水文学原理第八章产流机制研究.ppt

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1、第八章第八章 产流机制研究产流机制研究8.1 8.1 降水形成产流过程概述降水形成产流过程概述8.2 8.2 包气带水量平衡包气带水量平衡8.3 8.3 产流机制产流机制8.4 8.4 单点产流类型与单点产流模式单点产流类型与单点产流模式P94 公式公式811，少下标，少下标 “sb”第八章第八章 重点重点1.包气带水量平衡要素及平衡方程包气带水量平衡要素及平衡方程2.四种径流成分的产流机制四种径流成分的产流机制3.霍顿产流机制的核心论点与局限性霍顿产流机制的核心论点与局限性4.九种产流类型的组合九种产流类型的组合5.九种产流类型归为两种产流模式的水文意义九种产流类型归为两种产流模式的水文意义

2、降水形成产流的一般过程概述降水在完全降落到地面以前降水在完全降落到地面以前要经过地面要经过地面植被的截留植被的截留，并，并满足满足地面地面低洼处的蓄水存量低洼处的蓄水存量、包气带下渗包气带下渗要求后，才会在流域内要求后，才会在流域内从局部地点产生径流从局部地点产生径流，并随降水的延续及相应条件的满足后，并随降水的延续及相应条件的满足后，流域的流域的产流面积逐渐扩展产流面积逐渐扩展。并并不是降水后不是降水后，流域内，流域内所有的点都同时产生径流所有的点都同时产生径流，各点的产流有先后之分。各点的产流有先后之分。产流过程产流过程 不同成分的净雨水量形成过程不同成分的净雨水量形成过程汇流过程汇流过程

3、径流形成过程径流形成过程坡地汇流过程坡地汇流过程河网汇流过程河网汇流过程径流形成过程分解为产流过程与汇流过程是是降雨到达地表降雨到达地表经植物截留、地表填洼、经植物截留、地表填洼、入渗、入渗、蒸发损失蒸发损失后，后，转化为不同成分的净雨量转化为不同成分的净雨量（称产流过程），（称产流过程），净雨净雨 再汇集到再汇集到 流域出口断面的过程（流域出口断面的过程（称汇流过程称汇流过程）定义：定义：是各种径流成分的形成过程，是各种径流成分的形成过程，是降雨到达地表经植物截留、地表填洼、是降雨到达地表经植物截留、地表填洼、入渗损失后，转化为净雨的过程。入渗损失后，转化为净雨的过程。在整个过程中，在整个过

4、程中，不同成分的净雨量不同成分的净雨量在土壤层中在土壤层中 经经 下渗下渗 与与 蓄留蓄留 后，后，在不同作用机制下迁移运动。在不同作用机制下迁移运动。产流过程，为何又称流域蓄渗过程产流过程，为何又称流域蓄渗过程汇流过程分解为坡地汇流和河网汇流汇流过程分解为坡地汇流和河网汇流河网汇流阶段河网汇流阶段:包气带某层位形成的净雨水量，包气带某层位形成的净雨水量，沿着沿着 土壤坡面土壤坡面从从地表和地下地表和地下汇入汇入 流域各级干支流的河槽内；流域各级干支流的河槽内；净雨水量净雨水量再沿着再沿着各级各级干支流的河槽干支流的河槽,从上游向下游汇集到从上游向下游汇集到 流域流域出口断面的过程出口断面的过

5、程。坡地汇流阶段坡地汇流阶段:典型流量过程线中的水量构成流量过程线中的水量构成洪水流量与时间之间的对应关系洪水流量与时间之间的对应关系洪水流量与时间之间的对应关系洪水流量与时间之间的对应关系,有几个明显变化点，水流产生速度不一样，机制不一样有几个明显变化点，水流产生速度不一样，机制不一样有几个明显变化点，水流产生速度不一样，机制不一样有几个明显变化点，水流产生速度不一样，机制不一样超渗坡面流超渗坡面流饱和坡面流饱和坡面流回归流回归流饱和壤中流饱和壤中流非饱和壤中流非饱和壤中流地下径流地下径流总径流量中各种径流成分是如何总径流量中各种径流成分是如何体现体现的？的？将典型将典型洪水过程线洪水过程线

6、的的退水部分退水部分绘在绘在 单对数或双对数纸坐标系内单对数或双对数纸坐标系内,横坐标横坐标是时间，是时间，纵坐标纵坐标是对是对流量取对数后的数值流量取对数后的数值。在图上得到在图上得到 有有多个转折点的连续折线段，多个转折点的连续折线段，这些这些折线段代表不同退水速度的成分水流。折线段代表不同退水速度的成分水流。总径流量中各种径流成分是如何发现的？总径流量中各种径流成分是如何发现的？可以推理：可以推理：有有不同成分的径流在时间上是先后形成的不同成分的径流在时间上是先后形成的，它们的它们的产流速度不同及产流速度不同及 来源不同来源不同，从而构成从而构成了河道断面的总水量。了河道断面的总水量。涨

7、水阶段的涨水阶段的 洪水过程线洪水过程线陡升陡升，涨水部分绘在单对数纸或双对数纸上，涨水部分绘在单对数纸或双对数纸上，没有明显的流量变化转折点。没有明显的流量变化转折点。为何在涨水段没有这种明显的现象？为何在涨水段没有这种明显的现象？退水段折线段代表不同形成机制的径流退水段折线段代表不同形成机制的径流退水最快的退水最快的曲线段曲线段 代表代表 的是的是 地面径流地面径流，退水最慢的退水最慢的曲线段曲线段 代表代表 的是的是 地下径流，地下径流，壤中径流壤中径流（快速与慢速）的退水速度（快速与慢速）的退水速度在前两者之间在前两者之间。8.2 包气带水量平衡包气带水量平衡1.什么是包气带什么是包气

8、带、水分带结构、水分带结构2.包气带分层及分层内水分运动特征包气带分层及分层内水分运动特征3.包气带不同层位的水量平衡包气带不同层位的水量平衡 包气带包气带 饱和带饱和带隔水层隔水层承压含水层承压含水层越流越流包气带（zone of aeration）位于位于土壤表面土壤表面 以下以下，潜水面潜水面以上以上 的的 不饱和土壤层不饱和土壤层。不饱和土壤层的厚度不饱和土壤层的厚度也就是也就是包气带的厚度包气带的厚度。包气带特征包气带特征基本上是不饱和土壤特征基本上是不饱和土壤特征1.包裹空气包裹空气 的的 不饱和土壤水带不饱和土壤水带，土壤土壤孔孔隙没有完全隙没有完全被液态水充满。被液态水充满。2

9、.土水势土水势 主要由主要由基质势基质势与与渗透势渗透势构成构成,土水势为负值土水势为负值3.水分迁移水分迁移主要由主要由基质势梯度基质势梯度驱动驱动包气带厚度包气带厚度地面地面 到到 地下潜水面地下潜水面 的的 距离距离，包气带的厚度受地下潜水面的变动而变动包气带的厚度受地下潜水面的变动而变动影响包气带厚度的因素影响包气带厚度的因素水量收支水量收支1.上游河道天然来水量的补给上游河道天然来水量的补给2.降水或灌溉降水或灌溉3.地下水的抽取地下水的抽取4.植物蒸腾植物蒸腾5.土壤蒸发土壤蒸发包气带增厚地下水埋深增大植物用水上游来减少水上游来减少水，地下水位下降，地下水位下降，包气带厚度增大包气

10、带厚度增大，植物植物根系吸收不到根系吸收不到地下水，地下水，枯死枯死 。区域年均降水量区域年均降水量40mm40mm，生长完全依赖地下水。，生长完全依赖地下水。枯死荒漠化枯死荒漠化 区域环境需水区域环境需水 生态水文问题生态水文问题潜水埋深潜水埋深 包气带厚度变化对对植物生长影响包气带厚度变化对对植物生长影响到达地表的降水，分配与转换有三个过程到达地表的降水，分配与转换有三个过程1.地面以上地面以上 2.地表处地表处 3.地面以下地面以下 植物对降水截留及地表填洼植物对降水截留及地表填洼 降水强度与下渗强度决定降水强度与下渗强度决定 也就是土壤包气带内，也就是土壤包气带内，土壤分层水力、含水量

11、差异决定土壤分层水力、含水量差异决定包气带是不同成分径流类型的发生场所流域流域陆面陆面由由不同下垫面不同下垫面类型类型构成构成，不同不同下垫面下垫面包气带包气带所处的所处的坡位、坡向、植被坡位、坡向、植被类型、类型、土壤土壤质地、厚度、水力特性、土壤水分状况质地、厚度、水力特性、土壤水分状况不同，不同，则在则在 同一次降水事件同一次降水事件中，中，对应有不同的产流类型和产流模式。对应有不同的产流类型和产流模式。产流有先后、产流量大小不同、产流场所层位不同。产流有先后、产流量大小不同、产流场所层位不同。所以，要先讲所以，要先讲 包气带相关知识包气带相关知识。包气带包气带包气带包气带饱和带饱和带饱

12、和带饱和带典型包气带 水分结构带的三个分层依据依据 包气带内包气带内 毛管水分毛管水分的的来源来源和和 它与它与 外界水分交换外界水分交换 之间的关系，之间的关系，把把 包气带包气带 分三个带分三个带毛管悬着水带毛管悬着水带毛管悬着水带毛管悬着水带中间带中间带中间带中间带毛管支持水带毛管支持水带毛管支持水带毛管支持水带包气带水量平衡 研究思路：研究思路：考察各个考察各个水量平衡要素水量平衡要素的变化的变化 研究方法：研究方法：水量平衡原理水量平衡原理 研究对象：研究对象：典型的、有代表性的典型的、有代表性的 包气带，包气带，分两层分两层 研究时段：研究时段：任一时段内，任一时段内，假设有一次降

13、水事件发生，假设有一次降水事件发生，时段末时刻并不是降水停止的时刻。时段末时刻并不是降水停止的时刻。P 降水量降水量E1 降雨期间的截留与蒸发量降雨期间的截留与蒸发量E2 储存土壤水的蒸发量储存土壤水的蒸发量F 下渗水量下渗水量Rs 地表径流量地表径流量Rsb 壤中径流量壤中径流量Rg 地下径流量地下径流量W1 土层土层A与与B的平均初始蓄水量的平均初始蓄水量W2 土层土层A与与B 时段末平均蓄水量时段末平均蓄水量P P +E+E2 2R Rsbsb地面地面地面地面潜水面潜水面潜水面潜水面R Rg gR Rs s土层土层土层土层A A土层土层土层土层B BF FE E1 1WW1 1WW2 2

14、考察某时段内，包气带的水量平衡要素考察某时段内，包气带的水量平衡要素W1 土层土层A与与B的平均初始蓄水量的平均初始蓄水量W2 土层土层A与与B 时段末平均蓄水量时段末平均蓄水量到达地表的降雨蒸发到达地表的降雨蒸发 E1P P 地面地面地面地面潜水面潜水面潜水面潜水面R Rs s土层土层土层土层A A土层土层土层土层B BF FE E1 1地表处水量平衡方程地表处水量平衡方程WW1 1研究时段内，研究时段内，积水用于蒸发与下渗积水用于蒸发与下渗地表处地表处：W=0地表处水量平衡地表处水量平衡 方程：方程：下渗水分 F 的再分配下渗水分下渗水分 F F 进入包气带后，进入包气带后，在土水势等作用

15、下、土壤分层间水力差异影响下在土水势等作用下、土壤分层间水力差异影响下 ，在包气带内又进行分配，转化为径流与土壤水分。在包气带内又进行分配，转化为径流与土壤水分。E E2 2R Rsbsb地面地面地面地面潜水面潜水面潜水面潜水面R Rg g土层土层土层土层A A土层土层土层土层B BF FWW1 1WW2 2包气带内下渗水分的分配及水量平衡包气带内下渗水分的分配及水量平衡包气带蓄水量变化量包气带蓄水量变化量包气带水量平衡方程包气带水量平衡方程土壤水蒸发土壤水蒸发 E2生成生成 Rsb 与与Rg 径流径流W=W2-W1地表处水量平衡地表处水量平衡 包气带蓄水量的变化包气带蓄水量的变化下渗水量的转

16、换下渗水量的转换 包气带水量平衡方程包气带水量平衡方程总蒸发量总蒸发量 上两式相加上两式相加包气带的水量变化与降雨量的关系包气带的水量变化与降雨量的关系考察时段内，考察时段内，P 0，考察时段内，考察时段内，P=0，现代阶段现代阶段1970年以后年以后霍顿阶段霍顿阶段1930年代年代产流过程经水文学家认知历程的发展，径流成分从两种扩展为四种超渗地面径流超渗地面径流超渗地面径流超渗地面径流饱和地面径流饱和地面径流饱和地面径流饱和地面径流壤中径流壤中径流壤中径流壤中径流地下径流地下径流地下径流地下径流地面径流地面径流地面径流地面径流地下径流地下径流地下径流地下径流50年代年代60年代年代8.3 8

17、.3 产流机制产流机制在降雨过程中，在降雨过程中，有截留损失和填洼损失。有截留损失和填洼损失。随降雨过程的持续，土壤湿度增加，随降雨过程的持续，土壤湿度增加，表层土壤的下渗能力减小，表层土壤的下渗能力减小，霍顿观测到霍顿观测到 超渗超渗地表径流地表径流 在降水强度大于土壤下渗能力时产生在降水强度大于土壤下渗能力时产生,地下径流地下径流 在累计下渗量大于土壤缺水量以后产生在累计下渗量大于土壤缺水量以后产生霍顿观测发现的产流现象（1933）霍顿产流现象霍顿产流现象 在干旱半干旱气候地区植被稀少，在干旱半干旱气候地区植被稀少，土壤包气带薄、土壤包气带薄、硬质表层荒地、冻土等地带发生。硬质表层荒地、冻

18、土等地带发生。霍顿的产流观点霍顿的产流观点总结成下面两段话总结成下面两段话径流的成分有两种，径流的成分有两种，地面径流与地下径流，地面径流与地下径流，Rs 对洪水涨落起主要作用对洪水涨落起主要作用，Rg 长期维持长期维持河流枯水流量，河流枯水流量，i f，全流域产生地面径流全流域产生地面径流降水过程中，降水过程中，形成什么类型的径流成分形成什么类型的径流成分取决于取决于i(降水强度降水强度)与与 f(土壤下渗能力土壤下渗能力)，F(下渗水量下渗水量)与与 D(土壤缺水量土壤缺水量)之间的关系之间的关系包气带土壤缺水量包气带土壤缺水量 D是是 土壤初始含水量土壤初始含水量W1距离距离 土壤含水量

19、土壤含水量达到达到田间含水量田间含水量W田田 的的差值差值 D=W田田 -W1霍顿观点霍顿观点 径流成分取决于径流成分取决于i 与与 f，F 与与 D 之间关系之间关系i f Ri D R=0 ;F D Rg g 0 0i f Ri f Rs s 0 ;F 0 ;F f Ri f Rs s 0 ;F D R 0 ;F D Rg g 0 0i f Ri f Rs s=0 ;F D R=0 ;F D Rg g=0=0无径流产生，河流处于原先退水状态无径流产生，河流处于原先退水状态河流出现河流出现尖瘦、涨落段尖瘦、涨落段大致对称大致对称的洪水过程线的洪水过程线河流出现河流出现矮胖、涨落段矮胖、涨落段

20、大致对称大致对称的洪水过程线的洪水过程线河流出现河流出现涨洪快速，落洪比较缓涨洪快速，落洪比较缓，涨水段与落水段涨水段与落水段明显不对称明显不对称的洪水过程线的洪水过程线霍顿产流机制局限性的四个表现霍顿产流机制局限性的四个表现i if f 的降雨条件下，也观测到地面径流的产生的降雨条件下，也观测到地面径流的产生的降雨条件下，也观测到地面径流的产生的降雨条件下，也观测到地面径流的产生一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰湿润季节，微小的降雨都有明显的流量过程变化湿润季节，微小

21、的降雨都有明显的流量过程变化湿润季节，微小的降雨都有明显的流量过程变化湿润季节，微小的降雨都有明显的流量过程变化全流域产流的情况非常罕见全流域产流的情况非常罕见全流域产流的情况非常罕见全流域产流的情况非常罕见1935193519351935年以后，许多水文学家发现年以后，许多水文学家发现年以后，许多水文学家发现年以后，许多水文学家发现一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：一些不能用霍顿产流观点进行解释的水文现象：i fi f径流成分不仅仅只有霍顿认为的两种，径流成分不仅仅只有霍顿认为的两种，径流成分不仅仅只

22、有霍顿认为的两种，径流成分不仅仅只有霍顿认为的两种，应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？应该还有其它成分的水分来源。但是什么成分呢？现象一：i f ，也观测到地面径流产生，也观测到地面径流产生观测到：观测到：观测到：观测到：地面径流产生，地面径流产生，地面径流产生，地面径流产生，在出口断面出现洪水过程。在出口断面出现洪水过程。在出口断面出现洪水过程。在出口断面出现洪水过程。有时又观测到：有时又观测到：有时又观测到：有时又观测到：没有地面径流产生，没有地面径流产生，没有地面径流产生，没有地面径流产生，

23、却在流域出口断面上观测到洪水过程。却在流域出口断面上观测到洪水过程。却在流域出口断面上观测到洪水过程。却在流域出口断面上观测到洪水过程。以上观测到的现象说明以上观测到的现象说明以上观测到的现象说明以上观测到的现象说明现象二现象二 ：一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰一次比较均匀的降水过程中，却出现两个洪峰第一个：超渗地面径流形成第一个：超渗地面径流形成第二个：壤中径流与回归流形成第二个：壤中径流与回归流形成典型的降雨径流过程线典型的降雨径流过程线只有一个洪峰，只有一个洪峰，一个涨水段一个涨水段一个退水段一个退水段说明洪水过程线中的现象说明洪水过程线中的现象有不同成分的径流类型有不同成分的

24、径流类型不同成分径流的产流速度不同不同成分径流的产流速度不同形成场所不同形成场所不同现象三现象三 ：湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程湿润季节的多雨背景下，湿润季节的多雨背景下，湿润季节的多雨背景下，湿润季节的多雨背景下，土壤包气带缺水量极少，土壤包气带缺水量极少，土壤包气带缺水量极少，土壤包气带缺水量极少，土壤剖面整个层次基本饱和，土壤剖面整个层次基本饱和，土壤剖面整个层次基本饱和，土壤剖面整个层次基本饱和，下渗速度接近稳定渗透速率。下渗速度接近稳定渗透速率。下渗速度接近稳定

25、渗透速率。下渗速度接近稳定渗透速率。这时稍有水分补给土壤，这时稍有水分补给土壤，这时稍有水分补给土壤，这时稍有水分补给土壤，就会有重力水快速下渗到潜水面处，就会有重力水快速下渗到潜水面处，就会有重力水快速下渗到潜水面处，就会有重力水快速下渗到潜水面处，在水势梯度的作用下汇聚到河网内。在水势梯度的作用下汇聚到河网内。在水势梯度的作用下汇聚到河网内。在水势梯度的作用下汇聚到河网内。一般在一般在一般在一般在 坡度大、坡度大、坡度大、坡度大、包气带土壤薄、包气带土壤薄、包气带土壤薄、包气带土壤薄、容易达到饱和的的地段容易出现。容易达到饱和的的地段容易出现。容易达到饱和的的地段容易出现。容易达到饱和的的

26、地段容易出现。下面讲解四种径流成分的产流机制下面讲解四种径流成分的产流机制 超渗地表径流超渗地表径流 壤中径流（派生出回归流）壤中径流（派生出回归流）饱和地表径流饱和地表径流 地下径流（狭义地下径流）地下径流（狭义地下径流）下面图示四种径流成分的产流场所下面图示四种径流成分的产流场所壤中径流或回归流壤中径流或回归流超渗地面径流超渗地面径流地下径流地下径流总净雨量总净雨量截留截留 包气带包气带 饱和带饱和带隔水层隔水层承压含水层承压含水层R Rg gR Rsb sb 或或R RretretR Rs s或或R Rsatsat越流越流蒸发蒸发地面饱和径流地面饱和径流降水降水讲解过程中的符号意义i 降

27、水强度降水强度f 下渗强度下渗强度F 下渗水量下渗水量D 包气带缺水量包气带缺水量Rs 地表径流地表径流Rg 地下径流地下径流Rgb 壤中径流壤中径流Rsat 饱和地面径流饱和地面径流图示超渗地面径流产流图示超渗地面径流产流1 1 i f,rs=i-f 0r s超渗地面径流理论超渗地面径流理论降水初期降水初期i f地表积水地表积水开始产流开始产流随降水再持续随降水再持续if地表地表积水增多积水增多产流量增加产流量增加图示超渗地面径流分时段产流图示超渗地面径流分时段产流2 2各分时段多余的降水量用来产流各分时段多余的降水量用来产流t3t2t1t4 降雨强度小于下渗，没有积水降雨强度小于下渗，没有

28、积水 地表有积水，产流地表有积水，产流 地表有积水，产流地表有积水，产流 地表有积水，产流地表有积水，产流超渗地面径流产流机制超渗地面径流产流机制1 1建立地面建立地面水量平衡方程自降雨开始至自降雨开始至降雨结束时刻降雨结束时刻的时段内的时段内，地面的水量平衡地面的水量平衡可用下面的方程表述：可用下面的方程表述：Rs=P E F In U 其中，其中，Rs 是地面径流产流量，是地面径流产流量，P，E,F分别是降雨开时刻分别是降雨开时刻到时刻到时刻t的累计降雨量、蒸发量、下渗量，的累计降雨量、蒸发量、下渗量，In 与与 U是植物截留量和填洼量是植物截留量和填洼量（知识点（知识点1）。超渗地面径流

29、产流机制超渗地面径流产流机制2简化简化水量平衡方程一般，降雨期间的蒸发比较小可以忽略；一般，降雨期间的蒸发比较小可以忽略；另用于植物截留和填洼的水量不大，另用于植物截留和填洼的水量不大，在数值上变化稳定，是缓变因素；在数值上变化稳定，是缓变因素；因此，植物截留量、填洼量和雨期蒸发量因此，植物截留量、填洼量和雨期蒸发量在地面径流的形成过程中不起支配作用，在地面径流的形成过程中不起支配作用，可以忽略；可以忽略；则上面的水量方程则上面的水量方程可简化为可简化为Rs=P F。（知识点（知识点2）。超渗地面径流产流机制超渗地面径流产流机制3 方程讨论方程讨论若用强度表述上面的水量平衡方程若用强度表述上面

30、的水量平衡方程，则地面径流的则地面径流的产流强度产流强度 rs 可用可用 rs=i f 表示表示；其中，其中，i 是降雨强度，是降雨强度，f 是下渗强度，由上面方程知，是下渗强度，由上面方程知，只有当降雨强度大于下渗强度时，只有当降雨强度大于下渗强度时，才有地面径流产生，这种径流称为超渗地面径流；才有地面径流产生，这种径流称为超渗地面径流；而当降雨强度小于下渗强度时，而当降雨强度小于下渗强度时，降水全部消耗于下渗，没有地面径流产生。降水全部消耗于下渗，没有地面径流产生。以上论述就是超渗地面径流的形成机制以上论述就是超渗地面径流的形成机制（知识点（知识点3）。壤中径流产流机制壤中径流产流机制土壤

31、条件土壤条件自然界中的包气带中，自然界中的包气带中，上层的土壤上覆的压力小上层的土壤上覆的压力小，分布有大量分布有大量植物根系、植物根系、富含有机质富含有机质，上层土壤颗粒团聚体构成土壤的固体骨架，上层土壤颗粒团聚体构成土壤的固体骨架，表层土壤受降水的淋溶、动植物活动的影响大表层土壤受降水的淋溶、动植物活动的影响大使得使得土壤结构疏松，孔隙率大。土壤结构疏松，孔隙率大。而而下层土壤上覆压力大，土壤相对密实，孔隙度小。下层土壤上覆压力大，土壤相对密实，孔隙度小。下层与上层土壤相比，透水性弱，下层与上层土壤相比，透水性弱，容易在两层的界面上形成壤中径流。容易在两层的界面上形成壤中径流。为何自然多出

32、现土壤上层比下层透水性强的现象？为何自然多出现土壤上层比下层透水性强的现象？为何自然多出现土壤上层比下层透水性强的现象？为何自然多出现土壤上层比下层透水性强的现象？A A层层:质地较粗质地较粗,易透水层易透水层B B层层:质地较细质地较细,弱透水层弱透水层C C层层fBfA壤中径流产生过程图示壤中径流产生过程图示临时饱和带临时饱和带壤中流的壤中流的产生产生细细Bi fA相对不透水界面相对不透水界面1.非均质性土壤或层次性土壤非均质性土壤或层次性土壤，有透水性上下不同的界面；有透水性上下不同的界面；2.上层上层A获得下渗水量强度获得下渗水量强度fA 要大于下层要大于下层B获得下渗水量的强度获得下

33、渗水量的强度fB；可以在可以在AB土层界面上产生临时饱和带；土层界面上产生临时饱和带；3.具有产生具有产生内部侧向流动的倾斜坡度内部侧向流动的倾斜坡度。i粗粗AfBfA降水下渗过程中，降水下渗过程中，上层土壤上层土壤A层含水量的增加层含水量的增加快于快于下层下层土壤土壤B层含水量的增加层含水量的增加，上层上层A层土壤先达到田间含水量层土壤先达到田间含水量，直至饱和直至饱和后，后，上层上层A土壤获得的下渗水量土壤获得的下渗水量会会以稳定下渗率以稳定下渗率fC,A 给给 B层土壤供水层土壤供水;壤中径流的产流过程分析壤中径流的产流过程分析1壤中径流的产流过程分析壤中径流的产流过程分析2后续的降水后

34、续的降水 只要只要满足满足 i fB ，就会就会在在AB两层间的界面上产生积水两层间的界面上产生积水，积水量为积水量为 i fB ，这部分积水，这部分积水在在重力作用下沿坡的倾向流动重力作用下沿坡的倾向流动，形成壤中径流。，形成壤中径流。壤中流壤中流在土壤内汇聚的过程中在土壤内汇聚的过程中，会会在己饱和的局地坡面上在己饱和的局地坡面上渗出地面，渗出地面，以地面径流的形式以地面径流的形式成为坡面漫流，成为坡面漫流，注入河槽注入河槽，这种水流，这种水流称为回归流称为回归流。它是壤中流所派生的一种径流成分，它是壤中流所派生的一种径流成分，回归流壤中流的派生径流成分回归流壤中流从壤中流从土壤层与坡面土

35、壤层与坡面相交处相交处露头露头，回归地表，回归地表土壤回归流发生条件土壤回归流发生条件一般只在极小的山坡流域，一般只在极小的山坡流域，且在壤中流比较发育的情况下，且在壤中流比较发育的情况下，才能显示出对流量过程线形状的影响，才能显示出对流量过程线形状的影响，从而作为一种独立的径流成分而存在。从而作为一种独立的径流成分而存在。论述壤中径流产流机制论述壤中径流产流机制 4总结总结综上，综上，壤中径流的形成条件可概述为三点，壤中径流的形成条件可概述为三点，一是一是土壤剖面中存在相对不透水层，土壤剖面中存在相对不透水层，上层的透水能力大于下层；上层的透水能力大于下层；二是二是上层向下层的供水强度大于下

36、层的下渗强度；上层向下层的供水强度大于下层的下渗强度；三是三是在界面上产生积水，形成临时饱和带，在界面上产生积水，形成临时饱和带，界面还具备一定的坡度。界面还具备一定的坡度。B B层层:质地较细质地较细,弱透水层弱透水层C C层层饱和地面径流图示饱和地面径流图示临时饱和带临时饱和带饱和带厚度增加，饱和带厚度增加，抬升到地面抬升到地面fAA A层层:质地较粗质地较粗,易透水层易透水层fB产流量分析：产流量分析：上部土层开始充水上部土层开始充水下部土层开始充水下部土层开始充水土壤继续充水，快于下层土壤继续充水，快于下层下渗水量增加速度没有上层快下渗水量增加速度没有上层快上部充水达到田间含水量上部充

37、水达到田间含水量,下渗水来不及下渗在层内形成壤中流下渗水来不及下渗在层内形成壤中流下层土壤仍未达到田间含水量下层土壤仍未达到田间含水量壤中径流壤中径流图示壤中径流与饱和地面径流的关系图示壤中径流与饱和地面径流的关系上部水量饱和，水面抬升到地表上部水量饱和，水面抬升到地表下层土壤仍未达到田间含水量下层土壤仍未达到田间含水量饱和地面径流饱和地面径流饱和地面径流流发生地段：饱和地面径流流发生地段：灌丛林季节冻土地带的饱和地面径流灌丛林季节冻土地带的饱和地面径流饱和地面径流一般在土壤缺水量少的地段产生，饱和地面径流一般在土壤缺水量少的地段产生，饱和地面径流一般在土壤缺水量少的地段产生，饱和地面径流一般

38、在土壤缺水量少的地段产生，如沟边、河谷地带与坡脚部位。如沟边、河谷地带与坡脚部位。如沟边、河谷地带与坡脚部位。如沟边、河谷地带与坡脚部位。土壤中土壤中形成壤中径流形成壤中径流 r rsb sb 后后，后续降雨后续降雨满足满足 ，即即在满足在满足B B层土壤下渗层土壤下渗及产生及产生壤中径流壤中径流的同时，的同时，还还剩余一部分水量剩余一部分水量使得使得A A层土壤含水量层土壤含水量 从下向上从下向上由由田间持水量田间持水量逐渐增加到逐渐增加到完全饱和完全饱和，直到直到积水厚度积水厚度抬升到地表抬升到地表,在地表形成在地表形成饱和地面径流饱和地面径流r rsatsat饱和地面径流产流过程分析饱和

39、地面径流产流过程分析在壤中流形成后在壤中流形成后取决于取决于土层内部土层内部上下非均值土壤分层之间的下渗能力上下非均值土壤分层之间的下渗能力差异、差异、以及以及上层土壤达到全层饱和时所需的水量上层土壤达到全层饱和时所需的水量D、降水强度降水强度及及持续时间持续时间。概述饱和地面径流的产生的条件概述饱和地面径流的产生的条件细细Brsb相对不透水界面相对不透水界面ifBrsat粗粗A1.1.非均质性土壤或层次性土壤非均质性土壤或层次性土壤，存在，存在透水性能突变界面透水性能突变界面2.2.下层下层土层土层B B供水强度供水强度f fA A要大于要大于它本身的下渗强度它本身的下渗强度f fB B ，

40、3.3.A A土壤达到完全饱和土壤达到完全饱和后，层内后，层内积水抬升到地面积水抬升到地面以上，以上，4.4.降水仍继续降水仍继续饱和地面径流饱和地面径流产生产生fA简述饱和地面径流形成过程简述饱和地面径流形成过程在具备在具备壤中流产生条件的界面上壤中流产生条件的界面上，即，即fAfB当雨强小于上层下渗率当雨强小于上层下渗率fA而大于下层下渗率而大于下层下渗率fB时，时，界面上可形成临时饱和带，界面上可形成临时饱和带，产生壤中流。产生壤中流。此后此后,随降雨继续，随降雨继续，界面处界面处积水不断增加，积水面积水不断增加，积水面将达到地面将达到地面，这时界面以上的土层含水量达到饱和，这时界面以上

41、的土层含水量达到饱和，以后的以后的降雨在地表蓄积流动降雨在地表蓄积流动，形成径流，形成径流，把它称为饱和地面径流，把它称为饱和地面径流，地下水径流地下水径流蓄满产流的理论基础蓄满产流的理论基础土壤含水量达到田间含水量以后土壤含水量达到田间含水量以后,这时这时继续下渗的水分继续下渗的水分，就开始就开始产生大量自由重力水产生大量自由重力水将补给潜水，形成地下径流。将补给潜水，形成地下径流。这是蓄满产流的理论基础。这是蓄满产流的理论基础。地下径流地下径流产流过程产流过程1 1、在地下水埋藏浅，包气带厚度小，透水性强地带。在地下水埋藏浅，包气带厚度小，透水性强地带。2 2、包气带接受降雨下渗补给后，下

42、渗水向下传输，包气带接受降雨下渗补给后，下渗水向下传输，水分传输到达支持毛水分布带的上缘，水分传输到达支持毛水分布带的上缘，下渗水通过土壤毛管与潜水带建立水力联系。下渗水通过土壤毛管与潜水带建立水力联系。3 3、若后续下渗的水分，使含水量达到田间含水量后，若后续下渗的水分，使含水量达到田间含水量后，后续下渗水就会在重力作用下传输到潜水面处，后续下渗水就会在重力作用下传输到潜水面处，补给潜水，形成地下径流。补给潜水，形成地下径流。论述论述地下径流的形成机制地下径流的形成机制 1 土壤土壤土壤土壤包气带厚度不大包气带厚度不大，土壤土壤透水性强，透水性强，在连续降水过程中，在连续降水过程中，下渗锋面

43、达到毛管水带上缘下渗锋面达到毛管水带上缘，使得使得下渗水与地下水建立联系下渗水与地下水建立联系（知识点（知识点1）；）；论述地下径流的形成机制2水分供给若下渗的水量若下渗的水量可满足可满足土壤包气带含水量土壤包气带含水量超过超过田间持水量，田间持水量，则后续的下渗水分则后续的下渗水分以自由重力水的形式补给以自由重力水的形式补给地下水，地下水，产生地下径流产生地下径流 rg （知识点知识点2）论述地下径流的形成机制3平衡方程均质土壤均质土壤的地下径流产流强度，的地下径流产流强度，可用方程可用方程 rg=f 来来表述表述，即此时的下渗率即此时的下渗率等于等于地下径流的产流率；地下径流的产流率；对非

44、均质土壤对非均质土壤来说，来说，由于土壤内部产生侧向的壤中流由于土壤内部产生侧向的壤中流rsb，则地下径流产流强度可用则地下径流产流强度可用 方程方程rg=f rsb 来表述。来表述。（知识点（知识点3）产流机制的论述从三个知识点入手1.土壤条件或土壤条件或土壤水力特性土壤水力特性2.供水条件与供水条件与动力条件动力条件3.建立建立平衡方程平衡方程与讨论方程要素与讨论方程要素下面总结：下面总结：不同径流成分类型不同径流成分类型界面产流界面产流的一般规律的一般规律不同径流成分类型界面产流的一般规律水分来源水分来源：供水强度大于下渗强度，供水强度大于下渗强度，可在产流场所可在产流场所产生临时饱和带

45、。产生临时饱和带。产流场所产流场所：界面（界面（地表地表或或层次性土壤分层间的分界面层次性土壤分层间的分界面）动力动力 条件：条件：界面具有一定坡度，界面具有一定坡度，使得使得水分有侧向流动、归槽的动力水分有侧向流动、归槽的动力到此，产流机制结束学习学习 产流机制理论体系的发展历程产流机制理论体系的发展历程 霍顿产流观点及其局限性霍顿产流观点及其局限性其它径流成分产生机制的认识历程其它径流成分产生机制的认识历程产流类型：产流类型：产流模式：产流模式：不同径流成分的九种共生、伴生组合不同径流成分的九种共生、伴生组合或说是或说是产流机制的共生、伴生组合产流机制的共生、伴生组合九种产流类型九种产流类

46、型概化分为概化分为蓄满产流蓄满产流模式与模式与超渗产流超渗产流模式模式8.4 单点产流类型与单点产流模式单点产流类型与单点产流模式单点产流类型（单点产流类型（径流成分的可能组合情况径流成分的可能组合情况）同一地点同一地点在某次降水产流过程中（经历一个时间段）在某次降水产流过程中（经历一个时间段），依据不同径流成分的依据不同径流成分的共生或伴生条件共生或伴生条件，会会同时或先后同时或先后出现出现不同形成机制不同形成机制的的几种几种径流成分，径流成分，这些这些径流成分的可能组合情况径流成分的可能组合情况（共有九种组合），（共有九种组合），称为单点产流类型。称为单点产流类型。该点的该点的总产流量总产

47、流量是这几种径流成分之和是这几种径流成分之和九种径流成分组合（或九种单点产流类型）九种径流成分组合（或九种单点产流类型）1 （超渗）（超渗）Rs2 （超渗（超渗+壤中）壤中）Rs Rsb3 （壤中（壤中+饱和地面）饱和地面）Rsb Rsat4 （超渗（超渗+地下）地下）Rs Rg5 （壤中（壤中+地下）地下）Rsb Rg6 （壤中）（壤中）Rsb7 （超渗（超渗+壤中壤中+地下）地下）Rs Rsb Rg8 （饱和地面（饱和地面+壤中壤中+地下）地下）Rsat Rsb Rg9 （地下）（地下）Rg为何只有九种径流类型？为何只有九种径流类型？依据不同径流成分的共生或伴生条件依据不同径流成分的共生或

48、伴生条件只能组合出只能组合出9 种情况。种情况。Rs、Rsb 、Rsat、Rg 的组合总数的组合总数只组合其中一种径流成分，可得只组合其中一种径流成分，可得 3 种径流成分组合种径流成分组合 Rs型型 Rsb型型 Rg型型为何没有饱和地面径流为何没有饱和地面径流Rsat 型型?依据据饱和地面径流形成机制，依据据饱和地面径流形成机制，判定饱和地面径流判定饱和地面径流形成一定伴生形成一定伴生壤中径流生成。壤中径流生成。所以，所以，Rsat不会以一种独立的径流类型出现不会以一种独立的径流类型出现，但但可与可与Rsb一起一起与其它径流类型与其它径流类型伴生伴生。组合有三种类型组合有四种类型组合有四种类

49、型只组合其中的两种径流成分只组合其中的两种径流成分，可得到：，可得到：Rs Rsb 型型 RsRg 型型RsbRsat 型型 Rsb Rg 型型为何没有为何没有 Rsat Rs 型型 与与 Rsat+Rg 型型？依据据饱和地面径流形成机制，依据据饱和地面径流形成机制，Rsat形成的前提条件是有壤中径流产生，形成的前提条件是有壤中径流产生，问题中的两种组合形式不会存在。问题中的两种组合形式不会存在。但壤中流可以和另外三种径流成分组合在一起。但壤中流可以和另外三种径流成分组合在一起。组合有两种类型组合有两种类型只组合其中三种径流成分只组合其中三种径流成分，可得到：，可得到：Rs Rsb Rg 型型

50、 Rsat Rsb Rg型型Rs与与Rsat 二者形成机制不相容，二者形成机制不相容，不会共存，不会共存，所以所以只有上面两种形式只有上面两种形式的总径流构成组合，的总径流构成组合，也也没有四种径流成分共存没有四种径流成分共存的径流类型。的径流类型。这样这样这样这样,四种径流成分的可能组合数只能是四种径流成分的可能组合数只能是四种径流成分的可能组合数只能是四种径流成分的可能组合数只能是 9 9 如何计算一次降水事件形成的流域总径流量1.径流量是各种径流成分水量的总和。径流量是各种径流成分水量的总和。2.同一地点各径流成分形成快慢不一样，汇流不一样？同一地点各径流成分形成快慢不一样，汇流不一样？