第六节 河流

一、河流、水系、流域 (一）概念辨析 河流（River）：降水或由地下引出的地表水，汇集在地面低洼处，在重力作用下，经常地或周期性地沿着流水本身造成的洼地流动，称为河流。 水系（ Water System）：流域内大大小小的水体，构成脉络相通的系统，称之水系。 流域（Drainage Area）:水体的地面集水区和地下集水区的总称。

（二）河流   河流概指陆地表面依赖重力顺槽形凹地向低处流的线性水流。

1 河流的纵横断面 年轻河流的纵断面多呈上落型或折线型；老年河流则多呈平滑下凹曲线型，又被称为均衡剖面。 河源与河口的高度差，就是河流的总落差。 某一河段两端的高度差，则是这一河段的落差。 单位河长的落差，叫做河流的比降。 河流纵断面能够很好地反映河流比降的变化。 如下图，河流的纵断面：

河 流 纵 断 面

河流纵剖面——均衡剖面

2 河流的分段 一条河流常常可以根据其地理-地质特征分为 河源、上游、中游、下游和河口五段。 河源 河流最初具有地表水流形态的地方； 河源 河流最初具有地表水流形态的地方； 上游 紧接河源的河谷窄、比降和流速大，水量小、侵蚀强烈、纵断面呈阶梯状并多急滩和瀑布的河段。

中游 水量逐渐增加，比降较和缓； 下游 河谷宽广，河道弯曲，河水流速小而流量大，淤积作用显著，到处可见浅滩和沙洲。 河口 河流入海、入湖或汇入更高级河 流处，经常有泥沙堆积，有时分汊现象显 著，在入海、入湖处形成三角洲。

河流的分段   高原上的黄河

河流的分段    黄河宁夏段

河流的分段    黄河出峡

河流的分段    黄河壶口瀑布

河流的分段    黄河河口

尼罗河三角洲

（三）水系及水系形式 水系：河流沿途接纳众多支流，并形成复杂的干支流网络系统，就是水系。 按照一定的岩层构造、沉积物性质和新构造应力场的反映，水系形式通常分为：树枝状、格状和长方形三类。 按照干支流相互配置的关系或它们构成的几何形态划分可分为：扇状水系、羽状水系、梳状水系和平行水系四类 按照水系流向的相互关系可分为：向心水系和辐散水系。

水 系 A.树枝状水系 B.格状水系 C.平行状水系 D.放射状水系 E.环状水系 F.向心水系 G.网状水系 H.钩状水系 水 系   干流和它的各级支流共同组成水系。大大小小的支流与其干流的组合形式称水系形式。 A.树枝状水系 B.格状水系 C.平行状水系 D.放射状水系 E.环状水系 F.向心水系 G.网状水系 H.钩状水系

水 系    水系形式反映水流的顺势而下、水流的侵蚀切割、沟谷发育的时间顺序等，均与该地域地面的物质组成、地壳运动与地质构造特征以及地貌发育的历史过程等有非常密切的关系。 图中的钩状水系就与渭河以南秦岭断块的向南掀斜上升有关，  格状水系与交叉的破裂构造有关，

平行状水系多与较平坦地面的单向倾斜或基岩出露区的一组平行破裂构造有关，树枝状水系多出现在构造运动比较稳定、地面物质组成比较均质(如黄土高原)的地区，   放射状水系和环状水系则多与穹状隆起、火山锥或盆地地貌发育有关。

（四 ）流域 流域：每一条河流和每一个水系都从一定的陆地面积上获得补给，这部分陆地面积就是河流和水系的流域，也就是河流和水系在地面的集水区。

Drainage basin

  流域之间均有分水岭—水分脊—分水线相隔。   以分水线为界测算流域面积。 塔里木河流域

流域的面积和形状对河流水量变化有明显的影响。 流域中干支流总长度和流域面积之比， 称为河网密度，即： D=ΣL/F D的单位为km/km2。 流域面积是流域的重要特征之一。除干燥区外，一般是 流域面积越大，河流水量也越大。此外，流域形状对河流 水量变化也有明显的影响。 河网密度是地表径流丰富与否的标志之一。流域气候、植 被、地貌特征、岩石土壤渗透性和抗蚀能力，是河网密度 大小的决定性因素。

    流域的长度指河口到河源的直线距离，或者是以河口为中心画同心圆，各同心圆被流域切割圆弧中点的连线。    流域面积除以流域长度即为流域宽度。    干流两岸流域面积之差除以两岸流域面积之和(即流域面积)称流域的不对称系数；

流域平均高度为该流域各相邻等高线之间的面积乘以平均高程之总和再除以流域总面积。

  有关“流域”的这些指标，不仅仅反映流域本身的自然特征以及在不同流域之间进行比较，而且能用它们来解释各不同流域的水文特征、流域的地貌发育与地貌结构特征，以及若干自然灾害事件的原因机制。 三峡大坝

二、河流水文   河流水文即河流水的物质、能量、静态、动态及其功能特征的描述，主要是水位、水头、水温、水深、水体颜色、流速、流量、含沙量、输沙量等物理水文信息和许多水化学信息。    流水的功能，颗粒大小与起动流速的关系 （据M.Bradshaw et al，1993）

（一）水位    水位是指某地点某种水体(江河、湖、海、水库、地下水等)于某时刻的自由水面，它相对于特定基准面的高程。 Niagara瀑布

水位过程线：用纵坐标表示不同时间的水位高度，横坐标表示时间，即可绘出水位过程线。 相应水位线：用纵轴表示上游站水位，横轴表示下游站水位，即可绘出两个测站的相应水位曲线。 相应水位：河流各站的水位过程线上，上下游站在同一次涨落水期间位相相同的水位，叫相应水位。 流域内的径流补给是影响流量、水位变化的主要因素

平均水位：单位时间内水位的平均值。 中水位：一年中观测水位值的中值。 平均高水位和平均低水位：各年最高水位与最低水位各自的平均值。 如下图，相应水位曲线：

相应水位曲线

（二）流速 流速指水质点在单位时间内移动的距离。可用 等流速公式（薛齐公式） 计算某一时段的平均流速：V=C(RI)1/2 建立等流速公式的基本出发点是：只有动力与摩擦力相等时，水流才沿河槽作等速运动。如下图所示： R：水力半径，为过水断面面积与水浸部分弧长之比； I：河流纵比降； C：待定系数。

推 导 平 均 流 速 公 式 的 示 意

薛齐公式中的 C 是一个不定值，可能决定 于糙度、深度、过水断面形状等。下面是两 个最常用的计算C值的公式： 1.满宁公式：C=(1/N)R1/6; N：河槽粗糙系数（可查表得到）； R：水力半径。 2.巴甫诺夫斯基公式：C=(1/N)Rx； x＝ 2.5N1/2－0.13－0.75R1/2(N1/2－0.10)。

   瞿塘峡上口

  运动水体要克服各种阻力，如运动速度不一的水质点之间的摩擦阻力，与运动水体边界的摩擦阻力。运动水体边界的摩擦阻力的大小，与边界的粗糙程度有关。因此，通常是中心部位的流速比边沿部位要快得多；用流速仪测流速时要考虑水面宽度，布多条垂线和考虑水深布多个测点，以求过水断面平均流速； 天然河道中流速的分布 1.纵向剖面垂线上的流速分布； 2.纵向剖面床底障碍物对垂线流速分布的影响 3.过水断面的流速分布； 4.结冰水面下过水断面的流速分布。

（三）流量 1.定义：单位时间内通过某过水断面的水 量，叫做流量。 计算式为：Q=Av；A为断面积，v为平均 流速。 2.流量和水位之间的内在联系： V=C(RI)1/2, A=f2(H),那么， Q=f1(H)•f2(H)=F(H) 这个公式所表示的就是水位流量关系曲线，如下图：

水位流量关系曲线

  水位流量关系曲线是以水位为纵坐标、流量为横坐标，将每组水位、流量实测值点绘在坐标系中，连接点群中心点的平滑曲线。因此，只要掌握了水位与流量的变化相关规律，就可以利用水位流量曲线由水位值推算得相应的流量值。 水位流量关系曲线

在实际工作中，常常还需绘制另一种曲线 －流量过程线。如下图所示： 流 量 过 程 线

  一条河流某过水断面(站)水流量随时间的变化曲线称流量过程线。密苏里河某站流量从280m3/s―2800m3/s不等，夏季的基本径流(570m3/s)比冬季高2-3倍,4-6月的高流量与流域的冰雪融化有关。 美国密苏里河（上）与中国永定河三家店站（下）的年流量过程线

    有长期实测资料的河流年径流量的计算，似乎比较简单。径流变差系数Cv为均方差与均值的比值。对于CV较大的河流，所需实测系列更要长一些。一般来说在实测系列中应包含有特大丰水年、特小枯水年以及大致相同的丰水年群和枯水年群。    仅有短期实测资料的河流正常年径流量的推算，可考虑利用年径流资料延展插补系列和利用年降水资料延展插补系列。其中的关键是据要求算站(甲)和相邻参证站(乙)的已有实测数据，求甲、乙两站的平均流量的相关，或据甲、乙两站年降水资料求流域平均年降水与甲站年径流深的相关。还可考虑用回归方程式求研究变量与参证变量之间的相关关系。    无实测资料的河流正常年径流量的推算，常用水热平衡法或等值线图法。前者如年径流深度等于流域年平均降雨量减去流域总蒸发量，或年径流量等于年降水量乘以(参照性的)径流系数。等值线图法实际上是借助于地带性递变规律或相似原理由已知区对未知区进行推算。

（四）水温与冰情    水温即水体的温度，它是水体内部分子热运动的平均功能指标。水温的长期观测，同水位一样，可以得出水温的日、月、年变化曲线，以及最高水温、最低水温与日、月、年平均水温等。水体温度影响着它的溶蚀力、溶解度、水体密度以及它与外界之间物质与能量的转移输送。水面与陆面相比较，在接受相同日照的情况下，由于下列原因，导致水面温度的升降变化比陆面要缓慢得多。一是太阳辐射能够直接穿透一定的水层厚度，直至水面以下20m甚至更深的水深；二是水的比热比陆地物质的比热大，三是水体可以通过涡动混合传热；四是水面蒸发使水温下降。所以，水体温度的最高值低于相邻地面、最低值则高于相邻地面，水体温度最高值与最低值出现的时间则晚于相邻地面最高温与最低温出现的时间。因此，水体或水域对局部气候环境起着显著的调节与稳定作用。水温异常则往往造成灾难。

冰情 当气温降到0 oC以下，水温降到0 oC时，河中开始出现冰晶，岸边形成岸冰。 冰晶扩大，浮在水面形成冰块。随着冰块增多和体积增大，河流狭窄处和浅水处首先发生阻塞，最后使整个河面封冻。

（五）水体的颜色  水体的颜色决定于水体对太阳光线的吸收和反射状况。太阳光中的红光、橙光和紫光进入水体后，在水深20m以内被吸收，绿色、黄光与蓝光透到更深一些，极少量蓝光能透到100-1000m以下。水体的透明度以直径30cm的白圆盘投入水中的可见深度来表示。影响水体颜色与水体透明度的因素很多，尤其如水体中的悬浮微粒、水生生物、水体运动等等。近岸水体常呈绿、黄或棕色，除了水深因素外，便与水生生物丰富和悬浮物质及溶解物质的量多有关。 黄河出峡

（六） 含沙量     含沙量是单位体积水中所含泥沙的重量，单位为kg/m3，或表示为重量百分比。据泥沙在水流中的运动方式，将水流中的泥沙分为悬移质、跃移质与推移质三类。悬移质泥沙随水流运移。跃移质泥沙沿河床跳跃迁移。推移质泥沙沿床底滚动迁移。在水流速度不变情况下，三类泥沙以泥沙粒径即自重而分，在水流速度发生变化的情况下，相应粒径的泥沙颗粒的运动方式也会发生变化。悬移质含沙量可以在流体中直接取一定体积的水样来测定。 西陵峡龙马溪口

（七）输沙量    输沙量为单位时间通过过水断面的泥沙总量，每天、每月或每年多少吨(T)。最大含沙量、最高输沙量与最大流量通常是同步的，但有时与泥沙来源有关，输沙高峰与流量高峰也有时间上互相错开的现象。 长江河口