第2-2章-流域产流

W0
0 p
1.0
2.6 蓄满产流

汇总 WM ' b 1 (1 )
WMM
WMM
当A+PE<WMM时（局部产流）
A PE
WM
A

0
WMM (1 )dWM ' 1 b
R

A
dWM '
A PE b1 ) WMM
A b1 W0 (1 )dWM ' WM [1 (1 ) ] WMM 当A+PE>WMM时（全流域产流） 0

蓄满产流模式：是指包气带土壤含水量达到田间持水量（称“蓄 满”）前，降雨全部补充土壤缺水量，不产流；蓄满后开始产流 ，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。这种产流模式称 为蓄满产流。 适用于土壤缺水量不大的湿润地区。这些地区，一场较大的降雨 常易使全流域土壤含水量蓄满。
只有在蓄满的地方才产流，所以产流期的下渗为稳定下渗率fc。下 渗的雨量形成地下径流，超渗的雨量成为地面径流。 总产流＝直接径流Rs＋浅层地下径流Rg
上式只适用于包气带各点蓄水容量相同的流域，或用于雨后全流域 蓄满的情况。
2.6 蓄满产流

若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流， why?
流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量（土壤缺水量） 也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流 面积逐渐增加，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最 后逐步过渡到全面产流。 因此，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要考虑降雨开始 时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线）。


2.6 蓄满产流

基本概念

蓄满产流
用公式说明： 蓄满前：
P E W2 W1
蓄水容量
蓄满后：
P E R Wm W1
蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。就流域中某点而言， 蓄满前的降雨不产流，蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以用水 量平衡方程计算：
R ( P E) (Wm W0 )
WM ' b WM ' ) d (1 ) WMM WMM


WMM WM ' b 1 WMM (1 ) | 0 1 b WMM
WMM 1 b
流域蓄水容量曲线
2.6 蓄满产流

降雨产流量计算(蓄满) P分布均匀
第1个时段： 初始土壤含水量W01=0；蒸发量 E1；降雨量P1 R1、I1、 1 第2个时段： 初始土壤含水量W02= I1 ；蒸发 量E2；降雨量P2 R2、I2、 2 WMM有上限，降水总量达到 一定深度后全流域产流。
P1 - E1
WM' WMM
P2 - E2
R2 R1 I1
I2
1
1.0
2.6 蓄满产流

降雨产流量计算(蓄满)

பைடு நூலகம்
WM' WMM
一般情况下，降雨前初始土 壤含水量W0不为零，对应的 最大流域蓄水容量为A； 全流域有比例为0的面积已 经蓄满，降落在该面积的雨 量形成径流，降在1-0的面 积上的降雨不能形成径流



2.6 蓄满产流


二水源划分 基本原理

第1时段：PE1< fcΔ t (或FC)，总径流r1
直接径流
地下径流
rs1 =0 rg 1 r1 r1 PE1 PE1 PE1
土壤水分增量
W1 PE （ 1-1） 1
第2时段：PE1> fcΔ t (或FC)，总径流r2 r 地下径流 rg 2 fc t 2 PE2 直接径流 r =r f t r2 = PE f t r2
2.7 超渗产流



概述 在干旱半干旱地区,地下水埋藏很深，包气带很厚，可达 几十米甚至上百米，缺水量大，降雨过程中下渗的水量不 易使包气带蓄满，一般不会产生地下径流。并且只有当降 雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，所以降雨产流量 R主要由地面径流RS组成,这种产流方式称为超渗产流。 超渗产流模型原理 F的确定是关键
0

1.0
代入蓄水容量曲线 可得0
1 (1
WM ' b ) WMM
2.6 蓄满产流


降雨产流量计算(蓄满) 当A+PE<WMM时（局部产流）
A PE

当A+PE>WMM时（全流 域产流）
R dPE
A PE

A
(1 )dWM '
R PE (WM W0 )
2.6 蓄满产流
二水源划分——fc 的推求
在水源划分中，fc 是一个重要参数，它是土壤、地质、植被等的综合反映， 可根据实测雨洪资料分析得到。具体过程为： 首先根据蓄满产流原理由降雨过程P～t推求净雨过程h～t；根据本章2.4节方 法推求相应的实测地下径流总量Rg ；然后采用试错法确定fc，即假设一个fc 代入公式计算，当Rg计算 =Rg实测时,假设的fc即为所求 。分析多次洪水，定出 流域fc的平均值。 已知： Pe ，r ,Rg实测=3 8.1mm,计算fc？ 设 fc= 2.0mm/h ，得 ∑Rg= 47.1mm ，不等于38.1mm 。再假设 fc= 1.6 mm/h ， ∑Rg= 38.6 mm ，与 38.1 mm 相差很小。 fc= 1.6 mm/h
0 RS= PE-F PE>F PE<=F 式中：RS：时段地面径流量； PE：扣除蒸发量的时段降雨量； F： 时段下渗量。 单位：mm/∆t --下渗速率fc
A W0

0

1.0
2.6 蓄满产流

降雨产流量计算(蓄满)
WMM
同 WM
A

0
(1 )dWM '
WMM 1 b
WM' WMM
W0 (1 ) dWM '
0
(1
0
A
WM ' )dWM ' WMM
A W0
WMM WMM A (1 )b 1 1 b 1 b WMM WMM A [1 (1 )b 1 ] 1 b WMM A WM [1 (1 )b 1 ] WMM W0 b1 A WMM [1 (1 ) 1 ] WM
s2 2 c
土壤水分增量
W2 PE （ 1-2） 2 r 总地下径流：RG f c t i PEi i
PEi FC
PE2
2
c
PE2
i PEi FC

ri
总直接径流：RS
PEi FC
ri （ PE f t ） i c PEi i

划分的关键在于推求稳定下渗率fc 。
WM' WMM WMM PE R R ∆W ∆W
或R
A PE

A
dWM '
WM ' b ) ]dWM ' WMM


[1 (1
A
WMM WM ' b 1 A PE PE (1 ) |A 1 b WMM A PE b 1 A b 1 PE WM (1 ) WM (1 ) WMM WMM A A b 1 W0 WM [1 (1 ) ] WMM A PE b 1 R PE W0 WM WM (1 ) WMM PE
第二章 流域产流
第二章 流域产流
2.1 概述 2.2 产流机制分析
2.3 流域蒸发 2.4 实测径流分析 2.5 降雨径流相关法
2.6 蓄满产流 2.7 超渗产流 2.8 混合产流
2.6 蓄满产流

基本概念

如何来表示流域的土壤含水量？（前期影响雨量Pa、流域的蓄水 量W）流域最大蓄水量又称流域蓄水容量，相当于田间持水量与凋 萎含水量的差值（田间持水量：土壤保持水分的最大量）

下渗率f：单位时间、单位面积下渗到土壤中的水量
2.7 超渗产流


基本概念
下渗能力与下渗曲线 下渗能力fp：供水充分情况下的下渗率。 fp反映影响下渗率的内因，或反映除供水条件以外的综合性因素。 下渗曲线
1.下渗能力曲线：下渗能力随时间的变化过程线，简称下渗曲线fp(t)~t。 2.累积下渗曲线：累积下渗量Fp随时间的增长曲线。以Fp(t)~t表示。 3. fp(t) ~Fp(t)
fc=2.0 6.3 6.4 12.0 12.0 12.0 2.0
fc=1.6 5.0 5.1 9.6 9.6 9.6 1.6
Rg( mm ) fc=2.0 fc=1.6 6.3 5.0 3.7 3.7 12.0 9.6 12.0 9.6 12.0 9.6 1.1 1.1 47.1 38.6
2.7 超渗产流


2.6 蓄满产流

蓄水容量曲线——表征土壤缺水量空间分布的不均匀性
流域部分产流主要是因为流域各处蓄水容量不同所致。如果将流域内 各点的蓄水容量从小到大排列，并计算小于某一蓄水容量W′m的面积 占流域面积的比重α ，便可绘出W′m～ α 关系曲线，称为流域蓄水容 量曲线。
W’ m (小到 大) W’m1 W’m2 微元 面积 dF1 dF2 <= W’mj 面积 dF1 dF1+dF2
1)超渗产流只有地面径流，水源划分主要针对蓄满产流； 2)按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括地面 径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要分别处理。 即将净雨R分成地面径流Rs和地下径流Rg。
2.6 蓄满产流



二水源划分(直接径流＋地下径流) 基本原理
由蓄满产流概念可知，包气带土壤含水量达到田间持水量（称“蓄满 ”）前，降雨全部补充土壤缺水量，不产流；蓄满后开始产流，此后 的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。 稳定下渗率fc：注意，只有在蓄满的地方才产流，产流期的下渗为稳 定下渗率fc，且稳定下渗只有在产流面积上才发生。下渗的雨量形成 地下径流rg ，降雨强度超过稳定入渗（超渗）的雨量成为地面径流rs 。 产流面积α ：只有在蓄满的地方产流，此时，时段的总产流量由水量 Fr 平衡方程可知， R t ( P t E t ) F Fr R t 由此可得 F P t E t 即产流面积比等于径流系数。 根据产流面积α 和稳定下渗率fc可划分rs和rg。
蓄满产流
基本概念（蓄水容量、田间持水量 、蓄满产流） 蓄水容量曲线 降雨产流量计算(蓄满) 水源划分(蓄满)——二水源

重点难点：重点见红色部分；难点为降雨产流量计算
2.6 蓄满产流



水源划分 1.二水源划分(直接径流＋地下径流) 2.三水源划分**


二水源划分(直接径流＋地下径流) Notes:

时 段 1 2 3 4 5 6 ∑
∆t (h) 6 4 6 6 6 1
Pe (mm) 14.5 4.6 44.4 46.5 14.8 1.1
r (mm) 7.6 3.7 44.4 46.5 14.8 1.1 118.1
α 0.524 0.804 1.000 1.000 1.000 1.000
时段最大下渗量FC (mm)
W0 b1 A WMM [1 (1 ) 1 ] WM
代入蓄水容量曲线 可得0
1 (1
WM ' b ) WMM
PE W0 WM WM (1
R PE (WM W0 )
作业：
1. p36，蓄满产流模型产流量计算。
小结
2.6
1.
2. 3. 4.


WM—流域平均蓄水容量
WMM
1 (1
WM ' b ) WMM
WM


0
0
(1 )dWM '
WM ' b (1 ) dWM ' WMM
WMM
b——是常数，反映了流域包气带 蓄水容量分布的不均匀性，越大表 示越不均匀。
WMM

WMM
WM dWM' 1-

0
(1
主 要 内 容
下渗能 力的确 定
• 1.物理概念 公式 • 2.经验下渗 方程 • 3.经验相关 关系图
相关 概念
超渗 产流 模型
超渗 产流 模型 计算 步骤
超渗 产流 模型 优缺 点
2.7 超渗产流



基本概念
下渗现象与下渗率 下渗现象：水分通过下渗面向土壤中运动的现象。
影响因素 内因 土壤结构（具有空隙，分子力、毛管力、重力） 土壤含水量 外因 供水条件（自然界降雨；人工灌溉）
Wm
α dF1/F (dF1+dF2)/F
W’m3
W’m2
Wmm
W’m4 W’m7
W’m1
….
Wm
W’m5 W’m8
W’m6
W’mn
dFn
dF1+ dF1+…dFn
(dF1+d F1+…dFn)/F
0
α
1
2.6 蓄满产流
蓄水容量曲线 多数地区经验表明：蓄水容量曲线 可由指数方程近似描述即: