1、第八章流域产流,一、包气带的水分分布特征在流域上沿深度方向取一剖面，以地下水面为界可把土柱划分成两 个含水带。地下水面以下的饱和带 和地下水面以上的包气带。当土柱 中不存在地下水面时，就不存在饱 和带，不透水基岩以上的整个土层 全属包气带。当不透水基岩露出地 面时，就不存在包气带。,第一节包气带的水文特性,饱和带,包气带地下水位,另称为影响土层。(2)支持毛管水带在地下水面以 上存在支持毛管水，厚度在12m 左右。(3)中间包气带在悬着毛管水带,与支持毛管水带之间的水分过渡带。,支持毛 管水带,(1)悬着毛管水带供水结束以后，在包气带上部存在悬着毛管水，厚 度约1.0m。其水分来源于降水，消耗
2、于蒸散发。既是降水的承受面，悬着毛 又是土壤的蒸发面，水分变化剧烈，管水带,中间包 气带,Z,包气带又可划分成三带：,二、包气带的水分动态,包气带的水分动态是指包气带中土壤含 水量及水分剖面的增长与消退过程。1.包气带水分的增长包气带水分的增长来源于上界面的 降水(或灌溉)和下界面的地下水补给。在天然情况下，地下水的补给一般处于均衡 状态。故上界面降水是主要原因。水分沿 垂向的增长可由下渗理论描述。增长量等 于累积下渗量。深,2.包气带水分的消退,包气带水分的消退是由于上 界面的蒸散发和下界面的内排水 补给。其中内排水只有当包气带 存在自由重力水时才出现，故上 界面蒸散发是主要原因。水分沿 垂
3、向的消退可采用三层蒸发模式 计算。消退量等于蒸发量。深 度,包气带中孔隙和裂隙等具有吸收、储存和输送水分的功能。1.包气带地面对降雨的再分配作用降雨到达地面以后，一部分消耗于植物截留、蒸发、填 洼等损失，剩下部分被分成两部分：超过地面下渗能力(容 量)部分留在地表，其余部分渗入地下。分配的结果是将雨 水分为地面和地下两个部分。即：,P,当雨强小于下渗能力时，降雨全部 渗入地下。,Rs,F,三、包气带对降水的再分配作用,三、包气带对降水的再分配作用（续）,2.土层对下渗水量的再分配作用下渗水量(F)一部分以蒸发形式逸出地面(E)。剩余部分又 被分成“土壤蓄存”和“径流”两个部分。蓄存部分是指水分
4、运动中为维持土壤含水量等于或小于田 间持水量所需的下渗水分。,特殊地，当包气带的起始土壤含水量为最大分子持水量a(z)，终止土壤含水量为田间持水量f(z)时，S=包气带的最大蓄水容量SM。,记Wf为包气带达到田间持水量时的土壤含水量(mm)，W0为包气带初始土壤含水量(mm)，Wt为时段末包气带含 水量(mm)，即：,若F-E Wf-W0，蓄存部分 S=Wf-W0若F-E Wf-W0，蓄存部分 S=Wt-W0产生径流部分是指土壤含水量超过田间持水量以后，以自由 重力水形式运行的部分。记一次降雨中包气带的输水量为Tp，则：,四、包气带的水量平衡方程,包气带中水分的增长、消退及各种分配间的定量关系
5、可 借助水量平衡方程来描述。,以上F值可由地面以上大气系统的水量平衡方程求出：,EA,EC,ED,F,FA,FB,FC,A层EB,C层,B层,Rss,A,Rss,B,Rss,C,第三节,产流机制,一、霍顿产流观念,1.把径流划分成二类条件，四种情况：,pssg,ifFD则：R 0R 0if,p,ss,F0R=0,i fpi fp,gFDs则：Rs=0Rg 0FDs则：Rs=0Rg=0,认为地面将降雨分成地表和地下两种径流成分；认为产流是同步的，即只要ifp，就全流域产流。,i,fp,Rs,WMDs W,F累积下渗量(mm)Ds流域缺水量(mm),R,g,二、传统观念与实际现象之间的矛盾,i f
6、p时，也有地表径流产生；i fp时，确实无地表径流产生，但在出口断面可观测到与 降水对应的流量过程；对应一次降雨形成两个形状不同的洪峰过程；全流域产流是十分罕见的。根据上述矛盾提出疑问：径流成分是否只有2种？径流产生的条件是否只有4种？既然不是全流域产流，应该怎样描述流域产流？,三、产流机制,1、超渗地面径流(Rs)的产流机制,i,fp条件：(1)要有界面，即地面(下渗能力fp)；(2)要有供水，即降雨(雨强i)；(3)要供水大于下渗，即i fp，rs=i fp地面径流产流率,2、壤中流(Rss)的产流机制,fA,fB条件：(1)要有界面，存在相对不透水层，如上层A和下层B，且下层比上层透水性
7、差；(2)要有供水，即渗入上层的雨水(下渗率fA)；(3)要上层供水大于下层下渗，即fA fB,i fB；(4)要在界面产生临时饱和带，并有侧向排水条件。rss=fA fB壤中径流产流率,3、饱和地面径流(Rsat)的产流机制,fB条件：(1)表层土壤具有较强透水性，i fB,i fB；(5)侧向排水条件较差，界面上产生的临时饱和带不 断上升达到地面。rsat=i-(rss+fB),ifA,4、地下径流(Rg)的产流机制,条件：(1)要有供水f；包气带薄，地下水位高；在地下水面以上、包气 带 下边界上存在支持毛管水带；整个包气带土壤含水量达到田间持水量。,5、回归流(Rr)的产流机制,相对不透
8、水层条件：(1)壤中流发育；土壤饱和带露出地面；要具备有利于壤中流流出的坡度及地形。,稳定状态下，fcKs,i1雨强下，AB、BC界面均可能产 生壤中流；i2雨强下，BC界面可能产生壤中流i3雨强下，AB、BC界面均不可能 产生壤中流。,(3)KAKB 且KA i，可能有Rs发 生。,KB,i,K,B,1.0,1.0,(1),(2),(3),A,(1)KBiKA，可 能 有 Rss；(2)KBKA i，可能有Rs、Rss和BRsat发生；,K,s,ZKA,i3i2i1,A层,B层,C层,四、产流机制的统一和相互转化,从产流机制分析：任何一种径流成分都是在两种不同透水 性物质的界面上产生的。,从
9、下渗原理或水量平衡原理分析：首先，把界面做为下渗面，任何径流量 都是由“超渗”引起的，或者说由“筛 子”作用形成的。若从界面以上土层的水量平衡方程式来看，任何径流成分的径流量均由“门槛”作 用形成的。,四、产流机制的统一和相互转化,五、产流方式的判断,了解流域所处的地理位置的气候条件，流域的 降雨、土壤、植被等特征和水文地质状况。收 集流域内或邻近地区有关径流实验的资料。最直观的判断依据是流域的实测流量过程线。,以陕北驼耳巷和安徽东坑两站为例,第四节产流模式,一、产流的类型1、概念：各种产流机制的组合称为产流模式（产流 类型）。2、类型、Rs型、Rs+Rint,、Rs+Rg型、Rs+Rint+
10、Rg、Rint、Rint+Rg、Rint+Rsat、Rint+Rsat+Rg、Rg,二、基本产流模式,1、“蓄满”产流模式2、“超渗”产流模式,第五节 蓄满产流的总径流量计算及水源划分,流域产汇流计算,净雨R(t),汇流计算,流域出口断面 径流过程Q(t),前面对径流的形成过程作了定性的描述，阐述了降雨 形成径流的原理，本章及第10章从定量的角度阐述降 雨形成径流的计算方法，它是以后学习由暴雨资料推 求设计洪水、降雨径流预报等内容的基础。降雨P(t)蒸发E(t)数量上相等产流计算,流域产流,1、蓄满产流：在湿润地区，包气带缺水易为一次降雨所 蓄满，则产流量R 可由降雨量Pe减去降雨开始时土壤缺
11、水 量(Wm-Pa)求得。即雨量补足包气带缺水量后，全部形成径 流，这种产流方式叫做蓄满产流。,2、超渗产流：干旱地区，或者湿润地区的干旱季节，雨 量稀少，地下水位低，通气层厚，土壤缺水量很大，一般 降雨不能满足流域缺水量，也不产生径流，只有当降雨强 度超过下渗强度时才能形成地面径流，这种产流方式概化 为超渗产流。,Pa,Wm-Pa,降水,R,Pe,R=Pe-(Wm-Pa),计算公式,包,气,潜 水,带,蓄满产流计算示意图,部分面积产流,全面产流,包气带,Pa,WPa-=PWmma,流域产流过程示意图潜水,P,流域中某点的蓄满产流量（总净雨量）,P降雨量；E蒸发量；Wm点蓄水容量；W点实际土壤
12、蓄水量。流域各点蓄水容量不同，因此必须结合流域的蓄水 分布情况（用流域蓄水容量曲线表示），与点产流方 程联解，才能求得流域的产流量,本节课主要内容,利用流域的蓄水 容量曲线，计算流域 降雨径流过程中的总 产流量。,流域蓄水容量面积分配曲线 常用抛物线表示：,第四节 蓄满产流的总径流量计算及水源划分,一、流域蓄水容量面积分配曲线的线型,W,m,Wmm,1.0,Wm,f/F,即较难得到，但可通过分析得到 反映流域下垫面均匀程度的指数。,a,W,0,绝大多数情况下，降雨开始 时，流域中具有一定的土壤 蓄水量W0(且W0已知)。问题,0,是如何求W 对应的a？,W,Wmm,1.0,Wm,f/F,为W0
13、 对应的最大点蓄水容量,二、产流量计算,W,Wmm,f/F,a,PEdR,当时，全流域产流,当,时，局部产流,所以，,蓄满产流模型,1、当,时，全流域产流,2、当,时，局部产流,配合,模型中 变量：（P-E)，W0和R，参数：有Wm（流域蓄水容量）和抛物线指数b。,对于闭合流域，时段内的流域水量平衡方程式为：,将蓄满产流量计算模式、蒸发计算模式、流域水 量平衡方程式联系起来，可进行E、W、R的逐时段 连续计算，步骤如下：,(1)根据本时段初的Wt、本时段的Pt和流域蒸发能力，按蒸 发模式计算本时段的Et；(2)根据本时段的Pt和由第一步计算的本时段Et，计算本时 段的（Pt-Et）;(3)根据
14、本时段初的Wt和由第二步计算的本时段（Pt-Et），计算本时段的Rt；(4)根据本时段初的Wt、本时段的Pt和由第一、二、三步 计算的Et、Rt，计算本时段末的Wt+1；(5)本时段末的Wt+1即下一时段初的流域土壤含水量，于是 进入下一时段的计算。,例题1,已知流域的W0,Wm和b，逐日计算产流量。,单位：mm,b=0.3,Wm=100,Wmm=(1+b)Wm=130,90.2078.6,三、蓄水容量面积分配曲线与降雨径流关系,W,Wm,f/F,a,PEdR,PE,R,W0=0,W0=Wm,Wm,时，有,当即,所以，产流面积就是降雨径流关系斜率的倒数，即径流系数,第1、建立降雨径流相关图根据
15、流域内多次暴雨的雨量Pe，对应 的径流量R，初始土壤含水量Pa，可点绘 以Pa为参数的PePaR相关图。,PePaR相关图,Pa,Pe(mm),R(mm),45,。,降雨径流相关图 上部属流域全面产流 状态，满足方程R=Pe-(Im-Pa)表现为 一组平行等距离的 450直线。,相关图下部属流,域部分产流情况，产 流量随降雨量减少迅 速降低，表现为一组 向下凹的曲线。,Pa=020406080100,Pe(mm),R(mm),R1R2,R3,R4,P4,P3,P2,P1,例：某次降雨前 Pa=58mm，各时 段雨量分别为P1,P2,P3，P4。,、降雨径流相关图的应用,内插Pa=58mm 相关
16、线（红线）,查得相应的R1，R2，R3，R4,Pa=0,20405680 80 100,R(mm),18386388,105,50,P,50P,已知 Pa=58mm,PRR,501818,45。,降雨径流 关系也可采用 简化形式，以 Pe+Pa为纵坐 标，R 为横坐 标，点绘相关 图。,3、简化的降雨径流相关图,P,50,30,25,25,R,8,18已知 Pa=58mm,Pa+3,P,8 63,10,8 88,13,163,188,R,18,20,25,25,简化的降雨径流相关图,45。18386388,188,163,138,108,40mm,Wm80mm,f/F,Wmm,0.5,1.0,
17、求Wm；求W0=20、40、50mm对应的a;绘出W0=0、40、60mm时的PR曲线。,例题2PE,R,W0=60,60,45,45,0,W=0,W0=40,四、径流成分的划分,关键：确定fc(流域下层土壤的稳定下渗率）设产流面积占全流域的比重为，t时段内的降雨量为p，则有r=p。若已知fc，随着雨强的不同可能出现两种情况：1、当pfct时，时段内产生的地下水径流为：rg=fct，但知在蓄满产流时，总径流的径流系 数就是产流面积=r/p，因此rg=(r/p)fct。2、当pfct时，由于产流面积上的全部降雨都成为地 下水径流：rg=(r/p)p=r综合，一次降雨所产生的地下水总量为地面径流量
18、,例题：,1、南河开峰峪水文站控制流域面积5253km2。1981年 5月2日和3日流域上降了一场暴雨，逐时段流域平均 P-E列于表1。根据流域的降雨径流关系，求得各时段 净雨深也列于表1中。已分析得本流域稳定下渗率 fc=0.4mm/h，试划分地面、地下净雨。表1 开峰峪水文站以上流域降雨及径流资料表,作业：,已知某流域一次降雨过程，已求得各时段产流量 如表1所示。已分析得本流域稳定下渗率 fc=1.6mm/h，试划分地面、地下净雨。表1某流域降雨及径流资料表,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
19、率时才有地面径流产生。这种产流方式，称为超渗产流。,五、超渗产流量计算方法,超渗产流地区降雨强度对下渗起显著作 用，由而降雨推求径流可以采用下渗曲线。下渗曲线是干燥士壤在充分供水条件下流域下渗能力过程线。将降雨强度减去下渗 率就可得到净雨强度过程。这样求得的净雨 量，代表地面径流，不包括地下径流部分。,（一）、列表计算法,fc,f(t),f,t,下渗曲线,流域上每次降雨的强度并非在持续大于 下渗率，不能保证充分供水条件；其次是初 始土壤含水量不等于0。因此，每次降雨实际 下渗曲线是不同的。解决方法是将下渗率随历时变化曲线f(t)转换成随土壤含水量变化的曲线f（W）,Wi,t,f(Wi)=f(t
20、i),0,ti,f(ti),下渗率随历时变化曲线,W,f(Wi),Wi,下渗率随土壤含水量变化曲线,根据f（W）曲线，由本时段土壤水量Wt查 得相应的下渗率f（Wt），由时段雨量Pet由下式 求得时段净雨量ht,下一时段土壤水量Wt+t Wt Pet ht这样，可以逐时段计算净雨过程,查,曲线,1）当ifp时，,r=（i-fp）t,超渗产fp流W 计算表2）当ifp时,r=0,1）当ifp时，W=fp t 2）当ifp时W=i t,W（t+1）=Wt+W,Fpt,C,D,Pt,BBAW0,C,C”,D,t,Fp,P,（三）、初损后渗法,初损后渗法是把实际下渗过程简化为初 损后渗两阶段。初损是大
21、量产流以前的降雨总损失量，包括植物截留，填洼和下渗水量，以流域平 均深度表示。后渗是流域产流以后的下渗水量，以平 均下渗率表示。,Rtt,I0,P0,f,t0,tR,t,t,R,ftR,一次降雨所形成的径流深可用下式表示：R P-Io ftR-P0,式中,P次降雨量；Io初损量；f平均后渗率；tR后渗 历时；Po 后期不产流的雨量。P,1初损量0 的确定小流域：汇流时间短，出口断面的起涨点 大体可作为产流开始时刻，因而起涨点以前 雨量的累积值可作为初损。较大流域：可分站按不同汇流时间，定出流量起涨以前的时刻，并取该时刻以前各 站的累积雨量的平均值作为流域的初损。,P,Q,h,I0,ftR,t干
22、旱流初域损降后雨渗产法流过程,利用实测雨洪资料，分析流域各场洪水的I0及起始土壤含水量W0，初损期的平 均雨强，建立三者的相关图。此外，初损I0还受季节的影响，也可 建立以月份为参数的初损相关图。,4月,5月,7月6月,W,（mm）,I0（mm）W 月份 I0 相关图,W 初期雨强 I0 相关图,因为：RP-I0-ftR-P0所以：式中，t降雨总历时；to 为初损历时；t降雨后期不产流的降雨历时。,平均后渗率f 的计算,3、例题,某流域降雨过程如表1所示，并在该流域的初损 相关图和平均后期下渗能力相关图上查得该次降 雨得=25mm，1.0mm/h，试以初损后损 法求该次降雨的地面净雨过程。表1某流域一次降雨过程,作业：某流域降雨过程如表1所示，并在该流域的初损 相关图和平均后期下渗能力相关图上查得该次降 雨得=35mm，2.0mm/h，试以初损后损 法求该次降雨的地面净雨过程。表1某流域一次降雨过程,
