3--流域径流形成过程

1、第二章第二章 流域径流形成过程流域径流形成过程一、河流和流域一、河流和流域二、降水二、降水三、下渗三、下渗四、蒸散发四、蒸散发五、径流五、径流三、下渗三、下渗1、地下水类型、地下水类型包气带水包气带水：存在于包气带中的地下水。：存在于包气带中的地下水。结合水（分吸湿水、薄膜水）结合水（分吸湿水、薄膜水）毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水）毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水） 重力水（分上层滞水与渗透重力水）重力水（分上层滞水与渗透重力水）饱和水带饱和水带：存在于饱和带中的地下水：存在于饱和带中的地下水潜水潜水 具有自由水面具有自由水面承压水（分自流水与非自流水）承压水（分自流水与非自流水）成规模可

2、以利用的主要有：上层滞水、潜水、承压水成规模可以利用的主要有：上层滞水、潜水、承压水2、土壤水、土壤水（1 1）吸着水：包括吸湿水和薄膜水吸着水：包括吸湿水和薄膜水。吸湿水被紧束于。吸湿水被紧束于土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下移动。薄膜水土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下移动。薄膜水吸附于吸湿水的外部，能沿土粒表面进行数度极小的移吸附于吸湿水的外部，能沿土粒表面进行数度极小的移动。动。（2 2）毛管水毛管水: :是在毛管力作用下土壤中所能保持的那是在毛管力作用下土壤中所能保持的那部分水分。分为上升毛管水和悬着毛管水。上升毛管水部分水分。分为上升毛管水和悬着毛管水。上升毛管水是指地下水沿

3、着土壤毛细管上升的部分，悬着毛管水来是指地下水沿着土壤毛细管上升的部分，悬着毛管水来自降雨或灌水，在不受地下水补给时，上层土壤由于毛自降雨或灌水，在不受地下水补给时，上层土壤由于毛管作用下所能保持的地面渗入的水分。管作用下所能保持的地面渗入的水分。（3 3）重力水重力水：土壤中超出毛管含水率的水分在重力作：土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很易排出，这种水分称为重力水。用下很易排出，这种水分称为重力水。2、土壤水、土壤水几个重要的含水量：几个重要的含水量：饱和含水量（最大持水量）饱和含水量（最大持水量）田间持水量：田间持水量：凋萎系数：凋萎系数：为保证旱作物丰产和水资源的高效利用，一般要求

4、为保证旱作物丰产和水资源的高效利用，一般要求 土壤含水量在土壤含水量在_和和_之间。之间。3、下渗、下渗 下渗是指下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。下渗不仅直接决定地面径流量的大小，的运动过程。下渗不仅直接决定地面径流量的大小，同时也影响土壤水分的增长，以及表层流与地下径同时也影响土壤水分的增长，以及表层流与地下径流的形成。因此，分析下渗的物理过程和规律，对流的形成。因此，分析下渗的物理过程和规律，对认识径流形成的物理机制有重要的意义。认识径流形成的物理机制有重要的意义。3、下渗、下渗下渗过程：下渗过程：渗润阶段（分子力）：渗润阶段（分子力

5、）：下渗开始时，土壤干燥，分子下渗开始时，土壤干燥，分子力很强，可达力很强，可达1000010000个大气压，土壤分子力很快把水个大气压，土壤分子力很快把水吸附在土粒周围，形成薄膜水。随着入渗的继续，薄吸附在土粒周围，形成薄膜水。随着入渗的继续，薄膜厚度增大，分子力迅速衰减到消失。（引力与距离膜厚度增大，分子力迅速衰减到消失。（引力与距离平方成反比）平方成反比）3、下渗、下渗下渗过程：下渗过程：渗漏阶段（毛管力）：渗漏阶段（毛管力）：入渗水分填充了土粒间的空隙，入渗水分填充了土粒间的空隙，空隙连通，形成毛管，水沿管壁运动，构成弯曲面，空隙连通，形成毛管，水沿管壁运动，构成弯曲面，在表面张力作用

6、下产生毛管力。表面张力的合力指向在表面张力作用下产生毛管力。表面张力的合力指向无水方，使水迅速入渗。当水逐渐填满毛管后，毛管无水方，使水迅速入渗。当水逐渐填满毛管后，毛管力消失。力消失。渗透阶段（重力）：渗透阶段（重力）：毛管力消失后，只剩下重力起作毛管力消失后，只剩下重力起作用，重力稳定向下，一直起作用，可使下渗稳定进行。用，重力稳定向下，一直起作用，可使下渗稳定进行。3、下渗、下渗下渗曲线：下渗曲线：图 下渗曲线和下渗累积曲线3、下渗、下渗经验公式（霍顿公式）经验公式（霍顿公式） ：ctctfefff)(0其中，下渗率其中，下渗率f f，表示在单位时间内，单位面积上，表示在单位时间内，单位

7、面积上渗入土中的水量（渗入土中的水量（mm/hmm/h） ftft：t t时刻的下渗率，时刻的下渗率，f0f0：初始下渗率，：初始下渗率，e e：自然对数的底，自然对数的底，：递减指数。：递减指数。 f0f0、fcfc、与土壤性质有关，需根据实测资与土壤性质有关，需根据实测资料或实验资料分析确定。料或实验资料分析确定。蒸发蒸发：水由液态或固态转化为气态的过程称为蒸发。：水由液态或固态转化为气态的过程称为蒸发。流域蒸发包括三个方面流域蒸发包括三个方面： 水面蒸发；土壤蒸发；植物散发。水面蒸发；土壤蒸发；植物散发。四、蒸散发四、蒸散发1、量测、量测器测法是应用蒸发器或蒸发池直接观测水面蒸发量。器测

8、法是应用蒸发器或蒸发池直接观测水面蒸发量。我国水文和气象部门采用的水面蒸发器有：我国水文和气象部门采用的水面蒸发器有：-20-20型、型、8080套盆式、套盆式、E-601E-601型蒸发器，以及水面面型蒸发器，以及水面面积为积为20 m220 m2和和100 m2100 m2的大型蒸发池。的大型蒸发池。1.1 水面蒸发水面蒸发用蒸发器或蒸发池观测水面蒸发。用蒸发器或蒸发池观测水面蒸发。 E=kEE=kE 式中，式中，E E为天然水面蒸发量；为天然水面蒸发量；E E 为蒸发器实测蒸发量；为蒸发器实测蒸发量；k k为蒸发器折算系数为蒸发器折算系数。 1.2 土壤蒸发土壤蒸发 土壤蒸发是土壤中所含

9、水分以水汽的形式逸入大土壤蒸发是土壤中所含水分以水汽的形式逸入大气的现象，土壤蒸发过程是土壤失去水分或干化气的现象，土壤蒸发过程是土壤失去水分或干化过程。过程。 第一阶段：土壤充分湿润，供水充足，第一阶段：土壤充分湿润，供水充足，E E接近最接近最大蒸发能力大蒸发能力EMEM；第二阶段：土壤水分减少，第二阶段：土壤水分减少，WWWW田，供水条件变田，供水条件变差，差，E E逐渐减小；逐渐减小； E=W/W E=W/W田田EMEM第三阶段：第三阶段：WWWW断，水分运动十分缓慢，蒸发率断，水分运动十分缓慢，蒸发率很小。很小。1.2 土壤蒸发土壤蒸发1.3 植物散发植物散发在植物生长期，在植物生长

10、期，植物根系吸收水分，再从叶面和枝植物根系吸收水分，再从叶面和枝干散发出去的过程，是一种生物物理过程干散发出去的过程，是一种生物物理过程，比水面，比水面蒸发及土壤蒸发更为复杂，它与土壤环境、植物的蒸发及土壤蒸发更为复杂，它与土壤环境、植物的生理结构以及大气状况有密切的关系，很难观测。生理结构以及大气状况有密切的关系，很难观测。美国做过少量农作物实验，我国自美国做过少量农作物实验，我国自8080年代末也有一年代末也有一些研究单位开始从事这方面的研究。些研究单位开始从事这方面的研究。 从降水到达地面至水流从流域出口断面流出的过从降水到达地面至水流从流域出口断面流出的过程即为河川径流形成过程。程即为

11、河川径流形成过程。 径流为径流为流域表面的降水由地面与地下汇入河川，流域表面的降水由地面与地下汇入河川，并流出流域出口断面的水流过程。河川径流的来源是并流出流域出口断面的水流过程。河川径流的来源是大气降水。降水的形式不同，径流形成过程也不同。大气降水。降水的形式不同，径流形成过程也不同。降雨径流多见，融雪径流一般为局部。降雨径流多见，融雪径流一般为局部。 径流过程可划分为径流过程可划分为产流、汇流产流、汇流两个阶段。两个阶段。五、径流五、径流1.1 径流形成过程径流形成过程产流过程产流过程降水过程降水过程流域蓄渗过程流域蓄渗过程汇流过程汇流过程坡面漫流过程坡面漫流过程河槽集流过程河槽集流过程S

12、土壤蓄水土壤蓄水填洼量填洼量Vd植物截流植物截流Is降雨降雨P蒸发蒸发E壤中流壤中流Rin浅层地下径流浅层地下径流Rgs深层地下径流深层地下径流Rgd 坡面漫流坡面漫流Rs1.1 径流形成过程径流形成过程1.1.1 产流过程产流过程 流域流域产流（蓄渗）产流（蓄渗）指降雨的雨指降雨的雨水耗于植物截留、下渗和填洼等综水耗于植物截留、下渗和填洼等综合过程。降雨形成地面径流之前，合过程。降雨形成地面径流之前，在流域中会被以上几个方面所消耗，在流域中会被以上几个方面所消耗，不参与径流的形成不参与径流的形成.1.1.2 汇流过程汇流过程 坡面汇流坡面汇流 壤中流壤中流 地下径流地下径流小 沟小 沟 小

13、溪小 溪 小 河小 河 大大河河1.2 影响径流的主要因素影响径流的主要因素人类活动人类活动农业措施农业措施林牧业措施林牧业措施水利措施水利措施下垫面因素下垫面因素地形地形土壤和地质土壤和地质植被和湖沼植被和湖沼流域形状流域形状和面积和面积气象气候因素气象气候因素降水降水蒸发蒸发1.3 径流的表示方法径流的表示方法流量流量QQ 指单位时间内通过流域出口断面的水量，指单位时间内通过流域出口断面的水量，常用单位为常用单位为m3/sm3/s。Q=AVQ=AV。流量。流量Q Q随时间随时间t t的变化过的变化过程，称为流量过程线程，称为流量过程线QtQt。 1.3 径流的表示方法径流的表示方法径流总量

14、径流总量WW 指一段时间内通过流域出口断面的总水量，指一段时间内通过流域出口断面的总水量，单位为单位为m3m3、万、万m3 m3 、亿、亿m3 m3 。计算公式为：计算公式为：TQ)tt (Qdt) t (QW122t1tt1t2TWQQt1.3 径流的表示方法径流的表示方法径流深径流深RR 把径流总量把径流总量W W平铺在流域面积平铺在流域面积F F上所得到的水上所得到的水深，称为径流深，深，称为径流深，单位单位mmmm。其关系式为：其关系式为： R=W/(1000F) R=W/(1000F) 式中，式中，W W的单位为的单位为m3m3，F F的单位为的单位为km2km2。可计算。可计算各种

15、时间尺度各种时间尺度( (日、月、年日、月、年) )的径流深。的径流深。1.3 径流的表示方法径流的表示方法径流模数径流模数MM 指单位流域面积上所产生的流量，单位为指单位流域面积上所产生的流量，单位为L/(s.km2) L/(s.km2) 。即：。即： M=1000Q/FM=1000Q/F径流系数径流系数 指同一时段内的径流深指同一时段内的径流深R R与对应时段降雨量与对应时段降雨量P P之比值。即：之比值。即：=R/P=R/P例：某水文站流域面积例：某水文站流域面积F F54500 km254500 km2，多，多年平均降雨量年平均降雨量1650 mm1650 mm，多年平均流量，多年平均流量1680 m31680 m3s s。根据这些资料可算得：。根据这些资料可算得：(1)(1)多年平均径流量多年平均径流量 W W Q Q* *T T1680168036536586400=53086400=530亿亿m3;m3;(2) (2) 多年平均径流深多年平均径流深 R= W/1000F=530/1000R= W/1000F=53