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第二章 河流概论
河流与流域
河流径流的形成
河流的泥沙运动
河床演变
河床水文资料的收集和整理
本章内容要览
第一节、 河流与流域
01
干流
直接流入海洋、湖泊的河流称为干流。
02
支流
直接或间接流入干流的河流称为支流，在较大的水系中，按水量和从属关系，支流可分为一级、二级、三级等。
03
水系
由大小不同的河流干流、各级支流、湖泊、沼泽和地下暗流等组成的脉络相通的水网系统称为水系，也叫河系或河网。
河流：
沿地表线形凹槽集中的经常性或周期性水流，叫做河流。
1.1 河流
1.1.1 干流、支流和水系
水系类型
（按干支流平面所组成的形差异分类）
羽状水系
扇形水系
向心水系
平行水系
格状水系
放射状水系
树状水系
一、 河流与流域
1.1 河流
1.1.1 干流、支流和水系
一、 河流与流域
1.1 河流
河流可按其形态特征及水力特性进行分段。
直接连接河源的河流上段
上游
中游以下的河段
下游
河流开始具有地面水流的地方
河源
上游以下的河流中段
中游
河流的出水口
河口
1.1.2 河流的分段
1.1 河流
河流的基本特征有河流长度、河流弯曲系数、纵横断面及纵横比降等，它们都是在实测地形图中量取并计算而来的，是水文计算的基本数据。
1.1.3 河流特征
1.1 河流
（1）河流长度：
自河源沿主河道至河口的轴线长度称为河流长度，简称河长，常以L表示。
河长可以在大比例尺的地形图上用曲线仪或两角规量取。
1.1.3 河流特征
1.1 河流
（2）河流弯曲系数：
河段实际长度L与该河段长度 之比，称为河流的弯曲系数，用符号K表示，有：
由于， ，故 。K值越大，说明河道越弯曲，对航运越不利。K=1，河道顺直。
1.1 河流
（3）河流的横断面：
即过水断面，指垂直于主流方向，横切河道，河底线与水面线所包围的平面。
1.1.3 河流特征
1
输水能力
2
减速分布
3
比降
4
流量
5
流量和泥沙的计算
1.1 河流
（4）河流的横比降：
河流沿横断面方向的水面坡度，称为横比降。
1.1.3 河流特征
弯曲河段中的
惯性离心力作用
A
地球自转
偏向力的作用
B
流速分布
不均匀的影响
C
河湾断面水流示意图
a)平面图；b)横断面图
1.1 河流
（5）河流的纵断面：
河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连续被称为中泓线或溪线。沿河流中泓线的剖面称为河流的纵断面，常用纵断面图表示。河流纵断面能很好的反映河流比降的变化。
1.1.3 河流特征
1.1 河流
（6）河流的纵比降：
是指河段上游、下游河底高差（或同时间水位差）与河段长度的比值，前者称为河底纵比降，又称河底坡度，后者称为水面纵比降又称水面坡度。河底（或水面）纵比降可用下式计算：
式中：I--河底（或水面）纵比降（小数或百分数）；
H1，H2--河段上下游两断面的河底高程（或同时间水位），m；
L--河段长度，m。
1.1 河流
山区河流及平原区河流是最典型的河流形态。
1.1.4 河流的平面形态特征
1.1 河流
1.1.4 河流的平面形态特征
山区河流
平面上多急弯，宽窄相同，河床稳固；
1
河流纵断面多呈凸型，比降缓陡相间；
2
开阔河段，河面较宽，有边滩，有时也有不大的河漫滩和明显阶地，有的地方也会出现河心滩和沙洲，比降缓慢，河床泥沙较细；
3
峡谷河段，河床狭窄，河岸陡峭、中、枯水河槽无明显区别。
4
1.1 河流
1.1.4 河流的平面形态特征
平原区河流
中泓线与河道中线一般不重合；
1
河谷开阔，有时河槽高出地面，靠两侧堤防束水；
2
河床横断面多呈宽浅矩形，通常横断面上滩槽分明，在河湾处横断面呈斜角形，凹岸侧窄深，凸岸侧为宽且高的边滩，过渡段有浅滩、沙洲；
3
河床冲积层厚，枯水期河槽中露出各种形态的泥沙堆积体；
4
由于平原区河流多河弯，浅滩连续分布，因此，河床纵断面亦深浅相同。
5
中泓线与河道中线一般不重合；
1
河谷开阔，有时河槽高出地面，靠两侧堤防束水；
2
1.2 流域
（1）分水线：
划分相邻水系（或河流）的山岭或河间高地称为分水岭。分水岭最高点的连线称为分水线。
（2）流域：
一个水系（或一条河流）的集水（地表水或地下水）区域称为流域，即为分水线所包围的区域。
1.2.1 分水线和流域
1.2 流域
（1）流域面积：
流域地面集水区的水平投影面积，称为流域面积，常用符号F表示。通常在1:50000-1:100000的地形图上勾绘出流域周界，然后用方格法或求积仪法求出。
（2）流域长度和平均宽度
流域长度即流域的轴长，通常用L表示，流域长度经常用河流的干流长度代替。流域面积F与流域长度L之比，称为流域的平均宽度，常用符号B表示，有：
1.2.2 流域的几何性质
1.2 流域
（3）流域形状系数：
积流域平均宽度B与流域长度L之比，常用符号ξ表示，有：
扇形流域ξ较大，狭长流域ξ较小，它在一定程度上以定量的方式反映了流域的形状，
1.2.2 流域的几何性质
1.2 流域
02
流域的气候条件
01
流域的地理位置
06
流域的湖泊和沼泽
04
流域的土壤、岩石性质和地质构造
05
流域的植被
03
流域的地形条件
1.2.3 流域的自然特征
第二节、 河川径流的形成
2.1 河川径流的形成和集流过程
径流的行程过程：
河川径流是在气候和流域其他自然地理条件综合影响因素下，从降雨到达地面至水流汇集、流至出口断面的整个过程，称为径流形成过程，一般分为4个阶段，如图所示：
2.1 河川径流的形成和集流过程
（1）降水阶段
（2）流域蓄渗阶段
（3）坡面漫流阶段
（4）河网汇流阶段
2.2 河川径流的影响因素
（1）气候因素
降水、蒸发、气温、湿度、风等统称为气候因素，它们对径流都有影响，其中降水和蒸发直接影响径流的形成和变化。
2.2 河川径流的影响因素
（2）流域的下垫面因素
流域的地貌、地质和土壤、植被、湖泊、沼泽等的几何及自然地理特征，统称下垫面因素，它对出口断面的径流量也有直接或间接的影响。
1
地貌因素
2
植被因素
3
湖泊和沼泽因素
4
地质和土壤因素
5
流域面积和形状因素
2.2 河川径流的影响因素
（3）人类活动因素
人们为了开发利用和改造河流，采用了各种措施。根据对河川径流的影响可将这些措施分为三种类型。
1
增加河川径流量的措施
2
改变河川径流分配的措施
3
减少地表径流的措施
2.3 河川径流的特征值
（1）流量 Q:
单位时间内流经某一过水断面的水量，单位常用m3/s。
（2）径流总量 W:
在一定时段内通过河流某一横断面的总水量（一般指出口断面），单位常用m3，有：
式中:t---时段（如日、月、年等）长，s。
Q---时段（如日、月、年等）内的平均流量，m3/s。
2.3 河川径流的特征值
（3）径流模数 M:
单位流域面积上产生的流量，单位常用L/(s·km2)，有：
式中:A---流域面积，km2；
Q---流域出口断面的流量，m3/s。
2.3 河川径流的特征值
（4）径流深度 R:
单位流域面积上的径流总量，也即是把径流总量平铺在整个流域面积上所得到的水层深度，单位常用mm，有：
2.3 河川径流的特征值
（5）径流系数 α:
任一时段的径流深度（或径流总量）与该时段径流的降水量（或降水总量）之比值。有：
式中:X---降水量，mm。α实际上是降水量与径流量间的损失折减系数。
α越小，表示降水的损失越大，形成的径流量越小，反之亦然。
显然，α<1，意即降落到流域上的雨水总有损失
表示方法的相互转化：
2.4 我国河流流量的补给
河流根据补给水量的来源可以分为多种类型的河流。
雨源类河流
01
雪源类河流
02
雨雪源类河流
03
地下水补给类河流
04
湖泊与沼泽水补给类河流
05
人工补给类河流
06
3.1 河川泥沙及其特性
第三节、 河川的泥沙运动
河流泥沙是指组成河床和随水流运动的泥、土、砂、石等固体颗粒。河川泥沙对于河流的水情及河流的变迁有着重大的影响，泥沙问题给防洪、航运、灌溉等水利事业提出了许多重要的课题。
3.1 河川泥沙及其特性
河流泥沙主要是流域坡面上流水侵蚀作用的产物。此外在某些河段中，河道水流对河槽的冲刷也能增加河流的泥沙含量。但是，就形成河流的整个历史过程来看，泥沙都是从流域地表冲蚀而来的。
流域地表冲蚀的泥沙数量，通常以侵蚀模数（也称固体径流模数）表示，即每平方公里流域地面上，每年侵蚀下来并汇入河流的泥沙吨数。
3.1.1 河流泥沙的来源
3.1 河川泥沙及其特性
泥沙特性包括颗粒的大小、形状、重度及泥沙的水力特性等。
3.1.2 泥沙的特性
3.1 河川泥沙及其特性
3.1.2 泥沙的特性
（1）泥沙颗粒的形状
泥沙颗粒的形状极不规则，其几何特性常用粒径表示，即用与泥沙同体积球体的直径来表示泥沙颗粒的大小，常用d表示，单位mm。
（2）泥沙颗粒的重力特性
泥沙的重力特性用重度γe表示，即单位体积内所含泥沙的重力。其值随岩土成分而异，各地河流泥沙重度变化范围都较小，在25-27kN/m3之间，通常取26kN/m3。
3.1 河川泥沙及其特性
（3）水力特性
水力特性用水力粗度或沉速表示。泥沙颗粒在静水中下沉时，受重力影响下沉速度不断增加，当达到某一极限值时，阻力与重力恰好相等，则泥沙以均匀速度下沉，此时泥沙运动速度称为泥沙的沉降速度。
3.2 泥沙的运动形式
泥沙运动的主要形式有两类，即推移质运动与悬移质运动。根据泥沙的运动状态，可将其分为悬移质和推移质两类。
3.2 泥沙的运动形式
3.2.1 推移质运动
1
起动流速
2
扬动流速
3
止动流速
（1）泥沙的起动、扬动和止动
（2）沙波运动
沙波运动是天然河流中推移质集中运动的一种形式。
3.2 泥沙的运动形式
3.2.2 悬移质运动
悬移是泥沙运动的主要方式之一，就我国的情况而言，冲积平原中各条大河所挟带的泥沙，悬移质占绝大部分，在一部分山区和丘陵的河流中，悬移质也占重要的位置。
紊动作用是泥沙悬浮的主要因素，重力作用是泥沙不能悬移的主要因素。
3.2 泥沙的运动形式
3.2.2 悬移质运动
（1）悬移质的分布与变化
天然河道中，悬移质含沙量沿垂线的分布具有自水面向河底增加的趋势。
（2）水流挟沙能力
单位体积的水流能够挟带泥沙的最大数量称为水流挟沙能力。当上游的来沙量超过本河段水流挟沙能力时，河槽就会淤积；相反，则发生冲刷。如果两者正好相适应，即处于输沙平衡状态，这时，河槽将处于不冲不淤的稳定状态中。
3.2 泥沙的运动形式
3.2.2 悬移质运动
（3）河流的输沙率
单位时间内通过过水断面处的泥沙质量，称为输沙率。它可分为悬移质输沙率与推移质输沙率两类。河流的总输沙量应是推移质（往往忽略不计）与悬移质输沙量的总和。输沙率用符号S表示，有
式中：S---输沙率，kg/s;
Q---流量，m3/s；
ρ---含沙量，kg/m3
4.1 河床演变的基本类型和影响因素
第四节、 河床演变
河床演变是河床形态的变化，河床演变可分为纵向变形与横向变形两类。
4.1.1 河床演变的基本类型
（1）河床演变的横向变形
河床演变的横向变形是指沿河宽方向的平面形态的改变，如河湾发展、河槽拓宽、塌岸、分汊、改道和裁弯等。
4.1 河床演变的基本类型和影响因素
（2）河床演变的纵向变形
河床演变的纵向变形是指沿水流方向河床高程的变化，即其纵剖面的改变。河床的纵向变形主要表现为河床冲淤不平衡所引起的高程变化，其原因是河流纵向输沙不平衡。
4.1 河床演变的基本类型和影响因素
河床演变与水利工程、市政工程、交通土建工程等都有密切关系，同时也对相关建（构）筑物的实用安全起到至关重要的作用，影响因素主要有6个方面。
4.1.2 河床演变的影响因素
1
流量大小及变化
2
河床比降
3
河床形态
4
河段来沙量
5
河床地质
情况
6
人类生产活动的影响
4.2 不同类型河段的河床演变规律
山区河流坡度陡，流速大，水流中的悬移质含沙量小于河段的水流挟沙力，处于次饱和状态，以下切为主。但河床多系基岩或卵石、块石等组成，抗冲力强，因此河床下切速度缓慢。当山区土壤疏松时，如西北地区的黄土高原，则下切显著，沟壑纵横。
4.2.1 山区河段
4.2 不同类型河段的河床演变规律
平原冲积河流的河床演变现象极其复杂。平原河流比降平缓，挟沙力相对较小，一般以泥沙的堆积为主。但河床多为细沙组成，在洪流作用下容易发生运动。因此平原河流冲淤变化的速度较快，变化的幅度也比较大。
4.2.2 平原河段
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（1）顺直微弯型河道
4.2.2 平原河段
图4-1 顺直微弯型河道平面形态图
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（1）顺直微弯型河道
4.2.2 平原河段
演变特征：
①浅滩和深槽交替发生冲淤，不但浅滩多，而且浅滩、深槽和主流线位置很不稳定，河床附近有时为深槽，有时为浅滩，水深变化大。
②浅滩和深槽同步顺流下移。
③河床周期性展宽和缩窄。
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（2）游荡型河道
4.2.2 平原河段
图4-2 黄河游荡河段图
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（2）游荡型河道
4.2.2 平原河段
演变特征：
①多年平均情况下，河床不断淤积抬高，行成”地上河”。
②年内的冲淤变化，一般为汛期主槽冲刷，滩地淤积，而非汛期相反。
③沙洲移动迅速，河道外形经常改变，冲淤变化幅度极大，一次洪水 后，河床面目全非。
④主槽经常摆动，并且摆动的速度和幅度都很大。
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（3）弯曲型河道
4.2.2 平原河段
图4-3 下荆江碾子湾自然裁弯图
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（3）弯曲型河道
4.2.2 平原河段
演变特征：
①凹岸崩退和凸岸淤长；
②河湾发展，河线蠕动；
③自然的裁弯取直，并伴随着又一轮的河湾消长。
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（4）分汊型河道
4.2.2 平原河段
4.2 不同类型河段的河床演变规律
（4）分汊型河道
4.2.2 平原河段
演变特征：
①洲滩的移动；
②河岸的崩塌和弯曲；
③汊道的交替兴衰。
第五节、 河川水文资料的收集和整理
水文资料包括水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质和地下水等资料。是水文分析计算的基本依据，它是水利工程规划设计和管理运行的基础资料。
5.1 水文资料的收集
水文资料的来源主要有三个方面，即水文站观测资料、洪水调查资料和文献考证资料。三者可以相互补充，相互核对，使水文资料更加完整可靠。
5.2 水文资料的检测方法
水位是河流、湖泊、海洋和水库等水体在某一地点的自由水面相对于标准基面（也称绝对基面）的高程，单位为m。我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。不同时刻的水位变化曲线，称为水位过程线。
5.2.1 水位观测
5.2 水文资料的检测方法
观测水位的设备有水尺和自记水位计两大类。
5.2.1 水位观测
图5-1 水尺示意图
图5-2 SW40型自记水位计
5.2 水文资料的检测方法
某一水位下的河流过水断面称为河流的形态断面，简称为断面。断面测量的方法是先测水位，再沿水面宽度取若干点测水深，由此可得河底高程，连接各测深点，即可绘出过水断面图。通过地形测量，还可绘出河谷断面图。
常见的探深工具有测深杆和回声测深仪等。
5.2.2 断面观测
5.2 水文资料的检测方法
水文基线是水文站实测各水文要素所依据的代表性河床横断面，采用设于水文基线断面的水尺或自记水位计观测，测是水位为：
H=水尺零点高程+测时水尺度数
5.2.2 断面观测
5.2 水文资料的检测方法
通过定时观测，可获得各种特征水位，如低水位、常水位、洪峰水位等。相应某一水位时的河段水面比降为：
5.2.2 断面观测
水面比降通常沿一案施测，当设计需要时间是可沿两岸同时施测。长度L参考下表：
5.2 水文资料的检测方法
在天然河道上测流速时，只要条件许可，一般可使用流速仪。流速仪是用来测定水流中任意指定点的水流平均流速的仪器，传统流速仪主要有旋杯式与旋浆式两种。
5.2.3 流速测量
图5-3 旋杯式流速仪
图5-4 旋浆式流速仪
5.2 水文资料的检测方法
超声波技术正广泛应用于流速测量（如多普勒超声波流速仪），测速时应沿水文基线断面布置测流垂线，通常在河槽较密而在河滩处较稀。垂线布设数目如下表：
5.2.3 流速测量
5.2 水文资料的检测方法
如漂浮物较多，水流甚急时，流速仪施测困难，可改用浮标法，其方法虽简便，但精度较差。投放浮标可测得水面流速：
5.2.3 流速测量
垂线平均流速的计算公式为:
式中：K---浮标系数，对较大河流为0.85-0.9，对小河流为0.75-0.85.
5.2 水文资料的检测方法
断面测量和测点流速数据求得之后，由测点流速求垂线平均流速，再推求部分断面面积上的部分平均流速，把各部分平均流速与相应部分面积相乘即得部分流量，各部分流量之和即为测流断面流量。
5.2.4 流量计算
5.2 水文资料的检测方法
（1）垂线平均流速计算
5.2.4 流量计算
5.2 水文资料的检测方法
（2）部分面积平均流速的计算
5.2.4 流量计算
5.2 水文资料的检测方法
（3）部分面积的计算：
部分面积是以测速垂线为分界的面积。岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算，有：
5.2.4 流量计算
式中:f1---第i块梯形部分断面面积，m2;
Hi,Hi-1---第i和i-1条垂线水深，m；
bi---第i块部分断面面积的水面宽度，m。
5.2 水文资料的检测方法
（4）流量计算：
部分断面的平均流速与该部分面积之积即为该部分流量，所有部分流量之和即为测流断面的流量Q。
5.2.4 流量计算
式中:v1---部分断面平均流速，m/s;
f---部分断面面积，m2；
n---部分断面的各数。
5.3 水文资料的整理
（1）资料的审查分析
包含了资料的可靠性审查、洪水系列的代表性分析以及洪水资料样本的选择。
5.3 水文资料的整理
（2）洪水要素关系曲线的确定
图5-5 水位与流量、过水面积和流速关系曲线
5.3 水文资料的整理
（3）水位流量关系曲线的移用
规划设计工作中，常常遇到设计断面处缺乏实测数据，这时就需要将邻近水文站的水位流量关系移用到设计断面上。

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