水文学原理-第八章

干旱期：初始土壤含水量W0小，地下水埋深大——Rs型


湿润期：初始土壤含水量W0大，地下水埋深浅——Rsat+Rss + Rg型
第三节
三、产流模式和产流面积 1. 流域产流特征分析

产流模式
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
1. Rs型——超渗产流型

产流量R取决于i和fp ， Rs=(i –f p)i 雨止时土壤含水量仍未达 到田间持水量Wm


径流成分单一
第三节
产流模式
2. Rsat+Rss + Rg型——蓄满产流型

产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm 产流量R取决于降雨量P和初始土壤含水量 W0，R=R(P,W0)=P-(WmW0) 径流成分复杂



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
第三节
三、产流模式和产流面积 1. 流域产流特征分析

产流模式
流域的水分状况


降水、蒸发、下渗
土壤前期含水量

地下水位
第三节
分析流域出口的流量过程形状
产流模式


第三节
产流模式
3. Rs型Rsat+Rss + Rg型——转换型

对于一个固定地点(或流域)，其产流模式并不是一成不变的， 在不同的供水和下垫面水分情况下，产流模式可以发生转换 条件：主要发生在包气带中等厚度，近地表有相对不透水界 面，土层透水性中等，降雨量变化幅度大，地下水位变幅较 大的地区 特点
Tp F ( f 0 )
Tp Rss Rg
第二节
一、霍顿产流理论
产流机制
降雨-产流基础是包气带的“筛子”作用和“门槛”作用，产流受控 于两个条件，一是降雨强度超过下渗容量，二是包气带的土壤含水量 超过田间持水量

if if
i fp, I E D i fp, I E D i fp, I E D i fp, I E D
If If
f f
则 则
S 0
S f 0
S F f (t )dt
0 t
If 一次降水后的下渗渗锋达不到地下水位
If 一次降水后的含水量达到田间持水量
S SM f a
第一节

包气带的水文特征
产流部分

产流部分为土壤含水量超过田间持水量后，以自由重力水形式由 包气带输出的水量
不产生径流

产生地面径流 产生地下径流

if

if
产生地下和地面径流
第二节
一、霍顿产流理论

产流机制
与实际水文现象之间的矛盾
对于具有较大下渗能力的流域，当降雨强度小于下渗能力时，有时 产生地面径流产生，并出现对应的洪水过程；有时却没有地面径流 产生，但却在出口断面观测到与地面径流过程相似的洪水过程 对应一次降雨，有时出现形状有别的前后两次洪峰过程，前一个峰 形高而尖瘦，后—个峰行矮胖 有的流域，在湿润季节，微小的降雨，在流量过程线上都可产生敏 感的反应，呈现对应的起伏变化
t
t
i, in,e,sd,f分别表示降水强度、截留率、蒸发率、填洼率和下渗率
第二节 1.超渗地表径流的产流机制
If 忽略预期蒸发、填洼、截留
产流机制
Rs (t ) idt fdt
0 0
t
t
dRs (t ) rs (t ) i (t ) f (t ) dt
If i f
dRs (t ) rs (t ) 0 dt
全流域产流极其罕见，一船只是在流域的局部面积上产流
第二节
二、产流机制
产流机制
1.超渗地表径流（Rs）的产流机 制
超渗产流机制：供水与下渗矛盾发生于地表（包气带上界面）的产流
机制
Rs (t ) idt in dt edt Sd dt fdt
0 0 0 0 0
t
t
t

下渗容量随着土壤含水量的增加而减少，直到稳定下渗率，因此
地面更像一面筛孔会逐渐变小的“筛子”

不同的降雨i进入土壤，如果i>fp，只有fp部分“筛入”土中，剩 余的i-fp部分剩余在“筛面”。包气带能将降雨分为两部分，一 部分进入土中，另一部分留在地面
第一节

包气带的水文特征
土壤蓄存部分

土壤蓄存部分指水分运行中为了维持土壤含水量等于或小于田间 持水量所需的下渗部分
第二节
6、包气带为零时的产流

产流机制
不透水基岩出露地面、河流湖泊沼泽、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，其表面的下渗容量为零，因此只要满足降雨 强度大于蒸发强度，就产流
Rd (i e)dt
i e
在不透水面积上形成的径流称为直接径流
o 0
t
t

非均质土层水量平衡方程
W (t ) W (0) f c dt rg dt rss dt
o 0 0
t
t
t
第二节 4、饱和地面径流（Rsat）

产流机制
问题的提出
对于表层透水性很强的包气带，由于地面的下渗容量很大，一 般的降雨难以超过它而形成超渗地面径流，但还有地面径流现 象发生，原因何在？
水性很弱
上层土壤含水量达到饱和含水量
W (t ) W (0) f c dt f B dt rss dt rsat dt
o 0 0 0
t
t
t
t
第二节 5、回 归 流(Rr)
产流机制

在山坡地区，由于地形坡度的影响，在山坡上有浅薄土壤覆盖的情况 下，土层中形成的临时饱和带的厚度沿坡度呈不均匀状态。坡脚常处 于饱和含水量，坡顶含水量较小。因此，坡地上部形成的壤中水径流，
包气带以上水量平衡方程 If In=0 ΔSd=0
I P I n Rs Sd
W P Rs E Rss FC
第一节
五、包气带在产流中作用
包气带的水文特征
1.包气带地面对降雨的再分配作用

地面好像“筛子”，地面的下渗容量好比“筛孔”，下渗容量大 表示筛孔大，可以将大的雨强“筛入”土中；下渗容量小表示筛 孔小，只能将小的雨强“筛入”土中。
第八章 流域产流
目

录
包气带的水文特性
产流机制 产流模式 流域产流过程及产流量计算方法
第一节
一、包气带和饱水带
包气带的水文特性
饱和带和包气带：在流域上沿深度 方向取一个剖面，以地下水面为界 可把土柱划分为两个不同的含水带， 即地下水面以下的饱和带和以上的 包气带。有时土柱中不存在地下水
产生超渗流的条件
• 要有供水 • 降雨强度大于下渗强度
第二节 2. 壤中流（Rss）的产流机制
产流机制
壤中流产流机制：包气带中存在透水性不同，且下层比上层透水性小的
层理分布土壤交界面；上层向界面上的供水强度大于下层下渗强度；界
面上产生的积水，形成临时饱和带，界面Hale Waihona Puke Baidu需具备一定的坡度
K A KB
Ks , A Ks , B
退过程

包气带水分的增长：来源于上界面的降水（或灌溉）和下界 面的地下水补给。上界面的降水是土壤水分增长的主要原因，
并通过下渗作用补充土壤水分，按照下渗理论，地下水的补
给量
I f p t it
i f p i f p
第一节

包气带的水文特征
包气带水分的消退：包气带水分的消退发生在它的上、下界面，上 界面的蒸散发是包气带水分消退的主要原因，主要取决于气象条件 和土壤含水量
第二节
7、界面产流的规律
产流机制

首要条件：供水。对地表径流是降水，对其他径流成分则是 由上向下的下渗水流

充分条件：供水强度大于下渗强度 其它条件：交界面上产生临时饱和带 侧向运动的动力：坡度和水流归槽条件
第三节
产流模式
一、单元面积产流模式——单点产流模式
第三节
二、流域产流模式
产流模式
f A fB
第二节
产流机制
3. 地下径流（Rg）的产流机制

地下水埋深较浅，包气带厚度不大，土壤透水性较强，在连续降雨过 程中，下渗锋面达及毛管水带上缘，表层影响土层与地下水建立水力 联系，同时包气带含水量超过田间持水量，产生自由重力水而补给地 下水，产生地下径流

均质土层水量平衡方程
W (t ) W (0) f c dt rg dt
包气带的水文特征
随着地面以下饱和含水层的
增加而不断下移
第一节 包气带水分分布特征
包气带的水文特征
毛管悬着水带：水分活跃层， 是降水进行再分配的主要水 分带 中间带：水分变化较小，相 对稳定，水分储存及输送带
毛管上升水带：支持毛管水
第一节
二、包气带水分动态

包气带的水文特征
包气带水分动态：包气带中水分含量及水分剖面的增长与消
E E p , a Kt E Eme , a f E C , a
第一节
四、包气带水量平衡方程

包气带的水文特征
包气带对降雨的再分配作用，即“筛子”和“门槛”作
用，可以统一在包气带水量平衡方程式中
W I E Rss FC
由于坡度的作用，在到达坡脚附近时就会钻出地面成为饱和地面径流。
这种原先为壤中水径流，后又渗出地面而变为饱和地面径流的径流成 分称为回归流

它的形成条件是：山坡上壤中流比较发育，而坡脚处又容易形成出露
地面的饱和带
第二节 5、回 归 流

产流机制
回归流并不是一种原
生径流成分，而是从 壤中水径流派生出来 的一种径流成分。在 降雨过程中，随着山 坡饱和面积的扩大， 回归流发生的范围不 断扩大
第一节

包气带的水文特征
分层水量平衡方程
WA I E A FA Rss , A WB FA EB FB Rss , B WC FB EC FC Rss ,C WD FC ED FD Rss , D
第一节

包气带的水文特征
包气带以上水量平衡方程
超渗产流径流量多少与流域初始土湿和降雨强 度有关
第三节
2. 产流模式在流域中分布

产流模式
具有相对均一性质的单元流域产流模式

土壤覆盖薄、下有岩层或相对不适水层、植被茂密的山坡小流域， 其对应的产流模式以Rsat+Rss型 包气带中等厚度、非均质土壤，下有地下水层，植被良好的丘陵地 带的山坡小流域，其对应的产流模式以Rs+Rss+Rg型，当包气带较薄 时，则以Rsat+Rss+Rg 具有较厚包气带的黄土或壤土层，地下水埋深大的山坡流域，其产 流机制属于超渗产流模式，属于RS型 地势平坦的冲积平原，透水性良好，地下水埋藏较浅的集水单元， 其产流机制属Rsat+Rg型， 当地下水位较低时，则可能Rsat+Rss+Rg



第三节

产流模式
流域产流机制基本规律
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模式必然 存在差异。流域产流机制的特点

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。
第三节
产流模式

分析影响次洪产流量的因素

蓄满产流径流量多少与流域初始土湿和降雨量 有关



由于土壤下层是相对不透水层，所以降雨强度可能大于下层下 渗容量，从而在上下界面上就会出现临时饱和带，发生壤中水
径流。该临时饱和带随着降雨的继续不断向上发展，最终将达
到地面，于是后续降雨的一部分将积聚在地面，不再是壤中水 径流，而成为一种地面径流，称为饱和地面径流
第二节

产流机制
饱和地面径流产生的物理条件 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
面，不透水基岩以上土层全属包气
带。有时地下水位出露地表，不存 在包气带
第一节
一、包气带和饱水带
包气带分为三带：接近地下 水面处存在毛管上升水带， 接近地面处存在毛管悬着水 带，两者之间为中间带。在 毛管上升水带中，毛管力和 重力抵消，其中的水不流入 地下水中，其位置随着地下 水位变化。毛管悬着水带只 有在地面供水时才出现，并