第三节 河流水情

一、水情要素

1.水位

水位是指某时刻河流自由水面高出基准面以上的高程，即瞬时水位，通常以m计。影响水位的因素有：①河流水量的多少；②河流横断面的变化，包括河床冲淤和人工改变；③水利工程的运用；④潮汐及干支流水位的变化等。

不同的河流水位变化特点也不同。山区流河水位变化剧烈，洪水时常表现暴涨暴落；平原河流则相反。小流域水量调节能力差，水位升降快；大流域则相反。为了反映水位变化规律，常将实测水位经过整理，绘成水位过程线、水位历时曲线或统计出各种水位特征值。

水位过程线是将水位按时间顺序点绘成的曲线，通常用日平均水位绘制成年水位过程线，如图2-6细实线所示。有时也用逐时水位点绘成瞬时水位过程线。应用水位过程线，可以分析水位随时间的变化规律，还可以分析水位与其影响因素（如降雨、融雪、气温等）之间的对应关系。水位历时曲线是将一年内大于等于某一水位出现的历时（天数）与该水位绘制的曲线，如图2-6中的粗实线。图2-6纵坐标为水位，横坐标为大于等于该水位的天数。

水位特征值包括最高水位、最低水位、时段平均水位等。最高、最低水位是指研究期内出现的瞬时最高、最低值，如年最高水位、月最高水位等。平均水位是指研究期内水位的平均值，如日平均水位、月平均水位及年平均水位等。

2.流量

流量是指单位时间内通过河流断面的水体积，以m³/s计。流量有瞬时流量、时段平均流量和多年平均流量之分，它是反映河流水量多少的重要指标，一般来说，水位越高，流量越大。在各种水利工程的设计与管理运行中都要用到流量资料，与水位资料一样，有时也需要对流量资料加以整理，如绘出瞬时或日平均流量过程线、流量历时曲线、统计出各种特征值，其意义与方法与水位相同。

二、河流的水源补给

河流的水源补给是指河流中水的来源，河流的水文特性在很大程度上取决于水源补给情况，我国河流的水源补给有以下几种类型。

1.雨水补给

雨水补给是我国河流补给的主要水源，由于各地气候条件的差异，不同地区的河流雨水补给所占的比例有较大的差别。我国雨水补给量的分布，基本上与降水的分布一致，一般由东南向西北递减。

秦岭以南、青藏高原以东地区，雨量充沛，河流主要是雨水补给，补给量一般占河川年径流量的60%～80%。在这些地区冬天虽有降雪，但一般不能形成径流。东北、华北地区的河流虽有季节性积雪融水和融冰补给，但这部分水源仍占次要地位，雨水仍是各河流的主要补给源。黄淮海平原河流的雨水补给比重最大，占年径流量的80%～90%，东北和黄土高原诸河雨水补给量占年径流量的50%～60%。西北内陆地区雨量少，河流以高山冰雪融水补给为主，雨水补给量居次要地位，一般只占年径流量的5%～30%。

以雨水补给为主的河流，其水情特点是水位与流量增减较快，变化较大。在时程上与降水有较好的对应关系。但由于雨量的年内分配不均匀，径流的年内分配也不均匀，且年际变化也比较大，丰枯水现象明显。

2.冰雪融水补给

冰雪融水包括冰川、永久积雪融水及季节性积雪融水。冰川和永久积雪补给的河流，主要分布在我国西北内陆的高山地区。位于盆地边缘面临水汽来向的高山地区，气候相对较温润，不仅有季节雪，而且还有永久积雪和冰川，因此高山冰雪融水成为河流的重要补给源。在某些地区，甚至成为河流的唯一水源。

季节性积雪融水补给主要发生在东北地区，补给时间主要在春季。由于东北地区冬季漫长，降雪量比较大，如大、小兴安岭地区和长白山地区，积雪厚度一般都在0.2m以上，最厚年份可达0.5m以上，春季融雪极易形成春汛，这种春汛正值桃花盛开之时，所以也称为桃花汛。这种春汛形成的径流，可占年径流量15%左右。华北地区积雪不多，季节积雪融水补给量占年径流量的比重不大，但春季融水有时可以形成不甚明显的春汛。季节性积雪融水补给的河流，其水量的变化在融化期与气温变化一致，径流的时程变化比雨水形成的径流平缓。

冰雪融水补给主要发生在气温较高的夏季，其水文特点是具有明显的日变化和年变化，水量的年际变化幅度要比雨水补给的河流小，这是因为融水量与太阳辐射、气温的变化一致，且气温的年际变化比降雨量的年际变化小。

3.地下水补给

地下水补给是我国河流补给的普遍形式，特别是在冬季和少雨或无雨季节，大部分河流的水量基本上都是来自地下水。地下水在年径流中的比例，由于各地区和河道本身水文地质条件的差异，差别较大。例如，东部湿润地区一般不超过40%，干旱地区更小。青藏高原由于地处高寒地带，地表风化严重，岩石破碎，有利于下渗，此外还有大量的冰水沉积物分布，致使河流获得大量的地下水，如狮泉河地下水占年径流的比重可达60%以上。我国西南岩溶地区（也称为喀斯特地区），由于具有发达的地下水系，暗河、明河交替出现，成为特殊的地下水补给区。

地下水实际上是雨水或冰雪融水渗入地下转化形成的，由于地下水流运动速度缓慢，又经过地下水库的调节，所以地下径流过程变化平缓，消退也缓慢。因此，以地下水补给为主的河流，其水量的年内分配和多年变化都较均匀。对于干旱年份，或者人工过量开采地下水以后，常使地下水的收支平衡遭受破坏，这时河流的枯水（基流）将严重减少，甚至枯竭。

除了少数山区间歇性的小河外，一般河流常有两种以上的补给形式，既有雨水补给也有地下水补给，或者还有季节性积雪融水补给。河流从这些补给中获得的水量，对不同的地区或同一地区不同的河流都是不同的。如淮河到秦岭一线以南的河流，只有雨水和地下水补给，以北的河流还有季节性融雪补给；西北和西南高原河流，各种补给都存在。山区河流补给还具有垂直地带性，随着海拔的变化，其补给形式也不同。如新疆的高山地带，河流以冰雪融水、季节性积雪补给为主；而在低山地带以雨水补给为主；中山地带冰雪融水、雨水和地下水补给都占有一定比重。同一河流的不同季节，各种水源的补给量所占的比例亦有明显差异。如以雨水补给为主的河流，雨季径流的绝大部分为降雨所形成，而枯水期则基本靠地下水补给来维持。东北的河流在春汛径流中，大部分为季节性融水，而雨季的径流主要由雨水形成，枯水季节则以地下水补给为主。

虽然地下水是河流水量的补给来源之一，但主要是指在河流水位低于地下水位的条件下。而在洪水期或高水位时期，如果河流水位高于地下水位，这时河流又会补给河流两侧的地下水。河流与地下水之间的这种相互补给，在水文学上称之为“水力联系”。水力联系的概念，在水资源评价和水文分析计算中具有重要意义。需要指出的是，这种水力联系必须是河流切割地下含水层时才会发生相互补给。在某些特殊情况下，水力联系只是单方面的，河流只补给地下水，而地下水无法补给河流，如在黄河的中下游地区。

三、河流洪水

1.洪水的概念

河流洪水是指当流域内发生较大降雨时，大量径流短时间内汇入河道，河水流量迅速增加，水位急剧上涨，而后随着径流汇入量的减少和停止，河道水位、流量又逐渐减少，这一过程就是河流洪水，它是一种缓变不稳定流运动，可以用圣维南方程组来描述。

洪峰流量、洪水总量及洪水历时称为洪水三要素，它综合反映了一场洪水的大小及持续时间。

2.影响洪水的因素

（1）天气因素。我国河流洪水主要是由暴雨形成的，而一次暴雨量、暴雨历时及其时空分布，决定了一个流域的洪水大小及特征。决定暴雨特性的天气因素主要是气流的上升运动强弱及持续性，另外还有水汽输送情况。有利的天气系统，如气旋、静止锋、台风等的出现，就易形成暴雨洪水。

（2）下垫面因素。流域坡度大，植被稀少，土壤透水性差的流域，易造成暴涨暴落的大洪水。大流域洪水过程较平缓，而小流域则相反。流域内如有高大的山脉，对气流有阻碍抬升作用，易形成地形雨，通常迎风坡雨量大，背风坡雨量小。另外，流域中土壤的干湿状况、湖泊多少及流域形状等，也对洪水有一定影响。

四、河流枯水

1.枯水的概念

河流枯水是指在较长的时段中维持着较小的河流流量，这段时间称为枯水期，枯水期的径流称为枯水径流。枯水期发生在少雨或无雨的季节，一般是指冬春两季，这时河流的水量主要依靠流域内的地下水和地面蓄水（如水库或湖泊）来补给。枯水期的起止时间和长短，取决于河流的补给状况，长江以南的河流，枯水期发生在冬季，历时较短，枯水流量也较大；华北地区的河流，枯水期发生在春季，有些河流一直延续到6月初甚至到6月中旬，枯水期较长，枯水流量较小，甚至断流。枯水径流的消退比较缓慢，能延续几十天甚至数月。

2.影响枯水的因素

河流的枯水径流是由流域蓄水消退形成的，因此，影响枯水的因素主要与影响流域蓄水量的因素有关。

（1）枯水前期降水情况。枯水前期降水情况是指在进入枯水期之前降水量的多少。如果前期降水充沛，则枯水期初的流域地表和地下蓄水量就大，可形成较大的枯水流量，反之枯水流量就小，甚至枯水期断流。枯水期的降雨可增加枯水流量，若雨量较大，则枯水期会延后开始或可提前结束转入平水期或汛期。

（2）流域水文地质条件。水文地质条件是指土壤质地、结构、岩性、地质构造、裂隙及岩溶等情况，它们决定了地下水的储量及与河流的补给条件（即水力联系条件）。如果土壤疏松、岩石裂隙发育、断层破碎带多，则有利于雨水下渗和储存于地下中。再如地下含水层多而厚，也有利于储存地下水。当含水层浅且被河流切割时，则河流可获得较大的地下水补给量。

（3）流域的下垫面条件。流域的下垫面条件是指流域面积、坡度、河网密度、湖泊或沼泽率、森林植被率等。如果流域面积大且平缓，蓄水量就多，枯水就大；河网密度大，河槽蓄水就多且有利于地下水补给，枯水量就丰富；湖泊沼泽率高，增加流域蓄水，可提高枯水流量；森林植被率高，有利于下渗，增加地下蓄水量，从而增加枯水。

再强调一点的是，森林具有强大的生态服务和水文功能，不仅调节气候、改善环境，还可削减洪水、保持水土、调节径流时程分配等功效，素有“绿色水库”之称。

五、河流冰情

当气温降到0℃以下时，河道中开始出现冰晶，经过冻结和封冻，直到气温回升到0℃以上，河冰开始融化，直至冰块全部消失为止，在这段时间内，从冰凌的发生、发展到运动过程，称为河流冰情。河流的冰情，一般可分为冻结、封冰和解冻3个阶段。

1.冻结阶段

静水和动水的结冰过程是不同的。由于水的密度在4℃时最大，当水温在4℃以上时，因对流作用使得上、下层水温一致。如果水温降至4℃后气温继续下降，当静水上层水温降至0～4℃之间时，静水开始从表面冻结。而流水由于紊动混合作用使上下层水温比较一致，上下层均可降至0℃左右，因此，当动水水温降至0℃时，水内任何深度均可出现冰晶。

冻结过程中，冰情特点主要是形成水内冰。水内冰是悬浮在水内或附在河底或其他物体上的碎冰。水内冰形成的条件是：①水温必须达到0℃以下，呈现过冷却状态；②水体具有相对的不流动层；③水体结晶释放出的潜热能被带走。

当水温接近0℃时，水面会出现由针状冰晶组成的薄片，聚集成松散易碎的一团，称为冰松。同时，岸边可能出现与河岸固结在一起的薄冰，称为岸冰。随着气温的降低，岸冰的厚度与宽度将逐渐增加。浮在水面的水内冰和水面结晶的冰块，彼此可以冻结在一起，形成坚实的冰块随水漂流，称为淌凌或流凌。淌凌开始，凌块较为稀疏，随着气温的下降，逐渐密集。在河段的狭窄处或河湾、浅滩处，因流动不畅而造成堵塞或相互冻结形成冰盖。

2.封冻阶段

从河道开始出现冰盖到冰盖开始解冻，这一过程称为封冻过程。在封冻过程中，冰块密度不断增大，逐渐相互连成一体。在封冻时，局部流速大的河段造成冰块挤压而产生倾斜堆叠现象，冰面不平整，称为立封。在流速小的顺直河段，凌块平行，由河岸向河心冻结，冰面平整，称为平封。

在这一阶段，因流凌失去连续性或因风力的作用，形成的敞露水面称为清沟。在封冻尚未全面完成而形成的清沟称为初生沟。在已封冻的河段上，因气温回升形成的清沟称为再生沟。清沟中的自由水面与冷空气进行热量交换，致使清沟中产生大量的水内冰，直至清沟消失。大量的水内冰向下游运动时，可使下游冰盖以下过水断面缩小，造成局部阻水，这种现象称为冰塞。大量的冰塞在局部河段堆积可形成冰坝，致使上游产生壅水，有时会危及河道安全。

冰的厚度随着累积负气温值的增大而增加，存在如下关系：

式中：A为系数，约为0.2；h为冰厚，cm；∑t_d为从结冰开始的逐日平均负气温累积值，℃。

此外，冰上降雨或部分积雪融化后，再遇冷冻结也能增加冰厚。

3.解冻阶段

当春季来临、气温回升时，自冰盖开始融化直至河冰全部消失为止称为解冻过程。在这一阶段，按其发生的物理现象可分为3个时期：

（1）融水时期。主要表现为冰盖厚度和强度逐渐削弱，冰色变白，冰上有水或水流动，这一时期的热量输入起主要作用。

（2）解冻时期。主要表现为冰盖逐渐被破坏，岸冰解体，河冰脱岸，冰层浮起，冰裂及河心融冰等，这一时期的热量输入和水的流动都起作用。

（3）流冰时期。主要表现为冰块随水流运动，形成春季流凌，冰块继续消融，并伴随冰桥、冰坝等现象发生。