水文学原理第八章2020

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：
流域土壤含水量的增加量:
当
时，初始流域土壤含水量:
蓄满产流总径流量： 流域土壤含水量增量：
当
时，流域上只有局部面积产流。
当
时，全流域面积发生蓄满产流。
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 ：
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 单点产流
1 超渗地表径流：
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
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：
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。
(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
设：D为包气带缺水量，即：
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
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。
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
六、产流面积空间变化的统计特征曲线
和 的逐时变化过程。计算时段取
某流域超蓄产流的产流量计算表（二层蒸散发模型）
时间
6•27•17 0
0
0
0
0
0
0 61.83 61.83
20 0.5 0
23 38.1 0
28 • 2 28.9 0
5 6.8 0
8 19.7 0
11 46.7 0.143
14 24.5 0.143
17 3.8 0.143
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）
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：
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：
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。
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。
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
3 该曲线不能给出流域上具体地点的下渗容量 。
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。
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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，
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。
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
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。
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）
29 • 2 0.1 0.154 0.154 0
0
0 19.46 80 100
5 0.7 0.154 0.154 0.01 0 0.01 20 80 100
8 2.3 0.154 0.154 2.15 0 2.15 20 80 100
二、超渗产流的地面径流量计算
计算流域超渗地面径流量的方法：
1 列表计算法 ：
20 80 100
14 24.5 0.143 0.143 24.36 19.36 5
20 80 100
17 3.8 0.143 0.143 3.66 0 3.66 20 80 100
20 2.3 0.143 0.143 2.16 0 2.16 20 80 100
23 4.6 0.154 0.154 4.45 0 4.45 20 80 100
两层蒸散发模型
当
时：
，
，
当
时：
【例6-2】 某流域面积为 402 km2，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第三栏 所列。本次降雨开始时 =61.83mm， 其中 =0, =61.83mm。试按流域二层 蒸散发计算模型。求该次降雨的 ， ，
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。
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
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。
（2）超渗产流(非蓄满产流):
§8.2 包气带的水分运行
一、垂向运行 1 均质土壤：
均质土壤且含 水量均匀：
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 。
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。
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。
20 2.3 0.143
23 4.6 0.154
29 • 2 0.1 0.154
5 0.7 0.154
8 2.3 0.154
某流域超蓄产流的产流量计算表（二层蒸散发模型）
时间
6•27•17 0
0
0
0
0
0
0 61.83 61.83
20 0.5
0
0
0.1
0
0.1 0.4 61.83 62.23
23 38.1 0
四、包气带水分的分布与动态
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
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
设某时刻地面的下渗强度为 ,降雨强 度为 ：
当 时，实际下渗率
被良好，坡度中等。其产流一般属于 (
)型。
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。
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。
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。
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
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。
当
时，流域上只有局部面积产流
。
2 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：
当
时，时段内产生的地下水径流为：
一场降雨形成的地下水径流量为：
水文学原理第八章2020
§8.1 包气带及其水文特征
一、包气带和饱和带
包气带 P<0
P=0 饱和带
P>0
二、自然土壤土体构型
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
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，
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。
；地面不产流。
当 时，实际下渗率
，
其余部分（ ）成为地面径流；地面产流。
下渗水量为： 成为地面径流的水量为： 显然总雨量：
2．下渗水量的再分配
--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 :
当
时：
下渗水量 I :
3.自然界的两种基本产流方式
（1）超蓄产流(蓄满产流):
0 11.14 9.68 1.46 20 69.13 89.19
28 • 2 28.9 0
0 18.09 14.96 3.13 20 80 100
5 6.8
0
0
6.8 1.8
5
20 80 100
8 19.7 0
0 19.7 14.7 5
20 80 100
11 46.7 0.143 0.143 46.56 41.56 5