水文循环与径流形成.ppt

第二章 水文循环与径流形成 水文循环与水量平衡 河流与流域 3.降水、蒸散发、下渗、径流,第一节 水文循环与水量平衡 一、自然界的水文循环 地球上存在的各种水体以蒸发、降水、入渗和径流等方式进行的往复交替的运动过程，称为水文循环。,水循环示意图,大循环,小循环,小循环,1、大循环：海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。2、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、地球上的水量平衡 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。水量平衡方程：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。,以陆地作为研究范围水量平衡方程为：以海洋为研究对象水量平衡方程为：,对多年平均情况：Sc、So趋于零。所以：合并得：或:,三、流域水量平衡 以流域作为研究范围水量平衡方程为：,对于多年平均情况而言：S趋于零，故其水量平衡方程为：,第二节 河流与流域 一、河流 1、河流的形成与分段、干流、支流、水系概念 形成：地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。分段：河源、上、中、下游、河口。,干流、支流、水系概念：干流：直接流入海洋、湖泊的河流。支流：流入干流的河流。Strahler河流分法：无支流汇入的河流为一级河流。两条同级别的汇合而成的比原来高一级。两条不同级别河流汇合取较高者。干流：水系中最高级别的河流。,水系：脉络相同的大小河流所构成的体统。,黄河流域水系图,2、河流的基本特征 河长 自河源沿主河道至河口的距离称为（km）。量取方法：曲线仪或分规。河流的断面：横断面：垂直流向 纵断面：沿中泓线,3.河道纵比降：概念 任意河段两端（水面或水底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。水面比降、河底比降。比降计算,比降计算计算示意图,二、流域 1、流域概念 汇集地面水和地下水的区域,即分水线所包围的区域。,流域示意图,分界线(分水线）,某一断面流域河口断面流域,闭合流域不闭合流域,2、流域边界线勾绘：,3、流域基本特征 流域的几何特征 流域面积F(km2），采用方格法、求积仪法量面积。流域长度（L）、平均宽度（M）L（km），采用同心圆法。M（km）：F/L。河网密度 L/F（km/km2）流域形状系数：M/L 流域平均高度和平均坡度 采用方格法。,流域面积 F（km2）求积仪法、数方格法,流域长度（L）和平均宽度（M）,流域平均高度和平均坡度 方格法，方格交叉点值平均。,流域自然地理特征 地理位置：经纬度。反应水文循环的强弱。气候条件：降水、蒸发、湿度、气温、气压、风速等。决定流域水文特征。下垫面条件 地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等。反应每一水系形成的具体过程，并影响径流的变化规律。,第三节 降水 降水：雨、雪、霰、雹、露、霜。一、与降水有关的气象因素 气温：对流层内：平均每升高100m，气温下降0.65。,气压：单位面积承受大气的重力。hPa气压场、等压面、位势高度、等位势高度线、高空图概念：,高空图,地面天气图,气压分布基本形式（气压系统）：低气压、高气压、高压脊、低压槽、鞍形气压区,辐合,辐散,风：大气的运动：垂直称为对流，水平称为风。,风为矢量：用风速、风向表示。影响我国降水的最重的风：季风。,湿度：主要指标：水汽压(e,hPa)饱和水汽压(E)：随温度而变饱和差：E-e若：则凝结湿度绝对湿度（g/m3):单位体积空气中所含水汽的质量。相对湿度：实际水汽压与饱和水汽压比值露点（Td)水汽达到饱和时的温度。露点的高点与空气中水汽含量有关比湿（q)水汽质量与气团空气总质量的比值。,云 蒸发 二、降水的形成与分类 降水的形成 三因素：水汽、上升运动、冷却凝结。原理:地面湿热气团上升膨胀、冷却、凝结、成云、形成降水。,降水的分类 对流雨 地形雨 锋面雨 气旋雨 对流雨 形成：上升的空气形成动力冷却而致雨称为对流雨。特点：降雨强度大，历时短、雨区较小。,地形雨,特点：因空气本身温湿特性，运行速度及地形特点而异。,Lifting of moist air currents over mountain barriers Common in the west coast of U.S.,锋面雨 锋面活动产生的降水称为锋面雨。锋面：温湿特性不同的气团相遇时，在其接触区由于性质不同来不及混合而形成的不连续面。锋面与地面的交线称为锋线，习惯上称为锋。锋面分类：按运动学观点分为：冷锋、暖锋、静止锋、锢囚锋。,特点：降雨强度大、历时短、雨区范围较小。,冷锋雨,暖锋雨,特点：降雨强度小、历时长、雨区范围大。,气旋雨、温带气旋雨,、热带气旋雨,我国降水量地区分布,三、降水量观测 器测法 方法 雷达探测 气象卫星云图 1、雨量器 分辨率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。,2.自计式雨量计 虹吸式 翻斗式 称重式(1)虹吸式 分辨率：0.1mm 降雨强度适用范围：0.014.0mm/min。,Tipping bucket gauge:funneling the collected rain to a small bucket that tilts and empties each time it fills,The precipitation depth determined based on the number of bucket tilts,四、降水特性的描述 降水量：一定时段的降雨量，单位：mm。降水历时：降水持续时间，单位：min，h，d。降雨强度：单位时间降雨量，单位：mm/h，mm/d。瞬时降雨强度，平均降雨强度。4.降雨量过程线：5.降雨量累计过程线,五、流域平均面雨量计算1、算数平均法,2、泰森多边形法,66 mm,D,A,45 mm,C,69 mm,57 mm,B,E,78 mm,A1,A2,A3,A4,A5,六、我国降水量及其时空分布：分带性：5带；年内分配不均：年际变化大：,第四节 下渗 水透过地面进入土壤的过程，称为下渗。是在分子力、毛细管力和重力综合作用下发生的 物理过程。,一、与下渗有关的概念1、包气带和饱水带2、土壤水土壤水分存在形式吸湿水薄膜水毛管水重力水,土壤含水量和水分常数土壤含水量一定量的土壤中所含水分的数量（mm)最大吸湿量(饱和空气中）:最大分子持水量（薄膜水厚度最大）:凋萎含水量（凋萎系数）:毛管断裂含水量田间持水量（最大毛管悬着水量）饱和含水量,二、下渗的物理过程 渗润阶段受分子力作用渗漏阶段受毛管力和中共同作用渗透阶段 受重力作用,三、下渗率、下渗能力、下渗曲线、下渗公式 1、下渗率：单位时间内渗入单位面积土壤中的水量（mm/min，mm/h）。2、下渗能力：充分供水条件下的下渗率。,3、下渗曲线、霍顿（Horton)下渗公式：,起始下渗率,稳定下渗率,系数,四、自然条件下的入渗五、地下水潜水承压水,第五节 蒸散发 蒸散发是水文循环的重要环节。流域蒸发：水面蒸发 土壤蒸发 陆面蒸发 植物散发,一、水面蒸发：器测法 间接计算法 1.器测法：水文部门普遍采用E601型蒸发器、大型蒸发池（20m2、100m2)。每日8时观测一次，得日蒸发量；可计算月蒸发量、年蒸发量。,蒸发器折算系数：K,二、土壤蒸发 1、土壤蒸发过程 三个阶段：第一阶段：土壤充分湿润，供水充足E接近最大蒸发能力EM。第二阶段：土壤水分减少，供水条件变差，E逐渐减小。第三阶段：水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,三、流域总蒸发 包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发及植物散发。水量平衡法：某一时段：多年平均：,第六节 径流 降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。地表径流 组成 表层流（壤中流）地下径流,一、径流的形成过程 流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。人为划分 产流过程 汇流过程,径流形成过程示意图,植物截留,下渗,填洼,R1,R2,R4,R3,总结：1.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。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,2.汇流过程：净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，再沿河网汇集到流域出口断面的过程。坡地汇流：坡面漫流:由地面净雨形成。沿坡面流到附近河网。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:由表层流净雨形成。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。地下汇流:由地下净雨形成。部分形成浅层地下水补给河流，部分形成深层地下水、构成河流的基流。河网汇流：从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面。,二、径流的表示方法 1.流量（Q）：m3/s，洪峰流量 Q m，日平均流量.2.径流量（W）：时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m3。3.径流深（R）：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水 层深度，mm。,4.径流模数（M）：流域出口断面流量与流域面积之比值，L/(skm2)，洪峰流量模数，多年平均流量模数。5.径流系数（）：径流深与流域平均降雨量的比，1。,