水文学原理-第八章

1、第八章第八章 流域产流流域产流 目目 录录 包气带的水文特性包气带的水文特性产流机制产流机制 产流模式产流模式 流域产流过程及产流量计算方法流域产流过程及产流量计算方法饱和带和包气带饱和带和包气带：在流域上沿深度在流域上沿深度方向取一个剖面，以地下水面为界方向取一个剖面，以地下水面为界可把土柱划分为两个不同的含水带，可把土柱划分为两个不同的含水带，即地下水面以下的饱和带和以上的即地下水面以下的饱和带和以上的包气带。有时土柱中不存在地下水包气带。有时土柱中不存在地下水面，不透水基岩以上土层全属包气面，不透水基岩以上土层全属包气带。有时地下水位出露地表，不存带。有时地下水位出露地表，不存在包气带在

2、包气带第一节第一节 包气带的水文特性包气带的水文特性一、包气带和饱水带一、包气带和饱水带包气带分为三带：接近地下包气带分为三带：接近地下水面处存在水面处存在毛管上升水带毛管上升水带，接近地面处存在接近地面处存在毛管悬着水毛管悬着水带带，两者之间为，两者之间为中间带中间带。在。在毛管上升水带中，毛管力和毛管上升水带中，毛管力和重力抵消，其中的水不流入重力抵消，其中的水不流入地下水中，其位置随着地下地下水中，其位置随着地下水位变化。毛管悬着水带只水位变化。毛管悬着水带只有在地面供水时才出现，并有在地面供水时才出现，并随着地面以下饱和含水层的随着地面以下饱和含水层的增加而不断下移增加而不断下移一、包

3、气带和饱水带一、包气带和饱水带第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征包气带水分分布特征包气带水分分布特征第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征ppfifiptitfI二、包气带水分动态二、包气带水分动态第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征, , , paKtmafaEEEE eEC第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征ssCWIERF四、包气带水量平衡方程四、包气带水量平衡方程第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征,AAAss ABABBss BCBCCss CDCDDss DWIEFRWFEFRWFEFRWFEFR第一节第一节 包气带的水文特征包气带

4、的水文特征nsdIPIRS包气带以上水量平衡方程包气带以上水量平衡方程sssCWPRERFIf In=0Sd=0第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征地面好像地面好像“筛子筛子”，地面的下渗容量好比，地面的下渗容量好比“筛孔筛孔”，下渗容量大，下渗容量大表示筛孔大，可以将大的雨强表示筛孔大，可以将大的雨强“筛入筛入”土中；下渗容量小表示筛土中；下渗容量小表示筛孔小，只能将小的雨强孔小，只能将小的雨强“筛入筛入”土中。土中。 下渗容量随着土壤含水量的增加而减少，直到稳定下渗率，因此下渗容量随着土壤含水量的增加而减少，直到稳定下渗率，因此地面更像一面筛孔会逐渐变小的地面更像一面筛孔会逐渐变

5、小的“筛子筛子” 不同的降雨不同的降雨i进入土壤，如果进入土壤，如果ifp，只有，只有fp部分部分“筛入筛入”土中，剩土中，剩余的余的i-fp部分剩余在部分剩余在“筛面筛面”。包气带能将降雨分为两部分，一。包气带能将降雨分为两部分，一部分进入土中，另一部分留在地面部分进入土中，另一部分留在地面五、包气带在产流中作用五、包气带在产流中作用第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征土壤蓄存部分指水分运行中为了维持土壤含水量等于或小于田间土壤蓄存部分指水分运行中为了维持土壤含水量等于或小于田间持水量所需的下渗部分持水量所需的下渗部分f0SIf 则f0fSIf 则If 一次降水后的下渗渗锋达不到地

6、下水位一次降水后的下渗渗锋达不到地下水位0( )tSFf t dtIf 一次降水后的含水量达到田间持水量一次降水后的含水量达到田间持水量MfaSS第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征产流部分为土壤含水量超过田间持水量后，以自由重力水形式由产流部分为土壤含水量超过田间持水量后，以自由重力水形式由包气带输出的水量包气带输出的水量0()pfTFpssgTRR第一节第一节 包气带的水文特征包气带的水文特征一、霍顿产流理论一、霍顿产流理论降雨降雨-产流基础是包气带的产流基础是包气带的“筛子筛子”作用和作用和“门槛门槛”作用，产流受控作用，产流受控于两个条件，一是降雨强度超过下渗容量，二是包气带

7、的土壤含水量于两个条件，一是降雨强度超过下渗容量，二是包气带的土壤含水量超过田间持水量超过田间持水量DEIfip ,DEIfip ,DEIfip ,DEIfip ,不产生径流不产生径流产生地面径流产生地面径流产生地下径流产生地下径流产生地下和地面径流产生地下和地面径流第二节第二节 产流机制产流机制一、霍顿产流理论一、霍顿产流理论 对于具有较大下渗能力的流域，当降雨强度小于下渗能力时，有时对于具有较大下渗能力的流域，当降雨强度小于下渗能力时，有时产生地面径流产生，并出现对应的洪水过程；有时却没有地面径流产生地面径流产生，并出现对应的洪水过程；有时却没有地面径流产生，但却在出口断面观测到与地面径流

8、过程相似的洪水过程产生，但却在出口断面观测到与地面径流过程相似的洪水过程 对应一次降雨，有时出现形状有别的前后两次洪峰过程，前一个峰对应一次降雨，有时出现形状有别的前后两次洪峰过程，前一个峰形高而尖瘦，后形高而尖瘦，后个峰行矮胖个峰行矮胖 有的流域，在湿润季节，微小的降雨，在流量过程线上都可产生敏有的流域，在湿润季节，微小的降雨，在流量过程线上都可产生敏感的反应，呈现对应的起伏变化感的反应，呈现对应的起伏变化 全流域产流极其罕见，一船只是在流域的局部面积上产流全流域产流极其罕见，一船只是在流域的局部面积上产流第二节第二节 产流机制产流机制二、产流机制二、产流机制第二节第二节 产流机制产流机制超

9、渗产流机制：供水与下渗矛盾发生于地表（包气带上界面）的产流超渗产流机制：供水与下渗矛盾发生于地表（包气带上界面）的产流机制机制00000( )tttttsndR tidti dtedtS dtfdti, in,e,sd,f分别表示降水强度、截留率、蒸发率、填洼率和下渗率第二节第二节 产流机制产流机制If 忽略预期蒸发、填洼、截留忽略预期蒸发、填洼、截留00( )ttsR tidtfdt( )( )( )( )ssdR tr ti tf tdtIf if( )( )0ssdR tr tdt 产生超渗流的条件产生超渗流的条件第二节第二节 产流机制产流机制壤中流产流机制：包气带中存在透水性不同，且下

10、层比上层透水性小的层壤中流产流机制：包气带中存在透水性不同，且下层比上层透水性小的层理分布土壤交界面；上层向界面上的供水强度大于下层下渗强度；界面上理分布土壤交界面；上层向界面上的供水强度大于下层下渗强度；界面上产生的积水，形成临时饱和带，界面还需具备一定的坡度产生的积水，形成临时饱和带，界面还需具备一定的坡度ABKK,s As BKKABffl地下水埋深较浅，包气带厚度不大，土壤透水性较强，在连续降雨过地下水埋深较浅，包气带厚度不大，土壤透水性较强，在连续降雨过程中，下渗锋面达及毛管水带上缘，表层影响土层与地下水建立水力程中，下渗锋面达及毛管水带上缘，表层影响土层与地下水建立水力联系，同时包

11、气带含水量超过田间持水量，产生自由重力水而补给地联系，同时包气带含水量超过田间持水量，产生自由重力水而补给地下水，产生地下径流下水，产生地下径流0( )(0)ttcgoW tWf dtr dt00( )(0)tttcgssoW tWf dtr dtr dt第二节第二节 产流机制产流机制l对于表层透水性很强的包气带，由于地面的下渗容量很大，对于表层透水性很强的包气带，由于地面的下渗容量很大，一一般的降雨难以超过它而形成超渗地面径流，但还有地面径流现般的降雨难以超过它而形成超渗地面径流，但还有地面径流现象发生象发生，原因何在？，原因何在？l由于土壤下层是相对不透水层，所以降雨强度可能大于下层下由于

12、土壤下层是相对不透水层，所以降雨强度可能大于下层下渗容量，从而在上下界面上就会出现临时饱和带，发生壤中水渗容量，从而在上下界面上就会出现临时饱和带，发生壤中水径流。该径流。该临时饱和带随着降雨的继续不断向上发展临时饱和带随着降雨的继续不断向上发展，最终将达，最终将达到地面，于是后续降雨的一部分将积聚在地面，不再是壤中水到地面，于是后续降雨的一部分将积聚在地面，不再是壤中水径流，而成为一种地面径流，称为饱和地面径流径流，而成为一种地面径流，称为饱和地面径流第二节第二节 产流机制产流机制 存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很强，而下层土壤的透存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很强，而下层土壤的

13、透水性很弱水性很弱 上层土壤含水量达到饱和含水量上层土壤含水量达到饱和含水量000( )(0)ttttcBsssatoW tWf dtf dtr dtr dt第二节第二节 产流机制产流机制l在山坡地区，由于地形坡度的影响，在山坡上有浅薄土壤覆盖的情况在山坡地区，由于地形坡度的影响，在山坡上有浅薄土壤覆盖的情况下，土层中形成的下，土层中形成的临时饱和带的厚度沿坡度呈不均匀状态临时饱和带的厚度沿坡度呈不均匀状态。坡脚常处。坡脚常处于于饱和含水量饱和含水量，坡顶含水量较小。因此，坡顶含水量较小。因此，坡地上部形成的壤中水径流坡地上部形成的壤中水径流，由于坡度的作用，在到达坡脚附近时就会钻出由于坡度的

14、作用，在到达坡脚附近时就会钻出地面成为饱和地面径流地面成为饱和地面径流。这种原先为壤中水径流，后又渗出地面而变为饱和地面径流的径流成这种原先为壤中水径流，后又渗出地面而变为饱和地面径流的径流成分称为回归流分称为回归流l它的形成条件是：山坡上壤中流比较发育，而坡脚处又容易形成出露它的形成条件是：山坡上壤中流比较发育，而坡脚处又容易形成出露地面的饱和带地面的饱和带第二节第二节 产流机制产流机制l 回归流并不是一种原回归流并不是一种原生径流成分，而是从生径流成分，而是从壤中水径流派生出来壤中水径流派生出来的一种径流成分。在的一种径流成分。在降雨过程中，随着山降雨过程中，随着山坡饱和面积的扩大，坡饱和

15、面积的扩大，回归流发生的范围不回归流发生的范围不断扩大断扩大第二节第二节 产流机制产流机制在不透水面积上形成的径流称为直接径流在不透水面积上形成的径流称为直接径流eidteiRd)(l不透水基岩出露地面、河流湖泊沼泽、城市道路、屋面和飞不透水基岩出露地面、河流湖泊沼泽、城市道路、屋面和飞机场跑道等，均可认为是包气带厚度等于零的情况。当包气机场跑道等，均可认为是包气带厚度等于零的情况。当包气带厚度为零时，其表面的下渗容量为零，因此只要满足降雨带厚度为零时，其表面的下渗容量为零，因此只要满足降雨强度大于蒸发强度，就产流强度大于蒸发强度，就产流第二节第二节 产流机制产流机制l首要条件：供水。对地表径

16、流是降水，对其他径流成分则是首要条件：供水。对地表径流是降水，对其他径流成分则是由上向下的下渗水流由上向下的下渗水流l充分条件：供水强度大于下渗强度充分条件：供水强度大于下渗强度l其它条件：交界面上产生临时饱和带其它条件：交界面上产生临时饱和带l侧向运动的动力：坡度和水流归槽条件侧向运动的动力：坡度和水流归槽条件第二节第二节 产流机制产流机制第三节第三节 产流模式产流模式一、单元面积产流模式一、单元面积产流模式单点产流模式单点产流模式二、流域产流模式二、流域产流模式l产流量产流量R取决于取决于i和和fp ， Rs= (i f p)i l雨止时土壤含水量仍未达雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量到

17、田间持水量Wml径流成分单一径流成分单一第三节第三节 产流模式产流模式l产流时土壤含水量已达到田间持水量产流时土壤含水量已达到田间持水量Wl产流量产流量R取决于降雨量取决于降雨量P和初始土壤含水量和初始土壤含水量 W，R=R(P,W )=P-(W -W )l径流成分复杂径流成分复杂第三节第三节 产流模式产流模式l对于一个固定地点对于一个固定地点(或流域或流域)，其产流模式并不是一成不变的，其产流模式并不是一成不变的，在不同的供水和下垫面水分情况下，产流模式可以发生转换在不同的供水和下垫面水分情况下，产流模式可以发生转换l条件条件：主要发生在包气带中等厚度，：主要发生在包气带中等厚度，近地表有相

18、对不透水界近地表有相对不透水界面，土层透水性中等，降雨量变化幅度大，地下水位变幅较面，土层透水性中等，降雨量变化幅度大，地下水位变幅较大的地区大的地区l 特点特点干旱期：初始土壤含水量干旱期：初始土壤含水量W 小，地下水埋深大小，地下水埋深大R 型型 湿润期：初始土壤含水量湿润期：初始土壤含水量W 大，地下水埋深浅大，地下水埋深浅R+R + R 型型 第三节第三节 产流模式产流模式l长年气候干燥的流域，常以超渗模式产流长年气候干燥的流域，常以超渗模式产流l长年气候湿润的流域，常以蓄满模式产流长年气候湿润的流域，常以蓄满模式产流l若下垫面土壤颗粒细小、结构密实、植被差，地下水埋深大，则常以若下垫

19、面土壤颗粒细小、结构密实、植被差，地下水埋深大，则常以超渗方式产流超渗方式产流l若下垫面土壤颗粒较粗、结构疏松、植被好，地下水位高，则常以蓄若下垫面土壤颗粒较粗、结构疏松、植被好，地下水位高，则常以蓄满方式产流满方式产流l我国长江以南的绝大部分地区，属典型的蓄满产流区；西北干旱地区我国长江以南的绝大部分地区，属典型的蓄满产流区；西北干旱地区的一些内陆河流，属典型的超渗产流区；其余地区属于混合产流区的一些内陆河流，属典型的超渗产流区；其余地区属于混合产流区三、产流模式和产流面积三、产流模式和产流面积第三节第三节 产流模式产流模式三、产流模式和产流面积三、产流模式和产流面积第三节第三节 产流模式产

20、流模式l降水、蒸发、下渗降水、蒸发、下渗l土壤前期含水量土壤前期含水量l地下水位地下水位l蓄满产流径流量中壤中流和地下径流的比例较蓄满产流径流量中壤中流和地下径流的比例较大，表现为出口断面洪水过程线矮胖，退水历大，表现为出口断面洪水过程线矮胖，退水历时长，洪水过程线明显不对称时长，洪水过程线明显不对称l超渗产流径流量中几乎没有地下径流，表现为超渗产流径流量中几乎没有地下径流，表现为出口断面洪水过程线尖瘦，退水历时短，洪水出口断面洪水过程线尖瘦，退水历时短，洪水过程线较为对称。过程线较为对称。第三节第三节 产流模式产流模式l蓄满产流径流量多少与流域初始土湿和降雨量蓄满产流径流量多少与流域初始土湿

21、和降雨量有关有关l超渗产流径流量多少与流域初始土湿和降雨强超渗产流径流量多少与流域初始土湿和降雨强度有关度有关第三节第三节 产流模式产流模式l土壤覆盖薄、下有岩层或相对不适水层、植被茂密的山坡小流域，土壤覆盖薄、下有岩层或相对不适水层、植被茂密的山坡小流域，其对应的产流模式以其对应的产流模式以Rsat+Rss型型 l包气带中等厚度、非均质土壤，下有地下水层，植被良好的丘陵地包气带中等厚度、非均质土壤，下有地下水层，植被良好的丘陵地带的山坡小流域，其对应的产流模式以带的山坡小流域，其对应的产流模式以Rs+Rss+Rg型，当包气带较薄型，当包气带较薄时，则以时，则以Rsat+Rss+Rgl具有较厚

22、包气带的黄土或壤土层，地下水埋深大的山坡流域，其产具有较厚包气带的黄土或壤土层，地下水埋深大的山坡流域，其产流机制属于超渗产流模式，属于流机制属于超渗产流模式，属于RS型型l地势平坦的冲积平原，透水性良好，地下水埋藏较浅的集水单元，地势平坦的冲积平原，透水性良好，地下水埋藏较浅的集水单元，其产流机制属其产流机制属Rsat+Rg型，型， 当地下水位较低时，则可能当地下水位较低时，则可能Rsat+Rss+Rg第三节第三节 产流模式产流模式 一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由更一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由更小的集水单元小的集水单元(山坡流域山坡流域)所组成的。由于流域内

23、地形地貌、所组成的。由于流域内地形地貌、地质条件、植被类型、土壤类型、包气带厚度、地下水埋深、地质条件、植被类型、土壤类型、包气带厚度、地下水埋深、土壤湿度及降雨等存在差异，所以流域各点的产流模式必然土壤湿度及降雨等存在差异，所以流域各点的产流模式必然存在差异。流域产流机制的特点存在差异。流域产流机制的特点 流域产流模式由不同的产流机制组成流域产流模式由不同的产流机制组成 流域中占主导地位的产流模式决定了流域产流的基本特征流域中占主导地位的产流模式决定了流域产流的基本特征 在一定条件下，非主导产流模式可以转化为主导型产流模式在一定条件下，非主导产流模式可以转化为主导型产流模式第三节第三节 产流

24、模式产流模式 降雨开始前，河流中的水降雨开始前，河流中的水量主要来自流域中包气带量主要来自流域中包气带较厚的中下游地区的地下较厚的中下游地区的地下水补给。在流域的上游地水补给。在流域的上游地区，由于土层浅薄，没有区，由于土层浅薄，没有什么地下水补给枯季径流什么地下水补给枯季径流降雨开始前降雨开始前第三节第三节 产流模式产流模式湿润区产流面积的发展特点 降雨开始后，流域中容易产流的地区先产流，因此河流中的水量主要降雨开始后，流域中容易产流的地区先产流，因此河流中的水量主要来自于容易产流地区，主要是来自于容易产流地区，主要是土层浅薄的地区或沟谷附近土壤含水量土层浅薄的地区或沟谷附近土壤含水量大的地方或雨强大的地方大的地方或雨强大的地方降雨初期降雨初期第三节第三节 产流模式产流模式 河沟开始逐渐向上游延伸，河网密度开始增加。随着降雨的持续，河沟开始逐渐向上游延伸，河网密