第二章坡面水文过程教程

2.1雨滴特性第2章坡面水文过程2.2土壤水与入渗2.3径流本章主要介绍降雨的基本特性、降雨过程中的入渗、径流的形成过程及其影响因素，分析坡面径流的形成过程，有助于对坡面水文过程的理解。2.1雨滴特性雨滴特性包括雨滴的形状、大小及雨滴分布、降落速度、落地时冲击力、降雨量、降雨强度和降雨历时等，直接影响侵蚀作用的大小。2.1.1雨滴直径及分布1.雨滴的大小一般情况下，小雨滴为圆形，大雨滴(＞5.5mm)开始为纺锤形，在其下降过程中因受空气阻力作用而呈扁平形，两侧微向上弯曲。因此把雨滴0.25mm直径≤5.5mm时，降落过程中比较稳定的雨滴称稳定雨滴；当雨滴直径＞5.5mm时，雨滴形状很不稳定，极易发生碎裂或变形，称为暂时雨滴。对于直径＜0.25mm的雨滴称为小雨滴。2.雨滴的分布降雨是由大小不同的雨滴组成的。一次降雨的雨滴分布，用该次降雨雨滴累积体积百分曲线表示，其中累积体积为50%所对应的雨滴直径称为中数直径，用D50表示。通常降雨强度愈大，D50也愈大，降雨强度变小，D50也相应减小（D50=aIb）。2.1.2雨滴速度和动能雨滴降落时，因重力作用逐渐加速，但其周围空气的摩擦阻力及浮力也随之增加。当这二力趋于平衡时，雨滴以匀速降落，此时的速度即为终点速度(terminalvelocity)。达到终点速度的雨滴下落距离，随雨滴直径增大而增加。终点速度的大小，主要取决于雨滴直径的大小和形状。雨滴的终点速度越大，其对地表的冲击力也越大，即对地表土壤的溅蚀能力也越强。2.1.3降雨侵蚀力降雨雨滴的侵蚀力是降雨和土壤互相作用的结果。降雨侵蚀力是指雨滴分散和击溅土壤颗粒的作用力。它是降雨物理特征的函数，降雨雨滴侵蚀力的大小完全取决于降雨性质，即该次降雨的雨量、雨强、雨滴大小等，而与土壤性质无关。计算方法：威斯迈尔经过大量寻优计算，得到了一个用复合参数表示表示降雨侵蚀力的方法。降雨侵蚀力指标R，表达式为：R=E*I30。其中E为该次降雨的总动能[J/（m2.mm）]；I30为该次降雨过程中出现的最大30min降雨强度（mm/h）目的意义：如果将降雨侵蚀力高峰期和土壤抵抗侵蚀力最弱时期分开，则可保证显著降低土壤侵蚀。2.2土壤水与入渗2.2.1土壤水1.土壤水分的存在形式土壤水是指吸附于土粒和存在于土壤孔隙中的水分，按受力情况可分为吸湿水、薄膜水、毛管水以及重力水四种形式。2.土壤含水量与分类土壤含水量是指包气带中土壤含水数量的多少，常用单位土壤体积内包含的水体体积或单位土壤质量内包含的水体质量来表示。水文上常用包气带土层的含水量折合为水深的方法来表示，称为土壤蓄水量。土壤含水量常划分为最大吸湿水量、最大分子持水量、调萎含水量、毛管断裂含水量、田间持水量和饱和含水量六中类型。3.土壤水分运动过程土壤水分运动过程主要包括入渗过程、土壤蒸发过程与植物蒸腾过程。2.2.2入渗入渗是指水分自地面渗入土壤的水文过程。入渗作为降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节，受到土壤水分运动规律的制约，是土壤水分最常见的向下运动的现象，也是降雨径流形成的主要环节。1.入渗过程下渗不仅直接决定地表径流量的大小，还影响土壤水分的增长以及表层径流与地下径流的形成。降雨入渗过程一般可划分为以下三个阶段：渗润阶段--渗漏阶段--渗透阶段。从径流形成的角度考虑，降雨入渗过程也可分为两个阶段：雨强控制阶段--土壤入渗率控制阶段。2.入渗要素入渗率（入渗强度）：是指单位面积单位时间内渗入到土壤中的水量。入渗能力（入渗容量）：是指在充分供水和一定土壤类型和土壤湿度条件下的最大入渗率。初始入渗率：在入渗最初阶段，土壤入渗率极大，其值称为初始入渗率。稳定入渗率：当下渗锋面推进到一定深度后，入渗率趋于稳定的常值，此时的入渗率称为稳定入渗率。3.入渗曲线入渗曲线（入渗能力曲线）：是指在地面充分供水条件下，入渗率随时间的变化过程线。4.入渗水的垂向分布规律入渗水在土体中的垂向分布大致可划分为4个带：饱和带、过渡带、水分传递带、湿润带。2.2.3影响入渗的因素1.入渗过程土壤特性对入渗的影响，主要取决于土壤的透水性、吸水性和持水性。2.地面坡度的影响就坡度而言，同一雨强下，坡度愈大，入渗率愈小。3.降雨特性的影响降雨对入渗的影响可分为直接影响和间接影响。从水土保持角度来看，降雨特性对入渗的影响主要表现在雨型、雨滴直径和降雨强度上。4.下垫面因素下垫面的作用主要在于使降落到地面的雨水发生重新分配，同时可削弱雨滴动能，增加土壤水分入渗。5.人类活动的影响人类活动既可增大土壤入渗，也可抑制土壤入渗。2.3径流沿地面或沿地面下运动的水流称为径流。对形成径流有重要作用的因素有降雨、蒸发与入渗等。2.3.1径流的分类及表示方法由降水开始到到水流流经流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。根据水流组成，可以把径流划分为地表径流、壤中径流、地下径流。根据径流形成过程及径流途径的不同，流域内的河川径流又可分为地面径流、壤中流、地下径流。径流表示方法与度量单位主要包括：①流量Q：流量是指单位时间内通过某一横断面的水量，常用单位为m3/s。其计算式：Q＝AV式中，A为过水断面面积（m2)；V为断面平均流量（m/s）。②径流总量W：径流总量是指在一定时段内通过河流某一横断面的总水量（一般指出口断面），常用单位为m3。其计算式为：W=QT式中：Q为流量（m3/s）；T为时段（如日、月、年等）长（s）。③径流深度R：径流深度是指单位流域面积上的径流总量。也即是把径流总量平铺在整个流域面积上所得到的水层深度，常用单位为毫米（mm）。其计算式为：式中：W为径流总量（m3）；F为流域面积（km2）；1/1000为单位换算系数。10001FWR④径流模数MW：径流模数是指单位时间在单位流域面积上的产水量。常用单位为dm3/(s·km2），其计算式为：式中；Q为流量（m3/s）；F为流域面积（km2）；1000为单位换算系数（即lm3水为l000dm3）。1000FQm⑤径流系数α：径流系数是指任一时段内的径流深度（或径流总量）与该时段的降水量（或降水总量）之比值。为无量纲，一般用小数或百分率表示。其计算式为：式中：R为径流深度（mm）；P为降水量（mm）。PR2.3.2径流的形成过程坡面径流的形成过程通常可概化为降雨过程、蓄渗过程和坡面漫流三个过程。（一）降雨过程降雨过程为降雨径流的形成提供了必要的物质基础，降雨引起径流。因此，降雨过程是降雨径流形成过程的首要环节。降雨量大小、降雨历时、降雨强度及其时空变化对径流形成过程有着直接的影响。（二）蓄渗过程在降雨开始后、地表径流产生之前的这一阶段称为蓄渗过程。蓄渗过程包括植物截留、填洼、蒸发和土壤入渗。1.植物截留（1）概念指植物枝叶（茎叶、树冠、树干）或建筑物拦截雨水的现象。（2）截留的特点①截留过程贯穿（持续）降雨过程的始终（随雨始而始，雨止而止）。若流域表面覆盖有植物，则降雨一开始，植物枝叶和树干便开始拦截雨水，截留过程一直持续到雨停为止。降雨初期，在没有满足最大截留量之前，植物下面的地面仅能获得少量降雨（透过雨量）。在截留水量达到最大值（即截留饱和）（枝叶充分湿润、叶面开始滴水，茎叶上出现水流）后，后续的降雨除满足植物茎叶雨间蒸发外，其余的水量全部降落到地表。由于降雨期间空气湿度很大，则蒸发量很小。②截留的雨水几乎全部消耗于蒸发。截留的雨水，由于重力或风力作用跌落地表及耗于雨间蒸发，雨停后，截留的雨水最终消耗于蒸发。2、填洼（1）概念指坡面流水或超渗雨在流域内大小坑洼停蓄起来的现象。（2）填洼的特点①只有在有超渗雨或坡面流水的地方才会产生填洼。即当降雨强度i小于下渗强度f时，全部降雨下渗；当降雨强度大于下渗强度时，就会有部分雨水被填洼。②填洼的水量最终消耗于蒸发和下渗。3、入渗（1）概念指雨水或地表水渗入到地下岩石、土壤空隙中的过程。（2）特点①下渗过程持续于降雨过程的始终，并在雨停后还将持续一段时间，只要有地表水的地方，便会有下渗的存在。②下渗强度在降雨初期特别大，以后随土壤含水量的增加而逐渐减小，最后趋于稳定。③下渗的水量一部分滞蓄于岩石土壤空隙中，在无雨期耗于蒸发；另一部分补给地下水，产生地下径流，补给河流。因此，前者才是真正的下渗损失量。（三）坡面漫流过程当降雨强度超过土壤的入渗率时，地表径流开始形成。坡面径流形成过程分坡面漫流和全面漫流两个阶段。在降雨满足土壤蓄渗量后，则开始产生坡面漫流。随着降雨强度的增大，漫流发展到片流，此时就进入到全面漫流阶段。壤中流和地下径流也可沿坡面土层发生汇流过程。各种径流成分经由坡地汇流注入河网后，沿河网向下游的干流出口断面汇集。这一过程标志着一次降雨的径流形成过程的结束。2.3.3径流产生的机制径流产生的机制是指降雨产生径流的基本物理条件，它取决于下垫面结构及降雨特性。在坡面上，径流发生的机制一般可概括为超渗产流、蓄满产流和壤中流。1.超渗径流的产流机制超渗径流的产生机制是指供水强度与入渗强度大小矛盾发生在地面时的产流机制。只有当降雨满足了植物截留、蒸发、填洼和入渗损失后，才具备产生地面径流的充分条件。因此，降雨强度大于入渗率是产生超渗地面径流的充分条件。2.壤中流的产流机制壤中径流发生于非均质或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面上，它在饱和水流和非饱和水流情况下均可发生。产流的条件：①要有供水，即上层有下渗水；②要有比上层下渗能力小的界面；③上层供水强度要大于下层的下渗强度；④产生临时饱和带后，水流还要具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件。壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，只取决于上层的下渗率。3.地面径流蓄满产流机制地面径流蓄满产流机制是在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。形成壤中流后，随着降雨的继续和壤中流积水的增加，包气带最终全部变成临时饱和水带。后继的降雨所形成的积水则会以地面径流的形式出现，这种地面径流就是蓄满产流。产流条件是界面供水强度大于下层土壤的入渗强度以及形成饱和积水带。此时的界面是下层弱透水层的上界面，其饱和带必须覆盖全部上层土后才会产生地表径流。2.3.4坡面径流的特征和影响因素由于受不规则坡面地形的影响，坡面径流往往是非恒定的非均匀流。影响坡面径流的主要因素有：气象因素、下垫面因素及人类活动。1.气象因素气象因素主要包括降雨、蒸发、气温、风和湿度等。2.下垫面因素下垫面因素主要包括坡度、坡长、微地形起伏及植被覆盖状况等。3.人类活动的影响人类活动对径流的影响主要是通过改变下垫面条件，从而直接或间接影响径流过程和径流量的变化。在坡面上布设水土保持工程措施和林草植被措施，可在一定程度上调节径流过程或径流量。作业1.名词解释雨滴中数直径、终点速度、降雨侵蚀力、土壤水、入渗、入渗曲线、径流2.降雨入渗物理过程可分为几个阶段？3.从径流形成的角度考虑，入渗过程可分为哪几个阶段？4.简述影响降雨入渗的影响因素。5.试述坡面径流的形成过程。6.简述影响径流形成的主要因素。