1、第二章 河川径流,桥涵水文 第二章 河川径流,第一节 河流和流域第二节 河川径流的形成第三节 水文测验第四节 水文资料的搜集和整理,本章要求：掌握河川径流的基本概念，并能对其中的 基本概念归纳出正确的定义。,桥涵水文 第二章 河川径流,海陆循环,引 言,桥涵水文 第二章 河川径流,内陆循环,自然界的水分循环：地球表面的各种水体在太阳辐射的作用下，不断蒸发成水汽进入大气，水汽在上升和随气流运动中遇冷凝结，并以降水（雨、雪、霜、露等）形式降落到海洋或地面上，到达地面的水分，除部分被植物截留和蒸发外，其余一部分通过河流汇入海洋；一部分渗入地下，随含水层流动并以泉水的形式汇入江河；汇入江河的水最终汇入
2、海洋。然后又重新蒸发、上升、移动、凝结、降雨。如此周而复始，形成自然界的水分循环。,桥涵水文 第二章 河川径流,2.1 河流和流域,一、河流,1、河流的形成与分段,河川径流；水系；干流；支流；河源；河口；上游；中游；下游,黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓（lu）海拔4500米的约古宗列盆地。经青藏高原的青海、四川、甘肃，黄土高原和鄂尔多斯高原的宁夏、内蒙古、陕西、山西，华北平原的河南、山东，注入渤海，全长5464公里，流域面积75万平方公里.,图2-1-1 黄河水系略图,相关定义 河川径流受重力作用沿河床流动的水流； 水系脉络相通的大小河流所构成的系统； 干流水系中直接流入海洋或内陆湖泊的河流
3、； 支流流入干流的河流； 河源在河流干流上开始具有表面水流的地方； 河口河流流入海洋或湖泊的地方。,黄河水系略图,2、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。 (1)河流断面：分为河流横断面、河流纵断面。,概念：水位、河槽、河滩、单式断面、复式断面、过水断面、深泓线（航线） 。,水准基面,H1,H2,位于青岛观象山山顶处，由中国人民解放军总参测绘局于50年代所建，全国各地的海拔高度皆由此点起算。我国把黄海海平面定为海拔基准面。,相关定义水位横断面内，自由水面高出某一水准基面 的高程；水位分为高水位和低水位；河槽宣泄洪水和输送泥沙的主要通道，常年 流水，分为主槽和边滩；河滩只有汛
4、期才有水流，无明显底沙运动， 可生长植物、种植农作物；深泓线河流中沿水流方向各横断面上最大水深点 的连线。,（2）河流长度：一般天然河流，从河源到河口的距离。,测量方法：用曲线计、两脚规或其它方法，从地图上得到。,缺点：一般比实际距离要小，需要进行修正。,（3）河流比降：任意河段两端（水面或河底）的高程差与其河段长度之比称为比降，有水面比降和河底比降。以百分数或小数表示。,一条河流各段比降是不一致的，河流比降一般自河源向河口逐渐减小。河底比降相对水面比降来说比降稳定，因为水面比降还会受到水位的影响。,二、流域1、定义：汇集水流的区域称为某河的流域（汇水区、汇水面积） 流域的周界称为分水线。分水
5、线就是流域四周最高点的连线，在山区是流域四周的山脉脊线;平原地区是四周地面最高点的连线。如秦岭是黄河和长江的分水线。,黄河流域航拍图,2、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。,流域面积和流域形状是如何影响径流的？,在相同自然地理条件下： 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。 流域形状狭长为羽毛形，则出口断面流量就小，径流过程的变化较小而历时较长。相反，流域形状宽阔呈扇形出口断面流量大，径流过程的历时较短。,
6、（2）自然地理特征 主要是流域的地理位置和地形。 地理位置,三、河流分类1、根据流域地形特点分类： 山区河流 平原河流,特点 ：地势陡峻，汇流时间短，暴涨暴落，水位流量变幅大，持续时间短，水流流态紊乱，河流比降大。,特点：流域面积大，比降小；汇流时间长、涨落平缓、水位流量变幅小、河床稳定性差、地势平坦易冲淤。,平原河流按平面形态及演变过程可分为四种类型的河段：顺直微弯型（边滩平移型）河段：,科罗拉多河(Colorado River),弯曲型（蜿蜒型）河段：,长江荆江蜿蜒型河段,弯曲型（蜿蜒型）河段：,凹岸,凹岸,凸岸,凹岸冲刷、凸岸淤积,？,分汊型（交替消长型）河段：,长江南京附近八卦洲分汊河
7、段,散乱型（游荡型）河段：,黄河花园口游荡型河段,游荡型）河段,2.2 河川径流的形成一、径流形成的过程： （1）定义 流域内，自降水开始到汇集的雨水流过出口断面的全过程，称为径流形成过程。 （2）此过程分为四个阶段： 降水流域蓄渗坡面漫流河槽集流,径流形成的过程：,1、降雨过程；2、流域蓄渗过程；3、坡面漫流过程；4、河槽集流过程,图2-2-1 径流形成过程示意图,2,河川径流的大小和变化，通常用流量Q和水位H来表示。一次洪水过程可用历时、峰值（流量、水位）和径流量三个水文因素反应其特征。,二、影响径流的主要因素：1、气候因素：降雨、蒸发 降雨强度、历时、面积等；蒸发强度大小不同。2、下垫面
8、因素 流域的地形、土壤、地质、植被、湖泊等自然地理因素，相对于气候因素而言，称为下垫面因素。3、人类活动因素 封山育林、水土保持、修建水库等。,三、我国河流的水量补给 1、雨源类 秦岭、淮河以南直到台湾、海南岛、云南等广大地区的河流，都属于雨源类。,长江汉口水文站1954年和1955年流量过程线,汛期长水量大,分水岭,分水岭,2、雨雪源类 华北、东北地区的河流，每年有两次汛期：3-4月间由于融雪形成春汛；入夏后降雨增多，69月间形成夏汛或秋汛。,黄河花园口水文站流量过程线,3、冰雪源类 西北地区新疆、青海等地的河流，水量补给以融雪和冰川融水为主。,跨国河流额尔齐斯河某水文站流量过程线,峰值,2
9、.3 水文测验 河流水情的变化，可由河流水文因素的观测资料来反映，对各项水文因素的观测，称为水文测验。一、水位观测1、水位：某一时刻水文站测流断面的水面高程。2、水位换算关系：黄海平均海平面进行换算；水尺读数+水尺零点高程。3、观测手段水尺（直立式水尺、倾斜式水尺、矮桩式水尺）自记水位计（能够自动记录水位变化过程）,直立式水尺,倾斜式水尺,矮桩式水尺,测流断面和水尺布设示意图,直立式水尺,倾斜式,二、流速测验天然河流过水断面内的流速分布：,最大流速一般出现在最大水深处的水面附近。,流速仪法流速仪一般分为旋杯式和旋桨式。,旋杯式流速仪,旋浆式流速仪,浮标法浮标测流速应选择顺直河段，并布设基本测流
10、断面。,旋杯式流速仪,旋浆式流速仪,三、流量计算河流的流量是过水断面面积与断面平均流速的乘积。过水断面的流速是不均匀分布。流速测验只能测得某点的流速或水面流速。实测流速不能直接用以计算断面平均流速。因此：流量计算采用分块计算法。,三、流量计算 流速仪测流时流量计算按下列步骤进行：以测速垂线将测流断面划分成若干部分，计算其过水面积Ai,测速垂线,不流动的流速为0不包括这一部分面积,根据各测点的实测流速，计算各测速垂线的 垂线平均流速 。,式中：V0.0、V1.0水面及河底的测点实测流速（m/s）k半深流速系数，可采用0.90.95。,注意系数,计算各个部分面积的断面平均流速(部分平均流速)：i)
11、 岸边或死水边的部分平均流速 =自岸边或死水边起第一条测速垂线的平均流速* 死水边取0.6 斜坡岸边取0.7 陡岸边取0.8（不平整的）或0.9（光滑的）ii) 断面中间的部分平均流速=相邻两垂线平均流速的算术平均值:, 计算各个部分面积的流量（即部分流量）： 计算全断面的流量：反算断面平均流速：,水文测验时流量计算的方法是：点流速 垂线平均流速 部分面积流速 乘以对应的部分断面面积 部分流量 全断面流量,让我们总结归纳一下吧！,四、相应水位的计算：算术平均法测流过程中，由水位变化而引起的过水面积的变化不超过5%10%（平均水深1.0m）或10%20%（平均水深1m）可取测流开始和终止时两次观
12、测水位的算术平均值。加权平均法,2.4 水文资料的搜集和整理,定义： 从实地调查、观测及计算研究所得与水文有关的各项资料。例如降水量、蒸发量、水位、流量、含沙量等，以及从这些资料求得在一定时期内的最大值、最小值、平均值、总量、过程线和等值线等。,一、水文站观测资料 一般搜集历年最大洪峰流量（同一洪水成因）及其相应的洪峰水位、洪水比降、粗糙系数、流速、河段变化等 。 水文站观测资料由于天然或人为原因，会存在一些误差，因此在使用时需要复核。 1、洪水水位资料的复核 2、洪峰流量资料的复核 糙率又称粗糙系数，是表征河渠底部和岸壁影响水流阻力的综合因素的系数，反映水流所受河床阻力的大小，直接影响流速和
13、流量。,二、洪水调查资料 （1）目的：洪水调查主要是在桥位上下游调查历史上各次较大洪水的水位，确定洪水比降，推算洪水流量；并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冲刷深度的依据。 （2）方法：历史洪水位相应的洪水流量，可以按水力学中的明渠均匀流复式断面的方法进行计算。 1、水文断面的选择 2、水文断面的流速和流量的计算 3、洪水比降的确定 4、河床粗糙系数的选择,明渠均匀流水深h、断面平均流速v沿程都不变的流动。渠底必须沿程降低，即 并且要在较长一段距离内保持不变。是重力流，依靠重力分力驱使水流运动，保证流动流向必须有恒定不变的作用力。平坡、逆坡中不可能产生均
14、匀流。必须是长而直的棱柱形渠道。（避免象弯管、阀门、滚水坝、桥孔等局部阻力对水流产生影响，而导致非均匀流）渠道表面的粗糙系数n应沿程不变。这是因为粗糙系数决定了阻力的大小，n变化，阻力变化，有可能成为非均匀流。渠道中水流应是恒定流。即 （常数）。否则，v会变化。,水文断面选择时应注意哪些问题？,?,在调查洪水位时，可在有历史洪水位痕迹的附近设置测流横断面，作为流量计算所依据的横断面，称为水文断面，也称为形态断面。1、水文断面的选择基本符合明渠均匀流的要求水文断面与桥位之间应无支流、无分流或壅水现象水文断面应靠近桥位，尽可能靠近调查的历史洪水位水文断面应与洪水流向垂直 壅水指因水流受阻而产生的水
15、位升高现象。,2、计算水文断面的流速和流量（1）断面平均流速计算，使用谢才曼宁公式： （2-4-1）v断面平均流速（m/s），河槽和河滩的v应分别计算;n粗糙系数（糙率）；R水力半径（m）;i 洪水比降（河流中出现洪峰时的水面比降），以小 数计。,过流断面上流体与固体壁面接触的周界线，称为湿周。湿周为过水断面上水流所湿润的边界长度。常用（希腊字母/kai/ ）表示。湿周是过水断面的重要水力要素之一，湿周越大水流阻力及水头损失也越大。水力半径:过水断面面积与湿周之比。表达式为：R=A/ 。,对于宽浅河流，当水面宽度大于断面平均水深的十倍时（L10 ），湿周可近似地用水面宽度代替，此时R约等于断面
16、平均水深 。则有： （2-4-3）v断面平均流速（m/s）;n粗糙系数（糙率）； 断面平均水深（m）;i 洪水比降，以小数计。,水文断面的流量则为：单式断面复式断面,3、确定洪水比降 （1）河流中出现洪峰时的水面比降，称为洪水比降。 （2）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。 （3）如果缺少洪水比降资料，可采用河底比降代替洪水比降进行流量计算。,4、确定河床粗糙系数n （1）河床粗糙系数最好采用水文断面的实测值，如无实测资料也可查表(如2-4-1)。 （2）对于复式断面，河滩与河槽的粗糙系数n及洪水比降i均不同，应分别计算。,三、文献考证资料四、桥梁水文信息的保存和处理1、桥梁的基本信息(桥名、桥梁类型、设计洪水频率、水流与桥轴法线的夹角、通航等级、公路等级、桥位在直河段或河湾段、是否有凌汛)2、桥梁跨越河流及水域的信息3、桥位河段采用的水文站观测的历年年最大流量系列资料例题2-4-1.纠错（作业）, 河槽和河滩的水面宽度均大于断面平均水深的10倍。,
