水文学原理 第八章 产流机制研究

'第八章产流机制研究8.1降水形成产流过程概述8.2包气带水量平衡8.3产流机制8.4单点产流类型与单点产流模式P94公式8-11，，少下标“sb” 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 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。 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 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） 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 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: 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 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。 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。 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？ 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。 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 包气带饱和带隔水层承压含水层越流 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。 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 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 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 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 潜水埋深——包气带厚度变化对对植物生长影响 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 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。 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 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。 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 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 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： 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。 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 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 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， 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 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。 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 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 霍顿观点—径流成分取决于i与f，F与D之间关系iDRg>0i>fRs>0;FfRs>0;F>DRg>0if,rs=i-f>0i=1.5cm/hrf=2.0cm/hri=1.5cm/hrf=0.5cm/hrrs=1.0cm/hr 超渗地面径流理论降水初期if地表积水开始产流 随降水再持续i>f地表积水增多产流量增加 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 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）。 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）。 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）。 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？ 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 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 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 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。 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 回归流壤中流从土壤层与坡面相交处露头，回归地表 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。 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。 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： 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 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。 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 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 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 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， 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。 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。 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）； 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） 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） 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 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 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 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 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 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 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 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 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。 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Rsat二者形成机制不相容，不会共存，所以只有上面两种形式的总径流构成组合，也没有四种径流成分共存的径流类型。这样,四种径流成分的可能组合数只能是9 如何计算一次降水事件形成的流域总径流量径流量是各种径流成分水量的总和。同一地点各径流成分形成快慢不一样，汇流不一样？不同地点的径流成分形成快慢、汇流也不一样?如何计算各径流成分的呢？——只能概化计算：将九种产流类型进行概化分类，分为两种产流模式。 次降水—径流关系指一次连续降水过程（或一场降水事件）所引起的径流过程中，降水与径流之间的相关关系。R=f（P,x,y,z，……） 产流模式从次降水—径流的关系出发（离不开这个前提），为便于简化计算一次降雨事件形成的流域总产流量，在判断总产流量与雨强相关程度大小的基础上，对流域各产流点在一次降雨过程中主导流域总产流量的产流类型进行概化分类，将产流模式分为蓄满产流模式与超渗产流模式。 单点产流模式的概化归类超渗产流模式——总产流量受到降雨强度影响R=f（P,i,W0,E）蓄满产流模式——总产流量不受降雨强度影响R=f（P,W0,E）两种单点产流模式的概化，为水文计算与水文过程模拟提供了实用、简便的思路，应用中的新安江模型与陕北模型，都是在这些产流模式的理论基础上建立的。概化归类的意义： 超渗产流、蓄满产流只和一次降水产生的径流有关超渗产流和蓄满产流是针对一次降雨形成的总径流而言。即需要考察次降水——径流关系。离开这个前提，单点产流模式的归类分法没有实际意义。 需要注意的是：应用蓄满产流理论计算产流量，只能计算出一次降雨过程中的总径流量，而不能把其它径流成分分割出来，不能精确给出产流量在时间上的分配过程。 复习要点名词解释：包气带、产流机制、单点产流类型、产流模式、包气带缺水量、田间持水量方程：包气带水量平衡方程、四种机制涉及的方程简述径流形成过程（产流过程、汇流过程）简述霍顿产流观点的四点核心内容、两句话简述为何土壤水分达到田间持水量是形成地下径流的先决条件论述四种径流成分的产流机制（可图示、公式符号说明）四种径流成分的共生组合为何只有9种产流类型？'