通识教育选修课教材《河-流-概-论》.doc

通识教育选修课教材

河 流 概 论

熊 治 平
武 汉 大 学
2010.9
前 言

河流是在一定气候和地质条件下形成的天然泄水输沙通道。同时也是许多自然物质循环的重要通道。全世界河流每年向海洋输送数万km3水量，数十亿t泥沙和化学物质。我国河流众多，流域面积在100km2以上的河流有50000多条，在1000 km2以上的河流有1500多条，超过10000 km2的河流有79条。
河流是自然界中一道靓丽的风景。河流的形成与变迁，自然会引起自然景观的改变。河流与人类的生存环境和经济社会的可持续发展关系重大。人类不仅可以欣赏和享用河流，而且也需要尊重和保护河流。
人类与河流的基本关系是唇齿相依、休戚与共的关系。可以说，没有河流就没有人类的智慧和文明；没有人类，河流也就失去了丰富多彩的本色。但是，我们应当清醒地看到，长期以来，随着世界人口的逐年增多，人类为了发展经济，改善生存环境条件，提高社会生活质量，以自我为中心，盲目地开发利用河流、改造河流，与河流长期处于对立的状态，致使许多河流的本有功能甚至生命遭遇空前的危机，从而反过来也严重威胁到人类自身。
就我国说来，一些地方的河流，经常逞凶作恶、危害人类，有时河水泛滥、决口酿灾；有时因泥沙淤积成滩而碍航，严重影响水上交通；有些河流甚至出现季节性断流，直接威胁到国民经济部门的正常运营和自然生态平衡。所有这些，都在一定程度上与人类社会诸如毁林垦地、围湖造田、与河争地等活动行为有关。
人类需要高度重视的是，面对自然界的河流，一方面要通过研究河流的自然特性与规律，设法让河流更好地造福于人类；另一方面要节制自身的社会活动行为，注意顺其河性，善待河流，关爱河流，呵护河流，与河为友，与河长期和谐共存。
《河流概论》是面向全校各类专业学生开设的一门通识教育选修课。意欲引导学生走近河流，科学认识河流和了解河流的相关知识。由于与河流有关的话题颇为宽泛，受课时所限，本门课程的讲授内容，将锁定在水利工程领域河流动力学学科附近。从选课学生的生源特点以及学校有关通识教育课的基本精神考虑，教材内容注重常识性、科普性、实用性和可读性，主要着力于基本概念和基本知识的一般性介绍，力求摒弃和避免专业理论的刻意阐述、数学公式的推演和严格意义的工程设计技术内容。教材行文尽力做到言简意赅，通俗易懂，简明实用。
本课程的基本任务是，首先简要介绍河流、水系与流域的基本常识，在此基础上，依章讲述河道水流、河流泥沙、河道观测、河流演变、河流治理的基本概念和基本知识，以及有关“维持河流健康生命”的热点问题等知识点。课堂讲授运用多媒体教学方式，采取通俗易懂的讲解语言，配合大量图片和相关影像资料，让学生坐在教室、足不出校，就可如临其境，从全方位、多视角地对河流有宏观和初步的感识与了解。目的在于拓宽学生的知识面，以把自已培养成为新时代高素质的通用型人材。
这本讲义为应教学急需而编写。讲义内容欠妥和疏漏之处在所难免，有待今后进一步修改和完善。欢迎同学们提出宝贵意见！
   熊 治 平
    2010.9

目 录
第一章 河流、水系与流域………………………………………………………1
第一节 河 流…………………………………………………………………1
第二节 水系与流域……………………………………………………………5
第三节 我国的河流概况………………………………………………………7
第二章 河道水流…………………………………………………………………9
第一节 自然界的水循环及水量平衡…………………………………………9
第二节 河流径流的形成过程…………………………………………………11
第三节 河流径流的度量方法…………………………………………………12
第四节 河道水流的基本特性…………………………………………………13
第三章 河流泥沙…………………………………………………………………18
第一节 河流泥沙的来源………………………………………………………18
第二节 河流泥沙的分类……………………………………………………18
第三节 河流泥沙的基本特性…………………………………………………20
第四节 河流泥沙的运动………………………………………………………22
第五节 我国河流泥沙情况……………………………………………………29
第四章 河流观测…………………………………………………………………33
第一节 河道水流观测…………………………………………………………33
第二节 河流泥沙测验…………………………………………………………37
第三节 河道地形观测…………………………………………………………39
第五章 河流演变………………………………………………………………44
第一节 河流的形成过程与形态特征…………………………………………44
第二节 河床演变的基本原理…………………………………………………50
第三节 河床演变的基本规律…………………………………………………53
第四节 我国黄河、长江的形成与演变过程简史……………………………60
第六章 河流治理…………………………………………………………………63
第一节 河流治理规划设计……………………………………………………63
第二节 河道整治的基本措施…………………………………………………67
第三节 常见河道整治工程……………………………………………………70
第七章 河流健康生命问题………………………………………75
第一节 河流生态系统的基本概念……………………………………………75
第二节 河流生命的基本内涵…………………………………………………78
第三节 人类与河流关系的历史发展演变……………………………………80
第四节 河流伦理的哲学思考…………………………………………………81
第五节 河流生命论---治河新理念…………………………………………84

第一章 河流、水系与流域
第一节 河 流
河流是在一定气候和地质条件下形成的天然泄水输沙通道，是河槽与水流（挟沙水流）的总称。我国的河流有江、河、水、川、溪等称谓，如长江、黄河、汉水、四川大金川、湖北香溪等等。
雨水降落地面以后，在重力作用下自高处向低处流动，侵蚀地表，形成沟壑，进而发展为小溪，小溪汇集成小河，若干小河又汇合成为大的江河，最后流入海洋或内陆湖泊。河水流经的谷地称河谷，河谷底部有水流的部分称为河床。河水在汇流而下的过程中，不断切割、拓展河槽，使河槽断面沿程扩大，以致河流尺度及其泄流能力愈往下游愈大。
河流对人类生存环境有重大意义，人类通过对河流的开发和利用，不断改善生存环境条件，提高社会生活质量。河流也不时逞凶作恶、危害人类，如有时河水泛滥、决口成灾，有时淤滩碍航、隔断交通，严重时甚至出现断流，威胁人类社会经济发展和生态平衡。人类面对自然界的河流，一方面要研究河流的特性与规律，发挥河流的服务功能，设法让河流造福于人类；另一方面也要顺其河性，注意善待河流，与河为友，与河长期和谐共存。
一、河流的分类
河流的分类方法很多。按河流的归宿不同，可分为外流河和内陆河(或内流河)两大类。外流河最终流入海洋，内陆河则注入封闭的湖沼或消失于沙漠而不与海洋相沟通。
按河流所在地理位置，我国的河流有南方河流与北方河流之分。一般来说，南方河流水量丰沛，四季常流水；而北方河流，则水量相对贫乏，年际间、季际间水量相差悬殊，有些河流在每年的枯水季节可能断流，而成为季节性河流。
按河水含沙量大小，可分为少沙河流与多沙河流。少沙河流河水“清澈”，每立方米水中的泥沙含量常在几公斤甚至不足1公斤；而多沙河流，每立方米水中的泥沙含量常在几十公斤、几百公斤甚至千余公斤。
按河流是否受到人为干扰，可分为天然河流和非天然河流。天然河流纯属自然状态，其形态特征和演变过程完全处于自由发展之中；而非天然河流或称半天然河流，其形态和演变受限于人工干扰或约束，如在河道中修建的丁坝、矶头、护岸工程、港口码头、桥梁、取水口和人工裁弯等。然而，自然界的河流，完全不受人为干扰影响的并不多见。
在河流动力学中，常将河流按其流经地区不同，分为山区河流与平原河流两大类。山区河流流经地势高峻、地形复杂的山区，在漫长的历史过程中，由水流不断地纵向切割和横向拓宽而逐步发展形成。平原河流流经地势平坦、土质疏松的冲积平原。
二、河流的分段
发育成熟的天然河流，一般可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的发源地，它可能是溪涧、泉水、冰川、湖泊或沼泽等。
上游是紧接河源的河流上段，多位于深山峡谷，河槽窄深，流量小，落差大，水位变幅大，河谷下切强烈，多急流险滩和瀑布。
中游即河流的中段，两岸多丘陵岗地，或部分处平原地带，河谷较开阔，两岸见滩，河床纵坡降较平缓，流量较大，水位涨落幅度较小，河床善冲善淤。

图1- 1 河口区分段图
(a)三角洲； (b)三角港
1一河流近口段；2一河口段；
3--口外海滨；4一前缓急滩

下游即指河流的下段，位处冲积平原，河槽宽浅，流量大，流速、比降小，水位涨落幅度小，洲滩众多，河床易冲易淤，河势易发生变化。
河口是河流的终点，即河流流入海洋、湖泊或水库的地方。入海河流的河口，又称感潮河口，受径流、潮流和盐度三重影响。一般把潮汐影响所及之地作为河口区。河口区可分为河流近口段、河口段和口外海滨三段，如图1-1所示。从某种意义讲，可以把河流近口段与河口段的分界处视为河流真正意义上的终点。
以长江、黄河为例。长江发源于青藏高原唐古拉山脉主峰格拉丹东雪山西南侧，河源至宜昌为上游，长4504km；宜昌至湖口为中游，长955km；湖口以下为下游, 长938km。
黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，河源至内蒙古自治区托克托(河口镇)为上游，河长3472 km；从托克托至河南省桃花峪为中游，河长1207 km；桃花峪至黄河河口为下游，全长768km。
三、河流的分级
流域水系中各种大小不等的沟道与河流，可用河流的级别来表示。河流分级方法主要有两类：一是从河流水系的研究分析方便考虑，把最靠近河源的细沟作为一级河流，最接近河口的干流作为最高级别的河流，然而，这在具体划分上又存在不同的做法，图1-2便是其中常见的一种。二是把流域内的干流作为一级河流，汇入干流的大支流作为二级河流，汇入大支流的小支流作为三级
图1-2 河流分级示意图

河流，如此依次类推。
四、河流的落差与比降
河流落差指河流上、下游两地的高程差。河源与河口的高程差，即为河流的总落差。某一河段两端的高程差，称之为河段落差。通常所谓的河流比降，一般是指河流纵比降，即单位河长的落差，也称坡度。河流比降有水面比降与河床比降之分，两者不尽相等，但因河床地形起伏变化较大，故在实际工作中多以水面比降代表河流比降。
设某河段i的比降为Ji，则
Ji＝(Zi一Zi-1)／Li (1-1)
式中：Ji— 河段i的河底或水面比降，常用以百分率（%）、千分率(‰)表示
Zi、Zi-1 —分别为河段i的上、下游断面的水面或河底高程（m）；
Li——河段i的长度（m）。
因河流比降沿程各处可能不同，为了说明较长距离的河流比降情况，通常需求其平均比降J。计算公式为：
J= （1-2）
式中n为河段数，L为各河段长度之和，L=∑Li。
五、河流的深泓线与主流线
深泓线（或称谿线）是指沿流程各断面河床最深点的平面平顺连接线。在通航河道中，深泓线的位置往往就是航道的所在位置。
主流线为沿流程各断面最大垂线平均流速处的平面平顺连接线。围绕主流线两侧一定宽度内平均单宽流量较大的流带，称为主流带。在某些河流上，主流带在洪水期往往呈现出浪花翻滚、水流湍急的现象，肉眼可以看得很清楚。主流线通常也叫水流动力轴线，具有“大水趋直，小水趋弯”的倾向。主流线与深泓线，两者在河段中的位置通常相近而不一定重合，但有的河段有时也可能相差很远。
主流线与深泓线位置如图1-3所示。
六、河流的长度与宽度
从河源到河口的长度称为河流长度。河流长度可沿河道深泓线或中轴线在河道地形图上量取。河道中轴线是指在平面上沿河流各断面中点的平顺连接线。任意两断面间的河流长度称为河段长度。
河流宽度指河槽两岸间的距离，它随水位变化而变化。水位常有洪、中、枯水之分，因而河槽宽度相应有洪水河宽、中水河宽和枯水河宽。通常意义下的河宽多指中水河槽宽度，即河道两侧河漫滩滩唇间的距离（图1-4）。

图1-3 主流线与深泓线位置示意图 图1-4 洪、中、枯水河槽示意图
七、河流的纵剖面与横断面
河流纵剖面可分为河床纵剖面和水流纵剖面两类。河床纵剖面是沿河床深泓线切取数据绘制的河床剖面，反映的是河床高程的沿程变化。水流纵剖面代表水面高程的沿程变化。
河流横断面是指垂直于水流方向的剖面，可据实测河道地形高程数据绘出横断面图。水面与河床之间的区域为过水断面，相应的面积为过水断面面积。对应于洪、中、枯水水位的河槽，分别称为洪水河槽、中水河槽与枯水河槽。
图1-5 河流侵蚀基准面示意图

不同水位的河槽，相应的过水断面面积不同（图1-4）。
八、河流侵蚀基准面与侵蚀基点
河流侵蚀基准面的含义是指，河流在冲刷下切过程中其侵蚀深度并非无限度，往往受某一基面所控制，河流下切到这一基面后侵蚀下切即停止，此平面称为河流侵蚀基准面。它可以是能控制河流出口水面高程的各种水面，如海面、湖面、河面等，也可以是能限制河流向纵深方向发展的抗冲岩层的相应水面。这些水面与河流水面的交点称为河流的侵蚀基点(图1-5)。河流的冲刷下切幅度受制于侵蚀基点。
应该说明，所谓侵蚀基点并不是说，在此点之上的床面不可能侵蚀到低于此点；而只是说，在此点之上的水面线和床面线都要受到此点高程的制约，在特定的来水来沙条件下，侵蚀基点的情况不同，河流纵剖面的形态、高程及其变化过程，可能有明显的差异。
上述侵蚀基准面，可进一步地分为终极侵蚀基准面和局部侵蚀基准面两类。地球上绝大多数的河流注入海洋，海平面是这些河流的共同侵蚀基准面；河流注入湖泊，湖面大致为该河流的侵蚀基准面。因此，海平面和大的湖泊水面，可认为是终极侵蚀基准面。支流汇入干流，汇合点处干流河床的高度成为支流的侵蚀基准面；河流壅塞，山体崩塌，人工筑堤，坚硬的岩石等形成的侵蚀基准面，诸如这些侵蚀基准面，不仅本身不断变化，而且存在的时间较短，影响也仅限于局部，可以统称之为局部侵蚀基准面。
第二节 水系与流域
一、水 系
水系是河流的集合，是地表径流对地表土的漫长侵蚀以后，逐渐从面蚀到沟蚀、槽蚀，以至发展到由众多支流和干流所构成的复杂的河流网络系统。
水系中的河流有干、支流之分。干流一般是指水系中最长、水量最大的那一条河流。但有些河流的干流，既不是最长也非水量最大，而是根据历史习惯来决定的，例如我国的汉水和它的支流褒水就是这种情况。在汉水与褒水的会合点以上，褒水的长度比汉水长得多，按长度论，汉水的干流应该是褒水而不是湑水。美国的密西西比河比它的支流密苏里河短得多，但是人们习惯把它当作干流。
流入干流的河流称为支流。而支流又有一级、二级、三级…之分。在我国，人们习惯沿用的方法是，把直接汇入干流的河流称一级支流，汇入一级支流的称二级支流，余类推。如长江水系，直接入海的长江为干流，直接汇入长江的汉江为长江的一级支流，流入汉江的唐白河为二级支流，注入唐白河的白河为三级支流。
水系的名称通常以干流的河名命名，如长江水系、黄河水系、珠江水系等。但有些干流的某些河段，则可能另有他名。如长江干流可划为若干河段。从源头到囊极巴陇，称为沱沱河；从囊极巴陇到玉树县的巴塘河口，称为通天河；从巴塘河口到四川宜宾市岷江口，称为金沙江；宜宾以下才称为长江。宜宾以下，又有地方性的称谓，如宜宾至湖北宜昌河段称为川江；湖北枝城至湖南城陵矶河段称为荆江；湖北广济龙坪镇至江西九江河段古称浔阳江域九江；江苏扬州以下旧称扬子江。
此外，也有用地理区域或把同一地理区域内河性相近的几条河作为综合命名，如湖南省境内的湘、资、沅、澧四条河流共同注入洞庭湖，称为洞庭湖水系；江西省赣江、抚河、信江、饶河、修水均汇入鄱阳湖，称为鄱阳湖水系；海河、滦河、徒骇河及马颊河都各自入海，称为华北平原水系等等。
水系的平面形态千奇百异，主要受地质构造、地理条件以及气候因素所影响。常见水系形态可归纳为树枝状、平行状、放射状、环状、辐合状、羽毛状、格状、网状和混合状等等。
二、流 域
流域是指河流的集水区域，凡降落在流域上的雨水都沿着地面斜坡直接流入该河或经过支流注入该河。流域的周界称为分水线(或分水岭)。流域分水线通常是流域四周最高点的连线，亦是流域四周山脉的脊线（图1-6）。
流域的地面分水线和地下分水线一般不重合（图1-7）。对于这种情况，将有部分降水渗入地下流到相邻流域而流失，则这种流域称为非闭合流域；若地面分水线和地下分水线重合，全部降水都通过地面径流与地下径流流向该流域出口，此流域称为闭合流域。通常情况下，可以把流域视为闭合流域。

图1-6 流域平面图 图1-7 流域分水线示意图
流域的几何特征包括流域面积和流域形态两个方面。流域面积又称集水面积，它是河水出口断面以上流域分水线所包围的面积。流域形态指标包括流域的长度、平均宽度、长宽比、对称性和平均坡度等项。
流域的自然地理特征，主要包括流域的气候因素和下垫面因素两个方面。流域的气候因素很多，其中决定流域径流形成和洪水特性的关键性因素是降水与蒸发。降水是地表水的主要来源。我国大部分地区，年降水总量绝大部分是降雨。降雨是空气中的水气随气流上升，绝热膨胀冷却而凝结成水滴降落到地面的现象。蒸发是水由液体状态变成气态的物理过程。流域总蒸发由水面蒸发、陆面蒸发和植物散发三方面组成。流域的下垫面因素主要包括：流域的地理位置、地形、植被、土壤及地质构造、湖泊沼泽等方面。
第三节 我国的河流概况
我国江河众多，河流总长度达43万km。流域面积在100km2以上的河流有50000多条，在1000 km2以上的河流有1500多条，超过10000 km2的河流有79条。长度在1000km以上的河流有20多条。其中境内主要大河有7条。受地形气候影响，我国的河流绝大多数呈西东流向，分布在东部气候湿润多雨的季风区。
在我国外流河和内陆河(或内流河)两大类河流中，外流河流域面积较大，约占国土面积的65.2%，内陆河流域面积较小，约占34.8%。
　 在我国的外流河中，注入太平洋的流域面积最大，约占国土面积58.2%。主要河流包括长江、黄河、淮河、海河、辽河、珠江，流经俄国入海的国境河流黑龙江，以及流出国外入海改称湄公河的澜沧江等大河。注入印度洋的河流流域面积占国土面积的6.4%，主要河流有怒江(流入邻国缅甸后，改称萨尔温江，最后注入印度洋的安达曼海)、雅鲁藏布江(由我国流入印度，改称布拉马普特拉河，再流经孟加拉国，最后注入印度洋的孟加拉湾)，以及印度河上游的朗钦藏布和森格藏布等。注入北冰洋的流域面积最小，约占全国总面积的0.6%，它所包括的唯一河流额尔齐斯河是鄂毕河上游，出国境后，流经哈萨克斯坦、俄罗斯注入北冰洋的喀拉海。
我国的内陆河流域，主要分布在西北干旱地区和青藏高原内部，深居内陆，海洋水汽不易到达，干燥少雨，水网很不发育，河流稀少，存在大片的无流区。区内河流主要依靠高山冰雪融水补给，主要河流如塔里木河、伊犁河、甘肃的黑河、青海湖及西藏众多的内陆湖泊。
我国主要江河的长度和流域面积见表1-2。
表1-2 我国主要江河的长度和流域面积
河 名
河 长
(km)
流域面积
(km2)
河 名
河 长
(km)
流域面积
(km2)
长 江
黄 河
黑龙江
松花江
珠 江
雅鲁藏布江
塔里木河
澜沧江
怒 江
辽 河
6300
5464
3420
2308
2214
2057
2046
1826
1659
1390
1808500
752443
1620170
557180
453690
240480
194210
167486
137818
228960
海 河
淮 河
滦 河
鸭绿江
额尔齐斯河
伊犁河
元 江
闽 江
钱塘江
浊水溪
1090
1000
877
790
633
601
565
541
428
186
263631
269683
44100
61889
57290
61640
39768
60992
42156
3155
注: 流入邻国的河流流域面积算至国境线，入境河流流域面积包括流入我国或界河的国外面积；黄河不含流域内闭流区的面积。

第二章 河道水流
第一节 自然界的水循环及水量平衡
一、自然界的水循环
自然界遍处是水，但其总量则很难准确估计，特别是海洋水量和地下潜存水量。据各方面专家综合估算，地球上共有积蓄水约13.86亿km3。其中海洋水约13.5亿km3，占97.4％；陆地水约3598万km3，占不足2.6％；大气水约1.3万km3，占不足0.001％。陆地水中，冰盖和冰川蓄积的水量，约2750万km3，占陆地水量的76.4％，其中80％位于南极地区，每年溶化流入海洋的水量约700 km3；河流和淡水湖泊的水量仅10.17万km3，占不足0.3％；而地下水量有820万km3，占22.8％。
自然界中水的形态可有多种，其运行变化异常复杂。空中汽态水可因冷凝而成液态或固态，以雨、雪、雹、霰等形式下降于大陆或海洋，这些统称为降水；江、河、湖、海及大陆上的液态水或固态水，可因太阳的热力作用而成汽态水升入天空，此称为蒸发现象；地表水在重力作用下，进入土壤或岩层时，称为入渗；沿地表及地下流动的水流，统称为径流，其中沿地表流动的水流，
图2-1 自然界水循环示意图

称为地表径流；在地下土壤或岩石裂缝中流动的水流，称为地下径流或基流，它是长久无雨时期河水的补给源；沿河川流动的水流，称为河川径流。降水、蒸发、径流、入渗等现象，统称为水文现象。系统地观测、收集与研究这些水文现象的变化规律，并预报未来可能面临的水文情势，对于科研、设计和社会各方面是十分重要的决策依据。
降水、径流、蒸发及入渗等周而复始的变化过程，称为自然界的水循环，如图2-1所示。其中发生在海洋上或陆地上的水循环，称为小循环；发生在海洋与大陆间的水循环，称为大循环。太阳是循环的总能源，而太阳辐射和地心引力则是水循环的动力，循环的源和汇都是海洋。

就我国来说，水汽主要来自东南方向(太平洋)，其次是南方（印度洋）和西南方向（大西洋、北冰洋）。进入我国上空的水汽，大部分不参加水循环。据1977年分析，只有12％的输入水汽形成了径流，其余则经我国的上空逸出。我国水汽的输出口主要是东部上空和沿海诸河，水汽形成的径流，大部分经河川注入太平洋，小部分流入印度洋，极小部分流入北冰洋。
二、水量平衡
水量平衡是水循环的数量表示。根据质量守恒定律，全球或任一区域水量都应保持收支平衡。降水量、蒸发量及径流量是水量平衡的三个重要因素。因此，全球水量平衡方程式可写为：
XC+XO =ZC+ZO (2-1)
式中：XC、ZC分别为大陆年均降水量及年均蒸发量；XO、ZO分别为海洋年均降水量及年均蒸发量。
上式表明，全球年均降水量等于全球年均蒸发量。从UNICEF公布的数据看，海洋年均降水量458000 km3，海洋年均蒸发量505000 km3；陆地年均降水量119000 km3，陆地年均蒸发量72000 km3（图2-2）(伍光和等)。
另据统计，全球海洋上的单位面积多年平均蒸发量Z1=1400 mm，降水量X1=1270 mm ；全球陆面上的单位面积多年平均蒸发量Z2=485 mm，降水量X2=800 mm。可见 Z1>X1， Z2< X2，这就表明，海洋上的多余水汽随大气运行进入内陆；而陆面上的多余水分则以河流径流形式回归大海。

图2-2 全球水循环过程及其数量分布
第二节 河流径流的形成过程
径流是指流域内的降水，经由地面和地下汇入河流后向流域出口断面汇集的水流。其中沿着地表流动的水流称为地面径流；渗入地表土壤在含水层内流动的水流称为地下径流。沿着河槽流动的水流，称为河流径流。由降水开始到水流流经流域出口断面的全部过程，称为河流径流形成过程。流域径流形成的物理过程十分复杂，大致可分为四个阶段：即降水过程、流域蓄渗过程、坡面漫流过程和河槽集流过程。其中流域蓄渗过程又称产流过程；坡面漫流和河槽
图2-3 河流径流形成过程示意图

集流过程统称汇流过程。图2-3为河流径流形成过程示意图。
一、降水过程
降水是径流形成的主要因素。降水是降雨、降雪、降雹的统称。因我国大部分地区年降水总量的绝大部分是降雨，故常把降水狭义地看作降雨。
降水过程的特征，主要由降水量、降水强度、降水历时、暴雨中心位置和暴雨移动路径等物理量描述。其中降水量、降水强度及降水历时，习称为降水三要素。降水三要素常由实测求得。
二、流域蓄渗过程
降雨开始时，除部分降落于河槽水面上的雨水外，绝大部分落在流域地表，并不立即形成径流。雨水首先被流域地表生长的树木、杂草及农作物的茎叶截留一部分，称植物截留。其次，落到地面上的部分雨水，渗入土壤，称为入渗。单位时间内的入渗量称为入渗强度。降雨开始时入渗较快，若降雨强度大于入渗强度，超过入渗强度的雨，称超渗雨，它将产生地面径流；随着降雨量的不断增加，土壤中的含水量逐渐趋于饱和，入渗强度减小，达到某个稳定值时，称为稳定入渗。此外，还有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼里，称为填洼。
植物截留、入渗和填洼的整个过程，称为流域蓄渗过程。对降雨径流而言，这部分雨水不产生地面径流而称为损失，扣除损失后剩余的雨量，称为净雨。所谓的产流过程，就是由降雨扣除损失求净雨的过程。
三、坡面漫流过程
除去流域蓄渗过程的雨水损失以后，剩余雨水沿着坡面流动，称为坡面漫流。流域内各处坡面漫流的起始时间并非同步，而往往是先从局部区域开始，逐渐增多形成全流域性的坡面漫流。若降雨历时短，或暴雨范围仅限局部，则很难形成全流域的坡面漫流。实际上，坡面漫流的过程也伴随着入渗、降雨和蒸发的过程，因而坡面漫流过程是一个复杂的过程。
四、河槽汇流过程
坡面漫流的雨水汇入沟道，顺着沟道流入支流，由支流到干流，最后达到流域出口断面的过程，称为河槽汇流过程。在河槽汇流过程中，沿途不断有坡面漫流和地下水流汇入其中。因而对于较大的流域，河槽汇流时间较长，河槽调蓄能力较大，在降雨和坡面漫流停止后，所产生的径流还会延长很长的时间。所谓汇流过程，就是净雨经坡面、地下流动和河槽调蓄的再分配过程。
河流洪水的成因及其特性，与其径流形成过程与规律有重要关系，因此，要认识江河洪水，首先需对其所在流域的产、汇流过程与规律有充分的了解。
第三节 河流径流的度量方法
河流径流的度量单位常见以下几种：
（1）流量Q。 指单位时间内流过某断面的水体体积，常用单位为m3／s。如有瞬时流量、日平均流量、月平均流量、年平均流量和多年平均流量等。
（2）径流量W。 指在时段T内流过某断面的总径流体积，常用单位为m3、亿m3等。如日径流量、月径流量、年径流量和多年平均径流量等。计算式：
W=QT （2-2）
（3）径流深度Y。 即径流总量平均分布在流域上的水深，常用单位为mm。公式为：
Y = （2-3）
式中：W为径流量（m3）；F为流域面积（km2）。
（4）径流模数M。 即单位流域面积上平均产生的流量，常用单位为L／s·km2，L为升(0.001 m3) 。计算式为
M=1000 （2-4）
式中：Q为流量(m3／s)；F为流域面积（k m2）。
（5）径流系数α。 指某一时段内的径流深度Y（mm）与降水量X（mm）之比。即
α= （2-5）
α实质上是降水量与径流量间的损失折减系数。α愈小，表示降水的损失愈大，形成的径流量愈小；α愈大，表示降水的损失愈小，形成的径流量愈大。显然有α<1，意即降落到流域上的雨水总有损失。
上述五项径流指标的换算关系如下：
Y = = = （2-6）
第四节 河道水流的基本特性
在普通水力学中，把具有自由水面的水流称为明渠水流。天然河道和人工渠道等都属于明渠。明渠流是一种无压流，即其水面上各点的相对压强为零，主要作用力是重力。
明渠水流按其运动要素是否随时间变化常分为恒定流和非恒定流。明渠恒定流又可分为均匀流与非均匀流。若明渠过水断面的平均流速、水深等因素沿程不变，则称为明渠均匀流，否则称为明渠非均匀流。
天然河道水流虽属明渠流，但与水力学中的清水明渠流相比，在基本特性上有很大的差异。其主要表现在以下方面。
1.两相性
清水明渠流属于单相流(或一相流)；而天然河道中的水流，总不可避免地要挟带一定数量的固体颗粒（泥沙），这种含有泥沙的浑水明渠水流，属于水、沙两相流。清水是可以视为连续介质的液体，而泥沙则是一般不能视为连续介质的疏散颗粒群体。这就使得河道水流的一些物理特性与运动特性与清水水流有所区别，河水含沙量愈大，这种差别越大。
此外，在冲积平原河道的河床演变中，泥沙运动在水流与河床之间的相互关系中起着纽带作用，即泥沙有时因淤积而为河床的组成部分，有时又因冲刷而为水流的组成部分。这就不难发现，研究河道水流（挟沙水流）问题的难度远比清水明渠流要大。
2.三维性
根据流场中流体质点的流速状况与空间坐标的关系，可将水流划分为一维流、二维流和三维流三类情况。
一维流是水流的流速向量在空间坐标中只和一个空间变量（流程坐标s）有关， 即u=u(s)或u＝u(s,t)，在一维流场中，同一过水断面上各点的流速是相等的。如果流场中任一点的流速是两个空间坐标变量的函数，即u＝u(x，y)，或u=u（x, y, t），则称这种水流为二维流。 如果流场中任一点的流速与三个空间坐标变量有关，即u＝u(x，y，z)，或u＝u(x，y，z，t)，则称这种水流为三维流，在三维流场中，点的流速u在三个坐标上均有分量。
天然河道的河槽形态很不规则，山区河流更为如此。因此，严格说来，天然河道水流大多数为三维流，至少也属二维流，严格意义的一维流几乎不存在。
3.不恒定性
在流场中，根据液体质点的运动要素是否随时间变化分为恒定流与非恒定流。如果在各空间点上液体质点的运动要素都不随时间而变化，这种流动称为恒定流；如果在任—空间点上有任何质点的运动要素随时间而变化，则这种流动就称为非恒定流(或不恒定流)。
天然河道水流严格说来属于非恒定流。其主要表现在两个方面：一是来水来沙情况随时间的变化而变异；二是河床经常处于冲淤演变之中。这两个方面的变化彼此关联。
绝大多数河流的水沙来量和泥沙的“质”，主要受制于降水。而降水在时空分布上变化非常大。因此，不同河流的水、沙时空变化也相当大。就变化的相对幅度及强度的一般情况来说，洪水季节大于中、枯水季节，北方地区的河流大于南方地区的河流，小集水面积的河流大于大集水面积的河流，植被较差的地区大于植被较好的地区，沙量的相对变化大于水量的相对变化。
天然冲积性河流，河床由大量可冲性物质即泥沙所组成。水流与河床，相互依存，相互作用，相互促使变化发展。水流塑造河床，适应河床，改造河床。河床约束水流，改变水流，受水流所改造。上述来水来沙情况的不恒定性，不可避免地要引起河床时而剧烈、时而和缓的变化；反过来，河床的冲淤变化也必然引起河道水流特性的变化。由此可见，河道水流的不恒定性，与河床的不稳定性是密切关联的。
4.非均匀性
水力学中的均匀流，其前提条件是恒定流。因此，河道水流的非恒定性决定了其非均匀性，或者说，天然河道的水流，严格说来属于非均匀流。
然而，在解决天然河道实际问题时，对于比较顺直的河段，如果来水来沙基本稳定，河床基本处于不冲不淤的相对平衡状态，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度与水力坡度（能坡）基本平直而相互平行，则可基本视之为均匀流。
5.不平衡性
河道水流属水、沙两相流。如果水相与沙相高度和谐，在运动过程中尽管水流中的泥沙与河床上的泥沙彼此交换，但若来水来沙(数量与质量)保持恒定，河床基本保持不冲不淤状态，床面没有粗化或细化倾向发生，这种运动过程则可称之为河道水流的水沙平衡状态，或简称为平衡状态。然而，这种近乎绝对的、理想的平衡状态，天然河流中是稀有的。天然河流中的水沙运动，经常遇到的是不平衡状态或称“相对平衡”状态。
6.紊动性
在水力学试验中发现，同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可能出现两种不同型态的运动：当流速较小时，各流层的液体质点有条不紊的运动，互不掺混，这种型态的运动叫做层流；当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相掺混，杂乱无章，这种型态的运动叫做紊流。
判定层流与紊流的指标叫雷诺数，用Re表示，Re =UR/ν。其中U为水流平均流速，R为水力半径，为水流运动粘滞性系数。雷诺数Re的意义代表水流的惯性力与粘滞力之比。试验发现，存在某个临界雷诺数Rek并将其作为划分界限，当实际雷诺数大于临界雷诺数时就认定为紊流，当实际雷诺数小于临界雷诺数时则为紊流。进一步地，水力学研究者们又注意到，紊流又视边壁相对光滑度（相对粗糙度的倒数）的不同，可分为光滑区、粗糙区(或阻力平方区)，以及介于层流区、光滑区和粗糙区三者之间的两个过渡区。
人们研究发现，在天然河流中，哪怕是一条涓涓细流，也通常具有较大的属于紊流区的雷诺数。因此，层流流型的概念，在天然河道中是基本不存在的。也就是说，大量遇到的天然河道水流，都属于紊流，并且几乎都属于紊动强度较大的阻力平方区（粗糙区）的紊流。
7.阻力复杂性
运动水流所受的力主要有重力、惯性力与阻力。其中阻力问题，在河道水流中，远比普通水力学中的清水流动性质要复杂。
河道水流阻力损失的大小，不仅关系到河道的泄流能力，而且影响其输沙能力和河床变形。因此，研究河道水流阻力损失是河流动力学的基本问题之一。
在水力学中，明渠恒定均匀流的沿程阻力，一般用阻力系数λ表示，或用谢才系数C、糙率系数n表示。λ与C和n三者之间的关系为：