水文学原理(第六节)

fp f p , i＞f p
一次降雨情况（△t）
假设一场降雨总雨量： ������ = ෍ ������∆������
则，降雨进入包气带的总 水量：
������ = ෍ ������������ ∆������ + ෍ ������∆������
������>������������
������≤������������
第一部分：消耗于蒸发 E
第二部分：用于弥补包气带缺水量
第三部分：在下渗水
时，多余水形成可从包气
带排出的自由重力水 （地下水径流）
田间持水量起着控制作用，它好像“门槛”一样
表明包气带土层的储水量超过这
一“门槛”，因此会有水分“溢出”土层，有径流
产生。 表明包气带土层的储水量低于这一
“门槛”，因此不会有水分“溢出”土层，没有径 流产生。
影响总径流的因素：降雨量、降雨强度、土层初始蓄水量、蒸发量
2.Rs+Rsb型（地表径流+壤中流）
下渗水分不易到 达地下水面，不 出现地下径流
发生条件：包气带厚，雨强大，近地表有相对不透水层，
上层土壤透水性差，下层更差。
容易出现超 渗
容易形成临时饱和层， 出现壤中流
影响总径流的因素：降雨量、降雨强度、上、下土层初始蓄 水量、蒸发量
3、包气带水量平衡方程式 包气带缺水量 下渗水量
I E D
P E (We W0 ) Rs
I E D
P E (Wm W0 ) Rs Rg
习题
判断题 1）包气带对降雨过程分配的“筛子”作用，发生在 包气带内部[ ]。 2）包气带对降雨过程分配的“门槛”作用，指的是 饱和含水量[]
物理条件： ①地下水埋藏较浅，包气带厚度不大，土壤透水 性较强； ②降雨过程中，下渗锋面到达支持毛管水带上缘； ③包气带土壤含水量达到田间持水量，产生自由 重力水补给地下水。
地下径流计算
①对于均质土壤 当 田间持水量<土壤含水量<饱和含水量 当土壤含水量达到饱和含水量
①对于非均质土壤 当 田间持水量<土壤含水量<饱和含水量 当土壤含水量达到饱和含水量
������层
������������������
界面
������������
������层
������������������
壤中流和饱和地面径流的关系
������������������������
习题
超渗地面径流和饱和地面径流发生的界面都是地表 面[ ]。
降雨强度大于上层土壤下渗能力是产生饱和地面 径流的条件之一 [ ]。
包气带水分增长
上界面补充的水分是包气带水分的 主要增长量，取决于下渗能力f与 降雨强度i的关系。
i＞f时，fd=f i≤f时，fd=i
包气带补给强度
包气带水分消退
上界面。土壤蒸发和植物散发（经常性的方式）
下界面。内排水过程（包 气带水分到达地下水面、 转化为地下径流的过程， 或由相对不透水层，从坡 脚流入河槽的过程。）
强透水层，雨强小，不易出现超渗地面径流和饱和地面径流。 均质土壤不会出现壤中流。 包气带不厚，强透水，下渗水易到达地下水面，形成地下径流。
影响总径流的因素：降雨量，土层初始蓄水量、蒸 发量
单点产流模式
影响总径流的因素：降雨量、降雨强度、土层初始蓄水量、 蒸发量（ Rs型） 影响总径流的因素：降雨量、降雨强度、上、下土层初始 蓄水量、蒸发量（Rs+Rsb型） 影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量、蒸 发量（Rsat+Rsb型）
发生条件：包气带含水量 达到田间持水量以上，土 壤中出现自由重力水时。
2、包气带在产流中的作用
包气带的土壤孔隙构成的蓄水体，具有吸水、 持水特性，对降水起着调节与再分配的作用。
（1）包气带对地面降雨的再分配作用—“筛子”作用
瞬时雨强情况
f

i, i

f
p
fp , i＞f
p
rs

0, i i
发生条件：包气带厚度中等，有相对不透水层，上层极易透 水，下层次之。
上层极易透水，有相对不透水层，利于上层土壤饱和，产生 饱和地面径流和壤中流。 包气带厚度不大，透水性好，下渗水易到达地下水面，产生 地下径流。
影响总径流的因素：降雨量，土层初始蓄水量、蒸发量
9.Rg型（地下径流）
发生条件：包气带不厚，均质土壤强透水层，雨强小，雨时长。
，就全流
域产流。
霍顿产流概括：一个层面，两种成分，全面产流
霍顿产流与实际现象之间是否存在矛盾？
时，也有地表径流产生； 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。
2、各种产流机制
物理条件：
有界面，即地面（下渗
能力fp）；
������
②有供水，即降雨（雨强
������������
发生条件：包气带厚度中等，有相对不透水层，地面透水性差， 下层更差，雨强大，雨时长。
地面透水性差，雨强大，容易出现超渗。 有相对不透水层，容易出现壤中流。 雨时长，下渗水量多，包气带不厚，下渗水量容易到达地下水 面。
影响总径流的因素：降雨量，降雨强度、土层初始蓄水量、 蒸发量
8.Rsat+Rsb+Rg型（饱和地面径流+壤中流+地下径流）
特殊包气带产流机制 讨论包气带厚度为零的产流机制
特点：地表下渗能力可视为零，只要满足雨强大于 蒸发强度就会产流。
一场降雨的产流量可表示为：
本节难点
超渗地面径流与饱和地面径流的对比
������
������������������������
������������
Leabharlann Baidu
������ > ������������
雨产生的地面径流为
地下水径流产生的物理条件是整个包气带土壤含水
量达到田间持水量
（2）把径流划分成二类条件， 四种情况：
（3）径流成分：认为地面将降雨分成地表的超渗地
面径流和地下径流2种径流成分。地面径流在一次洪
水涨落过程中起主要作用；地下径流是维持长期枯水
的主要来源。
（4）认为产流是同步的，只要
产流机制
（Runoff Generation Mechanisms）
内
容
①包气带水分补排及水量平衡
提
纲
②产流机制
③产流类型和模式
产流机制
（Runoff Generation Mechanisms）
教学 目标一：理解包气带在产流中的作用
目标
目标二：理解不同产流机制发生的条件
学习 难点
难点一：超渗流与饱和地面径流的关系
不会出现 壤中流
发生条件：在包气带厚度中等或较薄、均质土壤、土层透水性一般
但地下水埋深不大的地区。
容易超渗
下渗水容易 到达地下水 面
影响总径流的因素：降雨量、降雨强度、 土层初始蓄水量、 蒸发量
5.Rsb+Rg型（壤中流+地下径流）
发生条件：包气带不厚，但相对不透水层较深，上层土壤透 水性极强，下层稍次。 上层土壤透水性极强，雨强不可能超过下渗能力，不出现超 渗地面径流。 相对不透水层较深（上土层厚），不容易蓄满，不出现饱和 地面径流。 有相对不透水层，容易出现壤中流。 上、下土层透水性都好，整个包气带不厚，下渗水容易到达 地下水面。
影响总径流的因素：降雨量，土层初始蓄水量、蒸发量 （Rsat+Rsb+Rg型）
影响总径流的因素：降雨量，土层初始蓄水量、蒸发量（Rg 型）
根据次降雨—径流的关系是否密切将上述9种产流类型概括为2 类
1）R=f(P、i、W0、E)型，径流总量受雨强影响， 称超渗产流模式
2）R=f(P、W0、E)型，径流总量不受雨强影响，称蓄 满产流模式
第三节 产流类型与模式 （Runoff Generation Types ）
产流类型指产流机制的组合（9种）
1.Rs型（单一超渗地面产流机制）
下渗水分 很难到达 地下水面， 不出现地 下径流
土层 下渗 能力 小， 容易 出现 超渗。
不会 出现 壤中 流
发生条件：下垫面由很厚的包气带且透水性差的均质土壤组成 时，遇到较大强度降雨，可发生单一地面径流产流类型。
“蓄满 ”产流模式 次降雨与总径流的关系不受雨强影响 产流时，土壤含水量达到田间持水量； 产流与雨强无关，与总降雨量、蒸发量、初始土壤含水量 有关；
“超渗 ”产流模式 次降雨与总径流的关系受雨强影响 雨止时，土壤含水量仍未达到田间持水量； 产流与雨强有关；
☆课程小结
动；
❷降雨强度越大，形成
壤中流的界面越浅，反
之则越深。
现象：降雨时，表层透水性很强的包气带出现地面径流。
是超渗地面径流吗？
当降雨持续大于下层下渗 能力，临时饱和带会逐渐 到达地面，成为地面径流。 饱和地面径流总是和壤中 流相伴发生
物 理
①土壤存在相对不透水层，且上层的透水性
条 远大于下层的透水性
i）；
③供水大于下渗，即i>fp， rs=i-fp
超渗地面径流量计算：
A层 B层
a、层次包气带情况（上层下渗能力大于下层）
三种情况
①
，有
的水分积聚在AB分界面上，形
成临时饱和带；
������������������������
②
，有
的水
分积聚在AB分界面上，形成
临时饱和带；
③
时，降雨全部通 能否发生壤中流的关键是什么？
难点二：壤中流与饱和地面径流的关系
第一节 包气带水分补排及水量平衡
（ Water Supply, Excretion and Water Balance in Aeration Zone ）
1、包气带水分的增长和消退
包气带与外界发生水 分交换在其上、下界 面进行，上界面为地 面，下界面为饱和地 下水面。
暂留在������地������ 面的总水量：
= ෍ (������ − ������������) ∆������
������>������������
根据质量守恒：
P I Rs
������ ������������
������
（2）包气带土层对下渗水量的再分配作用—“门槛”作用
下渗水量I分为3部分：
第二节 产流机制 （Runoff Generation Mechanisms）
2016年7月1日晚，湖北武汉新洲区举水河发生特大洪水，造成430多万人受灾。
研究对象—从包气带 中取出一个单位面积 的垂直土柱作为研究 对象，忽略它与周围 环境的水分交换。从 该微小单元的产流机 制入手研究产流是如 何发生的（非天然流 域产流机制）。
影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量、蒸发量
6.Rsb（壤中流）
相对不透水层深，难以蓄满，不出现饱和地面径流
发生条件：包气带厚，相对不透水层深，上层土壤透水性极
强，下层差下。渗水 难以到 达地下
容易出 现壤中 流
不出现超渗
水面
影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量，蒸 发量
7.Rs+Rsb+Rg型（地面径流+壤中流+地下径流）
过AB界面进入B层，无水分
积聚在界面上。
物
理 条
①包气带存在相对不透水层，且上层土壤的下
件 渗能力大于下层。
②上层向界面上的供水强度大于下层下渗强度， 界面产生积水，形成临时饱和带。
③界面需有一定的坡度
b、包气带土壤质地随深度渐变的情况（由粗变细或
由疏松变密实）
特点：
❶形成壤中流的界面会
随降雨强度的变化而变
1、霍顿产流理论
Robert E. Horton 美国水文学家 （May 18,1875～April 22,1945）
1933年霍顿用下渗概念阐述了 对产流的基本见解
理论基础：包气带的“筛子”作用和“门槛”作用
霍顿产流理论
（1）均质包气带降雨产流受控于2个条件：
超渗地面径流产生的物理条件是
，一场降
3.Rsat+Rsb型（饱和地面径流+壤中流）
易出现壤中 流
发生条件：在相对不透水层浅（上层薄）、下层很厚、上层土
壤透水性强的山区或森林流域。易使上 土层饱 和而出 现饱和 地面径
下渗水不 能到达地 下水面， 不产生地
流
下径流
影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量、蒸发量
4.Rs+Rg型（地表径流+地下径流）
件
②上层向相对不透水层面的供水强度大于下
层的下渗能力
������������������������
③上层土壤含水量全部
������层
������������������
达到饱和含水量
界面
������层
������������������
饱和地面径流的计算
如果不考虑雨期蒸发，一场降雨产生的饱和地面 径流总量为：
影响总径流的因素：降雨量，降雨强度、土层初始蓄水量、 蒸发量（Rs+Rg型）
影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量、蒸发 量（Rsb+Rg型）
影响总径流的因素：降雨量，上、下土层初始蓄水量、蒸 发量（Rsb）
影响总径流的因素：降雨量，降雨强度、土层初始蓄水量、 蒸发量（Rs+Rsb+Rg型）