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河口是河流的终点，是河流入海、入湖或汇入更高级河流处，经常有泥沙堆积或形成三角洲，有时分汊现象显著。

以海洋为最后的归宿，流入海洋的河流称为外流河；

流入内陆湖泊或沼泽，或因渗漏、蒸发而消失于荒漠中的河流称为内流河，也叫“无尾河”或“瞎尾河”。

水文学一般描述河流特征的要素有以下几种：

（1）河流长度。

从河源起始断面，沿河流中泓线至终了断面的距离，以“L”表示，单位为km。

（2）河流弯曲率。

天然河流一般是弯曲的，在河流上取两横断面，两横断面间沿河流中泓线的长度与该两横断面中泓点之间的直线长度的比值为该河段的弯曲率。

（3）河流比降。

河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面之间中泓线长度的比值，用小数或百（千、万）分数表示。

常用的比降有水面比降和河底比降。

河流沿程各河段的比降都不相同,一般自河源向河口逐渐减小。

水面比降随水位的变化而变化,河底比降则较稳定。

当河段纵断面近于直线时,比降按下式计算:

（2-8）

;

式中J--河段的比降

、

--河段上、下断面水面或河底高程,m;

--河段长度,m。

当河底高程沿程变化时,可在纵断面图（如图2-3）上从下断面河床处作一斜线,使斜线以下的面积与原河底线以下面积相等,该斜线的坡度即为河道的平均比降,其计算式为:

（2-9）

式中ho,…hn--自下游到上游沿程各点河底高程,m;

lo,…ln--相邻两点间的距离,m;

L--河段的全长,m。

河源与河口的高程差，称河流的总落差；

而某一河段两端的高程差，则是这一河段的落差。

（4）河流纵断面。

河流中沿水流方向各断面深泓点河底的连线称为中泓底线，反映了河床高程的沿程变化。

通过中泓底线的竖直剖面称为河流的纵断面。

与对应水面高程（水位）沿程变化水面线所夹持的过流纵断面区为水流纵剖面。

以河底高程为纵轴，距河口的距离为横轴建立直角坐标系，据实测河底高程值定出各点的坐标，连接各点即得到河流的纵断面图。

河流纵断面图能够直观地反映河流比降的变化。

（5）河流横断面。

指河流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。

断面内通过水流的部分称为过水断面，相应的面积为过水断面面积。

不同水位的河槽，相应的过水断面面积不同。

（6）左岸、右岸。

面向下游,左边的河岸称为左岸,右边的河岸称为右岸。

2、水系

河流沿途接纳很多支流，并形成复杂的干支流网络系统，这就是水系。

在我国河流编码标准中，有两条以上大小不等的支流以不同形式汇入干流，才构成一个河道体系，称为水系或河系。

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，而是历史传承的延续。

例如，我国的汉水（湑水）和它的支流褒水会合点以上，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汉水。

美国的密西西比河比它的支流密苏里河短得多，但是习惯传承把前者当作干流。

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，一种惯用的方法是，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，以此类推。

受地质构造、地理条件以及气候等因素所影响，自然形成的水系，平面形态千奇百异，但归纳起来主要有羽毛状、平行状和混合状三大类。

羽毛状水系的支流自上游而下游，在不同地点依次汇入干流，相应的流域形状多为狭长形；

平行状水系的支流与干流大体成平行趋势相交汇，相应的流域形状多为扇形；

混合状水系的支流与干流的关系介于前两者之间，相应的流域形状也介于狭长和扇形之间。

人工精心设计开挖形成的平原水系可为网状结构。

水系的形状影响着洪水汇合的先后，集中的快慢及流量的大小。

对面积相同，水系形状不同的流域，同一场暴雨形成的流域出口断面流量过程线明显不同。

平行状水系由于各支流汇集到流域出口断面的同时性强，所产生的洪水过程较急剧（过程线较尖瘦）；

羽毛状水系各支流由于汇集到流域出口断面的时间相互错开，所产生洪水的过程线较矮胖；

混合状水系产生的洪水过程则介于以上两者之间。

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。

我国水文资料整编规范和流域管理机构对水系也有较明确的的规定，一般只将较大的或独立性较强的支流才规定为水系，如黄河的水系规定为黄河、洮河、湟水、窟野河、无定河、汾河、渭河、泾河、北洛河、伊洛河、沁河、大汶河。

3、流域

每一条河流和每一个水系都从一定的陆地区域（包括一定深度）上获得补给，这部分陆地便是河流和水系的流域,实际上就是河流和水系在陆地的集水区。

河流和水系的地面集水区与地下集水区往往并不是重合的，但地下集水区很难直接测定，所以在分析水文地理特征或进行水文计算时，多用地面集水区代表河流的流域。

由两个相邻集水区之间的最高点连接成的不规则曲线，即为两条河流或两个水系的分水线（或地面分水线）。

对于任何河流或水系来说，分水线之内的范围（面积），就是它的流域（面积）。

补给内流河的流域范围称为内流流域。

补给外流河的流域范围称为外流流域。

水文学一般描述流域特征的要素有以下几种：

（1）流域面积。

流域地面分水线和（或）出口断面所包围区域的水平面积，又称集水面积，基本单位为km2。

中国河流众多，流域面积在100km2以上的河流约5万条，流域面积在1000km2以上的河流约1500条，超过1万km2的河流有79条，其中长江流域面积达180万km2。

在同等降水情况下，流域面积大小直接影响河流水量大小及径流的形成过程。

（2）河网密度。

单位流域面积上的河流长度。

即流域中干支流总长度和流域面积之比，基本单位为km/km2。

（3）流域长度和平均宽度。

对于全凸形的流域，以流域出口为圆心作一组不同半径的同心圆，在每个圆与流域分水线相交处（两点）作割线，各割线中心点的连线的长度即为流域的长度，以km计。

流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度，以km计。

对于有凹形的流域，圆与流域分水线相交处可能为多点，应具体分析确定两个参数。

（4）流域形状。

表示流域形状特征的参数一般有形态因子、形状系数（也叫圆度）和伸长比。

流域面积与流域长度平方的比值称为形态因子。

流域分水线的实际长度与流域同面积圆的周长之比称形状系数（也可用流域面积与周长和流域周长相等的圆面积相比）。

流域形状系数接近于1时，流域的形状接近于圆形，这样的流域易造成大的洪水。

流域形状越狭长，流域形状系数越小，径流变化越平缓。

面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值称伸长比，伸长比越小，流域越趋于狭长形。

（5）流域高度。

指流域范围内地表的平均高程。

主要影响降水的形式和流域内的气温，进而影响流域的水量变化。

流域平均高度可用式（J.1.2-1）计算

H0=（a1h1+a2h2＋...+aihi）/A（J.1.2-1）

式中H0——流域平均高度，m；

ai——相邻两等高线间的面积，km2；

hi——相邻两等高线的平均高度，m；

A——流域总面积，km2。

（6）流域坡度。

流域上两点之间的坡度是该两点高差与他们之间直线距离的比值。

由于流域地面高低不平，故流域坡度是空间位置的函数。

它是坡地漫流过程的一个影响因素，在小流域洪水汇流计算时，是一个重要参数。

流域平均坡度按式（J.1.2-2）计算

J=（a1J1+a2J2＋...+aiJi）/A（J.1.2-2）

式中J——流域平均坡度；

Ji——相邻两等高线间的平均坡度；

A——流域面积，km2。

（7）流域自然地理特征

包括流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等。

（a）流域的地理位置。

流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示,它可以反映流域

所处的气候带,说明流域距离海洋的远近,反映水文循环的强弱。

（b）流域的气候特征。

包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素。

它们是河流形成和发展的主要影响因素,也是决定流域水文特征的重要因素。

（c）流域的下垫面条件。

下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等情况,这些要素以及上述河道特征、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、城市化等措施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,当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。

J.1.3地表水和地下水的概念

1、地表水

地表水指存在于地壳表面，暴露于大气中的水，亦称陆地水。

地表水水体基本赋存类型为河流、冰川、湖泊、沼泽四种，其水资源意义如下：

（1）河流是最活跃的地表水体,它水量更替快，水质良好，便于取用，历来就是人类开发利用的主要对象，在农业灌溉、城镇供水、水力发电和航运等方面为促进社会经济发展起到了巨大的作用。

但由于河川径流的年际、年内变化大，多水季节容易发生洪涝灾害，所以在开发利用河流水时要体现兴利与除害并重。

（2）淡水湖和水库具有存储、调节径流的作用，能缓解来水与用水的矛盾，提高河川径流的利用程度。

（3）咸水湖直接供水意义不大，但常蕴藏丰富的矿物资源。

（4）极地冰川和冰盖目前尚难以开发利用，但中低纬度的高山冰川则是巨大的“固体水库”，可储存固态降水，冰雪融水对河流有补给调节作用。

（5）沼泽是生长喜湿植物的过湿地，对维护生物多样性作用较大。

2、地下水

地下水一般指存在于地表以下岩土的空隙、裂隙和洞穴中的水。

地表以下含水的岩土可分两个带。

上部为包气带，也称非饱和带，岩土的空隙中除水以外还包含空气。

下部为饱水带，也称饱和带，岩土的空隙被水充满。

狭义的地下水指埋藏于地面以下岩土孔隙裂隙溶隙饱和带中的重力水，广义的地下水指地面以下各种形式的水。

地下水主要来源为大气降水入渗，排泄有出露泉、潜水蒸发、排向地表水体（如河流枯水期的基流，主要靠地下水补给）、越流排泄和各种人工排泄（如吸取井水）。

根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为上层滞水、潜水和承压水三大类。

（1）上层滞水是由于局部的隔水作用，使下渗的大气降水停留在浅层的岩石裂隙或沉积层中所形成的蓄水体。

（2）潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下水，通常所见到的地下水多半是潜水。

当潜水流出地面时就形成泉或渗流细水。

它主要由降水和地表水入渗补给。

（3）承压水一般是埋藏较深、处于两个隔水层之间的地下水。

这种地下水往往具有较大的水压力，当井或钻孔穿过上层顶板时，强大的压力就会使水体喷涌而出，形成自流水。

J.1.4水量平衡的概念和水量平衡方程

1、水量平衡概念和水量平衡方程通式

水量平衡为水循环的数量表达。

按质量守恒定律，其基本意义是指，在给定任意尺度的时域空间中，水的运动（包括固、液、气态的相变）有连续性，在数量上保持着收支平衡。

作为具体的理解，水量平衡为水文循环过程中某区域在任一时段内，输入的水量等于输出的水量与蓄水变量之和；

或一定区域（或水体）在一定时段内水的收入量与支出量之差等于该区域（或水体）的蓄水变量。

蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差（时段开始可能有蓄水也可能无蓄水）。

水量平衡方程式可由水量的收支情况来制订。

系统中输入的水（I）与输出的水（O）之差就是该系统内的蓄水变量（△S），其通式为：

I-O=±

△S（J.1.4-1）

从本质上说，水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，也是地球上水循环能够持续不断进行下去的基本前提。

一旦水量平衡失控，水循环中某一环节就要发生断裂，整个水循环亦将不复存在。

反之，如果自然界根本不存在水循环现象，亦就无所谓平衡了。

因而，两者密切不可分。

水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律。

水量平衡方程式则是水循环的数学表达式，而且可以根据不同水循环类型，建立不同的水量平衡方程。

水量平衡的研究时段可以是日、月，也可以是一年、数十年或更长的时间，或者为一个特定时期（如河流汛期、某场洪水期，农田灌溉供水期等）。

水量平衡是水文、水资源学科水文现象和水文过程分析研究的基础，同时又是研究和解决一系列实际水资源数量和质量计算及评价问题的依据、手段和方法，因而具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

通过水量平衡的研究，分析水循环系统内蒸发，降水及径流等各个环节相互之间的内在联系，揭示自然界水文过程基本规律，认识和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、时间变化以及今后发展趋势，进而可以定量地探索水循环过程与全球或区域地理环境、自然生态系统及人类活动之间的相互联系、相互制约的关系，消除或减缓消极影响，发展或增强积极影响，维护可持续发展。

2、全球和4个自然系统水量平衡方程式

在通用水量平衡方程的基础上，按系统的空间尺度，大可到全球，小至一个区域；

也可从大气层到地下水的任何层次，均可根据通式写出不同的水量平衡方程式。

如全球水量平衡方程、海洋水量平衡方程、陆地水量平衡方程、流域水量平衡方程、水体水量平衡方程等。

除全球水量平衡方程外，从水量交换的角度也可把水量平衡的区域划分为4个自然系统，并可相应列出水量平衡方程式。

（1）全球水量平衡方程式可写为

（J.1.4-2）

式中

--大陆的降水量；

--海洋的降水量；

--大陆的蒸发量；

--海洋的蒸发量。

（2）大气系统水量平衡方程式为

Ai-Ao+E-P=±

△A（J.1.4-3）

式中Ai和Ao分别为大气层中除降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量（如随水平气流输入、输出的水分）；

P和E分别为降水量和蒸发量；

△A为大气系统中的蓄水变量。

（3）流域系统水量平衡方程式为

P-R-E=±

△S（J.1.4-4）

式中P为降水量；

R为径流量；

E为蒸发量；

△S为流域蓄水变量。

多年流域系统水量平衡方程式为

P=R+E

这是因为，流域多年的蓄水变量可正可负，多年平均情况,正负可以相互抵消,蓄水量的变化量趋于零。

（4）土壤系统水量平衡方程式为

P-R-E+Cm+Si-So=±

△W（J.1.4-5）

式中Cm--土壤中的凝结水；

Si--由地下水和壤中流形式进入土壤层的水；

So--由土壤层向下渗入地下水和壤中流形式流出土壤层的水；

△W--土壤层中的蓄水变量；

其余符号（P、R、E）意义同前。

（5）地下水系统水量平衡方程式

αP-Eu+Ui-Uo=±

△U（J.1.4-6）

式中α--地下水的降水入渗补给系数；

P--降水量；

Eu--地下水上升经土壤到地面后的蒸发量；

Ui--地下流入系统的水量；

Uo--地下流出系统的水量；

△U--地下的蓄水变量。

以上4个系统的水量平衡可以相互结合列成联立方程，用于水循环或水量交换的研究。

对于特定区域、空间层或水体的水量平衡方程可视具体的条件列出。

3、区域或工程水量平衡方程式

水量平衡局部区域可理解为任意给定的空间，如河流、湖泊、冰雪等水体，各大小流域，山区、平原、盆地、农田、灌区、城镇、森林、草场等各种自然土地和土地利用的不同地段。

还有按自然和行政划分的区域。

它们的区域界线可以是闭合的，也可以是非闭合的。

工程系统或具体水工程也可建立水量平衡方程式。

区域或工程水量平衡方程式多种多样，下面以引河水灌溉区为例，说明结合具体情况和条件列出相应水量平衡方程式的方法。

一般的河道的水量平衡方程为

Pr+Qir-Qor-Ewr-RGr=ΔQr

式中Pr--降入河道的水量；

Qir、Qor--河道上、下游断面流入、流出的水量；

Ewr--河道水面蒸发量；

RGr--河道与地下水交换量；

ΔQr--计算时段始末河道蓄水变量。

大多数灌区从河道引水，而灌区内的工业生活废水、灌溉回归水以及山洪等则经过排水沟道排入河道，同时河道与灌区地下水存在水量交换以及蒸发损失。

若Qyr为灌区引河水量，Qdr为灌区排入河道水量，这种情况的河道水量平衡方程为

Pr+Qir-Qor-Ewr-RGr-Qyr+Qdr=ΔQr

灌区各耗水类型除消耗河道引水外,还消耗降水、地下水等，而灌区的地下水很大一部分为渠系和灌溉渗漏补给,所以各耗水类型在消耗地下水的同时,实际上间接消耗了河道水。

因此,灌区消耗河道水量为

QTh=Qh+αQgw

式中QTh--灌区消耗河道水量；

Qh--灌区引河道水净耗量；

α--河道水入渗补给地下水量占地下水补给总量的比例；

Qgw--灌区消耗的地下水量。

灌区排水系统包括田间排水沟、斗沟、支沟和干沟，为了描述排水沟系统的径流过程，在空间上将研究区域按各排水干沟的排水范围划分为不同的排水区域。

为了简化,对于每个排水区域只模拟排水干沟的径流过程，其径流关系为

Qid+Qp-QEw+Qzd+Qsew+Qqt+Qgd=Qod

式中Qid、Qod--排水区域干沟断面进、出水量；

Qp--该段干沟的降水量；

QEw--该段干沟的水面蒸发量；

Qzd--排水区域内各计算单元的地表排水量；

Qsew--工业生活污水排放量；

Qqt--引水渠系直接退水量；

Qgd--排水区域内地下水渗入排水沟的水量。

灌区总水量平衡方程式为

（I+P+R+Q）－（E+D+G）=ΔS1+ΔS2+ΔS3

式中I--灌区渠首引水量；

P--灌区降水量；

R--灌区外地表水进入量；

Q--侧向地下水补给量；

E--蒸发蒸腾量；

D--排水沟排水量；

G--地下水外排量；

ΔS1--灌区地表水储量的变化量；

ΔS2--灌区地下水储量的变化量；

ΔS3--灌区土壤水储量的变化量。

由该例可见，建立水量平衡方程式要先确定平衡研究对象，再围绕对象列举考察时段进入对象的水量和出离对象的水量，进入取正值，出离取负值，两者代数和等于对象的蓄水变量。

各水量取相同的量纲单位。

至于进入、出离对象的考察单元，一是从方程求解量的需求考虑，一是从测算的可能考虑，理论上也常从研究认识的水平考虑。

J.1.5水文测站分类及水文站网概念

水文测站是在河流上或流域内设立的，按一定技术标准经常收集和提供水文要素的各种水文观测现场的总称。

水文测站有多种分类，下面介绍常见的几种分类。

1、按目的和作用分类

（1）基本站。

是为综合需要的公用目的，经统一规划而设立的水文测站。

基本站应保持相对稳定，在规定的时期内连续进行观测，收集的资料应刊入中华人民共和国水文年鉴或存入国家基本水文数据库。

（2）实验站。

是为深入研究某些专门问题而设立的一个或一组水文测站，实验站也可兼作基本站。

（3）专用站。

是为特定目的而设立的水文测站，不具备或不完全具备基本站的特点。

（4）辅助站。

是为帮助某些基本站正确控制水文情势变化而设立的一个或一组站点。

辅助站是基本站的补充，弥补基本站观测资料的不足。

计算站网密度时，辅助站一般不参加统计。

2、按观测项目分类

（1）水文站。

是设置在河流、渠道和湖泊、水库进出口以测定流量和水位为主的水文测站。

根据需要还可测定降水、蒸发、泥沙、水质等有关项目。

（2）水位站。

是以观测水位为主，可兼测降水量等项目的水文测站。

（3）降水量站。

又称雨量站，是观测降水量的水文测站。

（4）蒸发站。

是观测蒸发量的水文测站。

3、天然河道流量站根据控制面积大小和作用的分类

（1）大河控制站。

控制面积为3000～5000km2以上的大河干流上的流量站。

（2）小河控制站。

干旱区在300～500km2以下，湿润区在100～200km2以下的小河流上设立的流量站。

（3）区域代表站。

其余的天然河道上的流量站。

4、按测验控制精度分类

（1）流量站分类

国家基本水文站，按流量测验精度分为三类，各类流量测验精度水文站的划分见表J.1.5-1。

表J.1.5-1各类流量测验精度水文站的划分

类别

测验精度要求

测站主要任务

集水面积（km2）

湿润地区

干旱、半

干旱地区

一类精度水文站

应达到按现有测验手段和方法能取得的可能精度

收集探索水文特征值在时间上和沿河长的变化规律所需长系列样本和防汛需要的资料

≧3000

≧5000

二类