扬大水文学原理Ch8章.

L/O/G/O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：if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。田间持水量—：起始土壤含水量—：)(])()([)()(])()([)(00000zdzzzSzzdzzzSzfHffHf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。包气带厚度—HdzzzSHafM])()([0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：)()]()([()(0000WWEFdzzzEdttfTfHftp若F-EWf-W0，蓄存部分S=Wf-W0若F-EWf-W0，蓄存部分S=Wt-W0则：dzzWdzzWdzzWHttHHff00000)()()(3、包气带水分运行：主要讲垂向运行（1）均质土壤水分的垂向运行：下渗理论（2）层次土壤中的下渗水流运动：层次土壤是指土壤物理及水分物理性质存在明显差异的均质土层。一般可概括为两种典型层理：（a）上层粗下层细一层具有较高水力传导度的粗质地土壤，位于具有较低水力传导度的细质地土壤之上。当供水时，易在交界面形成积水，并逐渐向上回升，产生压力水头，在土层存在一定坡度时可产生侧向水流。（b）上层细下层粗一层具有较低水力传导度的细质地土壤，位于具有较高水力传导度的粗质地土壤之上。交界面上不产生积水。自然界中的层次性土壤更多的是沿深逐渐变实的非均质土壤。对层次性土壤：EF补充包气带缺水成为自由重力水侧向流出量(Rss)深层下渗量(Rg)两次分配中的优先级：第一次分配：降雨首先满足下渗，来不及下渗时才有超渗径流。第二次分配：下渗量首先满足土壤蓄水，蓄足后才有自由重力水。四、包气带的水量平衡方程包气带中水分的增长、消退及各种分配间的定量关系可借助水量平衡方程来描述。gsstRREFWW0整层：以上F值可由地面以上大气系统的水量平衡方程求出：dndsnSISRIPF、若忽略gsssRRERPWDCCssCBCCtCBBssBABBtBAAssAAAtEFREFWWEFREFWWEFREFWW,0,0,0)3(21:）（）（分层EAEBECEDFFAFBFCA层C层B层Rss,ARss,BRss,C产流过程是以包气带为核心的、对降雨的再分配过程。第三节单点产流一、霍顿产流观念(掌握：内容+开拓性意义)1、将径流生成划分成二类条件，四种情况：ifpFDs则：Rs0Rg0ifpFDs则：Rs0Rg=0ifpFDs则：Rs=0Rg0ifpFDs则：Rs=0Rg=02、认为地面将降雨分成地表和地下两种径流成分；3、认为产流是同步的，即只要ifp，就全流域产流。ifpRsWMWDsF——累积下渗量(mm)Ds——流域缺水量(mm)Rg二、传统产流观念与实际水文现象之间的矛盾如：ifp时，也有地表径流产生；ifp时，确实无地表径流产生，但在出口断面可观测到与降水对应的流量过程；对应一次降雨形成两个形状不同的洪峰过程；全流域产流是十分罕见的。根据上述矛盾提出疑问：径流成分是否只有2种？径流产生的条件是否只有4种？既然不是全流域产流，应该怎样描述流域产流？三、产流机制（经典霍顿产流理论-均质包气带，非均质包气带）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）（一）超渗地面径流(Rs)（二）壤中流(Rss)（三）地下径流(Rg)（四）饱和地面径流(Rsat)（针对霍顿定律无法解释问题的解释）（五）回归流三、产流机制（经典霍顿产流理论-均质包气带，非均质包气带）（一）超渗地面径流(Rs)的产流机制——供水与下渗的矛盾发生于地面（包气带的上界面）的产流机制ifp条件：(1)要有界面，即地面(下渗能力fp)；(2)要有供水，即降雨(雨强i)；(3)要供水大于下渗，即ifp，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）ttdttntsfdtdtSedtdtiidttR00000)(ttsfdtidttR00)()()()(tftitrps（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fAfB,ifB；(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dtrdtfdtftWWtWtsstBtA000)()0()(0)()()(trtftfssBA)()()(tftftrBAss(1)KBiKA，可能有Rss；(2)KBKAi，可能有Rs、Rss和Rsat发生；(3)KAKB且KAi，可能有Rs发生。KAKBiKB1.01.0（1）(2)(3)AB下面我们接着讨论对于两层土壤层，在不同透水关系及不同降雨强度下，其所产生径流成分的组成情况。（三）地下径流(Rg)的产流机制——供水与下渗的矛盾发生在包气带下界面的产流机制条件：(1)要有供水f；(2)包气带薄，地下水位高；在地下水面以上、包气带下边界上存在支持毛管水带；(3)整个包气带土壤含水量达到田间持水量。dtrdtftWWtWtgtc00)()0()(000dtrdtftgtc)()(tftrcg(4)包气带下缘一旦有临时饱和带，即可产生地下径流。（四）饱和地面径流(Rsat)的产流机制——是在壤中流基础上发展起来的一种产流机制（与霍顿定律揭示现象矛盾的解释）条件：(1)表层土壤具有较强透水性，ifA，Rs=0；(2)要有相对不透水层；(3)要有供水，即渗入上层的雨水(下渗率fA)；(4)要上层供水大于下层下渗，即fAfB,ifB；(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)fAfBidtrdtrdtfdtitWWtWtsattsstBt0000)()0()(00000dtrdtrdtfdtitsattsstBt)()()()(trtftitrssBsat（五）回归流的产流机制——机制rR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