水文学5第五章 径流课件

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1、第五章 径流,径流是水循环的基本环节，又是水量平衡的基本要素，它是自然地理环境中最活跃的因素。从狭义的水资源角度来说，在当前的技术经济条件下，径流则是可资长期开发利用的水资源。河川径流的运动变化，又直接影响着防洪、灌溉、航运和发电等工程设施。因而径流是人们最关心的水文现象。,流域的降水，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流，称为径流。液态降水形成降雨径流，固态降水则形成冰雪融水径流。,第五章 径流,第一节 径流的形成过程 第二节 径流的表示方法 第三节 影响径流的因素,第一节 径流的形成过程,由降雨（或融雪）到水流汇集到河流出口断面的整个物理过程，称径流形成过程。 径流形成过程是一个非

2、常复杂的物理过程，根据各个阶段的特点，把径流形成划分为三个过程。 一、流域蓄渗阶段 二、坡地产流和汇流阶段 三、河槽集流阶段,第一节 径流的形成过程,一、流域蓄渗阶段 二、坡地产流和汇流阶段 三、河槽集流阶段,一、流域蓄渗阶段,一、流域蓄渗阶段,当雨水降落到地面上时，除一小部分（一般不超过5%）降落于河槽水面上的降水直接形成径流外，大部分降雨并不立即产生径流，而是消耗于植物截留、下渗、填洼与蒸发。在一次降雨过程中，流域上各处的蓄渗量及蓄渗过程的发展是不均匀的。因此，地面径流产生的时间和地方并不一致，有前有后，先满足蓄渗的地方先产流。,降雨开始时，除一少部分降落在河床上的雨水直接进入河流形成径流

3、外，大部分降水并不立刻产生径流，而是首先要消耗于植物截留、枯枝落叶吸收、下渗、填洼与蒸发。,（一）植物截留,植物截留是指降雨过程中植物枝叶拦蓄降水的现象。在降雨过程中植物枝叶吸附的雨水量截留量，在降雨开始阶段，截留量随降雨量正比增加，经过一段时间后，截留量将不再随降雨量的增加而增加，而是稳定在某一个值、此时达到最大截留量。截留过程贯穿在整个降雨过程中，积蓄在枝叶上的雨水不断被新的雨水替代。雨止后截留水量最终耗于蒸发。,在降雨过程中穿过植物枝叶空隙直接到达地面的降雨为穿透降雨，由枝叶表面滴下到达地面的降雨为滴下降雨。林内降雨由穿透降雨和滴下降雨组成。,植物截留量与降水量、降水强度、风、植被类型、

4、郁闭度、枝叶的干燥程度等有关。 一般情况下，降水量越大，植物截留量越大；降水强度越强，截留量越小；风越大，截留量越小；不同的植被有着不同的截留量，叶表面积越大，截留量越大，尤其是叶片表面的状况对截留量有很大影响；郁闭度越高，整个林分的截留量越大。,林冠截留量可以达到年降雨量的，在湿润地区截留量对减少地表径流的形成有积极作用。但是在干旱地区，如何调节截留量，使更多的雨水到达地面，进入土壤，用于林木生长是干旱区造林工作中面临的新课题。,（二）枯枝落叶吸收,穿过林冠层的降水到达地表之前，还要遇到枯枝落叶层的阻拦。枯枝落叶层一般都较为干燥，具有较强的吸收雨水的能力。枯枝落叶层吸收雨水能力取决于枯枝落叶

5、的特性和含水量大小，一般情况下，枯枝落叶层越干，吸收的雨水量越大。枯枝落叶不但可以吸收雨水，而且还可以减缓地表径流流速，促使更多的径流渗入土壤，同时还可以过滤地表径流中携带的泥沙。,（三）下渗,当雨水穿过枯枝落叶层到达土壤表面时，水分便开始下渗。下渗发生在降雨期间和降雨停止后地面尚有积水的地方。渗入土壤中的水分最终消耗于蒸发和蒸发散，还有一部分向深层渗透进入地下水。,（四）填洼为流域中各处的土壤特性、土层厚度、土壤含水量、地表状况等因素各不相同，所以，流域内各点出现超渗产流和蓄满产流的时间不同。首先出现产流的地方雨水在流动过程中还要填满流路上的洼坑,称为填洼。,对于山区流域来说，一次暴雨洪水过

6、程中，填洼量所占比重不大，在10毫米左右，它最终将耗于蒸发及入渗，因此，在实际计算中往往被忽略。但在平原或坡度平缓的地面，由于地面洼坑较多，填洼量较大，可高达100毫米，流域填洼过程在径流形成过程中的作用十分显著。它不仅影响到坡面漫流过程，同时也影响到径流总量，因此，不容忽视。,超渗产流 在降雨过程中当降雨强度小于土壤的入渗强度（能力）时，所有到达地表的雨水全部渗入土壤之中，但是下渗强度的空间变化很大，有些地方下渗能力强，有些地方下渗能力弱，在有些地方当降雨强度大于土壤的入渗强度时多余的雨水便在地表形成地表径流（超渗雨），这种产流方式称为超渗产流。超渗雨开始蓄积形成地面积水。,蓄满产流 如果降

7、雨强度小于下渗强度，下渗过程持续进行，当土壤中所有孔隙都被雨水充满后，多余的水分在地表形成径流，这种产流方式称为蓄满产流。,壤中流 降雨过程中渗入土壤的水分不断增加，当某一界面以上的土壤达到饱和时，在该界面上就会有水分沿土层界面侧向流动，形成壤中流。,地下径流 当降雨继续进行，下渗水分到达地下水面后，以地下水的形式沿坡地土层汇入河槽，形成地下径流。,小结,在流域蓄渗过程中产生三种径流形式地表径流、壤中径流和地下径流，因此，蓄渗过程也是流域的产流过程。 在流域蓄渗过程中降雨必须满足四种损失，植物截留损失、枯枝落叶吸收损失、下渗损失、填洼损失，因此，流域的蓄渗过程也叫损失过程。,在流域蓄渗过程中，

8、无论是植物截留、下渗、填洼、蒸散发及土壤水的运动，水的运行均受制于垂向运行机制。 水的垂向运行过程构成了降雨在流域空间上的再分配，从而构成了流域不同的产流机制，形成了不同径流成分的产流过程。,在这一阶段中，凡是不构成径流的降水部分，称损失量。 植物截留量、填洼量、下渗量和蒸发量都是损失量，但它们对于后续降水的产流都是有利的因素。 在这一阶段中，河槽水流基本上没有大量的新的补给，主要仍靠前期地下水补给（可能有少量的河槽降水），因此，流量过程线无明显的变化。,二、坡地产流和汇流阶段,（一）坡面漫流,扣除植物截留、入渗、填洼后的多余的降雨在坡面上以片状流、细沟流的形式沿坡面向溪沟流动的现象为坡面漫流

9、。 坡面漫流通常是在蓄渗容易得到满足的地方先发生，例如，透水性较低的地面（包括小部分不透水的地面）或较潮湿的地方（例如河边）等，然后其范围逐渐扩大。,满足填洼后的降水开始产生大量的地面径流，它沿坡面流动进入正式的漫流阶段。,在漫流过程中，坡面水流一方面继续接受降雨的直接补给而增加地面径流， 另一方面又在运行中不断地消耗于下渗和蒸发，使地面径流减少。 地面径流的产流过程与坡面汇流过程是相互交织在一起的，前者是后者发生的必要条件，后者是前者的继续和发展。,坡面漫流可能呈紊流或层流，其流态与降雨强度有关，其水的运行受重力和摩阻力所支配。,坡面漫流的流程一般不超过数百米，历时亦短，故对小流域很重要，而

10、大流域因历时短而在整个过程中可以忽略。 地面径流经过坡面漫流而注入河网。 一般仅在大雨或高强度的降雨后，地面径流才是构成河流流量的主要源流。,（二）壤中流,壤中流及地下径流也同样具有沿坡地土层的汇流过程。 它们都是在有孔介质中的水流运动。 由于它们所通过的介质性质不同，所流经的途径各异，沿途所受的阻力也有差别，因此，水的流速不等。,壤中流（表层流）主要发生在近地面透水性较弱的土层中，它是在临时饱和带内的非毛管孔隙中侧向运动的水流。 通常壤中流汇流速度比地面径流慢，但比地下径流快得多。,壤中流在总径流中的比例与流域土壤和地质条件有关。 当表层土层薄而透水性好，下伏有相对不透水层时，可能产生大量的

11、壤中流。 在这种情况下，虽然其流速比地面径流缓慢，如遇中强度暴雨时，壤中流的数量可以增加很多，而成为河流流量的主要组成部分。,壤中流与地面径流有时可以相互转化，例如，在坡地上部渗入土中流动的壤中流，可能在坡地下部以地面径流形式汇入河槽，部分地面径流也可能在漫流过程中渗入土壤中流动。 故有人将壤中流归到地面径流一类：,（三）地下径流,均匀透水的土壤有利于水渗透到地下水面，形成地下径流。 地下径流运动缓慢，变化亦慢，补给河流的地下径流平稳而持续时间长，构成流量的基流。 但地下径流是否完全通过本流域的出口断面流出，取决于地质构造条件。,小结 上述3种径流的汇流过程，构成了坡地汇流的全部内容，就其特性

12、而言，它们之间的量级有大小、过程有缓急，出现时刻有先后，历时有长短之差别。 对一个具体的流域而言，它们并不一定同时存在于一次径流形成过程中。,在径流形成中，坡地汇流过程起着对各种径流成分在时程上的第一次再分配作用。 降雨停止后，坡地汇流仍将持续一定时间。,补充：流量过程线,由一次降雨所形成的典型流量过程线包括涨水段、峰段和退水段。 从开始起涨到第一个拐点称涨水段，代表流域滞蓄水量的增长所产生的流量的增长。 峰段包括从涨水段上的拐点到退水段上的拐点间的部分。峰段最高点为最大流量，代表流域一次降水的最大汇流量。 退水段的拐点通常被认为标志着地面入流停止到达河槽的时刻。此后，退水段代表从流域蓄水排出

13、的水量。,t,Q,典型流量过程线,涨水段,峰段,退水段,三、河网汇流过程,各种径流成分经过坡地汇流注入河网后，沿河网向下游干流出口断面汇集的过程，即河网汇流过程。 这一过程自坡地汇流注入河网开始，直至将最后汇入河网的降水输送到出口断面为止。 坡地汇流注入河网后，使河网水量增加、水位上涨、流量增大，成为流量过程线的涨洪段。,出口断面,此时，由于河网水位上升速度大于其两岸地下水位的上升速度，当河水与两岸地下水之间有水力联系时，一部分河水补给地下水，增加两岸的地下蓄水量，这称为河岸容蓄。 同时，涨洪阶段，出口断面以上坡地汇入河网的总水量必然大于出口断面的流量，因河网本身可以滞蓄一部分水量，称为河网容

14、蓄。,当降水和坡地汇流停止时，河岸和河网容蓄的水达最大值，而河网汇流过程仍在继续进行。 当上游补给量小于出口排泄量时，即进入一次洪水过程的退水段。此时，河网蓄水开始消退，流量逐渐减小，水位相应降低，涨洪时容蓄于两岸土层的水量又补充入河网，直到降水在最后排到出口断面为止。此时河槽泄水量与地下水补给量相等，河槽水流趋向稳定。,上述河岸调节及河槽的调节现象，统称为河网调蓄作用。 河网调蓄是对净雨量在时程上的又一次再分配， 故出口断面流量过程线比降雨过程线平缓得多。,地下水位,河岸调节作用,河网汇流的水分运行过程，是河槽中不稳定水流运动过程，是河道洪水波的形成和运动过程，而河流断面上的水位、流量的变化

15、过程是洪水波通过该断面的直接反映，当洪水波全部通过出口断面时，河槽水位及流量恢复到原有的稳定状态，一次降雨的径流形成过程即告结束。,在径流形成中通常将流域蓄渗过程，到形成地面汇流及早期的表层流过程，称为产流过程， 坡地汇流与河网汇流合称为流域汇流过程或汇流过程。,径流形 成过程,流域蓄渗过程 坡地汇流过程 河网汇流过程,地面汇流 壤中汇流 地下水汇流,流域产流过程,流域汇流过程,径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。 产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。 汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨

16、过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。,第二节 径流的表示方法,一、流 量 二、径流总量 三、径流模数 四、流量变率 五、径流深度 六、径流系数,第二节 径流的表示方法, 流量Q : 单位时间内通过某过水断面的水量，以（m3/s）表示。流量有瞬时值、日平均值、年平均值及多年平均值等。 流量过程线通过某断面的流量随时间的变化过程以时间为横坐标，以流量为纵坐标，根据流量实测记录绘成的曲线。从流量过程线上可以看出流量在该时段的变化过程。,第二节 径流的表示方法, 径流总量W :在一定时段内通过某断面的水量，以m3或亿m3计。 在流量过程线上时段T内流量过程线以下的面积，即为时段T的径流总量。有时也用其时段平均流量与时段的乘积表示，即 WQT,第二节 径流的表示方法, 径流模数M :指流域出口断面流量与流域面积的比值，即单位时间单位面积上产生的水量。, 流量变率K :是指某一时段的径流量与同一时段多年平均经流量之比。该值反映某一时段内经流量偏丰（K