=P-E-W 1 气候因素 上式中，P、E属于气候因素。R随P增大而增大，随E增大而减少。E又与气温、湿度有关。气候因素是影响径流的主要因子，属急变因素。 2 地理因素 地理因素包括地理位置、地形、植被、流域大小等。它们从不同角度影响径流。 3 人类活动因素 人类在流域上进行的各种活动，包括兴建水利工程、大面积灌溉、水土保持措施、土地利用方式等。 直接影响：引水工程（南水北调），修建水库 间接影响：植树造林，都市化,城镇化产生的水文效应,三 径流的定量表示 1 流量Q 指单位时间内通过流域出口断面的水量，常用单位为m3/s。Q=AV。流量Q随时间t的变化过程，称为流量过程线Qt。,Qt,获得的流量都是瞬时值。实际工作中，常需要时段平均流量，如日平均流量、月平均流量、年平均流量。时段平均流量等于时段内流过的水量除以该时段的秒数。,2 径流总量W 指一段时间内通过流域出口断面的总水量，单位为m3、万m3 、亿m3 。计算公式为：,t1,t2,T,W,时段T内的平均流量,日径流总量、月径流总量、年径流总量通过上式都可以获得。,Q,t,3 径流深R 把径流总量W平铺在流域面积F上所得到的水深，称为径流深，单位mm。其关系式为： R=W/(1000F) 式中，W的单位为m3，F的单位为km2。可计算各种时间尺度(日、月、年)的径流深。 4 径流模数M 指单位流域面积上所产生的流量，单位为m3/(s.km2) 。即： M=Q/F式中各符号同前。 5 径流系数 指同一时段内的径流深R与对应时段降雨量P之比值。即： =R/P,本 章 重 点,水循环、水量平衡 河流、流域特征指标 面平均降水量计算方法 蒸发种类及影响因素 下渗的物理过程 径流形成过程、影响因素及其度量,作 业,1 某水文站多年平均流量Q0=830m3/s。其控制的流域面积F=120000km2，多年平均流域面雨量P0=770mm。试求该水文站控制流域的年平均径流总量、多年平均径流深、多年平均流量模数和多年平均径流系数。 2 P192-2 3 P192-3,