扬大水文学原理Ch8章ppt课件.ppt

'第八章流域产流水文学原理 降雨-径流过程降雨到达下垫面后，在截留、填洼、土壤持水、下渗和蒸散发等因素作用下的余额～产流（本章讲授内容）；产生径流从流域各处向流域出口断面汇集～汇流（ch10章讲授）。 包括：1截留与填洼、2包气带水文特性、3单点产流、4流域产流本章主要介绍流域产流，实际上是对流域蓄渗过程的物理机制进行进一步分析，从而为降雨径流计算奠定理论基础。研究思路——从包气带水分运行与消退规律出发，研究单点产流的物理机制，再归纳总结流域面上的产流规律，并简要介绍流域产流计算方法。本章重点是各种界面的产流规律，流域产流过程与产流量的计算。本章主要内容 （一）截留植物截留(Canopyinterception)interception)：降雨在植物枝叶表面吸附力、承托力、水分重力和表面张力等作用下储存于植物枝叶表面的现象。植物最大截留量(Interceptioncapacity)影响植物截留的因素：植物特性和气候气象条件第一节截留与填洼 （二）填洼填洼(Depressiondetention/storage,pondingponding)：降雨被流域上池塘、小沟等闭合洼地拦蓄的现象。第一节截留与填洼填洼过程：i>f填洼开始D=Dmax洼地出流降雨终止后，填洼量耗于入渗和蒸散发 一、包气带的结构a.土壤结构与土壤体湿润条件下：溶提作用—颗粒较粗、孔隙较大的溶提层淀积作用—颗粒较细、孔隙较小的淀积层干旱条件下：风成说（黄土高原）b.岩石（基岩）裂隙和溶隙结构裂隙、溶隙c.特殊包气带不透水的下垫面、冻土等第二节包气带的水文特性 二、包气带的水分分布特征在流域上沿深度方向取一剖面，以地下水面为界可把土柱划分成两个含水带：地下水面以下的饱和带和地下水面以上的包气带。当土柱中不存在地下水面时，就不存在饱和带，不透水基岩以上的整个土层全属包气带。当不透水基岩露出地面时，就不存在包气带。饱和带包气带地下水位第二节包气带的水文特性 (1)毛管悬着水带—供水结束以后，在包气带上部存在悬着毛管水，厚度约1.0m。其水分来源于降水，消耗于蒸散发。既是降水的承受面，又是土壤的蒸发面，水分变化剧烈，另称为影响土层。(3)毛管上升水带—在地下水面以上存在支持毛管水，厚度在1～2m左右。(2)中间包气带—在毛管悬着水带与毛管上升水带之间的水分过渡带。毛管上升水带毛管悬着水带中间包气带Z包气带又可划分成三带： 三、包气带的水分动态（增长vs.消退）包气带的水分动态是指包气带中土壤含水量及水分剖面的增长与消退过程。1、包气带水分的增长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。在天然情况下，地下水的补给一般处于均衡状态。故上界面降水是主要原因。水分沿垂向的增长可由下渗理论描述。增长量等于累积下渗量。深度 2、包气带水分的消退包气带水分的消退是由于上界面的蒸散发和下界面的内排水补给。其中内排水只有当包气带存在自由重力水时才出现，故上界面蒸散发是主要原因。水分沿垂向的消退可采用三层蒸发模式计算。消退量等于蒸发量。深度 包气带中孔隙和裂隙等具有吸收、储存和输送水分的功能。1、包气带地面对降雨的再分配作用(“筛子作用”)降雨到达地面以后，一部分消耗于植物截留、蒸发、填洼等损失，剩下部分被分成两部分：超过地面下渗能力(容量)部分留在地表，其余部分渗入地下。分配的结果是将雨水分为地面和地下两个部分。即：P当雨强小于下渗能力时，降雨全部渗入地下。RsF四、包气带对降水的再分配作用(包气带在产流中的作用) 2、土层对下渗水量的再分配作用(“门槛作用”)下渗水量(F)一部分以蒸发形式逸出地面(E)。剩余部分又被分成“土壤蓄存”和“径流”两个部分。蓄存部分是指水分运动中为维持土壤含水量等于或小于田间持水量所需的下渗水分。特殊地，当包气带的起始土壤含水量为最大分子持水量a(z)，终止土壤含水量为田间持水量f(z)时，S=包气带的最大蓄水容量SM。 记Wf为包气带达到田间持水量时的土壤含水量(mm)，W0为包气带初始土壤含水量(mm)，Wt为时段末包气带含水量(mm)，即：产生径流部分是指土壤含水量超过田间持水量以后，以自由重力水形式运行的部分。记一次降雨中包气带的输水量为Tp，则：若F-E>Wf-W0，蓄存部分S=Wf-W0若F-EDs则：Rs>0Rg>0ifpF0Rg=0iDs则：Rs=0Rg>0ifp，rs=i–fp地面径流产流率所谓产流机制是指水分沿土层垂向运行中，在一定的供水与下渗条件下，各种径流成分的产生原理和过程。（掌握原理和产流条件） （二）壤中流(Rss)的产流机制——供水与下渗的矛盾发生于土壤中的相对不透水层面上的产流机制fAfB条件：(1)要有界面，存在相对不透水层，如上层A和下层B，且下层比上层透水性差；(2)要有供水，即渗入上层的雨水(下渗率fA)；(3)要上层供水大于下层下渗，即fA>fB,i>fB；(4)要在界面产生临时饱和带，并有侧向排水条件。rss=fA–fB壤中径流产流率 (1)KBfB,i>fB；(5)侧向排水条件较差，界面上产生的临时饱和带不断上升达到地面。rsat=i-(rss+fB)fAfBi （五）回归流的产流机制——机制它也是由壤中流派生出来的一种径流成分，回归流通常发生在植被覆盖较好的山坡小流域。回归流是指壤中流渗出地面的那部分水流，它最终以地面径流的形式注入河槽。它是一种由壤中流派生出来的径流成分。通常它只有在极小的山坡流域并且壤中流比较发育的情况下，才能显示出它对过程线形状的影响，从而作为一种独立的径流成分而存在。一般说来，在壤中流比较发育，并有饱和地面径流发生的坡地，必然也同时伴随着回归流。由于回归流在潜出坡面以前属于壤中流，而潜出坡面以后又具有地面径流的性质，因此它汇入河槽的速度快于壤中流而慢于地面径流，实际上回归流与饱和地面径流是难以区别开来的。（六）界面产流规律 四、产流模式（一）基本产流模式(单点的产流模式)Rs型主要发生在地下水埋深大，包气带厚且透水性差的地区；雨强相对较大。由于包气带结构的复杂性和降雨特性的多变性，实际发生的大多是几种产流机制的组合。称产流机制的组合为产流模式（或产流方式）。Rs+Rss型主要发生在包气带厚，有相对不透水界面，上层透水性差，下层更差的地区；雨强相对较大。Rsat+Rss型主要发生在包气带厚，但近地表有相对不透水界面，上层透水性极好，下层透水性很差的地区；雨强几乎不超过地面下渗能力。 Rs+Rg型主要发生在包气带中等厚，土层均质且透水性一般偏差，包气带下有地下水的地区；降雨历时较长。Rss+Rg型主要发生在包气带中等厚，但相对不透水界面较深，上层透水性极好，下层透水性略次，包气带下有地下水的地区；雨强几乎不超过地面下渗能力。Rss型（注意区分Rsat+Rss型，前者不透水界面深，后者浅）主要发生在包气带中等厚，但相对不透水界面较深，上层透水性极好，下层透水性很差的地区；雨强几乎不超过地面下渗能力。 Rs+Rss+Rg型主要发生在包气带中等厚，存在相对不透水界面，上层透水性差，下层透水性更差，包气带下有地下水的地区；雨强大，降雨历时长。Rsat+Rss+Rg型主要发生在包气带中等厚，近地表有相对不透水界面，上层透水性极好，下层透水性很差，包气带下有地下水的地区；雨强小，降雨历时长。Rg型主要发生在包气带中等厚，土层均质且透水性极好，包气带下有地下水的地区；雨强几乎不超过地面下渗能力，降雨历时长。 （二）流域产流模式Rs型——超渗产流型特点：(1)产流量R取决于i和fp，R=(i–fp)i;(2)雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量Wm；(3)径流成分单一。Rsat+Rss+Rg型——蓄满产流型特点：(1)产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm；(2)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)(3)径流成分复杂。 Rs型Rsat+Rss+Rg型——转换型对于一个固定地点(或流域)，其产流模式并不是一层不变的，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 第四节流域产流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。整个流域的产流机制，是由流域中各单元产流产流模式的总结合所决定的。对于一个具体的流域各种模式所占的比重是不相同的。而确定流域产流基本特征的是流域中占主导地位的产流模式。所以可得出流域产流机制的特点：流域产流机制由不同的产流模式组成；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。一、流域产流模式的分布及产流机制的基本规律 二、流域产流特征分析(一)分析流域的气候及下垫面特征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；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。流域产流特征通常可从以下几方面进行分析： (二)分析流域出口的流量过程形状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。(三)分析影响次洪产流量的因素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。 （一）流域蓄水容量面积分配曲线流域上各处包气带达到田间持水量时的土壤含水量不一样。以包气带达到田间持水量时的土壤含水量W´为纵坐标，以流域内小于等于该W´的面积占全流域面积比（f/F）为横坐标，所绘的曲线称为流域蓄水容量面积分配曲线。对同一个流域，蓄水容量面积分配曲线是唯一的。W´W´mf/F1.0Wm三、流域产流面积的变化与发展曲线所包围的面积，即：为流域平均最大蓄水容量Wm。W´m为流域最大点蓄水容量。 （二）流域下渗容量面积分配曲线在一定的初始土壤含水量W0下，流域上各处的地面下渗容量也不一样。以地面下渗容量fp为纵坐标，以流域内小于等于该fp的面积占全流域面积比(f/F)为横坐标，所绘的曲线称为流域下渗容量面积分配曲线。对一个流域，下渗容量面积分配曲线是以W0为参变量的一组曲线。W0=WmW0=01.0fpf/F （三）蓄满产流产流面积的变化蓄满产流的产流量R=PE-(Wm-W0)（1）土壤缺水小、先蓄满的地方先产流；（2）随着供水的继续，产流面积不断的增大(单向增加)；（3）产流面积的大小与降雨量和初始土壤含水量有关。WWmf/F1.0WmPE1PE2(f/F)1(f/F)2´´ （四）超渗产流产流面积的变化（1）湿度大、透水性差，先超渗的地方先产流；（2）降雨过程中产流面积时大时小，有时甚至为0；（3）产流面积的大小与降雨强度和初始土壤含水量有关。超渗产流的产流率r=i-fpt0-t1时段初始土含为W0；t1-t2时段初始土含为W0+I1；…W0=0f/Ffpi1(f/F)1I1W0=0～Wmf/Ffpi2(f/F)2I2W0=Wmf/Ffpi3(f/F)3 流域蓄水容量面积分配曲线常用抛物线表示：四、蓄满产流产流量的计算（一）流域蓄水容量面积分配曲线的线型WWm1.0Wmf/F´´ （二）蓄水容量面积分配曲线与降雨径流关系W´W´mf/FaPERPERW0=0W0=WmWm也就是蓄满产流(饱和地面径流产流)的径流系数等于其产流面积的相对值。分析研究降雨径流关系的途径有：相关法——建立降雨与径流之间的相关关系。理论法——利用前面所介绍的产流过程理论，从理论上探讨其形式，即通常所说的产流模型。前面所介绍的两条统计曲线就是分析的理论基础。1、降雨径流相关图2、蓄满产流（饱和地面径流）的产流模型 （三）产流量计算W´W´mf/FaPER 例题40mm80mmW´f/FW´m0.51.0(3)绘出W0=0、40、60mm时的P～R曲线。(1)求Wm；(2)求W0=20、40、50mm对应的a;PERW0=6060°45°45°W0=0W0=40 五、超渗产流产流量的计算（一）超渗地面径流产流的降雨径流关系1、降雨径流相关图超渗地面径流的产流量，除了与当时的土壤含水量有关以外，还与降雨强度有关。所以在其降雨径流相关图中，需要加入反映雨强的参数。2、下渗曲线法与超渗产流计算模型超渗产流计算的基本依据是建立流域下渗能力（充分供水时的下渗能力）与土壤含水量的关系，常称为下渗～储量关系，用式子表示即为：之所以是超渗产流计算的基本依据是因为如果建立了f～θ的关系，那么只要知道雨初土壤含水量，然后根据各时段雨量，就可以推求出各时段产流量。 由此可见，超渗产流计算，关键在于确定f～θ关系。如果已知流域的下渗能力曲线f～t，那么我们可以将f～t曲线转换为f～θ曲线。所以要确定f～θ曲线的问题就变为确定流域的下渗能力曲线f～t的问题。下渗能力曲线f～t的确定，目前常用方法有:水文分析法、下渗模型法。水文分析法——基本依据是根据实测的降雨过程和流量过程，求得f～θ关系和f～t。下渗模型法——是应用下渗公式中f～t的函数关系，然后再转换为f～θ关系。常用的下渗公式有：霍顿公式：菲利蒲公式： 应用前提——流域上土质均匀，包气带厚度大体一致，各处下渗能力基本一致，而且降雨强度的空间分布均匀。只宜计算小流域的超渗地面径流。（二）超渗产流产流量的计算1、流域下渗能力分布均匀时的产流量计算（1）列表计算法:又分直接计算法、试错法取单位时段长，直接计算法步骤：（a）设下渗能力只与土壤含水量有关，与其垂向分布无关，即F～fp关系单一，由fp(t)函数确定F～fp关系；（b）根据F0查fp1，i1与fp1对比，确定第1时段的实际下渗量f1与超渗产流量rs1，F1=F0+f1（c）根据F1查fp2，i2与fp2对比，确定第2时段的实际下渗量f2与超渗产流量rs2，F2=F0+f1（如此循环…） 超渗产流量计算表F0=20mm时间iFfpfrs12013.020.05.63.0012025.023.05.25.0012032.028.04.52.0012048.030.04.04.04.012052.034.03.62.0012067.036.03.43.43.6 试错法步骤：（a）设下渗能力只与土壤含水量有关，与其垂向分布无关，即F～fp关系单一，由fp(t)函数确定F～fp关系；（b）根据时段初累计下渗量F0查时段初下渗容量fp0，假定一个时段末的下渗容量fp1；（c）假设时段内下渗容量呈线性变化，采用算术平均法计算第1时段的平均下渗容量fp1´，将第1时段的雨强i1与第1时段的平均下渗容量fp1´比较，确定超渗产流量rs1和时段下渗量f1；（d）计算第1时段末累积下渗量，F1=F0+f1，根据F1查第1时段末的下渗容量(fp1)´´，检查fp1与(fp1)´´是否一致，直至一致。完成第1时段的计算，进入第2时段的计算。 （2）图解计算法（下渗能力累积曲线法）利用降雨量累积曲线和下渗能力累积曲线推求产流量。降雨量累积曲线的斜率代表雨强i，下渗能力累积曲线的斜率代表下渗能力fp，按不同雨强段，逐段进行比较： 表示径流量表示下渗量F、Pt Atp´tpF、Pttp之前，降雨全部下渗;tp之后，按下渗能力下渗，超渗部分产流。tp之前下渗总量tp之后下渗总量总径流量 2、流域下渗能力分布不均匀时的产流量计算W0=0f/Ffpi1(f/F)1I1 六、流域产流的影响因素综述至于影响流域产流的因素归纳起来，可以分为以下几类：1、流域下垫面因素：包括地形地貌特征、地质条件、植被类型及其分布、土壤类型及其分布，包气带的垂向及平面分布特征、地下水的埋深。2、降雨特性：包括降雨的时程分布和空间分布。3、流域蒸发特性：包括蒸发的时程分配和空间分布。4、人类活动情况：人类活动主要通过改变流域下垫面因素而影响产流。 （2）在空间上将流域划分为若干个单元面积，以解决产流的空间分布不均匀问题。（1）在时程上划分为较小的时段，来逼近其瞬时过程。在进行产流计算时，为了解决流域产流的时、空分布不均匀问题，常采用以下的基本原则：（3）在垂向上分层，以考虑包气带在不同界面上的产流机制及径流成分。（4）将径流划分为不同水源，以考虑不同径流成分的产流过程及汇流过程的差异。可归纳为：分时段、分单元、分层、分水源'