1、第三章 流域和水系,本章主要內(nèi)容,1 基本概念,分水線 山峰、山脊和鞍部的連接線 流 域 地面分水線包圍的區(qū)域 水 系 流域中河流交匯形成的樹枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 坡 地 流域中除水系以外的陸域部分 流域基本單元 流域中不可再劃分的最小部分,分水線,地形等高線中的極大值稱為山峰 山峰的下坡方向?yàn)樯郊?相鄰山峰之間的區(qū)域稱為鞍部 山峰、山脊和鞍部的連接線稱為分水線,分水線,分水線有地面分水線和地下分水線之分。 地面分水線將地面水流分開流向相鄰的兩條河流。 地下分水線則將含水層中的地下水流分開流向相鄰的兩條河流。,流 域,流域地面分水線包圍的區(qū)域稱為流域。 流域有閉合流域和非閉合流域之分。 地面分水線與

2、地下分水線重合的流域稱為閉合流域。 地面分水線與地下分水線不重合的流域稱為非閉合流域。,水 系,水系流域中大大小小河流交匯形成的樹枝狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)稱為水系，亦稱河系。 自然形成的水系多為樹狀結(jié)構(gòu) 人工開挖形成的平原水系可為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),水 系,水 系,羽毛狀水系的支流自上游而下游，在不同的地點(diǎn)依次匯入干流，相應(yīng)的流域形狀多為狹長(zhǎng)形。 平行狀水系的支流與干流大體成平行趨勢(shì)相交匯，相應(yīng)的流域形狀多為扇形。 混合狀水系的支流與干流的關(guān)系介于前兩者之間，相應(yīng)的流域形狀也介于狹長(zhǎng)和扇形之間。,水 系,對(duì)面積相同、水系形狀不相同的流域，同樣一場(chǎng)暴雨形成的流域出口斷面流量過程線明顯不同。 平行狀水系由于各支流匯集

3、到流域出口斷面的同時(shí)性強(qiáng)，所以產(chǎn)生較尖瘦的洪水過程。 羽毛狀水由于各支流匯集到流域出口斷面的時(shí)間相互錯(cuò)開，所以產(chǎn)生較矮胖的洪水過程。 混合狀水系產(chǎn)生的洪水過程則介于以上兩者之間。,坡 地,流域中水系以外的陸域部分稱為坡地。流域是由水系和坡地組成的。 除平原水網(wǎng)地區(qū)外，一個(gè)流域的水系的水面面積約占全流域面積的10%左右，其余90%左右即為坡地。,坡 地,按坡面的幾何形狀，可將坡地分為傾斜面、收斂曲面和發(fā)散曲面三種類型。,流域基本單元,一個(gè)流域按流域內(nèi)的自然分水線可以劃分成若干個(gè)不嵌套的子流域，每個(gè)子流域按其內(nèi)部的自然分水線又可劃分成一些更小的不嵌套的小流域，這樣不斷地劃分下去，最后得到的不可再劃

4、分的部分就是流域基本單元，它是組成一個(gè)流域的最小單位。,流域基本單元,流域基本單元可分為四種形狀，“一本打開的書”、扇形、倒扇形和馬蹄形。,2 水系的地貌特征,拓?fù)鋵W(xué)特征是指幾何圖形在連續(xù)改變形狀情況下仍能保持不變的一些特征。 水系的拓?fù)鋵W(xué)特征主要表現(xiàn)為水系分叉、河流分級(jí)和滿足河數(shù)定律上。 大量的觀測(cè)資料表明，自然界的天然水系一般屬于二分叉樹的形狀。,2 水系的地貌特征,水系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),水系組成,2 水系的地貌特征,河流的分級(jí) 為了對(duì)水系中大小不同的河流進(jìn)行區(qū)別，有必要對(duì)河流進(jìn)行分級(jí)。 在20世紀(jì)以前，人們對(duì)水系中大小不同的河流只有定性的認(rèn)識(shí)，僅將水系中的河流區(qū)分為支流和干流兩級(jí)。 1914年

5、以后，地貌學(xué)界普遍主張采用序列命名的法則，即將水系中各條河流按一定的次序排列成序列，并以序號(hào)對(duì)序列中的河流逐一加以命名。,河流的分級(jí),格雷夫利厄斯(Gravelius)分級(jí)法 霍頓(Horton)分級(jí)法 斯特拉勒(Strahler)分級(jí)法 施里夫(Shreve)分級(jí)法 沙伊達(dá)格(Scheidagger)分級(jí)法,霍頓(Horton)分級(jí)法,將最小的不分叉的河流稱為1級(jí)河流，只接納1級(jí)河流匯入的河流稱為2級(jí)河流；只接納1，2兩級(jí)河流匯入的河流稱為3級(jí)河流，其余類推，直至將水系中所有的河流命名完畢。,www.HHU.EDU.cn,斯特拉勒(Strahler)分級(jí)法,定義從河源出發(fā)的河流為1級(jí)河流；

6、同級(jí)的兩條河流交匯形成的河流的級(jí)比原來增加1級(jí)； 不同級(jí)的兩條河流交匯形成的河流的級(jí)等于兩者中較高者。,2 水系的地貌特征,Strahler分級(jí)法,2 水系的地貌特征,河數(shù)定律,2 水系的地貌特征,河數(shù)定律,自然水系的分叉比：Rb = 3 5,2 水系的地貌特征,一條河流的長(zhǎng)度是指從其起始斷面，沿河流中心線至終了斷面的距離。,2 水系的地貌特征,河流長(zhǎng)度 級(jí)河流總長(zhǎng)度： 級(jí)河流平均長(zhǎng)度： 水系中全部河流總長(zhǎng)度： L顯然是決定水系槽蓄量的一個(gè)重要參數(shù),2 水系的地貌特征,河長(zhǎng)定律 水系中級(jí)河流的平均長(zhǎng)度與比其低一級(jí)即(-1)級(jí)河流的平均長(zhǎng)度的比值稱為河長(zhǎng)比,自然水系的河長(zhǎng)比：Rb = 1.5 3

7、.5,2 水系的地貌特征,2 水系的地貌特征,鏈 長(zhǎng) 度,橫 斷 面,B,2 水系的地貌特征,彎曲率,Cab,Lab,在河流上取兩點(diǎn)，其沿河流中心線的長(zhǎng)度與該兩點(diǎn)之間的直線長(zhǎng)度的比值稱為這兩點(diǎn)之間河段的彎曲率。,2 水系的地貌特征,河底比降,河段上相鄰兩斷面河底的高程差與該兩斷面之間中心線的長(zhǎng)度的比值稱為河底比降。,約翰斯通克羅斯(Johnstone-Cross)法 勞倫森(Laurenson)法,2 水系的地貌特征,比降定律 水系中不同級(jí)河流的河流比降是不同的。定義級(jí)河流的平均河底比降與低一級(jí)即(-1)級(jí)河流的平均河底比降的比值為比降比 對(duì)一個(gè)自然水系，如果流域的地質(zhì)條件比較均勻，則Rs幾乎

8、不隨河流的級(jí)而變化，近似為一常數(shù)。這一規(guī)律稱為比降定律。 研究表明，濕潤(rùn)地區(qū)壯年期水系的Rs約為0.55。半干旱地區(qū)較年輕的水系的Rs約為0.57,3 流域的地貌特征,1 流域面積及面積定律,分水線包圍區(qū)域的平面投影面積稱為流域面積,A,2 流域長(zhǎng)度和寬度,B,C,3 流域的地貌特征,2 流域長(zhǎng)度和寬度 從流域出口斷面至分水線的最大直線距離稱為流域長(zhǎng)度，與它正交方向的分水線之間的最大直線距離稱為流域?qū)挾取?格拉格(Grag)通過對(duì)許多小流域資料的分析，發(fā)現(xiàn)流域長(zhǎng)度與流域面積有如下關(guān)系:,3 流域的地貌特征,3 流域形狀,形態(tài)因子：流域面積與流域長(zhǎng)度平方的比值,圓 度：流域面積與周長(zhǎng)為流域周長(zhǎng)的

9、圓面積的比值,伸 長(zhǎng) 比：面積等于流域面積的圓的直徑與流域長(zhǎng)度的比值,當(dāng)A增加時(shí)，形態(tài)因子減小，這意味著對(duì)較大的流域，其形狀是趨于狹長(zhǎng)形的。,3 流域的地貌特征,4 河網(wǎng)密度和河道維持常數(shù) 單位流域面積上的河流長(zhǎng)度稱為河網(wǎng)密度 河網(wǎng)密度的概念首先由霍頓于1945年引入，它表達(dá)了流域水系排水的有效性。 河網(wǎng)密度的倒數(shù)稱為河道維持常數(shù),它的含義是為了維持單位長(zhǎng)度的河道必須要有多少匯水面積提供徑流。一般來說，隨著河流級(jí)的增加，要求的給養(yǎng)面積也增加。,3 流域的地貌特征,5 河流頻度和鏈頻度,單位流域面積上的河流數(shù)目河流頻度,單位面積上的鏈數(shù)鏈頻度,3 流域的地貌特征,6 面積河長(zhǎng)曲線,7 高程曲線,

10、河長(zhǎng)同相應(yīng)匯水面積之間的關(guān)系曲線,3 流域的地貌特征,8 流域坡度,流域上兩點(diǎn)間的高差與它們之間直線距離的比值兩點(diǎn)之間的坡度,最小二乘法 高程曲線法 高程曲線包圍的面積相當(dāng)于以面積為權(quán)重的平均流域高差 面積河長(zhǎng)曲線包圍的面積相當(dāng)于以面積為權(quán)重的平均流域長(zhǎng)度 它們的比值則相當(dāng)于平均流域高差與平均流域長(zhǎng)度之比值，即平均流域坡度,4 數(shù)字流域和數(shù)字水系,4 數(shù)字流域和數(shù)字水系,數(shù)字高程模型是指描述地面高程空間分布的有序數(shù)值陣列，可用二維函數(shù)離散取得的有序集合來表示。 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)的來源主要是：影像、地形圖和用測(cè)量?jī)x器實(shí)地測(cè)量。其中影像包括航測(cè)、航天遙感、干涉雷達(dá)和激光掃描儀等。,www.HHU

11、.EDU.cn,4 數(shù)字流域和數(shù)字水系,數(shù)字高程模型自20世紀(jì)50年代提出以來，由于它適用于計(jì)算機(jī)處理，故不僅能為復(fù)雜的地表形態(tài)提供有效的描述手段，而且也為地形地貌參數(shù)的計(jì)算、流域水系的生成等提供基于數(shù)字化的自動(dòng)處理方法。 為各種專題信息，如土壤、植被、土地利用情況等的空間分布描述提供數(shù)字化的空間載體。 數(shù)字高程模型在構(gòu)建“數(shù)字地球”中具有基本的重要性，有著十分廣闊的發(fā)展前景。,www.HHU.EDU.cn,基本地形地貌參數(shù)的提取,自數(shù)字高程模型出現(xiàn)以來，人們就對(duì)如何利用數(shù)字高程模型計(jì)算坡度和坡向進(jìn)行大量的研究，提出了多種具體計(jì)算方法。,www.HHU.EDU.cn,水系和流域的生成,www.

12、HHU.EDU.cn,1.確定格網(wǎng)中水流的流向,一般采用D8方法。該法認(rèn)為每個(gè)格網(wǎng)中水流有8個(gè)可能的流向，應(yīng)取最大坡度方向作為格網(wǎng)中水流實(shí)際發(fā)生的流向。 凡匯入各個(gè)方向水流的格網(wǎng)稱為凹點(diǎn)，相鄰格網(wǎng)的高程相等而無法判定水流流向的稱為零點(diǎn)。凹點(diǎn)的集合稱為洼地，例如實(shí)際地形中的水庫(kù)、湖泊等。零點(diǎn)的集合稱為平坦區(qū)域，例如實(shí)際地形中的平地。洼地和平坦區(qū)域的存在使得確定水流流向發(fā)生了困難。因此，在用D8方法確定水流流向時(shí)，應(yīng)對(duì)原始數(shù)字高程模型進(jìn)行預(yù)先處理。,www.HHU.EDU.cn,2.識(shí)別流域的分水線,應(yīng)用數(shù)字高程模型來識(shí)別流域的分水線，必須先定出流域出口斷面的位置，即找到流域出口斷面所在的格網(wǎng)的平面坐標(biāo)，然后按前述確定的格網(wǎng)水流的流向，采用搜索程序就可勾畫出流域邊界，并可計(jì)算出流域面積。,www.HHU.