《2019年工程水文学第二章 水文循环与径流形成课件》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2019年工程水文学第二章 水文循环与径流形成课件(61页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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:
3、 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
4、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
5、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、 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
6、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,二、 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。
7、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,三、 降水特性的描述 降水量: 一定时段的降雨量,单位: mm。 降水
8、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。,四、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,第四节 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。 每日8时观测一次, 得日蒸发量;可计算月蒸发量、年蒸发量。,二、土壤蒸发 1、土壤蒸发过程 三个阶段: 第一阶
9、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:,中国蒸发量地理分布,第五节 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 、下渗的物理过程 1.渗润阶段 分子力作用,土壤颗粒吸收成薄膜水。非饱和水流。 2. 渗漏阶段 毛管力、重力作用,水分向下运动,水分逐渐饱和。非饱和水流。 3. 渗透阶段 重力作用,水分饱和。饱和水流。,二 、下渗实
10、验 1. 直接测定法 (1)注水法:同心环下渗仪(略)。 (2)人工降雨法(略) : 2. 水文分析法:流域水量平衡方程分析(略),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(EM)。,3、下渗曲线、霍顿(Horton)下渗公式:,起始下渗率,稳定下渗率,系数,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。
11、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: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
12、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。 由于汇流途径不同,汇流特征(汇流时间、速度)不同。 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。,作业: 1、:、。 3、某流域面积1000km2,流域多年平均降雨量1400mm,多年平均流量20m3/s,问该流域多年平均蒸发量为多少?若修建一水库,水库面积为100km2,当地实测蒸发器读数的多年平均值为2000mm,蒸发器折算系数为0.8,问建库后流域多年平均流量是多少?,