第八章 流域产流.pptx

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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-EWf-W0，蓄存部分S=Wf-W0若F-EWf-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：

R0R0if,p,ss,F0R=0,ifpifp,gFDs则：

Rs=0Rg0FDs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,WMDsW,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,ifp时，也有地表径流产生；ifp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ifp，rs=ifp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fAfB,ifB；（4）要在界面产生临时饱和带，并有侧向排水条件。

rss=fAfB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，ifB,ifB；（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KAi，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）KBKAi，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+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相关线（红线）,查得相应的R1，R2，R3，R4,Pa=0,2040568080100,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,863,10,888,13,163,188,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,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