径流的流动与输送

二、径流的流动与输送

(一)径流形成的基本过程

在地面和地下运动着的水流称为径流(Runoff)。按照径流存在的空间状态，可分为地表径流和地下径流。地表径流指降水经蒸发、入渗等消耗后沿地表运动的水流，地下径流则指降水入渗后在地下运动的水流。这两种径流汇集于河道中的部分形成河川径流。河川径流是人类所依赖的最重要的水资源，大约占利用水量的4/5，成为地表径流的重要组成部分。

在自然状况下，由降落到流域地面上的降水形成的径流，通过地面或地下途径汇集到各级支流，然后沿干流下泄，这一从降水开始，直到水流从流域出口断面流走的整个物理过程称为径流形成过程。按照整个过程发展的特点，可以将其划分成产流和汇流两个阶段(见图9-15)。

图9-15　径流形成过程示意图

1.产流阶段

当降雨开始之后，部分雨量被植物枝叶截留，超过植物截留能力的雨量落在地面上，其中，一部分雨量停蓄在低洼地带成为填洼量，另一部分则通过岩石、土壤的孔隙不断向下渗入，形成表层土壤的储存。植物截留、填洼和表土储存都是降雨径流形成过程中的损失量，不参与径流量的组成。直接降落在河流、湖泊水面上的部分雨水则形成少量的径流。

一般在降水满足了土壤饱和需水后或降雨强度大于土壤入渗率时，地面径流开始产生。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、地方有先有后，先满足蓄渗的地方先产流。

当在易透水的表层土壤下存在相对不透水层时，不断下渗的雨水在该层上面暂时停蓄，形成饱和含水层，从而产生沿坡侧向流动的壤中流，它的流速小于地面径流，到达沟(河)槽的时间也较迟。壤中流与地面径流有时可以相互转化，如坡地上部渗入土壤形成的壤中流可能在坡地下部以地面径流的形式注入沟(河)槽，部分地面径流也可能在漫流过程中渗入土壤中流动。因此，通常把壤中流归入地面径流之中。

如果雨水继续下渗到浅层地下水面，并缓慢地渗入河槽则成为浅层地下径流。深层地下水(承压水)也可通过泉或其他形式补给河流，称为深层地下径流。地下径流运动缓慢，变化也慢，补给河水的地下径流平稳且持续时间亦久。由此可见，地面径流(包括壤中流)和地下径流是降雨量中产生径流的部分。

2.汇流阶段

超渗雨水在坡面上呈片流、细沟流运动的现象，称做坡面漫流。坡面漫流通常是在蓄渗容易得到满足的地方先发生，如透水性较低的地面或较潮湿的地方，然后其范围逐渐扩大。其流程一般不超过数百米，历时亦短。地面径流、壤中流和地下径流均有沿坡地土层的汇流过程。

以地面径流为例，地面径流在沿坡面流动的漫流过程中，一方面接受降雨的直接补给而增加，另一方面又在运行中不断地消耗于下渗和蒸发。地面径流的产流过程与坡面汇流过程相互交织，前者是后者发生的必要条件，后者是前者的继续和发展。三种径流的汇流在量级大小、过程缓急、出现时刻、历时长短等特性上不尽相同。而且对于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的过程中。

降雨产生的径流，沿坡面漫流汇集到附近的河网后，顺河槽向下游流动，最后全部流经流域出口断面，形成河网汇流。坡面漫流汇集注入河网后，使河网水量增加，水位上涨，流量增大。在涨水过程中，河水补给地下水，此外河网本身可以滞蓄一部分水量。因此，对同一时刻而言，出水断面以上坡面汇入河网的总水量必然大于通过出口断面的水量；而在落水过程中，则与此相反，即出水断面以上坡面汇入河网的总水量小于通过出口断面的水量。这种现象称为河槽调蓄作用。在降雨及坡面漫流停止后的一定时段内，河网汇流仍将继续进行，且使河网蓄水达到最大量。随后，由于壤中流的减少及地下径流注入的水量较小，河网蓄水开始消退，直到河槽泄出水量与地下水补给水量相等时，河槽水流又趋于稳定。

河网汇流过程实质上是河流洪水波的形成与运动过程。河流断面上的水位及流量的变化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，河槽水位和流量恢复到原有稳定状态，一次降雨的径流形成过程即告结束。

由于产流和汇流是一个连续的过程，所以，实际上并不能将二者及其次级过程严格地划分开来。另外，与坡面漫流和壤中流不同的是，除干旱地区的间歇河以外，一般意义上的河流通常具有经常性的流水，故它不依赖于某一次降雨过程而存在。

(二)河川径流的变化

1.描述河川径流的特征值

在分析研究河川径流的形成和变化时，常用一些具有一定物理意义的特征值来表示。最常用的特征值如下。

(1)径流总量W。径流总量是指单位时段内通过河流某横断面的总水量(m³或10⁸m³)：

式中：T为时段长(日、月、年或多年)；Q为T时段内的平均流量(m³/s)。

(2)径流深度Y。径流深度即某一流域的径流总量与该流域面积之比(mm)。计算式为：

式中：W为径流总量(m³)；F为流域面积(km²)。

(3)径流模数M。单位时间单位流域面积上的产水量就是径流模数(升每秒平方公里)。即

式中：Q为流量，可以是瞬时流量，也可以是某时段的平均流量；F为流域面积(km²)。

(4)径流系数α。任一时段内的径流深度Y(或径流总量W)与同一时段内的降水深度X(或降水总量)的比值为径流系数。即

径流系数说明在一次降水中有多少降水量能转变为径流，它是流域内自然地理要素对降水－径流影响的最好的综合反映。

(5)模比系数K_i。模比系数又称径流变率，是某一时段内的径流模数(或流量)与该时段径流模数多年平均值之比。即

式中：K_i为某时段的模比系数；M_i为某时段的径流模数；M₀为多年平均径流模数；Q_i为某时段的平均流量；Q₀为多年平均流量。

2.河川径流的变化

(1)河川的正常径流量。正常径流量即年正常径流量，是一年之中流过某一断面的平均流量，这个平均流量通常是采用多年径流量的算术平均值。它能反映某河流断面以上多年平均来水量，是水文与水资源研究中最基本的资料，它可以说明一个流域的水量多少。一个流域能提供多少可利用的水资源，也常常需要参考这一数据。它也是进行流域地理综合分析的重要特征值。

(2)河川径流的年际变化

河川径流的影响因素很多，致使径流的变化十分复杂。大量实测资料证明，河川年径流量每年都不相同，如果把年径流量大于正常年径流量的年份视为丰水年，小于正常年径流量的年份视为枯水年，则径流的年际变化具有的丰水年或枯水年往往连续出现，而且丰水年组与枯水年组呈循环交替的规律。循环的周期不等，丰枯的量值也不重复。

河川径流年际变化的这一规律对于人类充分利用水资源是很不利的，因为某一地区丰水年(或枯水年)的连续出现，往往会造成该区较大的洪(旱)灾害，因此，研究河川年径流的丰、枯周期变化的规律性，对河流水情作出中长期预报是十分重要的。反映年径流量变化幅度主要是年径流量的变差系数C_v值和绝对比率。其中，年径流量的变差系数(C_v值)计算公式为：

即用常用年径流变率的方差来表示。

式中：K_i为第i年的年径流变率，n为观测资料数列的年数。

从C_v值的物理意义可知，它能反映径流总体的相对离散程度(即不均匀性)。年径流量C_v值大，则年径流量的年际变化剧烈，易发生洪、旱灾害，水工建筑物费用大；相反，C_v值小，则年径流量的年际变化小，水工建筑物费用就小。

C_v值的变化与自然地理因素有着密切的关系，归纳起来有如下几方面：

①降水量少的地区，其C_v值大于降水量多的地区。因为降水量大的地区，水汽输送量大而稳定，降水量的年际变化较小。同时，降水量丰富的地区地表供水充分，蒸发比较稳定，故使年径流C_v值小；降水量少的地区，降水量集中而不稳定，蒸发量年际变化较大，致使年径流C_v值大。

②以雨水补给为主的河流，其C_v值大于以地下水补给为主的河流，也大于以冰雪融水补给为主的河流。因为冰雪融水量主要取决于气温，气温年际变化较降雨年际变化小，故冰雪融水的C_v值很小。例如，我国天山、昆仑山、祁连山一带河流的C_v值只有0.1～0.2。

③以地下水补给为主的河流，因其补给量较稳定，故其C_v值也较小。例如，无定河上游虽降水少，但地下水补给量大，故C_v值较小，在0.4以下，甚至只有0.2～0.3。

(3)河川径流的年内变化。河川径流不仅每年不同，具有丰枯年份的变化，就是在一年内，径流也有洪枯水期的差别。例如，以雨水补给为主的河流，雨季水量增大，为洪水期或汛期；旱季水量减少，为枯水期。

洪枯水期的长短和起始时间又有很大差别，而且每年出现的洪峰流量和极枯流量也不相同。

径流的年内变化不仅在不同的年份有所不同，即使在年径流量相似的年份，其年内变化也会有很大差别。

影响径流年内变化的因素主要是气候和下垫面状况，以雨水补给为主的河流，径流的年内变化又往往同降水周期密切相关。例如，我国东部季风气候区，夏季降水比较集中，径流量大增，占全年径流量的一半以上；冬季，随着降水的减少，河川径流陡减，成为一年的枯水季节。

3.洪水和枯水

洪水和枯水是河川径流的两个具有重要意义的特征值。

洪水是指短时间内大量降水使河槽形成的特大径流。洪水发生时，流量激增，水位猛涨，甚至河槽不能容纳来水量而漫溢两岸，泛滥成灾。短时间内的大量降水，即暴雨是洪水泛滥的主要原因，另外，积雪和河冰的融化也可形成洪水。暴雨洪水是我国大多数河流的主要洪水类型。

表征洪水的要素有洪峰流量Q_m、洪水总量W和洪水过程线(见图9-16)。洪峰流量是洪水过程中最大瞬时流量；洪水总量是指一次洪水的总量，即洪水过程线与横坐标之间所包围的面积；洪水过程线是洪水随时间变化的过程曲线。洪水的形成条件不同，洪水过程线也千差万别，但可归纳为单峰、双峰、肥瘦等类型。通常洪水过程线的涨水段较陡，是河槽容蓄阶段；退水段较为平缓，是河槽的排水阶段。

图9-16　洪水要素示意图

枯水是河流断面上较小流量的总称。枯水经历的时间为枯水期，当月平均水量占全年水量的比例小于5％时，即属于枯水期。枯水一般出现在地面径流结束、河网容蓄水量全部消退以后。枯水径流主要依靠地下水蓄水量。在我国，主要靠雨水补给的南方河流，一般在冬季经历一次枯水期；以雨雪混合补给的北方河流，因有冰雪消融形成的春汛，故在春末夏初和冬季经历两次枯水期。

枯水对航行、发电、灌溉、工业及城市洪水有很大影响，因此对枯水径流的研究具有重要的意义。