产流机制
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4
1-1 Aeration zone and saturated zone
包气带和饱和带 (Aeration Zone or Vadose Zone and Saturated Zone) 包气带：三相系统（three-phase system (liquid, gaseous, solid)) 没有水压力，有分子力和毛管力 饱和带：二相系统（two-phase system (liquid, solid))
roles in partitioning rainfall)
产流的物理条件
• (Physical conditions for runoff generation)
基本产流模式
• (Basic modes of runoff generation)
2
降雨径流过程
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 产生的径流从流域各处向流域出口断面汇集的过程～汇流过程
Part 1 Aeration zone and its structure
包气带和饱和带 1 包气带和饱和带 saturated zone) 1 (Aeration zone & saturated zone) (Aeration zone & 包气带结构 2 包气带结构 of aeration zone) 2 (The structure of aeration zone) (The structure 特殊包气带 3 特殊包气带 3 (Special aeration zone) (Special aeration zone)
23
3-1 Horton Theory
1935年，Horton在论文 “地表径流现象 ”中提出：
• •
降雨强度必须大于地面下渗能力，是产生地面径流的条 件； 包气带缺水量必须满足，是产生地下水径流的条件（备 注：设下雨前，河槽正在退水）
24
Horton Runoff Generation
3-1 Horton Theory
产汇流理论教学课件(for2010水文硕士)
第三章 产流机制 Mechanism of Runoff Generation
Contents
包气带及其结构
• (Aeration (vadose) zone and its structure)
包气带的水分动态及对降雨的再分配作用
• (Soil moisture dynamic in aeration zone and its
Bedrock
1-2 The structure of aeration zone
1) 土壤结构(Soil structure)
在湿润条件下(P>800mm/a): 溶提、淀积作用， 土壤形成不同层次. 在干旱条件下： 土壤剖面的形成可能与上述 不同。 以中国黄土高原（Loess Plateau)为例，其不同深度 的土壤颗粒的级配大致相同.
下渗水量I，成为土壤持水量的一部分，其中部分以蒸散发形式返回大气。
I −E≥D
I = E + (W f − W0 ) + Rsub
I −E<D
I = E + (We − W0 )
17
D：包气带缺水量D=Wf-W0 Wf：包气带达到田间持水量时的土 壤含水量 W0：包气带初始土壤含水量 Rsub：地面以下径流 We：雨末包气带含水量
FA
18
2-3 Water balance equation for aeration zone
对某一场降雨
1) P-E<D(当降雨终止时未达田间持水量)
P = I + Rs ⎫ ⎬ P = E + (We − W0 ) + Rs I = E + (We − W0 )⎭ ⇒ Rs = P − E − (We − W0 )
θ ≥ θa θb < θ < θa θ ≤ θb
θ0
θ
θb
14
θ a ---等于或稍小于田间持水量
---介于凋萎含水量与毛管断裂含水量之间
z
2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
15
2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall
降雨产流受控于两个条件： （a）雨强大于地面下渗容量～超渗地面径流 （b）整个包气带土壤含水量达到田间持水量～地下水径流
i ≤ fp,I − E ≤ D i > fp, I − E ≤ D i ≤ fp, I − E > D i > fp, I − E > D
Rs = 0, R g = 0 Rs > 0, Rg = 0 Rs = 0, Rg > 0 Rs > 0, Rg > 0
记为R
⇒ R = Rsub + Rs = P − E − (W f − W0 ),
R = f ( P, E , W0 )
20
2-3 Water balance equation for aeration zone 分层建立
EA A层 B层 C层 D层 EB ΔWA EC ED EE
ΔWB ΔWC ΔWD
We 取决于
i
和 f p 的相对大小。
Rs = f ( P, E , i, W0 )
19
2-3 Water balance equation for aeration zone
2) P-E>D(当降雨终止时达到田间持水量)
P = I + Rs ⎫ Rsub + Rs ⎬ P = E + W f − W0 + 123 I = E + W f − W0 + Rsub ⎭
I= Rs =
i> f p
∫
fdt +
i≤ f p p
∫
fdt =
i> f p
∫
f p dt +
i≤ f p
∫
idt
i> f p
∫ ( i − f )dt
P = I + Rs
16
2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall • 包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall
(1) (2) (3)
I=
i> f p
∑
f p Δt + ∑ iΔt
i≤ f p
一次降雨中湿润锋面所能达到的最大深度取决 于降雨历时、强度、土壤的透水性 (permeability)和前期土壤含水量(antecedent soil moisture content)。
13
2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
• 包气带地面对降雨的再分配作用 (地面起“筛子”作用)
serves as a sieve)
•Role of ground surface in partitioning rainfall (ground surface
↓ i → rs ↓f
↓ P → Rs ↓I
i > f p , f = f p , i − f = rs i ≤ f p , f = i, i − f = rs = 0
地面
包气带
地下水面
毛管悬着水带 (zone of suspended capillary water) 中间带 (intermediate zone) (zone of rising capillary water) 毛管上升水带 地下水面
饱和带
1-1 Aeration zone and saturated zone
• 包气带水分的消退(Recession of soil moisture in aeration zone) 上界面的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。
⎧ E = Em ⎪ 1− c ⎪ (θ a − θ )]E m ⎨ E = [1 − θa − θb ⎪ ⎪ E = cE m ⎩
7
残积层(plant residues) 溶提层（leaching) (颗粒较粗、孔隙较大) 淀积层（accumulation) (颗粒较细、孔隙较小) 母质层（parent material)
基岩（bedrock）
1-2 The structure of aeration zone
P(mm/a) <200 200~400 400~800 >800
WM I D W0 E
i
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Rs
fp
Rg
3-1 Horton Theory
a
i > fp, I − E < D 峰高，量小，涨落洪对称，Rs 为超渗地面径流
Q
t
b
i > fp, I − E > D 涨落洪不对称，Rs + Rg ,Rs 为超渗地面径流, Rg 为地下径流。
c
i < fp, I − E > D 峰低量大，涨落对称，Rg
A 包气带水分动态 (Soil moisture dynamics in aeration zone) B 包气带对降雨的再分配作用
(The role of aeration zone in redistributing rainfall)
C 包气带水量平衡方程式 (Water balance equation for aeration zone)
2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall
• 包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall
非均质土层 请写出土层A和B的I、D、Rsub之间的 关系表达式
类型 干旱 半干旱 半干旱半湿润 湿润
8
1-2 The structure of aeration zone
2) 岩石裂隙和溶隙结构 (Structure of rock fracture and solution crack)
当不透水基岩出露地表时，包气带厚度为零。但当裂隙发育的岩石出露地表 时，则表明包气带由岩石及其裂隙构成。 按裂隙的成因可分为：成岩裂隙(original fracture) 、构造裂隙(tectonic fracture) 、风化裂隙(weathering fracture) 按裂隙的含水性和导水性，裂隙可分为：
10
1-3 Special aeration zone
Example 1: 高寒地带的包气带 (aeration zone in a high and cold area) Example 2: 不透水的下垫面
11
Part 2 Soil moisture dynamics in aeration zone and its roles in partitioning rainfall
12
2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
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和消退过程。 • 包气带水分的增长(Soil moisture increase in aeration zone) 上界面的降水（或灌溉）是包气带水分增长 的主要原因。上界面以上的大气降水导致包 气带水分增长的机理是下渗。
开裂隙
含水性和导 水性较好
9
闭裂隙
不具有导水 性
隐裂隙
不具有含水 性和导水性
1-2 The structure of aeration zone
2) 岩石裂隙和溶隙结构 (Structure of rock fracture and solution crack)
溶隙：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。
I FA FB FC FD
Rsub,A Rsub,B Rsub,C Rsub,D
21
2-3 Water balance equation for aeration zone 各分层的水量平衡式
ΔW A = I − E A − FA − Rsub , A
ΔWB = FA − EB − FB − Rsub , B
ΔWC = FB − EC − FC − Rsub ,C
ΔWD = FC − E D − FD − Rsub , D
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Part 3 Physical conditions for runoff generation
A
Horton理论(Horton Theory)
B
Dunne产流理论(Dunne Theory)
1-1 Aeration zone and saturated zone
包气带和饱和带 (Aeration Zone or Vadose Zone and Saturated Zone) 包气带：三相系统（three-phase system (liquid, gaseous, solid)) 没有水压力，有分子力和毛管力 饱和带：二相系统（two-phase system (liquid, solid))
roles in partitioning rainfall)
产流的物理条件
• (Physical conditions for runoff generation)
基本产流模式
• (Basic modes of runoff generation)
2
降雨径流过程
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 产生的径流从流域各处向流域出口断面汇集的过程～汇流过程
Part 1 Aeration zone and its structure
包气带和饱和带 1 包气带和饱和带 saturated zone) 1 (Aeration zone & saturated zone) (Aeration zone & 包气带结构 2 包气带结构 of aeration zone) 2 (The structure of aeration zone) (The structure 特殊包气带 3 特殊包气带 3 (Special aeration zone) (Special aeration zone)
23
3-1 Horton Theory
1935年，Horton在论文 “地表径流现象 ”中提出：
• •
降雨强度必须大于地面下渗能力，是产生地面径流的条 件； 包气带缺水量必须满足，是产生地下水径流的条件（备 注：设下雨前，河槽正在退水）
24
Horton Runoff Generation
3-1 Horton Theory
产汇流理论教学课件(for2010水文硕士)
第三章 产流机制 Mechanism of Runoff Generation
Contents
包气带及其结构
• (Aeration (vadose) zone and its structure)
包气带的水分动态及对降雨的再分配作用
• (Soil moisture dynamic in aeration zone and its
Bedrock
1-2 The structure of aeration zone
1) 土壤结构(Soil structure)
在湿润条件下(P>800mm/a): 溶提、淀积作用， 土壤形成不同层次. 在干旱条件下： 土壤剖面的形成可能与上述 不同。 以中国黄土高原（Loess Plateau)为例，其不同深度 的土壤颗粒的级配大致相同.
下渗水量I，成为土壤持水量的一部分，其中部分以蒸散发形式返回大气。
I −E≥D
I = E + (W f − W0 ) + Rsub
I −E<D
I = E + (We − W0 )
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D：包气带缺水量D=Wf-W0 Wf：包气带达到田间持水量时的土 壤含水量 W0：包气带初始土壤含水量 Rsub：地面以下径流 We：雨末包气带含水量
FA
18
2-3 Water balance equation for aeration zone
对某一场降雨
1) P-E<D(当降雨终止时未达田间持水量)
P = I + Rs ⎫ ⎬ P = E + (We − W0 ) + Rs I = E + (We − W0 )⎭ ⇒ Rs = P − E − (We − W0 )
θ ≥ θa θb < θ < θa θ ≤ θb
θ0
θ
θb
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θ a ---等于或稍小于田间持水量
---介于凋萎含水量与毛管断裂含水量之间
z
2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
15
2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall
降雨产流受控于两个条件： （a）雨强大于地面下渗容量～超渗地面径流 （b）整个包气带土壤含水量达到田间持水量～地下水径流
i ≤ fp,I − E ≤ D i > fp, I − E ≤ D i ≤ fp, I − E > D i > fp, I − E > D
Rs = 0, R g = 0 Rs > 0, Rg = 0 Rs = 0, Rg > 0 Rs > 0, Rg > 0
记为R
⇒ R = Rsub + Rs = P − E − (W f − W0 ),
R = f ( P, E , W0 )
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2-3 Water balance equation for aeration zone 分层建立
EA A层 B层 C层 D层 EB ΔWA EC ED EE
ΔWB ΔWC ΔWD
We 取决于
i
和 f p 的相对大小。
Rs = f ( P, E , i, W0 )
19
2-3 Water balance equation for aeration zone
2) P-E>D(当降雨终止时达到田间持水量)
P = I + Rs ⎫ Rsub + Rs ⎬ P = E + W f − W0 + 123 I = E + W f − W0 + Rsub ⎭
I= Rs =
i> f p
∫
fdt +
i≤ f p p
∫
fdt =
i> f p
∫
f p dt +
i≤ f p
∫
idt
i> f p
∫ ( i − f )dt
P = I + Rs
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2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall • 包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall
(1) (2) (3)
I=
i> f p
∑
f p Δt + ∑ iΔt
i≤ f p
一次降雨中湿润锋面所能达到的最大深度取决 于降雨历时、强度、土壤的透水性 (permeability)和前期土壤含水量(antecedent soil moisture content)。
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2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
• 包气带地面对降雨的再分配作用 (地面起“筛子”作用)
serves as a sieve)
•Role of ground surface in partitioning rainfall (ground surface
↓ i → rs ↓f
↓ P → Rs ↓I
i > f p , f = f p , i − f = rs i ≤ f p , f = i, i − f = rs = 0
地面
包气带
地下水面
毛管悬着水带 (zone of suspended capillary water) 中间带 (intermediate zone) (zone of rising capillary water) 毛管上升水带 地下水面
饱和带
1-1 Aeration zone and saturated zone
• 包气带水分的消退(Recession of soil moisture in aeration zone) 上界面的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。
⎧ E = Em ⎪ 1− c ⎪ (θ a − θ )]E m ⎨ E = [1 − θa − θb ⎪ ⎪ E = cE m ⎩
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残积层(plant residues) 溶提层（leaching) (颗粒较粗、孔隙较大) 淀积层（accumulation) (颗粒较细、孔隙较小) 母质层（parent material)
基岩（bedrock）
1-2 The structure of aeration zone
P(mm/a) <200 200~400 400~800 >800
WM I D W0 E
i
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Rs
fp
Rg
3-1 Horton Theory
a
i > fp, I − E < D 峰高，量小，涨落洪对称，Rs 为超渗地面径流
Q
t
b
i > fp, I − E > D 涨落洪不对称，Rs + Rg ,Rs 为超渗地面径流, Rg 为地下径流。
c
i < fp, I − E > D 峰低量大，涨落对称，Rg
A 包气带水分动态 (Soil moisture dynamics in aeration zone) B 包气带对降雨的再分配作用
(The role of aeration zone in redistributing rainfall)
C 包气带水量平衡方程式 (Water balance equation for aeration zone)
2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall
• 包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall
非均质土层 请写出土层A和B的I、D、Rsub之间的 关系表达式
类型 干旱 半干旱 半干旱半湿润 湿润
8
1-2 The structure of aeration zone
2) 岩石裂隙和溶隙结构 (Structure of rock fracture and solution crack)
当不透水基岩出露地表时，包气带厚度为零。但当裂隙发育的岩石出露地表 时，则表明包气带由岩石及其裂隙构成。 按裂隙的成因可分为：成岩裂隙(original fracture) 、构造裂隙(tectonic fracture) 、风化裂隙(weathering fracture) 按裂隙的含水性和导水性，裂隙可分为：
10
1-3 Special aeration zone
Example 1: 高寒地带的包气带 (aeration zone in a high and cold area) Example 2: 不透水的下垫面
11
Part 2 Soil moisture dynamics in aeration zone and its roles in partitioning rainfall
12
2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone
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和消退过程。 • 包气带水分的增长(Soil moisture increase in aeration zone) 上界面的降水（或灌溉）是包气带水分增长 的主要原因。上界面以上的大气降水导致包 气带水分增长的机理是下渗。
开裂隙
含水性和导 水性较好
9
闭裂隙
不具有导水 性
隐裂隙
不具有含水 性和导水性
1-2 The structure of aeration zone
2) 岩石裂隙和溶隙结构 (Structure of rock fracture and solution crack)
溶隙：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。
I FA FB FC FD
Rsub,A Rsub,B Rsub,C Rsub,D
21
2-3 Water balance equation for aeration zone 各分层的水量平衡式
ΔW A = I − E A − FA − Rsub , A
ΔWB = FA − EB − FB − Rsub , B
ΔWC = FB − EC − FC − Rsub ,C
ΔWD = FC − E D − FD − Rsub , D
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Part 3 Physical conditions for runoff generation
A
Horton理论(Horton Theory)
B
Dunne产流理论(Dunne Theory)