水文學原理-第八章

1、第八章 流域產(chǎn)流,目 錄,包氣帶的水文特性 產(chǎn)流機制 產(chǎn)流模式 流域產(chǎn)流過程及產(chǎn)流量計算方法,飽和帶和包氣帶：在流域上沿深度方向取一個剖面，以地下水面為界可把土柱劃分為兩個不同的含水帶，即地下水面以下的飽和帶和以上的包氣帶。有時土柱中不存在地下水面，不透水基巖以上土層全屬包氣帶。有時地下水位出露地表，不存在包氣帶,第一節(jié) 包氣帶的水文特性,一、包氣帶和飽水帶,包氣帶分為三帶：接近地下水面處存在毛管上升水帶，接近地面處存在毛管懸著水帶，兩者之間為中間帶。在毛管上升水帶中，毛管力和重力抵消，其中的水不流入地下水中，其位置隨著地下水位變化。毛管懸著水帶只有在地面供水時才出現(xiàn)，并隨著地面以下飽和含水層

2、的增加而不斷下移,一、包氣帶和飽水帶,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,包氣帶水分分布特征,毛管懸著水帶：水分活躍層，是降水進行再分配的主要水分帶 中間帶：水分變化較小，相對穩(wěn)定，水分儲存及輸送帶 毛管上升水帶：支持毛管水,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,包氣帶水分動態(tài)：包氣帶中水分含量及水分剖面的增長與消退過程 包氣帶水分的增長：來源于上界面的降水（或灌溉）和下界面的地下水補給。上界面的降水是土壤水分增長的主要原因，并通過下滲作用補充土壤水分，按照下滲理論，地下水的補給量,二、包氣帶水分動態(tài),第一節(jié) 包氣帶的水文特征,包氣帶水分的消退：包氣帶水分的消退發(fā)生在它的上、下界面，上界面的蒸散發(fā)是包氣帶水分消退的

3、主要原因，主要取決于氣象條件和土壤含水量,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,包氣帶對降雨的再分配作用，即“篩子”和“門檻”作用，可以統(tǒng)一在包氣帶水量平衡方程式中,四、包氣帶水量平衡方程,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,分層水量平衡方程,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,包氣帶以上水量平衡方程,包氣帶以上水量平衡方程,If In=0,Sd=0,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,地面好像“篩子”，地面的下滲容量好比“篩孔”，下滲容量大表示篩孔大，可以將大的雨強“篩入”土中；下滲容量小表示篩孔小，只能將小的雨強“篩入”土中。 下滲容量隨著土壤含水量的增加而減少，直到穩(wěn)定下滲率，因此地面更像一面篩孔會逐漸變小的“篩子” 不同的降雨

4、i進入土壤，如果ifp，只有fp部分“篩入”土中，剩余的i-fp部分剩余在“篩面”。包氣帶能將降雨分為兩部分，一部分進入土中，另一部分留在地面,五、包氣帶在產(chǎn)流中作用,1.包氣帶地面對降雨的再分配作用,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,土壤蓄存部分,土壤蓄存部分指水分運行中為了維持土壤含水量等于或小于田間持水量所需的下滲部分,If 一次降水后的下滲滲鋒達不到地下水位,If 一次降水后的含水量達到田間持水量,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,產(chǎn)流部分,產(chǎn)流部分為土壤含水量超過田間持水量后，以自由重力水形式由包氣帶輸出的水量,第一節(jié) 包氣帶的水文特征,一、霍頓產(chǎn)流理論,降雨-產(chǎn)流基礎(chǔ)是包氣帶的“篩子”作用和“門檻

5、”作用，產(chǎn)流受控于兩個條件，一是降雨強度超過下滲容量，二是包氣帶的土壤含水量超過田間持水量,if,if,if,if,不產(chǎn)生徑流,產(chǎn)生地面徑流,產(chǎn)生地下徑流,產(chǎn)生地下和地面徑流,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,一、霍頓產(chǎn)流理論,對于具有較大下滲能力的流域，當降雨強度小于下滲能力時，有時產(chǎn)生地面徑流產(chǎn)生，并出現(xiàn)對應的洪水過程；有時卻沒有地面徑流產(chǎn)生，但卻在出口斷面觀測到與地面徑流過程相似的洪水過程 對應一次降雨，有時出現(xiàn)形狀有別的前后兩次洪峰過程，前一個峰形高而尖瘦，后個峰行矮胖 有的流域，在濕潤季節(jié)，微小的降雨，在流量過程線上都可產(chǎn)生敏感的反應，呈現(xiàn)對應的起伏變化 全流域產(chǎn)流極其罕見，一船只是在流域的局部面積

6、上產(chǎn)流,與實際水文現(xiàn)象之間的矛盾,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,二、產(chǎn)流機制,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,1.超滲地表徑流（Rs）的產(chǎn)流機制,超滲產(chǎn)流機制：供水與下滲矛盾發(fā)生于地表（包氣帶上界面）的產(chǎn)流機制,i, in,e,sd,f分別表示降水強度、截留率、蒸發(fā)率、填洼率和下滲率,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,1.超滲地表徑流的產(chǎn)流機制,If 忽略預期蒸發(fā)、填洼、截留,If,要有供水 降雨強度大于下滲強度,產(chǎn)生超滲流的條件,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,2. 壤中流（Rss）的產(chǎn)流機制,壤中流產(chǎn)流機制：包氣帶中存在透水性不同，且下層比上層透水性小的層理分布土壤交界面；上層向界面上的供水強度大于下層下滲強度；界面上產(chǎn)生的積水，形成臨時飽和帶

7、，界面還需具備一定的坡度,3. 地下徑流（Rg）的產(chǎn)流機制,地下水埋深較淺，包氣帶厚度不大，土壤透水性較強，在連續(xù)降雨過程中，下滲鋒面達及毛管水帶上緣，表層影響土層與地下水建立水力聯(lián)系，同時包氣帶含水量超過田間持水量，產(chǎn)生自由重力水而補給地下水，產(chǎn)生地下徑流,均質(zhì)土層水量平衡方程,非均質(zhì)土層水量平衡方程,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,對于表層透水性很強的包氣帶，由于地面的下滲容量很大，一般的降雨難以超過它而形成超滲地面徑流，但還有地面徑流現(xiàn)象發(fā)生，原因何在？ 由于土壤下層是相對不透水層，所以降雨強度可能大于下層下滲容量，從而在上下界面上就會出現(xiàn)臨時飽和帶，發(fā)生壤中水徑流。該臨時飽和帶隨著降雨的繼續(xù)不斷向上

8、發(fā)展，最終將達到地面，于是后續(xù)降雨的一部分將積聚在地面，不再是壤中水徑流，而成為一種地面徑流，稱為飽和地面徑流,4、飽和地面徑流（Rsat）,問題的提出,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,存在相對不透水層，且上層土壤的透水性很強，而下層土壤的透水性很弱 上層土壤含水量達到飽和含水量,飽和地面徑流產(chǎn)生的物理條件,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,在山坡地區(qū)，由于地形坡度的影響，在山坡上有淺薄土壤覆蓋的情況下，土層中形成的臨時飽和帶的厚度沿坡度呈不均勻狀態(tài)。坡腳常處于飽和含水量，坡頂含水量較小。因此，坡地上部形成的壤中水徑流，由于坡度的作用，在到達坡腳附近時就會鉆出地面成為飽和地面徑流。這種原先為壤中水徑流，后又滲出地面而變?yōu)轱?/p>

9、和地面徑流的徑流成分稱為回歸流 它的形成條件是：山坡上壤中流比較發(fā)育，而坡腳處又容易形成出露地面的飽和帶,5、回 歸 流(Rr),第二節(jié) 產(chǎn)流機制,回歸流并不是一種原生徑流成分，而是從壤中水徑流派生出來的一種徑流成分。在降雨過程中，隨著山坡飽和面積的擴大，回歸流發(fā)生的范圍不斷擴大,5、回 歸 流,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,在不透水面積上形成的徑流稱為直接徑流,不透水基巖出露地面、河流湖泊沼澤、城市道路、屋面和飛機場跑道等，均可認為是包氣帶厚度等于零的情況。當包氣帶厚度為零時，其表面的下滲容量為零，因此只要滿足降雨強度大于蒸發(fā)強度，就產(chǎn)流,6、包氣帶為零時的產(chǎn)流,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,首要條件：供水。對地表

10、徑流是降水，對其他徑流成分則是由上向下的下滲水流 充分條件：供水強度大于下滲強度 其它條件：交界面上產(chǎn)生臨時飽和帶 側(cè)向運動的動力：坡度和水流歸槽條件,7、界面產(chǎn)流的規(guī)律,第二節(jié) 產(chǎn)流機制,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,一、單元面積產(chǎn)流模式單點產(chǎn)流模式,二、流域產(chǎn)流模式,1. Rs型超滲產(chǎn)流型,產(chǎn)流量R取決于i和fp ， Rs=(i f p)i 雨止時土壤含水量仍未達到田間持水量Wm 徑流成分單一,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,產(chǎn)流時土壤含水量已達到田間持水量Wm 產(chǎn)流量R取決于降雨量P和初始土壤含水量 W0，R=R(P,W0)=P-(Wm-W0) 徑流成分復雜,2. Rsat+Rss + Rg型蓄滿產(chǎn)流型,第三節(jié)

11、產(chǎn)流模式,對于一個固定地點(或流域)，其產(chǎn)流模式并不是一成不變的，在不同的供水和下墊面水分情況下，產(chǎn)流模式可以發(fā)生轉(zhuǎn)換 條件：主要發(fā)生在包氣帶中等厚度，近地表有相對不透水界面，土層透水性中等，降雨量變化幅度大，地下水位變幅較大的地區(qū) 特點 干旱期：初始土壤含水量W0小，地下水埋深大Rs型 濕潤期：初始土壤含水量W0大，地下水埋深淺Rsat+Rss + Rg型,3. Rs型Rsat+Rss + Rg型轉(zhuǎn)換型,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,1. 流域產(chǎn)流特征分析,長年氣候干燥的流域，常以超滲模式產(chǎn)流 長年氣候濕潤的流域，常以蓄滿模式產(chǎn)流 若下墊面土壤顆粒細小、結(jié)構(gòu)密實、植被差，地下水埋深大，則常以超滲方式產(chǎn)流

12、 若下墊面土壤顆粒較粗、結(jié)構(gòu)疏松、植被好，地下水位高，則常以蓄滿方式產(chǎn)流 我國長江以南的絕大部分地區(qū)，屬典型的蓄滿產(chǎn)流區(qū)；西北干旱地區(qū)的一些內(nèi)陸河流，屬典型的超滲產(chǎn)流區(qū)；其余地區(qū)屬于混合產(chǎn)流區(qū),分析流域的氣候及下墊面特征,三、產(chǎn)流模式和產(chǎn)流面積,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,1. 流域產(chǎn)流特征分析,流域的水分狀況,三、產(chǎn)流模式和產(chǎn)流面積,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,降水、蒸發(fā)、下滲 土壤前期含水量 地下水位,蓄滿產(chǎn)流徑流量中壤中流和地下徑流的比例較大，表現(xiàn)為出口斷面洪水過程線矮胖，退水歷時長，洪水過程線明顯不對稱 超滲產(chǎn)流徑流量中幾乎沒有地下徑流，表現(xiàn)為出口斷面洪水過程線尖瘦，退水歷時短，洪水過程線較為對稱。,分析

13、流域出口的流量過程形狀,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,蓄滿產(chǎn)流徑流量多少與流域初始土濕和降雨量有關(guān) 超滲產(chǎn)流徑流量多少與流域初始土濕和降雨強度有關(guān),分析影響次洪產(chǎn)流量的因素,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,2. 產(chǎn)流模式在流域中分布,具有相對均一性質(zhì)的單元流域產(chǎn)流模式,土壤覆蓋薄、下有巖層或相對不適水層、植被茂密的山坡小流域，其對應的產(chǎn)流模式以Rsat+Rss型 包氣帶中等厚度、非均質(zhì)土壤，下有地下水層，植被良好的丘陵地帶的山坡小流域，其對應的產(chǎn)流模式以Rs+Rss+Rg型，當包氣帶較薄時，則以Rsat+Rss+Rg 具有較厚包氣帶的黃土或壤土層，地下水埋深大的山坡流域，其產(chǎn)流機制屬于超滲產(chǎn)流模式，屬于RS型 地勢平坦

14、的沖積平原，透水性良好，地下水埋藏較淺的集水單元，其產(chǎn)流機制屬Rsat+Rg型， 當?shù)叵滤惠^低時，則可能Rsat+Rss+Rg,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,一個大流域是由許多小流域構(gòu)成的，而小流域又是由更小的集水單元(山坡流域)所組成的。由于流域內(nèi)地形地貌、地質(zhì)條件、植被類型、土壤類型、包氣帶厚度、地下水埋深、土壤濕度及降雨等存在差異，所以流域各點的產(chǎn)流模式必然存在差異。流域產(chǎn)流機制的特點 流域產(chǎn)流模式由不同的產(chǎn)流機制組成 流域中占主導地位的產(chǎn)流模式?jīng)Q定了流域產(chǎn)流的基本特征 在一定條件下，非主導產(chǎn)流模式可以轉(zhuǎn)化為主導型產(chǎn)流模式,流域產(chǎn)流機制基本規(guī)律,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,降雨開始前，河流中的水量主要來自流

15、域中包氣帶較厚的中下游地區(qū)的地下水補給。在流域的上游地區(qū)，由于土層淺薄，沒有什么地下水補給枯季徑流,降雨開始前,3. 流域產(chǎn)流面積的變化和發(fā)展,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,濕潤區(qū)產(chǎn)流面積的發(fā)展特點,降雨開始后，流域中容易產(chǎn)流的地區(qū)先產(chǎn)流，因此河流中的水量主要來自于容易產(chǎn)流地區(qū)，主要是土層淺薄的地區(qū)或溝谷附近土壤含水量大的地方或雨強大的地方,降雨初期,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,河溝開始逐漸向上游延伸，河網(wǎng)密度開始增加。隨著降雨的持續(xù)，產(chǎn)流面積不斷擴大，河網(wǎng)密度不斷增加。,繼續(xù)降雨,第三節(jié) 產(chǎn)流模式,一、產(chǎn)流過程分析,第四節(jié) 流域產(chǎn)流過程及計算,飽和地表徑流過程：產(chǎn)流條件是上層整層包氣帶帶到飽和，該種產(chǎn)流模式包含飽

16、和地表徑流，如Rsat+Rss+Rg, Rsat+Rs和Rss+Rg 超滲地表徑流過程：產(chǎn)流條件是降雨強度大于下滲強度時，即產(chǎn)生地表徑流,降雨開始時流域是干旱還是濕潤，對此次降雨產(chǎn)生徑流的多少影響極大，流域的干濕程度常用以下兩個指標表示 流域蓄水量W 前期影響雨量Pa,二、基礎(chǔ)知識,第四節(jié) 流域產(chǎn)流過程及計算,1. 前期土壤影響因子,缺水容量曲線與降雨徑流關(guān)系,第三節(jié) 產(chǎn) 流 計 算,三、飽和地面徑流產(chǎn)流過程,由資料分析計算得到的降雨量、前期影響雨量，按相關(guān)分析的方法，建立它們與徑流深之間的相關(guān)圖，應用此相關(guān)圖可以由降雨計算出相應的產(chǎn)流量，這種方法稱為降雨徑流相關(guān)圖法,4. 飽和地面徑流產(chǎn)流模

17、式計算方法降雨徑流相關(guān)圖,P相同時，Pa越大，損失愈小，R(Rs)愈大，故等值線的數(shù)值是自左至右增大的 Pa相同時，P愈大，損失相對于P愈小，dR(Rs)dP愈大，PR(Rs)線的坡度隨P的增大而減緩，PRs也不應小于450，PR可以為450,降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)圖法的應用:根據(jù)降雨過程及降雨開始時的Pa，首先累積計算各時段的降雨過程，在圖上查出累積的凈雨過程，然后將累積的凈雨過程，兩兩相減，得到各時段的降雨所對應的時段凈雨。若降雨開始時的Pa不在某一條等值線上，則用內(nèi)插法查算。(原理:次降雨量查次徑流深),P1+P2,例如:兩時段降雨 P1=49mm，P2=81mm 降雨開始時：Pa=60mm 由P1=49mm,查得R1=20.0mm 由P1 +P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm 則第二時段凈雨為 R2=80-20=60mm,以W或Pa 為參數(shù)的三變量相關(guān)圖，一般只適用于我國濕潤地區(qū)，對于干旱、半干旱地區(qū)，除考慮風外，還要考慮降雨歷時等更多變量的相關(guān)圖,多變量降雨徑流相關(guān)圖,超滲產(chǎn)流條件：當降雨雨強大于下滲能力時產(chǎn)生地面徑流量，進行預報時必須確定每次降雨的實際下滲過程,下滲曲線法,三、超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算,1、概 述,損失累計曲線法,2. 列表計算法,下滲曲線,fp,第五節(jié) 超滲產(chǎn)流的地面徑流量計算,損失累計曲線法,霍頓公式,第五節(jié) 超滲產(chǎn)流的地面徑流量計算