水文学原理 CH9 流域产流

径流形成过程
流域蓄渗过程 坡面汇流 流量及其时程分 配过程。 坡地汇流过程 壤中汇流 河网汇流过程 地下汇流
1、流域蓄渗过程
植物截留In 植物散发ET 蒸发E 下渗f 降雨P
填洼D 下渗f
在该阶段，不产生径流的那部分降水称为损失量，降雨量-损失量=产流量。
2、坡地汇流过程
植物散发ET 蒸发E
径流量及其时程分配 沿坡地地表及地 下向河网汇集的 过程，其结果产 降雨P 生河网总入流
第四节 产流面积的变化
一、现象及原因 产流区：降雨过程中，流域上产生径流的部分。 产流面积：产流区所包围的流域面积。
流域产流的重要特点：产流面积是逐渐变化着的
1、降雨空间分布不均匀； 2、下垫面条件空间分布不均匀。
二、流域蓄水容量面积分配曲线
流域上各处包气带达到田间持水量时的土壤含水量不相 同。将各点包气带蓄水容量从小到大排列，以包气带达到田间 持水量时的土壤含水量 W´m 为纵坐标，以流域内小于等于该 W´m的面积占全流域面积比α为横坐标，所绘的曲线称为流域 蓄水容量面积分配曲线(简称流域蓄水容量曲线)。对同一个流 域，蓄水容量面积分配曲线是唯一的。 W´ m W´mA A Wm W´mm 曲线所包围的面积，即：
山坡流域的分类 流域类型 土壤、岩石 土壤覆盖浅薄 下面为岩石 包气带厚度中 非均质土壤 包气带很厚 均质土壤 植被 地下水位 植被茂密 表土疏松 山坡较陡 存在地下水位 植被良好 坡度中等 地下水埋深大 植被很差 地下水位高 地势平坦 透水性好 产流 Rsat+Rint+Rg Rsat+Rint 典型流量过 程线
∫
′ W mm
0
′ (1 − α )dWm
为流域蓄水容量Wm。 W´mm为流域最大点蓄水容 1.0 量。
αA
α
W´ m
W´mm Wm
α = ϕ (W
' m
)
α
1.0 按照流域蓄水容量曲线的定义，它显然具有下列基本性质： 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 W’m的最小值，一般为零，但也不可以为零；其最大端表示流 域中的W’m的最大值，在图中用W’mm表示。 2、曲线上任一点的横坐标值表示流域中小于等于W’m值的流域 面积所占的比重。 3、对于一个流域来说，流域蓄水容量曲线是唯一的， Wm为常 数。
Q
t 河槽调蓄作用：涨水时，注入河网量> 从出口断面流出量，蓄 水。
第二节 山坡流域分类
山坡流域是指构成流域的基本单元 流域的基本单元：流域中不可再划分的最小部分。 分为4种形状： V型、收敛形、发散型、马蹄形 若按包气带厚度、土壤、岩石、植被等特性和 地下水位的高低、有无，大体上可把山坡流域 划分为四种类型。
蓄满产流径流量多少与流域初始土湿和降雨量有关； 超渗产流径流量多少与流域初始土湿和降雨强度有关。
4、分析典型山坡流域的包气带结构和水分动态 5、分析流域中地下水动态特点 总之，流域产流特征的分析应力求综合，相辅相 成，不宜孤立地、静止地看问题。
第四节 流域产流面积的变化
现象及原因 流域蓄水容量面积分配曲线 流域下渗容量面积分配曲线 蓄满产流产流面积的变化 超渗产流产流面积的变化
二、径流描述
1、 流量 单位时间内流过河流某一断面的水量，常用Q表示，以 m3/s计。分为瞬时流量和平均流量之分。 瞬时流量指某时刻通过河流某断面的水量，一般用流 量过程线表示，流量过程线上的最高点为洪峰流量。 平均流量指某时段内通过某断面的水量与时段的比 值，一般有日、月、年、多年平均流量。 2、径流总量 一定时段内通过某一断面的总水量。常用W表示，以 m3、km3、亿m3计。径流量与瞬时流量、平均流量的 关系为
例题：某水文站控制流域面积为2263 km2，已 知该站的多年平均流量为83.1 m3/s ，该流域的 多年平均降水量为1770 mm ，试求多年平均径 流量，多年平均径流深，多年平均径流模数以 及多年平均径流系数。
三、径流形成过程
指流域上承受一场具有一定时空分布的降雨后，在其流域的出口断面形 产流过程：在坡 成流量过程的现象称为降雨径流形成过程。即从降雨(或融雪)到水流汇 集至河流出口断面的整个过程。 地上降雨形成径
流域产流特征可从以下几方面进行分析： 1、分析流域的气候及下垫面特征
长年气候干燥的流域，常以超渗模式产流； 长年气候湿润的流域，常以蓄满模式产流。 若下垫面土壤颗粒细小、结构密实、植被差，地下水埋 深大，则常以超渗方式产流； 若下垫面土壤颗粒较粗、结构疏松、植被好，地下水位 高，则常以蓄满方式产流； 我国长江以南的绝大部分地区，属典型的蓄满产流 区；西北干旱地区的一些内陆河流，属典型的超渗产流 区；其余地区属于混合产流区。
第九章
流域产流
主要内容
径流 山坡流域分类 流域产流特征分析 流域产流面积的变化 蓄满产流总产流量的计算及水源划分
第一节 径流
径流现象 径流描述 径流形成过程
一、径流现象
径流是指由降水所形成的，在重力的作用下沿 着一定的方向和路径流动的水流。 其中，地表径流：沿着地面流动的水流；壤中 径流：在土壤中流动的水流；地下径流：在饱和 层及岩石孔隙流动的水流；河川径流：汇集到河 后，在重力作用下沿河床流动的水流。 径流因降水形式和补给水源的不同，分为降雨 径流和融雪径流。 径流现象指降落在流域上的雨水经过截留、填 洼、土壤持水、下渗、蒸发散发等子过程，在重 作用下，沿地面、地下流动的现象。
二、径流描述
3、径流模数 流域出口断面的流量与流域面积之比值，即单位流域 面积上的平均流量。常用M表示，以m3/(s · km2)
4、径流深 计算时段内的径流总量平铺在某断面流域面积上的深 度。常用R表示，以mm计。
二、径流描述
5、径流系数 α 径流深度R与产生它的降水深度P之比。 常用α表示， 无因次。
下渗f Rs Rint Rg
Rs Rs 下渗f Rint Rg
坡面汇流:水流速度快, 汇流时间几分钟～几小时; 坡地汇流过程 壤中汇流:水流速度中, 汇流时间几小时～几天; 地下汇流:水流速度慢, 汇流时间几天～几百
3、河网汇流过程
各种径流成分注入河网后，在河网内沿河槽作纵向流动 和汇集的过程。从坡地汇流注入河网开始，至输送到出口断 面为止。河网汇流的结果形成流域出口断面的流量过程。
三、流域下渗容量面积分配曲线
在一定的初始土壤含水量W0下，流域上各处的地面下渗容 量也不相同。以地面下渗容量 fp 为纵坐标，以流域内小于等 于该 fp的面积占全流域面积比β为横坐标，所绘的曲线称为 流域下渗容量面积分配曲线。对一个流域，下渗容量面积分 配曲线是以W0为参变量的一组曲线。 fp
W0=0 W0=Wm 特点: (1)上包线：全流域干燥时，W0=0 (2)下包线：流域含水量达田间持水 量时，W0=Wm (3)该曲线不能给出流域上具体地点 的下渗容量。
。
2.降雨空间分布不均匀情况下，蓄满产流总径流产流面积的变化特 点：
划分成许多子流域 每个子流域看成降雨分布均匀 分别对子流域讨论后，综合结果
五、超渗产流产流面积的变化
超渗产流的产流率r = i -fp fp
W0=0
fp
W0=0～Wm
fp
W0= Wm
i1 β1
I1 β
i2 β2
I2 β
Baidu Nhomakorabea
i3 β3 β
3、产流量计算
(1) 根据前期实测降雨量和蒸散发计算模式，推算本次 降雨初始时的流域土湿W0 (2) 计算本次降雨的流域平均值P，扣除雨期蒸发后得 PE值 (3) 查降雨径流相关图或者根据公式计算R
二、降雨空间分布不均匀的情况
将整个流域按泰森多边形划分成若干块，假设每块 的雨量可以用块内雨量站的雨量代表。则整个流域不 均匀的雨量划分到每个子块就可以按块内均匀处理 了。 泰森多边形法
一、降雨空间分布均匀的情况
1、初始土湿分布与计算
W0 = ∫ (1 − α )dWm′
a 0
W0 = Wm [1 − (1 −
Wmm′
a
)b +1 ]
1 1+ b
W0
W0 ) a = W [1 − (1 − Wm
' mm
]
2、建立降雨径流关系
′ a + PE ≤ Wmm
a + PE a
局部产流
ΔW = ∫
(1 − α )dWm′
R = PE − Wm [(1 −
Wmm′
a
)
1+ b
a + PE 1+b − (1 − ) ] ′ W
mm
PE + a 1+b ) R = PE + W0 − Wm + Wm (1 − ' Wmm
a + PE ≥ Wmm′
全流域产流
RR ΔW ΔW
R = PE + W0 − Wm
A1 A2 A3
A6
A5
A4
三、水源划分 前面所求的为总径流量R：R=Rs+Rg 。这里所 讲的是两水源划分方法。 地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的。 因此，由已知 PE 求得径流量 R 后，还需再分成地 面和地下两部分，以便进行汇流计算。 按照蓄满产流模型：产流面积上，包气带缺水 量已经满足，产流量 R 按稳定下渗率 fc 下渗，下 渗的水量形成地下径流 Rg ，超过稳定下渗率的部 分形成地面径流 Rs 。（只有在产流面积上才有地 下径流产生）
1、多数具有相当数量和足够强度的降水都有一个与之对 应的流量过程，即：P(t)～Q(t)，但降水量P>径流量R； 2、P(t)、Q(t)过程形状不一样， P(t)尖瘦不光滑， Q(t)矮 胖光滑，洪峰过程的出现要比降雨过程滞后； 3、P(t) 、 Q(t)过程历时不同， P(t)时间短， Q(t)时间 4、相同P(t)在不同流域产生的Q(t)形状不同。
第Ⅰ类
第Ⅱ类
Rs+Rint+Rg
第Ⅲ类
Rs
第Ⅳ类
冲积平原
Rsat+Rg
流量过程线上的主要尖峰都是由槽面降水形 成的直接径流（Rs） ，或者由逐步扩大的 饱和地面径流（Rsat）所造成的，而过程线 总量则主要是由壤中水径流（Rint）组成 的。
第三节 流域产流特征分析
一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由更 小的集水单元(山坡流域)所组成的。由于流域内地形地貌、 地质条件、植被类型、土壤类型、包气带厚度、地下水埋 深、土壤湿度及降雨等存在差异，所以流域各点的产流特征 必然存在差异。流域产流的特点： 流域产流由不同的产流模式组成； 流域中占主导地位的产流模式决定了流域产流的基本特征； 在一定条件下，非主导产流模式可以转化为主导型产流模 式。
第一时段初始土含为W0； 第二时段初始土含为W0+I1；…
（1）湿度大、透水性差，先超渗的地方先产流； （2）降雨过程中产流面积时大时小，有时甚至为0； （3）产流面积的大小与降雨强度和初始土壤含水量有关，与降雨量无关。 （4）一次降雨过程中，全流域超渗产流与局部流域超渗产流可能是交替出现 的。
第五节 蓄满产流总产流量的计算及水源划分 降雨空间分布均匀的情况 降雨空间分布不均匀的情况 水源划分 降雨径流关系
rg = rs =0
三、水源划分
总地下径流：
时段内产 流量
时段长
Rg =
i PEi ≥ f c ⋅Δt
∑
ri fc ⋅ ⋅ Δt + PEi
i PEi < f c ⋅Δt
2、分析流域出口的流量过程形状
蓄满产流径流量中壤中流和地下径流的比例较大，表现为出 口断面洪水过程线矮胖，退水历时长，洪水过程线明显不对 称； 超渗产流径流量中几乎没有地下径流，表现为出口断面洪水 过程线尖瘦，退水历时短，洪水过程线较为对称。
蓄 满 产 流
超 渗 产 流
3、分析影响次洪产流量的因素
三、水源划分
土壤达到田间持水量时，按稳定下渗率fc下渗，通 过fc将产流量划分成地表径流和地下径流。 产流面积上，PE全部转化成径流： 若时段PE < fc Δt， rg =PE · α ， rs =0 若时段PE >fc Δt ， rg = fc Δt · α ， rs =(PE- fc Δt ) · α 未产流面积上，PE全部补充土壤缺水：
β
1.0
四、蓄满产流产流面积的变化
蓄满产流的产流量R=PE-(Wm-W0) W´ m W´mm
PE2 PE1
Wm
α1
α2
1.0
α
1.降雨空间分布均匀情况下，蓄满产流总径流产流面积的变化特点 （1）土壤缺水小、先蓄满的地方先产流； （2） 随着供水的继续，产流面积不断的增大(单向增加)； （3）产流面积的大小与降雨量和初始土壤含水量有关； （4）产流面积的变化与降雨强度无关； （5）全流域发生蓄满产流的条件是∑(P-E) ≥ W’