产流机制研究

产流机制研究第1页/共90页第八章重点包气带水量平衡要素及平衡方程四种径流成分的产流机制霍顿产流机制的核心论点与局限性九种产流类型的组合九种产流类型归为两种产流模式的水文意义第2页/共90页8.1降水形成产流的一般过程概述降水在完全降落到地面以前要经过地面植被的截留，并满足地面低洼处的蓄水存量、包气带下渗要求后，才会在流域内从局部地点产生径流，并随降水的延续及相应条件的满足后，流域的产流面积逐渐扩展。并不是降水后，流域内所有的点都同时产生径流，各点的产流有先后之分。第3页/共90页产流过程

不同成分的净雨水量形成过程汇流过程径流形成过程坡地汇流过程河网汇流过程第4页/共90页径流形成过程分解为产流过程与汇流过程是降雨到达地表经植物截留、地表填洼、入渗、蒸发损失后，转化为不同成分的净雨量（称产流过程），净雨再汇集到流域出口断面的过程（称汇流过程）第5页/共90页定义：是各种径流成分的形成过程，是降雨到达地表经植物截留、地表填洼、入渗损失后，转化为净雨的过程。在整个过程中，不同成分的净雨量在土壤层中经下渗与蓄留后，在不同作用机制下迁移运动。产流过程，为何又称流域蓄渗过程第6页/共90页汇流过程分解为坡地汇流和河网汇流河网汇流阶段:包气带某层位形成的净雨水量，沿着土壤坡面从地表和地下汇入流域各级干支流的河槽内；净雨水量再沿着各级干支流的河槽,从上游向下游汇集到流域出口断面的过程。坡地汇流阶段:第7页/共90页典型流量过程线中的水量构成洪水流量与时间之间的对应关系,有几个明显变化点，水流产生速度不一样，机制不一样超渗坡面流饱和坡面流回归流饱和壤中流非饱和壤中流地下径流第8页/共90页总径流量中各种径流成分是如何体现的？将典型洪水过程线的退水部分绘在单对数或双对数纸坐标系内,横坐标是时间，纵坐标是对流量取对数后的数值。第9页/共90页在图上得到

有多个转折点的连续折线段，这些折线段代表不同退水速度的成分水流。总径流量中各种径流成分是如何发现的？可以推理：有不同成分的径流在时间上是先后形成的，它们的产流速度不同及来源不同，从而构成了河道断面的总水量。第10页/共90页涨水阶段的洪水过程线陡升，涨水部分绘在单对数纸或双对数纸上，没有明显的流量变化转折点。为何在涨水段没有这种明显的现象？第11页/共90页退水段折线段代表不同形成机制的径流退水最快的曲线段代表的是地面径流，退水最慢的曲线段代表的是地下径流，壤中径流（快速与慢速）的退水速度在前两者之间。第12页/共90页8.2包气带水量平衡什么是包气带、水分带结构包气带分层及分层内水分运动特征包气带不同层位的水量平衡第13页/共90页

包气带

饱和带隔水层承压含水层越流第14页/共90页包气带（zoneofaeration

）位于土壤表面以下，潜水面以上的不饱和土壤层。不饱和土壤层的厚度也就是包气带的厚度。第15页/共90页包气带特征——基本上是不饱和土壤特征包裹空气的不饱和土壤水带，土壤孔隙没有完全被液态水充满。土水势主要由基质势与渗透势构成,土水势为负值水分迁移主要由基质势梯度驱动第16页/共90页包气带厚度地面到地下潜水面的距离，包气带的厚度受地下潜水面的变动而变动第17页/共90页影响包气带厚度的因素——水量收支上游河道天然来水量的补给降水或灌溉地下水的抽取植物蒸腾土壤蒸发第18页/共90页包气带增厚——地下水埋深增大—植物用水上游来减少水，地下水位下降，包气带厚度增大，植物根系吸收不到地下水，枯死。区域年均降水量40mm，生长完全依赖地下水。枯死荒漠化－>区域环境需水－>生态水文问题第19页/共90页潜水埋深

——包气带厚度变化对对植物生长影响第20页/共90页到达地表的降水，分配与转换有三个过程地面以上地表处地面以下

——植物对降水截留及地表填洼——降水强度与下渗强度决定——也就是土壤包气带内，土壤分层水力、含水量差异决定第21页/共90页包气带是不同成分径流类型的发生场所流域陆面由不同下垫面类型构成，不同下垫面包气带所处的坡位、坡向、植被类型、土壤质地、厚度、水力特性、土壤水分状况不同，则在同一次降水事件中，对应有不同的产流类型和产流模式。产流有先后、产流量大小不同、产流场所层位不同。所以，要先讲包气带相关知识。第22页/共90页包气带饱和带典型包气带水分结构带的三个分层依据包气带内毛管水分的来源和它与外界水分交换之间的关系，把包气带分三个带毛管悬着水带中间带毛管支持水带第23页/共90页包气带水量平衡

研究思路：考察各个水量平衡要素的变化研究方法：水量平衡原理

研究对象：

典型的、有代表性的包气带，分两层

研究时段：任一时段内，假设有一次降水事件发生，时段末时刻并不是降水停止的时刻。

第24页/共90页P

降水量E1

降雨期间的截留与蒸发量E2

储存土壤水的蒸发量F

下渗水量Rs

地表径流量Rsb

壤中径流量Rg

地下径流量W1

土层A与B的平均初始蓄水量W2

土层A与B时段末平均蓄水量第25页/共90页P

+E2Rsb地面潜水面RgRs土层A土层BFE1W1W2考察某时段内，包气带的水量平衡要素W1

土层A与B的平均初始蓄水量W2

土层A与B时段末平均蓄水量第26页/共90页到达地表的降雨蒸发E1P

地面潜水面Rs土层A土层BFE1地表处水量平衡方程W1研究时段内，积水用于蒸发与下渗地表处：

ΔW=0地表处水量平衡方程：第27页/共90页下渗水分F

的再分配下渗水分F进入包气带后，在土水势等作用下、土壤分层间水力差异影响下，在包气带内又进行分配，转化为径流与土壤水分。第28页/共90页E2Rsb地面潜水面Rg土层A土层BFW1W2包气带内下渗水分的分配及水量平衡包气带蓄水量变化量包气带水量平衡方程土壤水蒸发E2生成Rsb

与Rg径流ΔW=W2-W1第29页/共90页地表处水量平衡包气带蓄水量的变化下渗水量的转换包气带水量平衡方程总蒸发量上两式相加第30页/共90页包气带的水量变化与降雨量的关系考察时段内，P>0，考察时段内，P=0，第31页/共90页

现代阶段1970年以后霍顿阶段1930年代产流过程经水文学家认知历程的发展，径流成分从两种扩展为四种超渗地面径流饱和地面径流壤中径流地下径流地面径流地下径流50年代60年代8.3产流机制第32页/共90页在降雨过程中，有截留损失和填洼损失。随降雨过程的持续，土壤湿度增加，表层土壤的下渗能力减小，霍顿观测到超渗地表径流在降水强度大于土壤下渗能力时产生,

地下径流在累计下渗量大于土壤缺水量以后产生霍顿观测发现的产流现象（1933）霍顿产流现象在干旱半干旱气候地区植被稀少，土壤包气带薄、硬质表层荒地、冻土等地带发生。第33页/共90页霍顿的产流观点——总结成下面两段话径流的成分有两种，地面径流与地下径流，

Rs对洪水涨落起主要作用，

Rg长期维持河流枯水流量，

i>f

，全流域产生地面径流降水过程中，形成什么类型的径流成分取决于i(降水强度)与f

(土壤下渗能力)

，F(下渗水量)与D(土壤缺水量

)

之间的关系第34页/共90页包气带土壤缺水量D是土壤初始含水量W1距离

土壤含水量达到田间含水量W田的差值D=W田-W1第35页/共90页霍顿观点—径流成分取决于i与f

，F与D之间关系i<fRs=0;F>DRg>0i>fRs>0;F<DRg=0i>fRs>0;F>DRg>0i<fRs=0;F<DRg=0无径流产生，河流处于原先退水状态河流出现尖瘦、涨落段大致对称的洪水过程线河流出现矮胖、涨落段大致对称的洪水过程线河流出现涨洪快速，落洪比较缓，涨水段与落水段明显不对称的洪水过程线第36页/共90页霍顿产流机制局限性的四个表现i〈f的降雨条件下，也观测到地面径流的产生一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰湿润季节，微小的降雨都有明显的流量过程变化全流域产流的情况非常罕见1935年以后，许多水文学家发现一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：第37页/共90页i<f径流成分不仅仅只有霍顿认为的两种，应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？现象一：

i<f

，也观测到地面径流产生观测到：地面径流产生，在出口断面出现洪水过程。有时又观测到：没有地面径流产生，却在流域出口断面上观测到洪水过程。以上观测到的现象说明第38页/共90页现象二：一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰第一个：超渗地面径流形成第二个：壤中径流与回归流形成典型的降雨径流过程线只有一个洪峰，一个涨水段一个退水段说明洪水过程线中的现象有不同成分的径流类型不同成分径流的产流速度不同形成场所不同第39页/共90页现象三：湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节的多雨背景下，土壤包气带缺水量极少，土壤剖面整个层次基本饱和，下渗速度接近稳定渗透速率。这时稍有水分补给土壤，就会有重力水快速下渗到潜水面处，在水势梯度的作用下汇聚到河网内。一般在坡度大、包气带土壤薄、容易达到饱和的的地段容易出现。第40页/共90页下面讲解四种径流成分的产流机制

超渗地表径流壤中径流（派生出回归流）饱和地表径流地下径流（狭义地下径流）下面图示四种径流成分的产流场所第41页/共90页壤中径流或回归流超渗地面径流地下径流总净雨量截留

包气带

饱和带隔水层承压含水层RgRsb或RretRs或Rsat越流蒸发地面饱和径流降水第42页/共90页讲解过程中的符号意义i

降水强度f

下渗强度F

下渗水量D

包气带缺水量Rs

地表径流Rg

地下径流Rgb

壤中径流Rsat

饱和地面径流第43页/共90页图示超渗地面径流产流——1i<f,

rs=0i>f,rs=i-f>0i=1.5cm/hrf=2.0cm/hri=1.5cm/hrf=0.5cm/hrrs=1.0cm/hr第44页/共90页超渗地面径流理论降水初期i<f

截留填洼第45页/共90页随降水持续i>f地表积水开始产流第46页/共90页随降水再持续i>f地表积水增多产流量增加第47页/共90页图示超渗地面径流分时段产流——2各分时段多余的降水量用来产流△t3△t2△t1△t4→降雨强度小于下渗，没有积水→地表有积水，产流→地表有积水，产流→地表有积水，产流第48页/共90页超渗地面径流产流机制—1建立地面水量平衡方程自降雨开始至降雨结束时刻的时段内，地面的水量平衡可用下面的方程表述：Rs=P–E–F–In–U

其中，Rs是地面径流产流量，P，E,F分别是降雨开时刻到时刻t的累计降雨量、蒸发量、下渗量，In

与

U是植物截留量和填洼量（知识点1）。第49页/共90页超渗地面径流产流机制——2简化水量平衡方程一般，降雨期间的蒸发比较小可以忽略；另用于植物截留和填洼的水量不大，在数值上变化稳定，是缓变因素；因此，植物截留量、填洼量和雨期蒸发量在地面径流的形成过程中不起支配作用，可以忽略；则上面的水量方程可简化为Rs=P–F。（知识点2）。第50页/共90页超渗地面径流产流机制——3方程讨论若用强度表述上面的水量平衡方程，则地面径流的产流强度rs

可用rs=i–f表示；其中，i是降雨强度，f是下渗强度，由上面方程知，只有当降雨强度大于下渗强度时，才有地面径流产生，这种径流称为超渗地面径流；而当降雨强度小于下渗强度时，降水全部消耗于下渗，没有地面径流产生。以上论述就是超渗地面径流的形成机制（知识点3）。第51页/共90页壤中径流产流机制——土壤条件自然界中的包气带中，上层的土壤上覆的压力小，分布有大量植物根系、富含有机质，上层土壤颗粒团聚体构成土壤的固体骨架，表层土壤受降水的淋溶、动植物活动的影响大使得土壤结构疏松，孔隙率大。而下层土壤上覆压力大，土壤相对密实，孔隙度小。下层与上层土壤相比，透水性弱，容易在两层的界面上形成壤中径流。为何自然多出现土壤上层比下层透水性强的现象？第52页/共90页A层:质地较粗,易透水层B层:质地较细,弱透水层C层fBfA壤中径流产生过程图示临时饱和带第53页/共90页壤中流的产生细Bi–fA相对不透水界面非均质性土壤或层次性土壤，有透水性上下不同的界面；上层A获得下渗水量强度fA

要大于下层B获得下渗水量的强度fB

；

可以在A-B土层界面上产生临时饱和带；具有产生内部侧向流动的倾斜坡度。i粗AfBfA第54页/共90页降水下渗过程中，上层土壤A层含水量的增加快于下层土壤B层含水量的增加，上层A层土壤先达到田间含水量，直至饱和后，上层A土壤获得的下渗水量会以稳定下渗率fC,A

给B层土壤供水;壤中径流的产流过程分析——1第55页/共90页壤中径流的产流过程分析——2后续的降水只要满足i>fB

，就会在A-B两层间的界面上产生积水，积水量为i–fB

，这部分积水在重力作用下沿坡的倾向流动，形成壤中径流。第56页/共90页壤中流在土壤内汇聚的过程中，会在己饱和的局地坡面上渗出地面，以地面径流的形式成为坡面漫流，注入河槽，这种水流称为回归流。它是壤中流所派生的一种径流成分，回归流——壤中流的派生径流成分第57页/共90页回归流壤中流从土壤层与坡面相交处露头，回归地表第58页/共90页土壤回归流发生条件一般只在极小的山坡流域，且在壤中流比较发育的情况下，才能显示出对流量过程线形状的影响，从而作为一种独立的径流成分而存在。第59页/共90页论述壤中径流产流机制——4总结综上，壤中径流的形成条件可概述为三点，一是土壤剖面中存在相对不透水层，上层的透水能力大于下层；二是上层向下层的供水强度大于下层的下渗强度；三是在界面上产生积水，形成临时饱和带，界面还具备一定的坡度。第60页/共90页B层:质地较细,弱透水层C层饱和地面径流图示临时饱和带饱和带厚度增加，抬升到地面fAA层:质地较粗,易透水层fB产流量分析：第61页/共90页上部土层开始充水下部土层开始充水土壤继续充水，快于下层下渗水量增加速度没有上层快上部充水达到田间含水量,下渗水来不及下渗在层内形成壤中流下层土壤仍未达到田间含水量壤中径流图示壤中径流与饱和地面径流的关系上部水量饱和，水面抬升到地表下层土壤仍未达到田间含水量饱和地面径流第62页/共90页饱和地面径流流发生地段：灌丛林季节冻土地带的饱和地面径流饱和地面径流一般在土壤缺水量少的地段产生，如沟边、河谷地带与坡脚部位。第63页/共90页土壤中形成壤中径流rsb后，后续降雨满足，即在满足B层土壤下渗及产生壤中径流的同时，还剩余一部分水量使得A层土壤含水量从下向上由田间持水量逐渐增加到完全饱和，直到积水厚度抬升到地表,在地表形成饱和地面径流rsat饱和地面径流产流过程分析——在壤中流形成后第64页/共90页取决于土层内部上下非均值土壤分层之间的下渗能力差异、以及上层土壤达到全层饱和时所需的水量D、降水强度及持续时间。概述饱和地面径流的产生的条件第65页/共90页细Brsb相对不透水界面ifBrsat粗A非均质性土壤或层次性土壤，存在透水性能突变界面下层土层B供水强度fA要大于它本身的下渗强度fB

，A土壤达到完全饱和后，层内积水抬升到地面以上，降水仍继续饱和地面径流产生fA第66页/共90页简述饱和地面径流形成过程在具备壤中流产生条件的界面上，即fA＞fB当雨强小于上层下渗率fA而大于下层下渗率fB时，界面上可形成临时饱和带，产生壤中流。此后,随降雨继续，界面处积水不断增加，积水面将达到地面，这时界面以上的土层含水量达到饱和，以后的降雨在地表蓄积流动，形成径流，把它称为饱和地面径流，第67页/共90页地下水径流——蓄满产流的理论基础土壤含水量达到田间含水量以后,这时继续下渗的水分，就开始产生大量自由重力水将补给潜水，形成地下径流。——这是蓄满产流的理论基础。第68页/共90页地下径流产流过程1、在地下水埋藏浅，包气带厚度小，透水性强地带。2、包气带接受降雨下渗补给后，下渗水向下传输，水分传输到达支持毛水分布带的上缘，下渗水通过土壤毛管与潜水带建立水力联系。3、若后续下渗的水分，使含水量达到田间含水量后，后续下渗水就会在重力作用下传输到潜水面处，补给潜水，形成地下径流。第69页/共90页论述地下径流的形成机制——1土壤土壤包气带厚度不大，土壤透水性强，在连续降水过程中，下渗锋面达到毛管水带上缘，使得下渗水与地下水建立联系

（知识点1）；第70页/共90页论述地下径流的形成机制——2水分供给若下渗的水量可满足土壤包气带含水量超过田间持水量，则后续的下渗水分以自由重力水的形式补给地下水，产生地下径流rg

（知识点2）第71页/共90页论述地下径流的形成机制——3平衡方程均质土壤的地下径流产流强度，可用方程rg=f来表述，即此时的下渗率等于地下径流的产流率；对非均质土壤来说，由于土壤内部产生侧向的壤中流rsb

，则地下径流产流强度可用方程rg=f­rsb

来表述。（知识点3）第72页/共90页产流机制的论述从三个知识点入手土壤条件或土壤水力特性供水条件与动力条件建立平衡方程与讨论方程要素下面总结：不同径流成分类型界面产流的一般规律第73页/共90页不同径流成分类型界面产流的一般规律水分来源

：供水强度大于下渗强度，可在产流场所产生临时饱和带。产流场所

：界面（地表或层次性土壤分层间的分界面）动力

条件：界面具有一定坡度，使得水分有侧向流动、归槽的动力第74页/共90页到此，产流机制结束学习产流机制理论体系的发展历程霍顿产流观点及其局限性其它径流成分产生机制的认识历程第75页/共90页产流类型：产流模式：不同径流成分的九种共生、伴生组合或说是产流机制的共生、伴生组合九种产流类型概化分为蓄满产流模式与超渗产流模式8.4单点产流类型与单点产流模式第76页/共90页单点产流类型（径流成分的可能组合情况）同一地点在某次降水产流过程中（经历一个时间段），依据不同径流成分的共生或伴生条件，会同时或先后出现不同形成机制的几种径流成分，这些径流成分的可能组合情况（共有九种组合），称为单点产流类型。该点的总产流量是这几种径流成分之和第77页/共90页九种径流成分组合（或九种单点产流类型）1（超渗）……Rs2（超渗+壤中）……………Rs＋Rsb3（壤中+饱和地面）………Rsb＋Rsat4（超渗+地下）……………Rs＋Rg5

（壤中+地下）…………Rsb＋Rg6

（壤中）…Rsb7

（超渗+壤中+地下）……Rs＋Rsb

＋Rg8（饱和地面+壤中+地下）Rsat＋Rsb

＋Rg9

（地下）…Rg第78页/共90页为何只有九种径流类型？

依据不同径流成分的共生或伴生条件

只能组合出9种情况。Rs

、Rsb

、Rsat、Rg的组合总数第79页/共90页只组合其中一种径流成分，可得3种径流成分组合

Rs型

Rsb型

Rg型为何没有饱和地面径流Rsat型?依据据饱和地面径流形成机制，判定饱和地面径流形成一定伴生壤中径流生成。所以，Rsat不会以一种独立的径流类型出现，但可与Rsb一起与其它径流类型伴生。组合有三种类型第80页/共90页组合有四种类型只组合其中的两种径流成分，可得到：Rs＋Rsb型Rs＋Rg型Rsb＋Rsat型Rsb

＋Rg型为何没有Rsat＋

Rs型与Rsat+Rg

型？依据据饱和地面径流形成机制，Rsat形成的前提条件是有壤中径流产生，问题中的两种组合形式不会存在。但壤中流可以和另外三种径流成分组合在一起。第81页/共90页组合有两种类型只组合其中三种径流成分，可得到：Rs＋Rsb

＋Rg型Rsat＋Rsb

＋Rg型Rs与Rsa