水文学原理-第八章

1、第八章 流域产流,目 录,包气带的水文特性 产流机制 产流模式 流域产流过程及产流量计算方法,饱和带和包气带：在流域上沿深度方向取一个剖面，以地下水面为界可把土柱划分为两个不同的含水带，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，不存在包气带,第一节 包气带的水文特性,一、包气带和饱水带,包气带分为三带：接近地下水面处存在毛管上升水带，接近地面处存在毛管悬着水带，两者之间为中间带。在毛管上升水带中，毛管力和重力抵消，其中的水不流入地下水中，其位置随着地下水位变化。毛管悬着水带只有在地面供水时才出现，并随着地面以下饱和含水层

2、的增加而不断下移,一、包气带和饱水带,第一节 包气带的水文特征,包气带水分分布特征,毛管悬着水带：水分活跃层，是降水进行再分配的主要水分带 中间带：水分变化较小，相对稳定，水分储存及输送带 毛管上升水带：支持毛管水,第一节 包气带的水文特征,包气带水分动态：包气带中水分含量及水分剖面的增长与消退过程 包气带水分的增长：来源于上界面的降水（或灌溉）和下界面的地下水补给。上界面的降水是土壤水分增长的主要原因，并通过下渗作用补充土壤水分，按照下渗理论，地下水的补给量,二、包气带水分动态,第一节 包气带的水文特征,包气带水分的消退：包气带水分的消退发生在它的上、下界面，上界面的蒸散发是包气带水分消退的

3、主要原因，主要取决于气象条件和土壤含水量,第一节 包气带的水文特征,包气带对降雨的再分配作用，即“筛子”和“门槛”作用，可以统一在包气带水量平衡方程式中,四、包气带水量平衡方程,第一节 包气带的水文特征,分层水量平衡方程,第一节 包气带的水文特征,包气带以上水量平衡方程,包气带以上水量平衡方程,If In=0,Sd=0,第一节 包气带的水文特征,地面好像“筛子”，地面的下渗容量好比“筛孔”，下渗容量大表示筛孔大，可以将大的雨强“筛入”土中；下渗容量小表示筛孔小，只能将小的雨强“筛入”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，因此地面更像一面筛孔会逐渐变小的“筛子” 不同的降雨

4、i进入土壤，如果ifp，只有fp部分“筛入”土中，剩余的i-fp部分剩余在“筛面”。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,五、包气带在产流中作用,1.包气带地面对降雨的再分配作用,第一节 包气带的水文特征,土壤蓄存部分,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,If 一次降水后的下渗渗锋达不到地下水位,If 一次降水后的含水量达到田间持水量,第一节 包气带的水文特征,产流部分,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,第一节 包气带的水文特征,一、霍顿产流理论,降雨-产流基础是包气带的“筛子”作用和“门槛

5、”作用，产流受控于两个条件，一是降雨强度超过下渗容量，二是包气带的土壤含水量超过田间持水量,if,if,if,if,不产生径流,产生地面径流,产生地下径流,产生地下和地面径流,第二节 产流机制,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，前一个峰形高而尖瘦，后个峰行矮胖 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

6、上产流,与实际水文现象之间的矛盾,第二节 产流机制,二、产流机制,第二节 产流机制,1.超渗地表径流（Rs）的产流机制,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,i, 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 产流机制,1.超渗地表径流的产流机制,If 忽略预期蒸发、填洼、截留,If,要有供水 降雨强度大于下渗强度,产生超渗流的条件,第二节 产流机制,2. 壤中流（Rss）的产流机制,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；界面上产生的积水，形成临时饱和带

7、，界面还需具备一定的坡度,3. 地下径流（Rg）的产流机制,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,均质土层水量平衡方程,非均质土层水量平衡方程,第二节 产流机制,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，原因何在？ 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。该临时饱和带随着降雨的继续不断向上

8、发展，最终将达到地面，于是后续降雨的一部分将积聚在地面，不再是壤中水径流，而成为一种地面径流，称为饱和地面径流,4、饱和地面径流（Rsat）,问题的提出,第二节 产流机制,存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很强，而下层土壤的透水性很弱 上层土壤含水量达到饱和含水量,饱和地面径流产生的物理条件,第二节 产流机制,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，土层中形成的临时饱和带的厚度沿坡度呈不均匀状态。坡脚常处于饱和含水量，坡顶含水量较小。因此，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

9、和地面径流的径流成分称为回归流 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,5、回 归 流(Rr),第二节 产流机制,回归流并不是一种原生径流成分，而是从壤中水径流派生出来的一种径流成分。在降雨过程中，随着山坡饱和面积的扩大，回归流发生的范围不断扩大,5、回 归 流,第二节 产流机制,在不透水面积上形成的径流称为直接径流,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,6、包气带为零时的产流,第二节 产流机制,首要条件：供水。对地表

10、径流是降水，对其他径流成分则是由上向下的下渗水流 充分条件：供水强度大于下渗强度 其它条件：交界面上产生临时饱和带 侧向运动的动力：坡度和水流归槽条件,7、界面产流的规律,第二节 产流机制,第三节 产流模式,一、单元面积产流模式单点产流模式,二、流域产流模式,1. Rs型超渗产流型,产流量R取决于i和fp ， Rs=(i f p)i 雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量Wm 径流成分单一,第三节 产流模式,产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm 产流量R取决于降雨量P和初始土壤含水量 W0，R=R(P,W0)=P-(Wm-W0) 径流成分复杂,2. Rsat+Rss + Rg型蓄满产流型,第三节

11、产流模式,对于一个固定地点(或流域)，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 条件：主要发生在包气带中等厚度，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，地下水位变幅较大的地区 特点 干旱期：初始土壤含水量W0小，地下水埋深大Rs型 湿润期：初始土壤含水量W0大，地下水埋深浅Rsat+Rss + Rg型,3. Rs型Rsat+Rss + Rg型转换型,第三节 产流模式,1. 流域产流特征分析,长年气候干燥的流域，常以超渗模式产流 长年气候湿润的流域，常以蓄满模式产流 若下垫面土壤颗粒细小、结构密实、植被差，地下水埋深大，则常以超渗方式产流

12、 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 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,分析流域的气候及下垫面特征,三、产流模式和产流面积,第三节 产流模式,1. 流域产流特征分析,流域的水分状况,三、产流模式和产流面积,第三节 产流模式,降水、蒸发、下渗 土壤前期含水量 地下水位,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，退水历时长，洪水过程线明显不对称 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，洪水过程线较为对称。,分析

13、流域出口的流量过程形状,第三节 产流模式,蓄满产流径流量多少与流域初始土湿和降雨量有关 超渗产流径流量多少与流域初始土湿和降雨强度有关,分析影响次洪产流量的因素,第三节 产流模式,2. 产流模式在流域中分布,具有相对均一性质的单元流域产流模式,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Rsat+Rss型 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Rs+Rss+Rg型，当包气带较薄时，则以Rsat+Rss+Rg 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RS型 地势平坦

14、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Rsat+Rg型， 当地下水位较低时，则可能Rsat+Rss+Rg,第三节 产流模式,一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由更小的集水单元(山坡流域)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、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 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 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,流域产流机制基本规律,第三节 产流模式,降雨开始前，河流中的水量主要来自流

15、域中包气带较厚的中下游地区的地下水补给。在流域的上游地区，由于土层浅薄，没有什么地下水补给枯季径流,降雨开始前,3. 流域产流面积的变化和发展,第三节 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大的地方或雨强大的地方,降雨初期,第三节 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，产流面积不断扩大，河网密度不断增加。,继续降雨,第三节 产流模式,一、产流过程分析,第四节 流域产流过程及计算,饱和地表径流过程：产流条件是上层整层包气带带到饱和，该种产流模式包含饱

16、和地表径流，如Rsat+Rss+Rg, Rsat+Rs和Rss+Rg 超渗地表径流过程：产流条件是降雨强度大于下渗强度时，即产生地表径流,降雨开始时流域是干旱还是湿润，对此次降雨产生径流的多少影响极大，流域的干湿程度常用以下两个指标表示 流域蓄水量W 前期影响雨量Pa,二、基础知识,第四节 流域产流过程及计算,1. 前期土壤影响因子,缺水容量曲线与降雨径流关系,第三节 产 流 计 算,三、饱和地面径流产流过程,由资料分析计算得到的降雨量、前期影响雨量，按相关分析的方法，建立它们与径流深之间的相关图，应用此相关图可以由降雨计算出相应的产流量，这种方法称为降雨径流相关图法,4. 饱和地面径流产流模

17、式计算方法降雨径流相关图,P相同时，Pa越大，损失愈小，R(Rs)愈大，故等值线的数值是自左至右增大的 Pa相同时，P愈大，损失相对于P愈小，dR(Rs)dP愈大，PR(Rs)线的坡度随P的增大而减缓，PRs也不应小于450，PR可以为450,降雨径流经验相关图法的应用:根据降雨过程及降雨开始时的Pa，首先累积计算各时段的降雨过程，在图上查出累积的净雨过程，然后将累积的净雨过程，两两相减，得到各时段的降雨所对应的时段净雨。若降雨开始时的Pa不在某一条等值线上，则用内插法查算。(原理:次降雨量查次径流深),P1+P2,例如:两时段降雨 P1=49mm，P2=81mm 降雨开始时：Pa=60mm 由P1=49mm,查得R1=20.0mm 由P1 +P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm 则第二时段净雨为 R2=80-20=60mm,以W或Pa 为参数的三变量相关图，一般只适用于我国湿润地区，对于干旱、半干旱地区，除考虑风外，还要考虑降雨历时等更多变量的相关图,多变量降雨径流相关图,超渗产流条件：当降雨雨强大于下渗能力时产生地面径流量，进行预报时必须确定每次降雨的实际下渗过程,下渗曲线法,三、超渗产流的产流量计算,1、概 述,损失累计曲线法,2. 列表计算法,下渗曲线,fp,第五节 超渗产流的地面径流量计算,损失累计曲线法,霍顿公式,第五节 超渗产流的地面径流量计算