3.2 流域与水系特征

3.2.1　流域特征

流域特征包括流域的形状特征、地形特征和自然地理特征。描述流域形状特征的概念一般有流域面积、流域形状系数、流域长度和平均宽度。

3.2.1.1　流域形状特征

流域形状特征包括流域面积、流域长度、流域平均宽度和流域形状系数，分述如下。

1.流域面积

流域是分水线所包围的区域，因地下分水线不易确定，通常所指的流域为地面分水线包围的区域。地面分水线所包围区域的平面投影面积，称为流域面积，记为F，以km2计。可在适当比例尺的地形图上勾绘出流域分水线后，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。在水文地理研究中，流域面积是一个极为重要的数据。自然条件相似的两个或多个地区，一般是流域面积越大的地区，该地区河流的水量越丰富。河流的流域面积可以计算到河流的任一河段，如水文站控制断面，水库坝址断面或任一支流的汇合口处。如不特别说明，流域面积是指河口断面以上地面分水线包围的面积。

2.流域长度

目前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为流域长度；②从流域出口断面至分水线的最大直线距离为流域长度；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不同半径的同心圆，在每个圆与流域边界的两交点连一割线，各割线中点的连线的总长度即为流域几何轴长。流域长度以L表示，单位以km计。

3.流域平均宽度

流域平均宽度B由流域面积除以流域长度得到，即

流域平均宽度B越小，流域形状越狭长，水流越分散，形成的洪峰流量小，洪水过程越平缓；若B接近于1，则流域形状近于方形，水流越较集中，形成的洪峰流量大，洪水过程较集中。

4.流域形状系数

流域形状系数K等于流域平均宽度与流域长度之比，即

形状系数K越大，流域形状近于扇形，洪水过程越集中，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。

3.2.1.2　流域地形特征

流域的地形特征一般用流域平均高程、流域平均坡度以及面积高程曲线表示。

1.流域平均高程

流域平均高程指流域范围内地表的平均高程，也即流域内各相邻等高线间的面积乘以其相应平均高程乘积之和与流域面积的比值。可从地形图上用求积仪量取相邻两条等高线包围的面积，用加权法计算，如用下式：

式中：为流域平均高程，m；fi（i＝1，…，n）为相邻两等高线之间的面积，km2；Zi（i＝1，…，n）为相邻两等高线的平均高程（相邻两等高线的平均值），m；F为流域面积

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时是一个重要参数。一般用下式计算：

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

另一种计算流域平均坡度的方法是将流域划分成若干正方形方格，定出每个方格的格点与等高线正交方向的坡度，所有坡度的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，与高程之间具有一定关系，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，面积比为横坐标绘出光滑曲线，如图3.5所示。

图3.5　流域面积高程关系曲线

3.2.1.3　流域自然地理特征

流域的自然特征包括地理位置、气候条件和流域下垫面条件，其中流域下垫面条件包括土壤性质、地质构造、地形、植被、湖泊、沼泽等。

1.流域地理位置

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与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，致使秦岭南北的降水量相差悬殊，河流的水文特征也有显著差异。

2.流域气候条件

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，从而对径流产生间接影响。

3.流域下垫面条件

下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩性、植被、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研究。

3.2.2　水系

3.2.2.1　河流长度与河网密度

1.河流长度

河流长度指从河口到河源区河流最初具有地表水流形态的地点的河道水面中心线的距离，简称河长。一般可由一定比例尺的地形图上量得。

2.河网密度

河网密度指流域内河流水系总长度与流域面积的比值，即

式中：KD为河网密度，km/km2；∑L为河流水系的总长度，km；F为流域面积，km2。

河网密度越大，则流域切割程度越大，坡面径流汇集越快；河网密度越小，则在一定程度上反映流域排水不畅，径流汇集越缓慢。

3.2.2.2　水系特征

自然形成的水系形状千变万化，归纳起来主要有3种：一是羽状水系；二是扇形水系；三是混合水系，如图3.6所示。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。混合水系的支流与干流的关系介于前二者之间，相应的流域形状也介于狭长形和扇形之间。

图3.6　水系特征示意图

（a）羽状水系；（b）扇形水系；（c）混合水系

水系的形态决定了流域的形状，并对流域汇流有一定的影响。扇形水系汇流时间短，洪水往往表现为陡涨陡落，洪水历时短；羽毛状水系对应的暴雨洪水过程较平缓，洪水历时长；混合状水系则介于两者之间。