1、第二章 河川径流,第二章 河川径流,自然界的水循环 地球表面的各种水体，在太阳幅射热的作用下，不断蒸发成水汽，上升至空中，随气流的运动散布到各处，并在适当条件下凝结，以降水(雨、雪、雹等)的形式降落到地面，到达地面的水分，除部分被植物截留和蒸发外，其余的一部分沿地表流动汇入江河，另一部分渗入地下，随含水层流动并以泉水的形式汇入江河，汇入江河的水，大部分流入大海。然后又重新蒸发，继续输移、凝结形成降水，运转流动，往复不已。这种过程，称为自然界的水循环。,第一节 河流和流域,地面径流：降落到地面上的水，除掉损失一部分外，在重力作用下沿着一定方向和路径流动，这种水流称为地面径流。河流：地面径流长期侵
2、蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。河川径流：受重力作用沿河床流动的水流。,第一节 河流和流域,河谷：河流流经的谷地河床：河谷底部（谷底）有水流的部分。,第一节 河流和流域,水系（河系）：这些脉络想通的大小河流所构成的系统。水系由干流及其支流组成。一般把直接流入海洋或内陆湖泊的河流称为干流，汇入干流的称为一级支流、汇入一级支流的称为二级支流，其它类推。,河流的分段河源是指河流的发源地，可以是溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊等。河口 是河流流入海洋、湖泊或干流的地方。一条河流从河源到河口通常可分为上游、中游、下游三部分。,第一节 河流和流域,河流各分段特点上游直接连着河源，其特点是河道坡度大
3、，水流急，流量小，水情变化大，河谷窄、多急滩瀑布，河槽以冲刷下切占优势。中游特点是河道坡度变缓，流速减小，流量加大，冲淤不严重，河床比较稳定，但侧蚀力量增强，河糟逐渐拓宽和曲折，两岸出现滩地。下游河道坡度更缓，流速更小，流量更大，淤积作用显著，多浅滩或沙洲，河曲发育。,第一节 河流和流域,第一节 河流和流域,河流的基本特征 一般用河流断面、河流长度及河流比降来表示。,第一节 河流和流域,河流断面有横断面和纵断面。河流横断面：垂直于水流方向的断面。水位：横断面内，自由水面高出某一水准基面的高程，称为水位。过水断面：横截面内通过水流的部分，过水断面面积的大小随断面形状和水位而变化。,河流横断面一般
4、形状,第一节 河流和流域,深泓线：河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线。河流的纵断面是指河流最大水深点的连线的断面。河流纵断面的坡度一般从上游往下游逐渐变缓。,河流横断面一般形状,第一节 河流和流域,河流比降：任意河段两端（水面和河底）的高程差与其长度之比称为该河段的纵比降，即 式中i为河道纵比降，可用小数、百分数或千分数表示。河流长度 ：从河源到河口的距离。,第一节 河流和流域,流域 ： 降落到地面上的水，被高地、山岭分隔而汇集到不同的河流中，这些汇集水流的区域，称为某河流的流域。把地面水和地下水补给河流的区域，即河流的地面集水区和地下集水区，合称为流域。 我们的研究对象为某一建桥区段时
5、，影响该桥的水流区域为该桥上游河段两侧汇集水流的区域。,第一节 河流和流域,流域的特征（1）几何特征 主要是流域面积和流域形状 河流集水区域的面积大小，称为流域面积或汇水面积。如某水文测站的流域面积是指该水文站断面以上的集水区域面积。流域面积是河流水量的主要影响因素之一。流域形状：扇形流域、羽形流域,第一节 河流和流域,流域面积和流域形状是如何影响径流的？ 在相同地理条件下，流域面积A越大，径流量Q越大，流域对径流变化的调节作用也越大，因而洪水涨落平缓；流域面积A越小，Q越小，但洪水涨落较为急剧。流域形状影响径流汇集时间的长短和径流形成过程。若流域形状狭长为羽毛形，则出口断面流量就小，径流过程
6、的变化较小而历时较长。相反，扇形出口断面流量大，径流过程的历时较短。,第一节 河流和流域,流域的自然地理特征主要是流域的地理位置和地形流域的地形一般以流域平均高程和流域平均坡度来表示。前者影响降雨和蒸发，后者是确定径流汇流时间的重要因素。,第一节 河流和流域,山区河流和平原河流断面形状 径流特点 河床稳定性 山区河流 汇流时间短，暴涨暴落。水位流量变幅大，持续时间短。河床稳定。容易受地震、山崩、滑坡、泥石流影响。横断面多成V字形或U形。平原河流 汇流时间长，涨落平缓。水位流量变幅小，持续时间长。河床稳定性差。河床演变剧烈。,第一节 河流和流域,平原河流按平面形态及演变过程，分为四种类型河段：
7、顺直型 弯曲性 分汊型 散乱型,第一节 河流和流域,第一节 河流和流域,第一节 河流和流域,第一节 河流和流域,第一节 河流和流域,第二节 河川径流的形成,流域内，自降水开始到水量流过出口断面为止的整个物理过程，称为径流形成过程。,第二节 河川径流的形成,第二节 河川径流的形成,第二节 河川径流的形成,流量Q：是指单位时间内通过某一过水断面的水量，单位为 m3/s。流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示。,第二节 河川径流的形成,第二节 河川径流的形成,我国河流的水量补给雨源类雨雪源类冰雪源类,第二节 河川径流的形成,长江,第二节 河川径流的形成,黄河,第三节 水文测验,对各项水文因素的观测
8、，称为水文测验。水文站是进行水文测验的观测站，在固定的测流断面上，按国家水文测验规范的要求，定时进行水位、流速、流向、流量、比降、降雨、蒸发、泥沙、地下水位等各项水文因素的观测和资料整编工作。水位、流速、流量。,第三节 水文测验,1. 水位观测 水位：江河、湖泊等水体的自由水面相对于某一固定基准面的高程。 黄海基面：是青岛验潮站的多年（一般取19年）平均海平面（19年每小时潮位观测记录的平均值）。 设备及观测 水尺、自记水位计等。,第三节 水文测验,水位按下式计算： 水位 = 水尺零点高程 + 水尺读数式中，水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以预先测量出来。,第三节 水文测验,长江洪峰
9、正在通过九江,第三节 水文测验,自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，不遗漏任何突然的变化和转折，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化。,第三节 水文测验,2. 流速测验 流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出讯号，便可知道在一定时间内的旋转次数，流速愈大，转轴转得愈快，流速与转速之间有一定的关系 。,第三节 水文测验,第三节 水文测验,断面流速分布：水面以下0.2倍水深处流速最大，垂线平均流速约在水面以下0.6倍水深处。,第三节 水文测验,3. 断面流量 流速仪只能测得某点的流速，为了求得
10、断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线，在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。 测速垂线数目，根据河宽、水深来确定。测速垂线上的测点数，根据垂线的水深，流速仪的悬吊方式和测量精度的要求来确定。,第三节 水文测验,流速测验示意图,v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7,河流断面,布设测速垂线流速测验,第三节 水文测验,V (m/s),H (m),垂线平均流速计算,一点法,二点法,三点法,五点法,第三节 水文测验,4、流量计算 流速仪测流时有专用的记录和计算表格，通常在测流时随即计算流
11、量。 方法是：点流速 垂线平均流速 部分面积平均流速 乘以对应的部分断面面积 部分流量 全断面流量,部分平均流速计算,岸边部分：,中间部分：,第三节 水文测验,断面流量测验示意图,H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7,b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8,河流断面,布设测深垂线测量水深,测算间距,部分面积计算,岸边部分：三角形面积计算公式 中间部分：梯形面积计算公式,第三节 水文测验,断面流量计算示意图,A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8,河流断面,测深垂线,部分面积平均流速,V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8,部分面积,流量计算,第三节 水文测验,第四节
12、 水文资料的搜集和整理,第四节 水文资料的搜集和整理,水文站观测资料,第四节 水文资料的搜集和整理,水文站观测资料,第四节 水文资料的搜集和整理,水文站观测资料复核,第四节 水文资料的搜集和整理,洪水调查资料 洪水调查主要是在桥位上下游调查历时上各次较大洪水的水位，确定洪水比降，推算相应的历史洪水流量，作为水文分析和计算的依据；同时，调查桥位附近河道的冲淤变形及河床演变，作为确定历史洪水计算断面和桥梁墩台天然冲刷深度的依据。 通过洪水调查，能获得近几十年或几百年的历史洪水资料，能补充水文站观测资料和文献考证资料的不足，提高水文分析和计算精度。,第四节 水文资料的搜集和整理,洪水调查资料 由洪水
13、调查水位推算洪水流量步骤 1 选择形态断面(计算流量的断面,要求顺直稳定无分汊),第四节 水文资料的搜集和整理,2 计算形态断面的流速和流量 式中： 断面的平均流速，对于复式断面，河床和河 滩的断面平均流速应分别计算； 粗糙系数（糙率）； 水力半径； 洪水比降，即河流中出现洪峰时的水面比降。 水力半径R：对于宽浅河流,当水面宽度大于断面平均水深的十倍时, 湿周可近似地用水面宽度，此时R约等于断面平均水深 。则有：,第四节 水文资料的搜集和整理,2 计算形态断面的流速和流量 水力半径R：对于宽浅河流,当水面宽度大于断面平均水深的十倍时, 湿周可近似地用水面宽度，此时R约等于断面平均水深 。则有：,过水断面面积,湿周：过水断面上流体与固体壁面接触的周界线（m）,第四节 水文资料的搜集和整理,3 确定洪水比降 可以根据水文站观测资料确定，也可根据洪水调查资料推算。4 确定河床粗糙系数n 河床的粗糙系数反映水流所受河床阻力的大小，直接影响流速和流量，应根据河流类型和河床特征综合考虑。 对于复式断面，河滩和河槽的n、i都不一样，河槽和河滩的流速、流量应按不同的粗糙系数分别计算。,
