1.2.1水系、流域與湖泊一、水系及其特征.水系的概念降落在地面上的雨水在水流集中流動的過程中， 逐漸由小溪、小河匯集成大河，這樣便構成了脈絡相通的河流系統， 叫水系或稱河系。換句話說，水系就是由干流和許多支流以及流域內的湖泊、沼澤、或地下暗河形成彼此相連的集合體。 即這些河中的水最終流過同一個出口斷面。.水系的干流和支流干流一般是指水系中河道長、 水量大、流域面積大的主河道。水系中除干流外的所有河流都稱為支流，支流的分級方法是：把直接注入干流的河流叫一級支流； 把直接注入一級支流的河流叫二級支流，依此類推。如長江是干流， 而漢江和大渡河等都是它的支流。但有時也可根據習慣來劃分干流和支流，這多是在不太了解河系的具體特征之前一直沿襲下來的。如我們把大渡河看作是岷江的支流就是這樣一個例子。.水系的形狀及其匯流特點水系的形狀是由河流流經地區的地質、 地貌條件決定的。根據干支流的分布及組合情況，可歸納為以下幾種水系形狀，如圖 1.7。有樹枝狀、扇狀、平行狀、羽狀、格狀、人工幾何狀、輔合（散）狀、編織狀。圖1.7 水系形狀圖放大瀏覽在這幾種水系中，羽形水系的匯流時間短，如果流域普遍降雨，各支流的洪水幾乎同時匯入干流，易形成陡漲陡落的洪水過程；而扇形水系的匯流時間長，各支流洪水先后匯入干流，干流洪水過程平緩。. 水系的特征值水系的特征值有①河長L、落差△H、比降J,②河網密度D,③河網（河道）發展系數，④水系不均勻系數，⑤河流彎曲系數Kp和⑥分岔系數等。①河長L:指從河源到河口沿河槽中各斷面上最大水深點的連線（航線）所量的長度，是確定河流落差、比降、 估算水能和航程、決定匯流時間等的重要參數。一般可用曲線儀或小分規從大比例尺地圖上量取。落差△H:指從河源到河口河流底部高程之差。比降J:河流某一段的落差與該段河流長度之比。J=AH/L （1.9）②河網密度D:指一個流域范圍內各河道總長度L與流域面積A之比，即單位面積的河流長度。DW2L/A （1.10）③河網（河道）發展系數：某級支流的總河長與干流河長之比，稱該河某級河網發展系數。發展系數越大，表明支流長度超過干流長度越多，河網對徑流的調節作用也就愈大。④水系不均勻系數：干流的一岸支流總長與另一岸支流總長之比， 表示整個水系兩岸不對稱的程度和兩岸注入干流水量的不均勻性質。⑤河流彎曲系數Kp：指河流實際長度與從河源到河口的直線長度 l的比值。Kp=L/l （1.11）一般平原區Kp比山區的大，下游比上游的大， Kp大對航運和排洪都不利。⑥分岔系數：干流下游自開始有分流漢河起， 各分流漢河和干流的總河長與開始有分流

漢河以下干流河長之比。分岔系數愈大，表示該河分漢河愈多，水流愈分散，流速愈小，泥沙愈易淤積，河床愈不穩定。二、流域及其特征.流域的概念流域是指河流或水系的集水區域，即分水嶺所包圍的區域。分水嶺是指劃分相鄰水系(或稱流域)的山嶺或河間高地。分水嶺上最高點的連線叫分水線。分水線是流域的邊界線，降落在分水線兩側的雨水各自匯入不同的流域。一個流域的地面與地下分水線重合的流域叫閉合流域，否則叫非閉合流域。河流水量的補給通常包括地面水和地下水兩部分， 常以地面集水區代表流域的范圍。 一般兩個相鄰的流域間，因地面和地下集水區不一致而產生的水量交換比流域總水量小得多，常可忽略。但是，對流域內巖溶發育地區，有時這種交換的水量占總水量的比重相當大，這就必須通過水文地質調查來確定地面與地下集水區范圍，估計相鄰流域水量交換大小。.流域的幾何特征常用流域面積、流域長度、流域平均寬度、流域形狀系數和流域平均高度來表示。(1)流域面積(A):指流域分水線所包圍的面積，通常在大比例尺地形圖上畫出分水線后，用求積儀量取。(2)流域長度(La):指從河口起通過橫斷流域的若干以河口為圓心的弧線中點而達流域最遠點的連線長度，也稱流域的軸長。常用于流長度來代替。(3)流域平均寬度(B):流域面積與流域長度的比值。 B=A/La(4)流域形狀系數(K):K=B/La,K接近1時，流域形狀接近扇形， K愈小則流域愈狹長。(5)流域平均高度(Hn):指流域內地表平均高程，也即流域內各相鄰等高線間的面可從地形圖上用求積儀量取相鄰兩條等(1.12可從地形圖上用求積儀量取相鄰兩條等(1.12)(i=1,2，…，n)(i=1,2，…，n)高線包圍的面積，用加權法計算。Hm=(A1h1+A2h2+A3h3???+Anhn)/Ahi—相鄰兩條等高線的高程平均值Ai-相鄰兩條等高線所包圍的面積.流域的自然特征流域的自然特征包括地理位置、氣候條件、土壤性質、地質構造、地形、植被、湖泊、沼澤等。(1)地理位置：指流域所處的地理座標，即經緯度，它反映了流域的水文特征，降雨蒸發等都與地理位置密切相關，例如我國西北地區河JI徑流情況與東南沿海的就大不相同。(2)流域氣候條件：包括降水、蒸發、溫度、濕度、風向風力等，其中降水與蒸發與徑流密切相關。(3)流域的土壤性質和地質構造：如土壤種類、土壤結構、地層的透水性、給水度、地層的褶皺、斷層、節理等。這些都在一定程度上影響流域的地面徑流和地下徑流的產生和運動，從而直接影響到徑流情勢。(4)流域的地形特征：是指流域形狀，平均高程和平均坡度等。(5)植被率：K1=(f1/A)X100(%),f1為植被覆蓋面積，A為流域面積(6)湖泊率：K2=(f2/A)X100(%),f2為湖泊面積(7)沼澤率：K3=(f3/A)X100(%),f3為沼澤面積三、湖泊(施嘉煬，1996).湖泊湖泊是指陸地上的貯水洼地。由湖盆、湖水及其中所含物質組成的寬闊水域的綜合自然體。天然湖泊是水資源的重要組成部分，它能自然調節河川流量、供水、灌溉、航運及養殖等用水。湖水的礦化度，以每升所含毫克質量為估算單位；小于1000mg/L的為淡水湖，大于1000mg/L的為咸水湖，大于10000mg/L的為鹽湖。我國天然湖泊眾多。據初步統計，面積在1km2以上的湖泊約2300個，湖泊總面積共約7.2萬km2,約占國土總＞面積的0.8%。湖泊儲水總量7088億m3,其中淡水儲量2260億m3,占湖泊儲水總量的31.9%。在丘陵、平原地區一般為淡水湖，在高原、沙漠地區則多屬咸水湖及鹽湖。青藏高原上的湖泊水面面積占全國一半以上， 且多為咸水湖泊。東部地區則多為淡水湖泊。中國的外流區湖泊以淡水湖為主，湖泊面積3.07萬km2,儲水量2145億m3,其中淡水儲量約1805億m3;在內陸河區，湖泊面積約4.11萬km2,儲水量4943億m3,其中淡水儲量455億m3按湖泊的地理分布，可分為5個主要湖區：青藏高原湖區、東部平原湖區、蒙新高原湖區、東北平原及山地湖區、云貴高原湖區。其中西藏自治區最多，有湖泊700多個，占全國湖泊總數的1/3,淡水儲量占全國的 1/4以上；長江中下游平原區湖泊集中，約為680個，且均為淡水湖，總儲水量686億m3,約占全國湖泊淡水儲量的 1/3;華北平原、黃土高原湖泊很少，淡水儲量不及全國的 2%由于氣候周期性影響、泥沙淤積、不合理的圍墾及河流上中游用水量的增加等原因， 許多湖泊面積萎縮，洞庭湖水面比1949年縮小約1700萬km2,江漢平原面積大于50km2的湖泊數量，80年代比50年代減少49.4%,總面積減少43.7%。干旱、半干旱區湖泊水面日益縮小的趨勢更為嚴重。我國最大的高原湖泊青海湖自成湖至今， 水位已下降了100多米，有的湖泊甚至已經消失，如羅布泊、臺特馬湖等。表1.1示出我國面積較大的27個湖泊的特征值。其中最大的青海湖，面積 4583km2,容積1050億m3,但湖水礦化度為12490mg/L,是一個高原大鹽湖。新疆的艾比湖也是鹽湖。其它較大湖如新疆羅布泊、內蒙古呼倫池、西藏奇林錯、內蒙古岱海等，均為咸水湖。淡水湖中深度最大的為云南省撫仙湖，最深處為 151.5m。其它大淡水湖的深度，洞庭湖為30.8m,鄱陽湖為16.0m。湖泊蓄有豐富的徑流資源并對洪枯水起調節作用。 在廣大鹽湖中，還蘊藏著鹽、堿等礦產資源；在淡水湖中則具有繁盛的水產資源。 在我國西部干燥地區，湖泊除作為灌溉水源之外，有的還是供牲畜所需的飲用水源。. 湖泊的分類與特征參數(1)湖泊分類：外流湖(exorheiclake)：廣義指以湖泊為河流源頭的湖泊。狹義指從湖泊流出的河流最后匯入海洋的湖泊。內流湖(endorheiclake)：廣義指從湖泊流出的水流不匯入海洋的湖泊。狹義指非河流發源地的湖泊，湖水僅耗損于蒸發和土壤滲漏。淡水湖(freshlake):湖水礦化度小于1000mg/L的湖泊。咸水湖(saltlake):湖水礦化度在1000?10000mg/L的湖泊。鹽湖(salinelake):湖水礦化度大于10000mg/L的湖泊。季節性湖泊(seasonallake)：在豐水期湖盆積一定湖水，而在平水期或枯水期湖盆裸露的湖泊。富營養湖泊(cutrophiclake)：湖泊中氮、磷等營養物質豐富，生產力旺盛的湖泊。貧營養湖泊(poornutrientlake)：湖泊中氮、磷等營養物質貧乏，藻類、浮游生物和葉綠素很少，耗氧量小，透明度大的湖泊。(2)湖泊的特征參數湖泊率(lakeratio)：流域內湖泊面積與流域面積的比值。湖泊形態參數(morphometricparameteroflake):表示湖泊形態特征的面積、容量、寬度、長度、深度、岸線發育系數等參數的統稱。湖泊面積(lakearea):湖泊在一定水位時的水面面積。湖泊容量(storageoflake)：湖泊在一定水位形成湖面以下湖盆的總儲量。湖泊長度(lengthoflake)：湖面的湖岸線上相距最遠兩點之間的直線距離。湖泊寬度(widthoflake)：湖泊面積與湖泊長度的比值。湖泊最大深度(maximumdepthoflake)：湖面至湖盆最低處的豎直距離。湖泊平均深度(meandepthoflake)：湖泊容量與湖泊面積的比值。湖泊岸線長度(lengthoflakeshoreline)：湖面周邊線的長度。湖泊岸線發育系數(developmentcoefficientoflakeshoreline )：湖泊岸線長度與湖泊面積相等的圓周長的比值。1.2.2河道與河流一.河道(一)河道數量及河道級別次序河道是河流中的水流和沙流所流經的途徑。在水系中位于水系網頂端不再分支的河道稱為一級河道；兩條一級河道匯合構成的河道叫二級河道；兩條二級河道匯合構成的河道叫三級河道，依此類推，直到把該水系的全部河道劃分完畢(參見圖 1.8)。所以在一個水系內，其干流的級別次序最高，每一次序級別的相應河道數量 Nu(N表示河道數目，u表示河道級別)是不同的，越高級的河道，其 Nu越小，通常u大的流域其相應的集水范圍也愈大。某一級河道數Nu與高一級的河道數Nu+1之比Rb稱為級序分叉比(河系分叉比)，往往反映流域形態和水流特征。 Rb大，河流愈狹長，而水流愈平緩。圖1.8河道的級別次序示意圖 放大瀏覽Rb=Nu/Nu+1 (1.13)其中，u—河道級別 Nu-第u級河流數量 Rb—級序分叉比。需要注意的是，河道級別次序與前述支流的分級相反，對應關系見表 1.2:表1.2河道級別次序與支流分級關系表河道級別支流級別河道級別支流級別142332415干流(二)河道的基本形態特征河道的基本形態是指河道的平面形態，縱橫斷面和比降等。.平面形態山區河流的平面形態極為復雜， 急彎、卡口很多，兩岸和河心常有巨石突出， 岸線極不規則，寬度變化很大，急灘深潭上下交錯，有時呈臺階狀，在落差較大的地方往往形成陡坡、跌水或瀑布。平原河道的平面形態， 因各種外在條件的不同， 有微曲的、蜿蜒的和散亂的數種，各種形式各有其特點，而其中蜿蜒性的河道是常見的。在河道彎曲的地方，由于水流的沖刷作用，凸岸形成淺灘，凹岸形成深槽；深槽與淺灘之間存在過渡段，比較平直，河槽中各斷面上最大水深點的聯線稱為中泓線或奚谷線， 也就是一般的航線。在一般的平原河流中，深槽與淺灘相互交替，具有一定的規律性。.河道的斷面及比降河道的斷面分為橫斷面和縱斷面。(1)縱斷面：縱斷面是指河流從上游至下游沿中泓線所切取的河床和自由水面線間的剖面。也即河底高程沿河長的變化。河道縱斷面可用測量方法作出，在測出泓線上河底若干地形變化的轉折點的高程與各點之間的距離后，以河長為橫坐標， 以河底高程為縱坐標，即可繪出縱斷面圖，河道的縱斷面圖可以表示河流的縱坡及落差的沿程分布，也是計算水能蘊藏量的主要依據。橫斷面：是指垂直于河道斷面平均流向或中泓線橫截河流，以自由水面和濕周為界的剖面，也即與河水流向垂直的河槽斷面。它是決定河道過水能力、流速分布、河流橫比降和計算流量的重要因素.包括水上和水下兩部分，水下部分即為水道斷面，水上部分包括歷年最高水位以上 0.5-1m的岸邊地形，漫灘較遠的河流應包括最高洪水邊界， 有堤防的河流應包括堤防背河側的地面。自由水面與濕周所包圍的橫斷面。 其中，流速大于0的部分叫過水斷面； 流速等于的0的部分叫靜水斷面。河槽橫斷面一般可分水道斷面 (channelcross-section)和大斷面(possiblemaximumcross-section)兩種。河流橫斷面的水面通常不是絕對水平的， 而有橫比降存在，橫比降是由于地球自轉偏力，以及在河流彎道上的離心力所引起的， 在北半球偏轉力(科氏力)總是偏于物體運動方向的右方，因而河流中右岸水位略高于左岸， 而彎道處離心力總是使凹岸附近水位略高于凸岸水位。(3)比降：河段兩端的河底高程之差(△ H)叫落差，河源到河口兩處的河底高程之差稱為總落差，河道比降(河床比降)是指沿水流方向，單位水平距離河床高程差。河段縱比降可用下式計算：仁 =AH-L-L(1.14)二.河流河流是指在明渠中，受地表水和地下水補給，或受徑流調節補給，經常或間歇地沿著狹長的凹地或巖洞流動的水流。(一)河流分段每條河流都有河源和河口之分， 河源是河流開始的地方，可以是溪澗、泉、冰川、湖泊、沼澤等；河口是河流終點，即河流注入海洋、湖泊、沼澤或其它河流的地方，在干旱地區，有的河流消失于沙漠之中而無明顯的河口，稱為無尾河。河流可按河槽形態，沖淤程度及流速、流量大小分為河源、上游、中游、下游、河口五段，或只分為上、中、下三段。上游：比降大，流速大，河流下切和溯源侵蝕作用強，河槽多呈 "V"字型，河底縱斷面成不規則階梯狀，多急流險灘和瀑布，河槽多礫石。中游：比降、流速均減小，河槽多砂，兩岸出現河漫灘。下游：比降平緩，流速小，常有淺灘、沙洲I,以淤積占優勢，河槽多細砂或淤泥。(二)河流的水情要素河流的水情要素主要指河流的水位、流速、流量與冰情等。.水位(1)水位及其特征值水位：水體的自由水面高出某一基面以上的高程叫水位，高程起算的固定零點稱為基面?；嬗袃煞N：以某處的特征海平面作為 0點，稱為絕對基面，我國統一使用的就是青島基面；以某測站的最枯水位以下 0.5-1.0m處作為參考基面的零點，稱為測站基面。水位觀測有多種方法，常用的有兩大類：水尺和自計水位計。水位特征值就是指在連續的水位記錄中選取的特征水位值， 如最高水位、最低水位和平均水位，這些都是針對某一時段而言的。(2)相應水位在沿河上下游各測站的水位過程線上， 一次水位漲落過程中，相應的特征水位稱為相應水位，在較大河流上或普通降雨的中小河流上， 沿河上下游水位過程線的變化趨勢往往是相似的。一般上游站水位變幅大。根據上下游水位相關關系，可點繪相應水位曲線。(3)水位過程線與水位歷時曲線水位過程線是指水位隨時間變化的曲線，某斷面上一年水位等于或大于某一數值的天數，稱為歷時。在一年中按各級水位與相應歷時點繪的曲線稱為水位歷時曲線。.流速(1)流速及其脈動現象河流中水質點在單位時間內移動距離稱為流速， 某一時刻河水質點通過某一固定位置點上的速度稱為該點瞬時流速u。天然河道中的水流多屬紊流，河道中任一點處瞬時流速隨時間變化是極不規則的， 時大時小，并圍繞某一平均值上下跳動，這種現象叫做流速的脈動現象，瞬時流速u可表示為下式：u=ua+u' (1.15)u—瞬時流速(ms-1) ua—時均流速(ms-1) u'—脈動流速 (ms-1)(2)天然河道中流速分布由于河床形態、糙度、冰凍、風等的影響，以及斷面水利條件的變化，天然河道中點流速在斷面上分布是不規則的：①垂向流速分布：流速沿深度的變化稱為流速的垂向分布。一般從河底向水面流速逐漸增大，但最大值 Vnax不在水面，而在水面以下一定深度處，垂向平均流速Vm一般與0.6倍水深處的點流速相近，在暢流情況下，Vm通?？捎靡稽c法、二點法、三點法和五點法計算。一點法：V=V).6H,V=0.85V).0H二點法：V=0.5(M.2H+M.8H) (1.16)三點法：Vm=(Vd.2H+V).6H+V).8H)/3五點法：Vm=(Vd.0h+3Vd.2h+3V).6H+2Vo.8H+Vi.0H)/10②斷面流速分布：指的是河流過水斷面上各點流速的大小與分布，可用等流速線來表示。在暢流期，斷面的等流速是不閉合的，通常從河底向水面，從兩岸向河心逐漸增大，在封冰期的等流速線是閉合的。③流速的測量：在一般情況下都是用流速儀測量，而在洪水時期可用浮標法測流速。④謝才公式(Chezyformula):對順直河段，若斷面形態和流量沿程沒有明顯的變化，天然河道的斷面平均流速可用謝才公式計算，見下式：V平均=CR1/2 (1.17)其中：R為水力半徑(過水斷面面積與其濕周的比值，m),即R=A/P,A表示水力斷面面積(m2),P表示濕周長(m);I為水面比降；C為謝才系數，常用曼寧公式計算，即：1TOC\o"1-5"\h\zC= 刖1 (1.18)其中：n為河床糙率，具體數值可參看表 1.3。表1.3天然河床糙率簡表(三)河流的水量補給河流的水量補給又稱水源，它基本來自于大氣降水。降落在流域地面的雨水，在滿足了損失后形成徑流對河流進行補給，流域地面的積雪在溫暖時期融化成水，融雪經過與雨水相似的過程和途徑補給河流， 在有些較高山區降雨補充了永久積雪和冰川，這些永久積雪或冰川沿山坡運動，到一定高度處就融化，成為河流的發源地。沿地面流動的徑流在一定條件下，會形成湖泊或沼澤，常成為河源或匯集上游許多小河來水又轉而補給下游， 無論是雨水、融雪水或冰川融水，其中都有一部分滲入地下，形成和補充表層流，淺層地下徑流和深層地下水，在一定條件下又將補給河流。天然河流很少僅得自一種形式的補給，幾乎所有河流都包含兩種以上形式的補給。尤其是流域面積大，水量豐富的大河，都不是依靠單一形式來補給的，往往有幾種補給源。河流水量補給通常分為以下幾種補給類型。(1)雨水補給我國大部分地區氣候溫暖，一年中大部分降水多呈雨水形式在夏秋季補給河流，降雨是最普遍、最重要的補給類型。在我國東南部、雨水補給量占年徑流量的70%左右，即使在西北內陸區，雨水補給量也占年徑流量的5—30%。我國東部地區夏秋季雨水多，形成夏秋洪澇；而在冬春兩季則少雨，江河流量顯著減少，小河甚至斷流。由于降雨本身是間斷的，因而降雨對河流的補給也是不連續的，它的補給集中于一段時間，止匕外，降雨量在年內和年際分配不均勻，