水文学原理(第八章)2011

第八章流域产流§8.1包气带及其水文特征包气带饱和带P0P0P=0一、包气带和饱和带二、自然土壤土体构型自然土壤至上而下一般分四个层次：残积（覆盖）层A溶提（淋溶）层B淀积层C母质层D基岩土壤及土壤剖面是在母质、温度、降水、生物和地形等成土因素长时间共同作用下形成的。包气带的土壤结构：1包气带的自然土层结构2包气带的裂隙结构3包气带的溶隙结构4包气带的冻土结构三、裂隙及裂隙水裂隙是指基岩中各种缝隙和孔隙。类型：成岩裂隙构造裂隙后生裂隙裂隙水的特点：1含水性差异大2有方向性3受地质构造控制4水动力特性复杂溶隙结构：在可溶性岩石，如石灰岩、白云岩、大理岩等分布地区，由于岩溶作用形成的各种孔隙，包括溶洞、溶蚀裂隙和溶孔等称为溶隙。溶隙水的特点：岩溶洞隙空间大，连通性好，导水能力强，常常形成地下河系、地下湖池及强岩溶富水带等特殊的含水空间系统，对径流形成和地下水开发利用显然有重要影响。冻土结构：在高寒地带，例如中国的东北北部、新疆和内蒙古一些地方，由于冬季气候寒冷，使得包气带的结构随气温的变化变得复杂起来。这主要表现在冻土层的形成和融化上。1包气带水分的分布：悬着毛管水带（极短暂存在）包气带上升毛管水带（长期存在）2包气带水分的动态：增长由于降水与灌溉消退由于蒸散发和重力排水四、包气带水分的分布与动态五、地面及包气带对降雨的再分配作用1．地面对降雨的再分配作用当时，实际下渗率，其余部分（）成为地面径流；地面产流。当时，实际下渗率；地面不产流。设某时刻地面的下渗强度为,降雨强度为：pfipfipfiifpffpfi下渗水量为：成为地面径流的水量为：显然总雨量：pfipidtdtfIpfipfipsdtfiR)(sRIP2．下渗水量的再分配0wewmw--初始土壤含水量；--土壤含水量；--田间持水量。当时：有形成：下渗水量I:0wwEImgRgmR)ww(EI0当时：下渗水量I:0wwEIm0gR)ww(EIe03.自然界的两种基本产流方式（1）超蓄产流(蓄满产流):sgmRRwwEP0（2）超渗产流(非蓄满产流):seRwwEP0§8.2包气带的水分运行一、垂向运行1均质土壤：zkzDzt均质土壤且含水量均匀：sztzt;0;0;0;00212312211,tttttz解：2层状土壤：上层粗下层细：上层细下层较粗：上层细下层很粗：二、壤中流壤中流是发生在土壤内部上下两层透水性质不同、且下层透水性较弱界面上的水流。壤中水径流产生的物理条件是：(1)包气带中必须存在相对不透水层，并且上层土壤的质地比下层粗。(2)至少要上层土壤的含水量达到田间持水量。§8.3产流机制一、霍顿（Horton）产流理论pfiDEIpfiDEIpfiDEIpfiDEID为包气带缺水量，即：0wwDe设：0sR0gR0sR0gR0sR0gR0gR0sR霍顿（Horton）产流理论基本观点1.径流生成分两类条件，四种情况；2.流域出口断面处的流量过程由两种径流成分组成：地表径流与地下径流。3.只要降雨强度超过下渗能力，就会产生地表径流。4.只要包气带土壤含水量超过田间持水量，就会产生地下径流。霍顿（Horton）观点与现实水文现象的矛盾观测中发现Horton观点与实际的流域产流有矛盾的，需要从产流的物理机制加以阐述。二、产流机制1超渗地表径流：sR单点产流tttttfdtudtedtsdtidttR00000截留率s与植被、气象、气候因素有关填洼率u与地形、降雨量有关产生地表径流的条件：1有供水，有界面（必要条件）2降雨强度大于下渗能力（充分条件）2壤中水径流：在适当条件下，沿两种不同透水性土壤的界面上会产生水的侧向流动，这种流动的径流称为壤中水径流。intRCApBcAfipBcAfifpBdtffdtfiR)()(intintR产生壤中水径流的条件：1包气带中必须存在相对不透水层，并且上层土壤的质地比下层粗。（界面）2上层的供水强度大于下层的入渗强度，在界面上产生积水，有临时饱和带形成。3界面有一定坡度，有流动的条件。3地下径流：当包气带含水量超过田间持水量或接近饱和时，会产生自由重力水补给地下水，便产生地下径流。（如前述）gR地表径流、壤中水径流、地下径流是自然界客观存在的产流基本机制。4饱和地面径流：与壤中流发生的情形相类似，上下层界面上会出现临时饱和带。这个临时饱和带最终将达到地面。后继降雨的一部分将积聚在地面，而成为一种地面径流。这样形成的地面径流称为饱和地面径流，)(intint][pBfripBsatdtfriRsatRsatR产生饱和地面径流条件是：1存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很强，而下层土壤的透水性却弱得多。2上层土壤含水量全部达到饱和含水量。特殊包气带的产流机制1包气带厚度等于零2冻土层§8.4组合产流的类型和基本产流模式一、自然界大致可划分出九种产流类型：sR)(intRRs)(intRRsat)(gsRR)(intgRRintR)(intgsRRR)(intgsatRRRgR二、流域产流模式在流域基本单元内，下垫面条件和土壤组成基本是一致的，其产流机制大致相同。不同的流域基本单元，其产流机制不同。流域产流模式：流域是由许许多多不同的流域基本单元形成的，流域的产流模式就是许许多多不同的流域基本单元的产流模式组合而成。各种产流模式在流域中所占的比重不同。一般以在流域中占主导地位的产流模式作为流域的产流模式。三、流域产流的基本规律流域的产流是由许多不同的基本单元流域的产流模式组合而成。其中必有一主导型，它是流域产流主导机制，它确定了流域产流的基本特征。第I类山坡流域：土壤覆盖浅薄，下面为岩石。植被茂密，表土疏松，山坡较陡。其产流属于()型或()型。intRRsatgsatRRRint第Ⅱ类山坡流域气带厚度中等，由非均质土壤组成，存在地下水位。植被良好，坡度中等。其产流一般属于()型。gsRRRint第Ⅲ类山坡流域包气带很厚，由均质土壤组成。地下水埋深很大，植被很差。这类山坡流域主要出现在干旱地区，产流类型一般属于型。sR第Ⅳ类山坡流域地势平坦，地下水位高，土壤透水性较好。其产流一般属于()型。gsatRRRint四、流域产流特征分析通常可以从以下几方面进行分析论证：1根据流域所处的气候条件。2根据其中典型山坡流域的包气带结构和水文动态。3根据出口断面流量过程线的形状，尤其是它的退水规律。4根据流域中地下水动态观测资料。5根据影响次降雨一径流关系的因素。五、流域产流面积的变化降雨过程中，流域上产生径流的地区称为产流区，产流区所笼罩的面积称为产流面积。流域产流面积在降雨过程中是变化的。原因：1流域各处下垫面状况不同；2降雨、下渗、土壤含水量在时空分布的不均一性。蓄满产流型产流区产流面积的变化特点超渗产流型产流区产流面积的变化特点1流域蓄水容量面积分配曲线以包气带达到田间持水量时的土壤含水量为纵坐标，以小于等于该所占的流域面积比重为横坐标，则所得到的曲线称为流域蓄水容量曲线。mWmW)(mW六、产流面积空间变化的统计特征曲线流域蓄水容量曲线的基本性质：1流域蓄水容量曲线是一条单增曲线。其最小端表示流域中的最小值，一般为零，但也可以不为零；其最大端表示流域中的最大值，在图中用表示。2曲线上任一点的横坐标值表示流域中小于等于值的流域面积所占的比重。例如图中曲线上的A点表明，流域中包气带田间持水量小于等于的流域面积比重为。3这条曲线所包围的全部面积，即积分：mWmWmmWmWAmW)(AmWmmWdWWmm0)](1[为流域蓄水容量或最大持水量，也就是当全流域各处包气带均达到田间持水量时流域包气带的含水量。4对一个流域来说，流域蓄水容量曲线是惟一的，为常数。5这条曲线不能具体表示流域上具体地点包气带的缺水量情况。mWmW蓄满产流总径流的产流面积变化蓄满产流的总径流量是受控于包气带田间持水量的，即在包气带水量平衡方程式中，当时，就产流，否则就不产生径流。'0'WWEPm0WWEPRmt蓄满产流模式的产流特征：1先蓄满的地方先产流；2一次降雨中，随降雨的继续，产流面积不断增加，产流量也增大；3对同一降雨量，雨前的土壤含水量（初始蓄水量）越大，产流量越大，反之亦然；4未蓄满之前径流系数小于1，蓄满之后径流系数等于1？(P143)流域饱和容量面积分配曲线2流域下渗容量面积分配曲线pf在一定的流域初始土壤含水量(即使其空间分布是均匀的)情况下，流域各处的地面下渗容量是不相同的。以地面下渗容量为纵坐标，以小于等于该地面下渗容量所占的流域面积比重为横坐标，则所得的曲线称为流域下渗容量分配曲线。流域下渗容量分配曲线的基本性质1对于一个流域来说，流域下渗容量分配曲线不是惟一的，而是一组以初始流域土壤含水量为参变数的曲线。2全流域干燥时对应的流域下渗容量分配曲线是流域下渗容量分配曲线簇的上包线；而全流域包气带达到田间持水量时对应的流域下渗容量分配曲线是该曲线簇的下包线，它即为流域稳定下渗率分配曲线。3该曲线不能给出流域上具体地点的下渗容量。0W超渗地面径流的产流面积变化超渗地面径流产生的条件是雨强大于地面下渗容量，因此，在降雨空间分布均匀的情况下，超渗地面径流的产流面积变化可用流域下渗容量分配曲线来阐明。超渗产流模式的产流特征：1降雨强度大于下渗能力时产生地表径流；2产流量与降雨强度、下渗能力有关；3随着降雨历时的增加，产流面积有时增大，有时减小。§8.5流域产流过程及产流量计算一、蓄满产流的总径流量计算及水源划分1总径流量计算：mEPmWdWEPR0)(1)(mEPmWdWW0)(1流域土壤含水量的增加量:当时，初始流域土壤含水量:mamWdWW00)(100W蓄满产流总径流量：流域土壤含水量增量：maEPamWdWEPR)(1)(maEPamWdWW)(1)()(0WWEPRm当时，流域上只有局部面积产流。mmWaEP当时，全流域面积发生蓄满产流。mmWaEP流域蓄水容量曲线的线型：对于闭合流域，以采用抛物线线型为宜：mWke1＝bmmmWW11＝mmmWbW11bmmm当时，流域上只有局部面积产流。mmWaEPbmmbmmmWEPaWaWEPR11112径流成分划分对于蓄满产流来说，一场空间分布均匀的降雨究竟能形成多少地下水径流取决于下面三项因素：(1)产流面积。(2)产流面积上雨强与稳定下渗率的对比关系。(3)稳定下渗率在流域上的空间分布。当时，时段内产生的地下水径流为：tfEPctfEPRtfRccg当时，时段内产生的地下水径流为：tfEPcREPEPREPRg一场降雨形成的地下水径流量为：ptftfEPcgccRtfRNjptfptfjjjcjjgjcjjcjRPRtfR1两层蒸散发模型当时：，，当时：muEWPmuEE0lEmEEmuEWPPWEuulmlumlW/W)EE(EluEEE【例6-2】某流域面积为402km2，产流方式属于超蓄产流，流域蓄水容量面积分配曲线为抛物线。已知=100mm，其中=20mm,=80mm;=0.3;=5mm/3h。某次降雨过程的逐时段降雨量及蒸散发能力如下表第二栏和