第三章_陆地表面水的组成与运动

第三章陆地表面水的组成和运动13.1陆地表面水的组成与结构3.2流域产流与汇流3.3河流的水情3.4河水的运动3.5冰川运动与补给3.6湖水的运动与调蓄3.7径流向海汇集及其效应2第一节陆地表面水的组成与结构3一、陆地表面水的组成4水体面积(km2)水量(108m3)备注冰川5865051322湖泊718007088淡水占31%沼泽110000占国土面积1.15%河流27115我国地表水的组成5二、陆地表面水的结构河流：蓄量最小，是地表唯一的畅流液态水。水循环动力机制受热力因素、重力作用控制，交替更新的周期最短，在地表水循环过程中起着上接大气水，下通地下水，最后联结海水的主干作用，是地表水循环亚系统的主干子系统，是全球水循环大系统的传递支系统。6冰川：地表第一大水体，水循环动力机制主要是热力作用，交替更新周期最长，在地表水循环中发挥着储存和补给的功能。7湖泊与沼泽：地表洼地的滞留液态水体，水循环动力兼受热力和重力作用，水循环活力较弱。在地表水循环系统中，主要起着传递、调蓄的功能。8河口区：河海传递的子系统，兼受河川径流与海洋潮流等的影响，故河口子系统有着特殊的运动变化规律。9第二节流域产流与汇流•产流、汇流理论是河流水文学的核心理论，以综合分析自然现象各个因素之间的关系为基础。10一、流域产流理论•产流过程：流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。•产流实质上是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水、输水特性的下垫面土层中垂向运行时，“供水与下渗”一组矛盾相互作用的产物。11（一）产流机制•水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程，称为产流机制。•超渗地面径流的产流机制•饱和地面径流的产流机制•地下径流的产流机制•壤中径流的产流机制产流机制121.超渗地面径流的产流机制•干旱地区的地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降水不易使包气带蓄满，下渗的水量一般不会产生地下径流。只有降水强度超过下渗率时才有地面径流产生。这种产流方式，称为超渗产流。13•Horton产流理论•霍顿：美国生态学家、土壤学家。被称为“现代水文学”之父。o提出入渗能力的概念；o提出了下渗曲线的经验公式；o将水循环过程分为入渗、蒸发、截留、蒸腾和地面径流等过程；o提出最大可能降水的概念；RobertElmerHorton(1875～1945)o提出土壤侵蚀理论o提出流域产流理论14自降雨开始至任一时刻的产流过程如下式：–Rs(t)—t时刻地面径流深；–i—降雨强度；in—截留率；–e—蒸发率；sd—填洼率；f—下渗率（mm/d）。in，e，sd一般较小，因此下渗在地面径流的产流过程中具有决定性的作用。前式中忽略雨期蒸发和填洼损失项，并微分可得：rs为地面径流产流率（mm/d）。从上式可见，地面径流是供水与下渗矛盾发展的产物。15•综上，超渗地面径流产生的前提条件：–产流界面是地面(包气带的上界面);–必要条件是要有供水源(降水);–充分条件是降雨强度要大于下渗能力。162.壤中径流的产流机制•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，饱和水流与非饱和水流均可发生，一般前者是主要的，是形成洪水径流的主要部分。17•假定供水稳定，下垫面为两种不同质地的土壤，上层为粗质地土壤，下层为相对较细的土壤层，则上层容重小于下层，而上层的毛管传导度、饱和传导度及下渗率均大于下层。18•当上层水流渗达两层交界面时，因下层传导度小于上层，因此在交界面上形成饱和积水，当上层土壤含水量大于其田间持水量时，在下层界面上形成自由水，并随上层的继续供水，积水层增厚，形成临时饱和水带，从而形成壤中径流。19•W(t)—该层t时刻的含水量•W(O)—该层的起始含水量•rss—壤中径流的产流率•fA—界面供水率•fB—界面下渗率对上式积分后rss=fA—fB20•壤中径流产流的前提条件：–要有供水、即上层有下渗水（必要条件）–下层要有比上层下渗能力小的界面（前提条件）–供水强度要大于下渗强度（充分条件）–产生临时饱和带，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（充分条件）21•壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，它只取决于上层的下渗率。•只要上层下渗率大于下层下渗率，形成临时饱和带，即可产生壤中径流。223.地下径流的产流机制•指包气带较薄、地下水位较高时的地下水产流机制。产流条件与壤中径流相同。fc—稳定下渗率rg—地下径流产流率23•地下径流的产流条件：–界面：包气带下界面–上层有下渗水–存在比上层下渗能力小的界面–供水强度大于下渗强度–产生临时饱和水带并具有产生侧向流动的动力条件244.饱和地面径流产流机制•在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。–随着壤中流积水的增加，继续下雨终将达到地面，即包气带全部变成临时饱和水带，此后继续降雨所形成的就不是壤中流，而是以地面径流的形式出现，这种地面径流就成为饱和地面径流。25•饱和地面径流产流条件：–界面：饱和积水层的上界面–供水、界面供水强度大于下渗强度–饱和济水带上界面到达地面26流域产流的界面•地面径流超渗地面径流饱和地面径流•壤中流•地下径流供水与下渗矛盾在一定界面上的发展1327（二）流域产流方式3.超渗与饱和产流交替型方式2.饱和产流方式1.超渗产流方式4.我国一些地区的产流方式281.超渗产流方式•遵循超渗地面径流产流机制。主要发生在地下水埋藏深、包气带厚度大、土壤透水性差、植被也较差的丘陵区或干旱地区；•特点是降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，径流量与产流面积主要与降雨强度与下渗能力有关。292、饱和产流（蓄满产流）方式•饱和产流方式共同性是多发生在包气带较薄、植被较好、土壤透水性强、下渗强度大的地区。•特点是土壤比较湿润，且接近地下水面有毛管水带，土壤层缺水量较小，一次降水下渗锋面很容易与毛管水建立水力联系，包气带很容易达到饱和。降雨强度超过稳定下渗率部分的水量产生地面径流。303.超渗与饱和产流交替型方式主要发生在包气带厚度约2-4米左右，土壤透水性中等，年内及多年降水量很不均匀，且地下水位变幅较大的地区。干旱期，地下水位较低，降雨以超渗地面径流的产流机制为主，汛期到来，雨水集中，地下水位升高，有时甚至上升到地表，则变为以饱和地面径流的产流机制为主。314.我国一些地区的产流方式①淮河以南，雨量丰沛，以饱和地面产流类型为主；冻土、永冻土带，森林茂密流域等也以饱和产流为主②西北地区，气候干燥，地下水埋藏深，以超渗地面产流为主③华北、东北的西南部以超渗地面产流居多,局部呈现超渗径流和壤中径流复合型的产流特征④滨海平原及淮北以渗与饱和产流交替（变换）型32二、流域汇流分析•流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程，即为流域汇流过程。•通常可以把流域分成坡地及河网两个基本部分，因此流域汇流也可以分为坡地汇流与河网汇流两部分。坡地汇流又有地表汇流和地下汇流两个途径。因此，流域出口断面的水文过程线，通常是由槽面降水、坡地表面径流，坡地地下径流（包括壤中流和地下径流）等水源汇集到流域出口断面形成的3334•最大流域汇流时间：指流域中路径最长的水质点流到出口断面的时间。•流域滞时：指流域出口断面洪水过程线的形心出现的时间与净雨过程的形心出现时间的间隔，即滞后的时间K。35（三）流域汇流的影响因素①降水特性的影响：暴雨中心的空间分布及其移动方向的影响，不同降水强度反映了对流域汇流的不同供水强度。图3-14、3-15②流域的地形坡度的影响:地形坡度越陡，汇流速度越快，汇流时间越短，地面径流的损失量就越小，流量过程线越尖瘦。③流域形状的影响:在其它条件相同时，不同的流域形状会产生不同的流量过程。图3-16④水力条件的影响:在畅流条件下，水位越高、流速越快，汇流历时越短，峰量越大，因而峰形越尖瘦。图3-1736三、流域产、汇流计算与模型简介（一）流域产汇流计算方法下渗曲线法降雨径流关系法径流系数法等流时线法单位线法371.下渗曲线法•运用降雨过程和下渗曲线推求产流量的一种方法。降雨过程：i(t)下渗曲线：f(t)该时间段内产流:ΔRs逐时间段比较：Ifif，ΔRs=iΔt-fΔtRs=∑ΔRs382.径流系数法•一次降雨产生的径流量和降雨量的比值称为本次降雨的径流系数•降雨量×径流系数=产流量•一般可将各地区的径流系数支撑等值线图供查用，但此方法经度较差，是一种粗略估算的方法。393.降雨径流关系法•根据实测点数据，给出降雨与径流的经验关系•将降雨量、产流量及其主要影响因素，通过一定的关系进行表达，在实际中查算加以应用。404.等流时线法1）等流时线的基本概念流域内汇流时间相等的各点连接成的线，称为等流时线。相邻两条等流时线的面积，称等流时面积。降落在同一条等流时线上的降水形成的径流，将同时达到流域的出口断面。41图中虚线1、2、3、4为等流时线,F1、F2……F5为等流时面积42如图以等流时面积Fi为纵坐标，以其相应的流域汇流时间为横坐标所作的图，称为面积分配曲线或面积—流时曲线：τ=φ(Fi)汇流面积累积曲线：τ=φ’(ΣFi)43442）等流时线的绘制•1°选定汇流时段，即两相邻等流时线的汇流历时差。一般取等于降雨时段，即＝。•2°求出流域平均汇流速度。对于较大的河流，因为坡面汇流历时很短，可以忽略，故可取河槽的平均流速。利用明渠稳定流谢才公式计算汇流速度，即。式中，m为河槽平均糙率系数；I为河槽纵比降；R为水力半径。1216321,,VcRIcRVmIRnttv45•对于小流域，坡地汇流所占比重大，则流域汇流历时为坡地汇流与河网汇流之和，流域平均汇流速度为式中，为流域最长坡地的长度；为主河槽长度；为坡地汇流历时；为河槽汇流历时。1l2l122211llv46•3°以为相邻等流时线的间距，自流域出口逐条向上游绘等流时线，得等流时面积分配线，可用表示。Lv)(f等流时线汇流计算示意图)(f若取＝1，则，即为汇流曲线47等流时面积分配线48493）出口流量过程的计算假定把分成5块等流时面积等（图3－21），现有3个时段的均匀净雨量，根据等流时线的概念，第一块等流时面积上的净雨量，在第一时段内流到出口断面，则第一时段内平均流量为：第二时段内流出的水体为上第二时段净雨和上第一时段上的净雨量，即，则第二时段内的平均流量为为：54321,,,,321,,hhh11h1Q1111hQtt图中12h21h1221hh2Q122122hhQtt图中50•同理：t图中thhhQ31322313t图中thhhQ41423324t图中thhhQ51524335t图中thhQ625346t图中thQ7357利用求得的就可以绘制出口断面流量过程柱状图或过程线图。721,,,QQQ4）等流时线法存在的问题。1°实际流域的汇流速度是变化的，等流时线也是变的，但绘制等流时线时，采用流域平均汇流速度，等流时线固定不变，不符合实际情况。2°降落在同一等流时面积上的净雨量，在同一时段内全部流出，没有考虑河槽的调蓄作用，故推得的流量过程线偏尖瘦，洪峰流量偏大。515.单位线法1）单位线的概念与假定在给定的流域下，单位时段内均匀分布的单位净雨量，在流域出口断面形成的地面径流过程线，称为单位线。单位净雨量（径流深）一般取为10mm。单位时段△t可取1、3、6、12、24h等等，依流域大小而定。时间h10mm流量m3/s△t5253单位线三要素•用来控制单位线形状的指标称为单位线要素。一般选定的要素是单位线洪峰流量qm，洪峰滞时TP，和单位线总历时(底长)TD。，如图所示。其中以TP，qm是主要的单位线要素。•由于实际降雨量并不一定是一个单位净雨量和一个单位时段，因此单位线法还需要