第八章 产流机制

第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用

( 2 ）包气带水分的消退。 因此在一般情况下，蒸散发是包气带水分消退的主要原因。 根据蒸散发理论，蒸散发消耗水分取决于气象条件和土壤 含水量，主要规律是：

因此，包气带中的土壤因降雨（或灌溉）获得水分，而因 蒸散发失去水分。自然界降雨和蒸散发都有一个变化过， 时而降雨大于蒸散发，时而降雨小于蒸散发。这就必然导 致包气带的土壤有时增加含水量，有时减少含水量，呈现 出土壤水分的增消过程。
第一节
截留与填洼
p→∞
不考虑降雨过程中 的下渗和蒸散发时 考虑降雨过程 中的下渗和蒸 散发时

流域的最大填洼量一般不大，一次洪水的填洼量还要小些。 但在平原及坡水区，由于地面洼陷较多，填洼量可能较大， 这时填洼量往往就不能忽视了。
第二节 包气带及其结构
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。
Ks i1雨强下，AB 、 BC界面均可能产 A层 生壤中流；
i2雨强下，BC界面可能产生壤中流；
稳定状态下，fc Ks
C层
Z
KA KB
A (2) 1.0 1.0 (3)
i3雨强下，AB 、 BC界面均不可能 产生壤中流。 (1) KB<i<KA，可能有Rss；
(2)KB<KA< i，可能有Rs、Rss和 Rsat发生； (3)KA<KB 且KA< i，可能有Rs发 生。
第四节 产流的基本物理条件（续）
五、回归流(Rr)的产流机制
相对不透水层
条件：(1)壤中流发育； (2)土壤饱和带露出地面； (3)要具备有利于壤中流流出的坡度及地形。
第四节 产流的基本物理条件

五、回归流
第四节 产流的基本物理条件

六、山坡产流
第四节 产流的基本物理条件（续）
i3 i2 i1 B层
(1)
B i KB
第五节 组合产流的类型和基本产流模式
由于包气带结构的复杂性和降雨特性的多变性，实际发生的 大多是几种产流机制的组合。产流机制的组合——产流模式。 一、基本产流模式 Rs型 主要发生在地下水埋深大，包气带厚且透水性差的地区； 雨强相对较大。
Rs+Rss型
主要发生在包气带厚，有相对不透水界面，上层透水性差， 下层更差的地区；雨强相对较大。 Rsat+Rss型


第四节 产流的基本物理条件
第四节 产流的基本物理条件（续）
三、饱和地面径流(Rsat)的产流机制
条件：(1)表层土壤具有较强透水性，i <<fA，Rs=0； (2)要有相对不透水层； (3)要有供水，即渗入上层的雨水(下渗率fA)；
i fA fB
(4)要上层供水大于下层下渗，即fA >fB , i > fB ； (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。
(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。
(2）至少要上层土壤的含水量达到田间持水量。
第四节 产流的基本物理条件

(2）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。
地下径流(Rg)的产流机制


条件：(1)要有供水f； (2)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； (3)整个包气带土壤含水量达到田间持水量。


第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用


一、包气带水分动态
包气带水分动态是指包气带中水分含量及水分剖面的增长 与消退过程。 ( 1 ）包气带水分的增长。 上界面的降水是包气带水分增长的主要原因。按照下渗理 论，一场降雨中包气带增加的总水量应为：


一次降雨中湿润锋面所能达到的最大深度则取决于降雨历 时、强度、土壤的透水性和前期土壤含水量情况。
( 2 ）包气带土层对下渗水量的再分配作用。
―门槛”作用
第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用

四、包气带水量平衡方程式
第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用

五、中国一些地区的包气带水分动态
第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用
第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用



( 1 ）在干旱地区，虽然包气带厚度达数 10m 以 上，但其水分变化活动层也难以超过 lm 。而在 湿润地区，即使包气带薄到不足 lm ，其水分变 化活动层也很少小于 0.5m 的。 ( 2 ）在干旱、半干旱地区， lm 以下大体上为 毛管断裂含水量；而在湿润地区， 0.5m 以下则 基本上维持在田间持水量或田间持水量以上。 ( 3 ）对于半干旱森林地区，可能存在一个相对 不透水层，其上维持在田间持水量，其下部则不 一定维持在田间持水量。
第三节包气带水分动态及对降雨 的再分配作用


三、包气带对降雨的再分配作用
包气带中的孔隙和裂隙等具有吸收、储存和输送水分的功 能。这种功能将导致它对降雨的一系列再分配作用。 ( 1 ）包气带地面对降雨的再分配作用。地面像一面筛 孔会逐渐变小的“筛子”。 令这场降雨的总降雨量为：

第三节

包气带水分动态及对降雨 的再分配作用

一、植物截留 Canopy interception 植物截留是降雨在植物枝 叶表面吸着力、承托力和 水分重力、表面张力等作 用下储存于植物枝叶表面 的现象。截留水量最终耗 于蒸发。
第一节

截留与填洼


一、植物截留 影响植物截留的因素： （1）植物本身的特性，如树种、树龄、林冠厚度、茂密 度等。反映了植物的截留容量 （2）另一类是气象、气候因素，如降雨量、降雨强度、 气温、风和前期枝叶湿度等。决定了实际的截留量 植物截留与降雨强度的关系 ( 1 ）降雨初期，雨水全部截留干枝叶表面，截留量与降 雨强度（i）无关。 ( 2 ）对给定的稳定降雨强度，有一个与之对应的最大稳 定截留量（Ss）。 ( 3 ）随着降雨强度的增加，Ss也增大，最后趋于一常数 值，即植物最大截留量 ( Sm）
第四节 产流的基本物理条件（续）
(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i >fp ，rs= i –fp
地面径流产流率
第四节 产流的基本物理条件（续） 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，
rsat=i -(rss+fB)
第四节 产流的基本物理条件


四、特殊包气带的产流机制
不透水基岩出露地面、河湖沼泽表面、城市道路、屋面和 飞机场跑道等，均可认为是包气带厚度等于零的情况。当 包气带厚度为零时，其表面的下渗容量可视为零。因此只 要满足雨强大于蒸发强度就会产流。这时一场降雨的产流 量显然为：
第二节 包气带及其结构

网状组合：裂隙分布密度比较 均匀，裂隙的连通性好。 脉状组合：透水性很不均匀， 主要导水通道是主干裂隙，分 支裂隙或更细小的微裂隙的导 水能力较小，但对主干裂隙的 水起着汇集和调节的作用。 网脉状组合：在分布比较均匀 的网状裂隙组合中贯穿着宽大 的脉状裂隙，主要的导水通道 是裂隙脉，脉与脉之间通过裂 隙网发生水力联系。
第四节

产流的基本物理条件

一、霍顿产流理论 霍顿产流理论的基 础是包气带的“筛 子”作用和“门槛” 作用。 降雨产流受控于两 个条件：其一是降 雨强度超过下渗容 量；其二是包气带 的土壤含水量超过 田间持水量。
第四节 产流的基本物理条件

包气带产流的物理条件 (1）超渗地面径流产生的 物理条件是雨强大于地面 下渗容量。
降雨-径流过程Rainfall-runoff process
降雨到达下垫面后，在截留、填洼、土壤持水、下渗和蒸散发等因 素作用下的余额～产流 (Runoff generation) 产生径流从流域各处向流域出口断面汇集～汇流 (Runoff concentration)
第八章 产流机制
基本内容： （1）截留与填洼； （2）包气带及其结构； （3）包气带水分动态及对降水的再分配作用； （4）产流的基本物理条件； （5）组合产流的基本类型及基本产流模式。 基本要求： （1）掌握推求流域植物截留量和填洼量的方法； （2）熟悉包气带及其结构； （3）掌握包气带水分动态及对降水的再分配作用； （4）掌握霍顿产流理论； （5）掌握壤中水径流、饱和地面径流的产生机制； （6）掌握组合产流的基本类型及基本产流模式。
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fA >fB , i > fB ； (4)要在界面产生临时饱和带，并有侧向排水条件。 rss= fA –fB
壤中径流产流率
第四节 产流的基本物理条件


二、壤中水径流 1 ．层次包气带的情况
壤中水径流产生的物理条件是：
雨量小于植物截留容量
第一节

截留与填洼
二、填洼Depression detention/storage, ponding 流域上的池塘、小沟等大大小小的闭合洼 陷部分称为洼地。在降雨中被洼地拦蓄的 那部分雨水称为填洼量。
第一节

截留与填洼


二、填洼 降雨强度大于地面下渗能力 填洼量最终耗于下渗和蒸散发。 流域上填洼量的大小与洼地的分布和降雨 量有关。
第八章
第一节 截留与填洼
产流机制
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流域蓄渗过程
径流形成过程
坡面汇流 坡地汇流过程 壤中汇流 河网汇流过程 地下汇流
植物截留In
植物散发ET
降雨P
填洼D
下渗f
蒸发E
下渗f
在该阶段，不产生径流的那部分降水称为损失量，降雨量减损失量=产流量。
第一节 截留与填洼 Interception and depression storage
第一节 截留与填洼


风也是影响植物截留的重要因素。但风的影响有两种截然 不同的效果：一是因风吹摇动枝叶减少了截留量；二是因 风吹增加蒸发量而增加了截留量。 常用的推求流域植物截留量的方法如下： 雨量大于植物截 留容量与蒸发量 之和。
雨量小于 植物截留 容量
第一节 截留与填洼


风也是影响植物截留的重要因素。但风的影响有两种截然 不同的效果：一是因风吹摇动枝叶减少了截留量；二是因 风吹增加蒸发量而增加了截留量。 常用的推求流域植物截留量的方法如下： 雨量大于植物截留容量与蒸发量之和。
第二节 包气带及其结构

中国黄土高原地区的 不同深度的土壤颗粒 的级配大致相同，就 是说土层上下比较均 匀。究其原因，多数 持风成说。
第二节

包气带及其结构



三、包气带的岩石裂隙和溶隙结构 裂隙按其成因可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙三 类。 成岩裂隙是岩石形成过程中由于冷却、凝固、脱水等原 因在岩石内部引起的张应力作用而产生的原生裂隙。 构造裂隙是岩石在构造应力作用下产生的裂隙。由于岩 石构造应力的类型不同，又可分为张性裂隙、扭性裂隙 和压性裂隙三种。 风化裂隙则是岩石受风化作用而形成的裂隙。按裂隙的 含水性和导水性，又可分为开裂隙、闭裂隙和隐裂隙三 类。
包气带
地下水位
饱和带
第二节 包气带及其结构

一、包气带和饱和带
第二节

包气带及其结构


二、包气带的土壤结构 溶提作用指的是土壤中渗漏水从上层溶解或携带悬浮成分 而向下的作用。溶提作用导致了颗粒较粗，孔隙较大的溶 提层，称为 A 层，是土壤剖面的上层。 A 层以上通常又 覆盖着生物体形成的残积层。 淀积作用则是指渗漏水在下层沉淀其中所溶解或悬浮的物 质的作用。沉积作用必导致颗粒较细、孔隙较小的沉积层， 称为 B 层。是土壤剖面的第二层。 B 层以下是未受溶提或淀积作用的土壤母质层，称为 C 层。 C 层下面是未经风化的基岩，称为 D 层。 A 层和 B 层合称为土壤体。 土壤的性状一般是指土壤的质地、结构和色泽等。
第四节 产流的基本物理条件

2 ．包气带土坡质地随深度渐变的情况
干旱条件下 2h10.2mm
湿润条件下 1.67h3.2mm
第四节 产流的基本物理条件


三、饱和地面径流
饱和地面径流产生的物理条件是： (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）上层土壤含水量达到饱和含水 量。 饱和地面径流的产流强度可按下式 计算