第二节 流域

一、流域概念

1.地形分水线

若地形向两侧倾斜，中间有一条脊线，使雨水分别汇集到两条不同的河流中去，则这种地形上的脊线起着分水作用，是相邻两条河流集水区的分界线。分隔相邻两条河流集水区的高地称为分水岭，分水岭可以是山地、高原、山丘或是微有起伏的平原。例如，降在秦岭以南的雨水流入长江，而降在秦岭以北的雨水则流入黄河，所以秦岭是长江与黄河的分水岭。

分水岭上最高点的连线称为分水线，河流集水区的周界分水线就是分水岭的延长线。河流集水区的地面分水线（周界），通常是经过出口断面环绕集水区四周的山脊线，可根据地形图勾绘。河流集水区的地下分水线（周界）很难准确确定。

分水岭有对称与不对称两类，对称分水岭的分水线位于分水岭中央；不对称的分水岭，其分水线偏向一侧。产生不对称的原因，主要是由于两坡构造岩性不同或两侧流域的侵蚀基准面不同。

河流水源包括地面水和地下水，因此分水线有地面分水线与地下分水线之分。河流集水区的地面分水线与地下分水线，一般情况下大体上是一致的，但有时受水文地质条件和地貌特征的影响，地面分水线与地下分水线可能不一致，表现在垂直方向上不重合，如图2-4所示。图中的A、B两河地面分水线就是中间的山脊线，但地下不透水层向A河倾斜，其地下分水线在地面分水线的右边，两者在垂直方向不重合。在地面、地下分水线之间的面积上由降雨产生的地面水流注入B河，产生的地下水流则注入A河，从而造成两条河流地面、地下集水区不一致。除此之外，如果A、B之间没有不透水的地下分水线，枯季时A河的水还会渗向B河，使地下分水线发生变动。

一条河流集水区的分水线通常并不是固定不变的，一是由于河流的向源侵蚀而发生的相邻流域的袭夺现象，分水线的位置会发生改变；二是由于人工开挖河道，或跨区引水等会改变集水区实际面积；三是在平原河网地区，由于地势平坦，河沟纵横交错，加之河道闸坝调节，造成水流方向不定，甚至在不同的季节，因水位高低不同而造成流向不一和集水面积的不同。

2.流域

汇集地面水流和地下水流的区域称为流域（valley or basin），即分水线包围的集水区（catchment）。流域如同集水区那样，也有地面和地下之分，通常情况下所指的流域都是地面集水区。当流域的地面、地下分水线重合，河流下切比较深，流域上降水产生的地面、地下水流能够全部经过流域出口断面时称为闭合流域。一般大中流域，由于地面、地下分水线不重合而造成的地面、地下集水区的差异相对全流域很小，且出口断面下切较深，常常被看作是闭合流域，严格地说，完全闭合的流域是不存在的。

由于地面、地下分水线不一致，或者因河道下切过浅，流域出口断面流出的水流并非完全是由流域上降水产生的水流时，称这种流域为非闭合流域。小流域或岩溶地区的流域，常常是非闭合流域，非闭合流域与周围邻近流域存在水量交换。

对一般的大、中型流域，因地面和地下集水区不一致而产生的相邻流域之间水量交换，比流域总水量小得多，可忽略不计，因此，可用地面集水区代表流域。但是，对于小流域或者流域内有岩溶的石灰岩地区，有时交换水量占流域总水量的比重相当大，如果把地面集水区当作流域，则会造成很大的误差。这就必须通过水文地质调查及枯水调查、泉水调查等，确定地面及地下集水区的范围，估算相邻流域间的水量交换。在实际工作中，除具有石灰岩溶洞等特殊地质情况外，一般的集水区均可近似看作闭合流域。

因地下分水线不易确定，一般用地面集水区面积表示流域的大小，地面分水线所包围区域的平面投影面积，称为流域面积，用F表示，km²。在适当比例尺的地形图上勾绘出流域地面分水线后，量出流域面积。勾绘地面分水线是确定流域面积的关键，一般在较大比例尺的地形图上进行。勾绘时一定要保证其与每条等高线在相交处垂直。因流域形状大多不规则，勾绘出分水线后，采用方格法或求积仪法，定出流域面积。在自然条件相似的地区，一般是流域面积越大，河流的水量就越丰富。

一条河流有许多个断面，每个断面都有各自的集水区，这些集水区（或称为断面以上流域）的面积也是不同的。所以，河流的流域面积可以计算到河流的任一断面，如水文站控制断面、水库坝址断面或任一支流的汇合口处。无论流域面积大小，集水区最低处的河流断面称为流域出口断面。一般来说，流域面积是指河口断面以上地面分水线包围的面积。

二、流域特征

1.流域形状特征

（1）流域长度。流域长度以L（km）表示。确定流域长度的常用方法有以下3种，可依据研究目的选用：①从流域出口断面沿主河道到流域最远点的距离；②从流域出口断面至分水线的最大直线距离；③用流域平面图形几何中心轴的长度（也称流域轴长）表示，即以流域出口断面为圆心作若干个不同半径的同心圆弧，每个圆弧与流域边界的两个交点连一割线，各割线中点连线的总长度即为流域几何轴长。

（2）流域平均宽度。用流域面积F除以流域长度L得到流域平均宽度B，即

流域平均宽度B越小，表明流域形状越狭窄，水流越分散，从而形成的洪峰流量小，洪水过程平缓；若B接近于L，则流域形状近于正方形，水流较集中，形成的洪峰流量大，洪水过程较集中。

（3）流域形状系数。流域平均宽度B与流域长度L之比称为流域形状系数K，即

流域形状系数K越大，表明流域形状近于扇形，洪水过程越集中，从而形成尖瘦的洪水过程线；形状系数K越小，流域形状越狭长，洪水过程越平缓，形成矮胖的洪水过程线。

由于羽状水系的支流自上游向下游在不同地点依次汇入干流，相应的流域形状多为狭长形。扇形水系的支流大体呈平行状与干流交汇，相应的流域形状多为扇形。

（4）分水线延长系数。流域分水线长度L′与同面积圆的周长之比称为分水线延长系数K_a，通过简单的代数运算得到计算式为

2.流域地形特征

（1）流域平均高程。流域平均高程是指流域地面分水线内的地表平均高程，常用流域内各相邻等高线间的面积与其相应平均高程的乘积之和再与流域面积的比值（面积加权法）计算，即

式中：为流域平均高程，m；f_i为相邻两条等高线之间的面积，可从地形图上用求积仪量取，km²；Z_i为相邻两条等高线的平均高程（相邻两条等高线的平均值），m；F为流域面积，即。

（2）流域平均坡度。流域平均坡度又称地面平均坡度，它是坡地漫流过程的一个重要影响因素，在小流域洪水汇流计算中是一个重要参数。一般用下式计算：

式中：为流域平均坡度，无因次；ΔZ为相邻两条等高线的高差，m；L_i（i=1，…，n）为流域内各条等高线的长度，m；其余符合意义同前。

另一种计算流域平均坡度的方法是格点法：将流域划分为若干正方形网格，定出每个网格的格点与等高线正交方向的坡度，所有坡度的算数平均值即为流域的平均坡度。

（3）面积高程曲线。某些水文要素，如降水、蒸发等与高程具有一定的关系，为研究高程对水文特征值的影响，就需要了解流域面积随高程的分布变化情况。具体作法是量算出相邻两条等高线之间的面积，统计出大于等于某一高程的面积与流域面积之比，然后以高程为纵坐标，相对面积为横坐标绘出光滑曲线，如图2-5所示。

3.流域自然地理特征

（1）地理位置。流域的地理位置一般用流域中心或其边界的经纬度表示，如黄河流域位于北纬32°～42°和东经96°～119°。纬度相同地区的气候比较一致，所以东西方向较长的流域，流域上各处水文特征的相似程度较大。另外，还需要说明所研究流域距离海洋的远近以及与其他流域和周围较大山脉的相对位置。流域距离海洋的远近和较大山脉的相对位置，影响水汽的输送条件，直接导致降雨量的大小和时空分布的不同。如我国西北内陆地区与华北地区相比，虽然纬度相同，但前者因距离海洋较远、降水量稀少而形成较干旱气候；由于秦岭山脉的阻隔，水汽输送不畅，致使秦岭南北地区的降水量相差悬殊，河流的水文特征也有显著差异。

（2）气候条件。流域的气候要素包括降水、蒸发、气温、湿度、气压、风速等。河流的形成和发展主要受气候因素控制，即有“河流是气候的产物”之说。降水量的大小及分布，直接影响河流年径流的多少；蒸发量则对年、月径流有重大影响。气温、湿度、风速、气压等主要通过影响降水和蒸发，从而间接影响流域径流。

（3）下垫面条件。下垫面是借用了气象学中的术语，特指流域的地面，如地形、植被、河流、湖泊、沼泽等情况，这些要素以及上述河流特征、流域特征都反映了每一水系形成过程的具体条件，并影响径流的变化规律。在天然情况下，水文循环中的水量、水质在时间上和地区上的分布与人类的需求是不相适应的。为了解决这一矛盾，长期以来人类采取了许多措施，如兴修水利、植树造林、水土保持、城市化建设等来改造自然以满足人类的需要。人类的这些活动，在一定程度上改变了流域的下垫面条件从而引起水文特征的变化。因此，研究河流及径流的动态特性时，需对流域的自然地理特征及其变化状况进行专门的分析研究。

流域植被，特别是森林植被对径流具有重要的调节作用，能够改变径流成分的组成比例。为了反映流域植被的多少可用植被率K_c表示，即流域的植被面积A与总面积F的比值：