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”=--satsbBCrirf第八章重点1.包气带水量平衡要素及平衡方程2.四种径流成分的产流机制3.霍顿产流机制的核心论点与局限性4.九种产流类型的组合5.九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tQADBEC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1.什么是包气带、水分带结构2.包气带分层及分层内水分运动特征3.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1.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。2.土水势主要由基质势与渗透势构成,土水势为负值3.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1.上游河道天然来水量的补给2.降水或灌溉3.地下水的抽取4.植物蒸腾5.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包气带厚度（米）包气带厚度（米）到达地表的降水，分配与转换有三个过程1.地面以上2.地表处3.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10sWPFRE地表处水量平衡方程：1sPFRE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2sbgWFERR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1sPFRE212sbgFERRW12EEE包气带水量平衡方程ssbgWPERRR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，P0，考察时段内，P=0，0W，包气带水分含量增加0W，包气带水分含量减少=----ssbgWPERRR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，if，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ifRs=0;FDRg0ifRs0;FDRg=0ifRs0;FDRg0ifRs=0;FDRg=0无径流产生，河流处于原先退水状态河流出现尖瘦、涨落段大致对称的洪水过程线河流出现矮胖、涨落段大致对称的洪水过程线河流出现涨洪快速，落洪比较缓，涨水段与落水段明显不对称的洪水过程线霍顿产流机制局限性的四个表现i〈f的降雨条件下，也观测到地面径流的产生一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰湿润季节，微小的降雨都有明显的流量过程变化全流域产流的情况非常罕见1935年以后，许多水文学家发现一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：if径流成分不仅仅只有霍顿认为的两种，应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？现象一：if，也观测到地面径流产生观测到：地面径流产生，在出口断面出现洪水过程。有时又观测到：没有地面径流产生，却在流域出口断面上观测到洪水过程。以上观测到的现象说明现象二：一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰第一个：超渗地面径流形成第二个：壤中径流与回归流形成典型的降雨径流过程线只有一个洪峰，一个涨水段一个退水段ttQQttQQ说明洪水过程线中的现象有不同成分的径流类型不同成分径流的产流速度不同形成场所不同现象三：湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节的多雨背景下，土壤包气带缺水量极少，土壤剖面整个层次基本饱和，下渗速度接近稳定渗透速率。这时稍有水分补给土壤，就会有重力水快速下渗到潜水面处，在水势梯度的作用下汇聚到河网内。一般在坡度大、包气带土壤薄、容易达到饱和的的地段容易出现。下面讲解四种径流成分的产流机制超渗地表径流壤中径流（派生出回归流）饱和地表径流地下径流（狭义地下径流）下面图示四种径流成分的产流场所壤中径流或回归流超渗地面径流地下径流总净雨量截留包气带饱和带隔水层承压含水层RgRsb或RretRs或Rsat越流蒸发地面饱和径流降水讲解过程中的符号意义i降水强度f下渗强度F下渗水量D包气带缺水量Rs地表径流Rg地下径流Rgb壤中径流Rsat饱和地面径流图示超渗地面径流产流——1if,rs=0if,rs=i-f0i=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截留填洼随降水持续if地表积水开始产流随降水再持续if地表积水增多产流量增加降雨量过程线/下渗曲线i/f△t3△t2△t1△t4i-f△t3△t2△t4△t1t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fB,,ABCACBfffffA壤中径流产生过程图示临时饱和带壤中流的产生,,ABCACBffff细B1.非均质性土壤或层次性土壤，有透水性上下不同的界面；2.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；3.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——1C,AC,ABBfifffi或壤中径流的产流过程分