第二章　洪灾及其控制

第一节　河流基本知识

沿地表线形凹槽集中的经常性或周期性水流，称为河流。较大的叫河或江，较小的叫溪。虽然在地球上的各种水体中，河流的水面面积和水量都很小，但它是水分循环的一个重要组成部分，对气候和植被等都有重要的影响，与人类的生存关系却最为密切，是人类赖以生存的一种重要自然资源，在人类工农业生产活动和生活等方面发挥着巨大的作用。同时，河流管理不善也会给人类带来洪涝灾害。所以，河流是水利工程建设的主要场所。

一、干流、支流和水系

降水经过地面和地下向河流补给水源，由于重力作用，上游水流不断切割和冲蚀河床，使河床逐渐扩大加深。这样，使最初的小沟变成小溪、小河，最后汇集成为大江大河。

直接流入海洋、湖泊的江河称为干流。直接或间接流入干流的河流称为支流，在较大水系中，按水量和从属关系，可分为一级、二级、三级等。直接流入干流的河流，称为一级支流，流入一级支流的河流，称为二级支流，依次类推。

由大小不同的江河干流、支流、湖泊、沼泽和地下暗流等组成的脉络相通的水网系统称为水系，也叫河系或河网。水系一般以它的干流或以注入的湖泊、海洋名称命名，如长江水系、太湖水系、太平洋水系等。

二、河流的分段

河流可按其地貌特征及水力特性进行分段，一条发育完整的河流可分为河源、上游、中游、下游及河口等5个河段。

（1）河源。河流开始具有地面水流的地方。泉水、溪涧、沼泽和冰川通常是河流的源头。

（2）上游。直接连接河源的河流上段。其特点是河谷窄、坡度大、水流急、下切强烈，常有瀑布、急滩。河谷断面多呈V字形，河床多为基岩或砾石。

（3）中游。上游以下的河流中段。其特征是河流的比降较缓，下切力不大而侧蚀显著、流量较大、水位变幅较小，河谷断面多呈U字形，河床多为粗砂。

（4）下游。中游以下的河段。其特征是比降小、流速慢、水流无侵蚀力、淤积显著、流量大、水位变幅小、河谷宽广，河床多为细砂或淤泥。

（5）河口。河流的出水口。它是一条河流的终点，也是河流流入海洋、湖泊或其他河流的入口。其特点是流速骤减、断面开阔、泥沙大量淤积，往往形成沙洲。因沉积的沙洲平面呈扇形，常称为河口三角洲。

流入海洋的河流，称为入海河流。我国内陆地区许多河流由于沿途渗漏或蒸发损失，常在与其他河流汇合前就已枯竭而没有河口，称为内陆河，俗称为“瞎尾河”。我国新疆的塔里木河就是一条长度为中国第一、世界第二的内陆河。

三、河流的基本特征

河流的基本特征有河流长度、纵横断面、河床比降等，一般是实测或依据实测地形图计算而来的，是进行水利工程规划和水工建筑物设计的基本数据。

1.河流长度

一条河流，自河源到河口的长度称为河长。由于河流蜿蜒曲折，不易直接量测。一般在河道地形图上按比例尺量出。可以行驶机船的河流，亦可用机船行驶的速度及航行的时间求得。

2.河流的横断面

河流沿途经过的河道叫做河床，亦称河谷。枯水期水流所占河床称为主槽；汛期洪水泛滥所及部位，称为滩地。在枯水期和中水期水流经过的河床称为基本河床，在洪水期漫溢到两岸滩地所形成的河床称为洪水河床。一般上游为峡谷，中游有滩地，下游位于冲积层上。

河流的横断面，是指与河道主流方向垂直的断面，即河底线与水面线之间所包围的平面。河槽横断面是决定河槽输水能力、流速分布、流向的重要因素。当河水涨落变化时，过水断面的形状和面积也随之变化。河流各段的横断面如图2-1所示。

3.河流的纵断面

河流谷底最深处的连线称深泓线。沿河流深泓线切开的剖面叫河流纵断面。测出河槽底部转折点的高程，以河长为横坐标，高程为纵坐标，绘出纵断面图（图2-2）。纵断面图表示出河流的纵坡和落差的沿程分布，这是推算水流特性和估计水能资源的主要依据。

4.河道纵比降

河段两端的河底高程之差称为河床落差，河源与河口的河底高程之差为河床总落差。单位河长的河床落差称为河道纵比降，通常以千分数或小数表示。当河段纵断面近似为直线时，比降可按下式计算

四、河流的水文要素

河流的水文要素有水位、流量和含沙量等。

（一）水位

河流某断面某时刻的水位，是指该时刻某断面的水面对于该国规定的水准零点的高程，以m为单位。我国各河流的水准零点并不一致，如长江采用吴淞零点，黄河及华北各水系采用大沽零点，淮河采用废黄河零点，东北水系采用秦皇岛零点等。1956年我国规定以黄海（青岛）多年平均海平面作为统一的高程零点基面，称为黄海绝对基面。1985年开始启用“1985年国家高程基准”（以1952—1979年青岛验潮站测定的平均海水面作为高程基准面）。

（二）流量

河流某断面某时刻的流量，是指在该时刻单位时间内流经该断面的水的体积，通常以m3/s为单位。

（1）径流量W。一定时段内通过河流某一断面的水量，称为该时段的径流总量，或简称为径流量，如月径流量、年径流量等，常用单位有m3或万m3、亿m3等。径流量与平均流量的关系如下

（2）径流深Y。将一定时段的径流总量平均铺在流域面积上所得到的水层深度，称为该时段的径流深，以mm计。

在水利水电工程规划设计中，年径流是一个很重要的数据。所谓年径流，是指在一个年度内通过河流某断面的水量，叫做该断面以上流域的年径流量。它可用年平均流量（m3/s）、年径流深（mm）、年径流总量（万m3或亿m3）或年径流模数［m3/（s·km2）］表示。

我国《水文年鉴》中，年径流量是按日历年度统计的，而在水文水利计算中，年径流量通常是按水文年度或水利年度统计的。水文年度以水文现象的循环规律来划分，即从每年汛期开始时起到下一年汛期开始前止；对于北方春汛河流，则以融雪情况来划分水文年。水利年度是以水库蓄泄周期来划分的。水文年和水利年的起止日期划分各地不一，各地均有具体规定。

（三）含沙量

河流一般都或多或少地挟带着各种不同粒径的泥沙。河流泥沙主要来源于流域坡面上被风雨、径流侵蚀的土壤，以及河床被水流冲刷的砂砾。河流泥沙对水流的水情及河流的变迁有着重大的影响。泥沙能直接引起河床变化，引起水库、湖泊、渠道的淤积，给防洪、灌溉、供水、航运带来困难。泥沙也有有利的一面，如细泥沙适量地淤灌田地可以改良土壤，增加农田作物产量，河床粗砂砾还是一种常用的建筑材料。

河流向下游输送的不同粒径大小的泥沙总称为全沙。按照泥沙的运动方式，将河流全沙分为悬移质和推移质两种类型。悬移质又称悬沙，是指悬浮于水中随水流一起运动的泥沙。推移质又称底沙，是指在河床面上以滑动、滚动或跳跃的方式运动的泥沙。

在河流泥沙运动中，底沙、悬沙是相互联系、互相转化的。同一粒径的泥沙，在不同河段或同一河段的不同时间由于流速和水质的变化，可以做推移运动，也可以呈悬移状态下移。

河流中的泥沙可以用含沙量、输沙量等表示。含沙量是指单位体积浑水中所含泥沙的质量，用ρ表示，以kg/m3计。输沙量是指某时段内通过河流某断面的泥沙质量，以kg或t计。

影响河流输沙量的因素有流域的自然地理特征、流域降水特性、河道外形、人类活动等。

1.流域自然地理特征的影响

河流中挟带泥沙的多少，主要取决于地面径流对流域表面的冲刷作用及岩石的风化程度，因而流域表面的坡度、土壤结构、植被等情况都是影响河流含沙量的因素。例如黄河中上游覆盖大面积的黄土，结构疏松，抗侵蚀力差，植被稀少。一旦出现暴雨，则容易崩坍和滑塌，沟蚀强烈，因而发源及流经该地区的河流含沙量很大。

2.流域降雨特性的影响

降雨强度和降雨量的大小对河流泥沙的含沙量影响很大，在久旱无雨的时期，土壤干燥，黏结力小，较易冲刷变成河流泥沙，岩土自然风化堆积物也在暴雨冲刷下变成河流泥沙。反之，如果地面原来土壤结构比较坚实，或由于土壤比较潮湿，则不易冲刷。南方河流泥沙较少就有这一方面的原因。降雨强度的大小，还可以反映在洪峰涨落的急缓上。降雨强度大，对地面冲刷强烈，故猛涨猛落的洪峰含沙量较大，涨落平缓的洪峰含沙量小。

3.河道外形的影响

河床坡度越陡，水流切割河床的能量就越大。河道下游断面扩大，坡度平缓，流速减小，泥沙逐渐沉积，因此河流上游断面含沙量一般比下游大。此外，河段地形的变化，也常引起河段泥沙的局部冲淤，使含沙量发生变化。

4.人类活动的影响

人类在生产活动过程中，可以使坡面得到治理和开发。采用不合理的耕作方式，砍伐森林或陡坡开荒，开矿修路，河道整治及水工建筑物的修建，均会引起含沙量的增减和冲淤变化。

五、流域

1.流域与分水岭

流域是河流的集水区域，集水区域面积称为流域面积，根据出流断面来确定流域的大小，如图2-3所示，出流断面为Ⅰ时，其相应流域面积为A（阴影部分），出流断面为Ⅱ时，其相应流域面积为A和B，即虚线所包围的全部集水区域。河流某一断面以上的集水面积称为河流在该断面的流域面积，其单位为km2。当不指明断面时，流域是对河口断面而言的。一般可在适当比例尺的地形图上先勾绘出流域分水线，然后用求积仪或数方格的方法量出其面积，在数字化地形图上也可以用有关专业软件计量。

流域的边界称为分水岭、分水线或分水界。分水岭通常位于流域四周的山脊线上，有山岭的地形较容易划分。如秦岭是长江与黄河的分水岭，秦岭以北发生的径流汇入黄河，则秦岭以南的径流汇入长江。但两个流域的边界不一定是山岭，湖泊、沼泽、河堤甚至一些平坦的地区都可以成为分水岭。如黄河下游的南北大堤，便是淮河流域与海河流域的分水岭，南北大堤之间则属于黄河流域，辽河和松花江的流域分界是公主岭一带地区。

河流的水量由地面径流和地下径流组成，因而划分流域既要考虑地面分水线，也要考虑地下分水线，但两者不一定是重合的，这是因为地面起伏不一定与地质构造吻合（图2-4）。一般以地面分水线为准划分流域。

2.流域的自然地理特征

流域的自然地理特征包括流域的地理位置、气候条件、地形特征、地质构造、土壤性质、植被、湖泊、沼泽等。

（1）地理位置。主要指流域所处地球的区位、经纬度以及距离海洋的远近等。一般是低纬度和近海地区雨水多，高纬度地区和内陆地区降水少。如我国的东南沿海一带雨水就多，而华北、西北地区降水就少，尤其是新疆的沙漠地区更少。

（2）气候条件。主要包括降水、蒸发、温度、风等。其中对径流作用最大的是降水和蒸发。

（3）地形特征。流域的地形可分为高山、高原、丘陵、盆地和平原等，其特征可用流域平均高度和流域平均坡度来反映。同一地理区位，不同的地形特征将对降雨径流产生不同的影响。

（4）地质与土壤特性。流域地质构造、岩石和土壤的类型都将对降水形成的河川径流产生影响，同时也影响到流域的水土流失和河流泥沙。

（5）植被覆盖。流域内植被可以增大地面糙率，延长地面径流的汇流时间，同时加大下渗量，从而使地下径流增多，洪水过程变得平缓。另外，植被还能减少水土流失，降低河流泥沙含量，涵养水源；大面积的植被还可以调节流域小气候，改善生态环境等。植被的覆盖程度一般用植被率表示，是植被面积与流域面积的比值。

（6）湖泊、沼泽、水塘、水库。流域内的大面积水体对河川径流起调节作用，使其在时间上的变化趋于均匀；还能增大水面蒸发量，增强局部水分小循环，改善流域小气候。通常用湖沼塘库的水面面积与流域面积之比的湖沼率来表示。

以上流域各种特征因素，除气候因素外，都反映了流域的物理性质，它们承受降水并形成径流，直接影响河川径流的数量和变化，所以水文上习惯称为流域下垫面因素。当然，人类活动对流域的下垫面影响也越来越大，如人类在利用和改造自然的活动中修建了不少水库、塘堰、梯田，以及植树造林、城市绿化等，明显地改变了流域的下垫面条件，因而使河川径流发生变化，影响到水量与水质。在人类活动的影响中也有不利的一面，如造成水土流失、水质污染以及河流断流等。