《第八章产流机制研究.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第八章产流机制研究.ppt(89页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第八章 产流机制研究,8.1 降水形成产流过程概述 8.2 包气带水量平衡 8.3 产流机制 8.4 单点产流类型与单点产流模式,P94 公式8-11,少下标 “sb”,第八章 重点,包气带水量平衡要素及平衡方程 四种径流成分的产流机制 霍顿产流机制的核心论点与局限性 九种产流类型的组合 九种产流类型归为两种产流模式的水文意义,8.1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 要经过地面植被的截留,并满足地面低洼处的蓄水存量、 包气带下渗要求后,才会在流域内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, 流域的产流面积逐渐扩展。 并不是降水后,流域内所有的点都同时产生径流,
2、 各点的产流有先后之分。,产流过程 不同成分的净雨水量形成过程,汇流过程,径流形成过程,坡地汇流过程,河网汇流过程,径流形成过程分解为产流过程与汇流过程,是降雨到达地表经植物截留、地表填洼、 入渗、蒸发损失后, 转化为不同成分的净雨量(称产流过程), 净雨 再汇集到 流域出口断面的过程(称汇流过程),定义: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、 入渗损失后,转化为净雨的过程。,在整个过程中, 不同成分的净雨量在土壤层中 经 下渗 与 蓄留 后, 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,汇流过程分解为坡地汇流和河网汇流,河网汇流阶段:,包气带某层位形
3、成的净雨水量, 沿着 土壤坡面从地表和地下 汇入 流域各级干支流的河槽内;,净雨水量再沿着各级干支流的河槽, 从上游向下游汇集到 流域出口断面的过程。,坡地汇流阶段:,典型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, 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 饱和坡面流 回归流 饱和壤中流 非饱和壤中流 地下径流,总径流量中各种径流成分是如何体现的?,将典型洪水过程线的退水部分 绘在 单对数或双对数纸坐标系内, 横坐标是时间, 纵坐标是对流量取对数后的数值。,在图上得到 有多个转折点的连续折线段, 这些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
4、何发现的?,可以推理: 有不同成分的径流在时间上是先后形成的, 它们的产流速度不同及 来源不同, 从而构成了河道断面的总水量。,涨水阶段的 洪水过程线陡升, 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。,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,退水最快的曲线段 代表 的是 地面径流, 退水最慢的曲线段 代表 的是 地下径流, 壤中径流(快速与慢速)的退水速度在前两者之间。,8.2 包气带水量平衡,什么是包气带 、水分带结构 包气带分层及分层内水分运动特征 包气带不同层位的水量平衡,包气带,饱和带,隔水层,承压含水层,越流,包气带(zone of
5、aeration ),位于土壤表面 以下,潜水面以上 的 不饱和土壤层。 不饱和土壤层的厚度也就是包气带的厚度。,包气带特征基本上是不饱和土壤特征,包裹空气 的 不饱和土壤水带, 土壤孔隙没有完全被液态水充满。 土水势 主要由基质势与渗透势构成 , 土水势为负值 水分迁移主要由基质势梯度驱动,包气带厚度,地面 到 地下潜水面 的 距离, 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水量收支,上游河道天然来水量的补给 降水或灌溉 地下水的抽取 植物蒸腾 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,地下水位下降,包气带厚度增大, 植物根系吸收不到地下水,枯死 。 区域年
6、均降水量40mm,生长完全依赖地下水。,枯死荒漠化 区域环境需水 生态水文问题,潜水埋深 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,地面以上 地表处 地面以下, 植物对降水截留及地表填洼 降水强度与下渗强度决定 也就是土壤包气带内, 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,流域陆面 由不同下垫面类型构成,不同下垫面包气带 所处的坡位、坡向、植被类型、 土壤质地、厚度、水力特性、土壤水分状况不同, 则在 同一次降水事件中, 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。 所以,要先讲 包气带相关知识 。,包气
7、带,饱和带,典型包气带 水分结构带的三个分层,依据 包气带内 毛管水分的来源 和 它与 外界水分交换 之间的关系, 把 包气带 分三个带,包气带水量平衡,研究思路: 考察各个水量平衡要素的变化 研究方法: 水量平衡原理 研究对象: 典型的、有代表性的 包气带,分两层 研究时段: 任一时段内, 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。,P 降水量 E1 降雨期间的截留与蒸发量 E2 储存土壤水的蒸发量 F 下渗水量 Rs 地表径流量 Rsb 壤中径流量 Rg 地下径流量 W1 土层A与B的平均初始蓄水量 W2 土层A与B 时段末平均蓄水量,P,+E2,Rsb,地面,潜水面,Rg
8、,Rs,土层A,土层B,F,E1,W1,W2,考察某时段内,包气带的水量平衡要素,W1 土层A与B的平均初始蓄水量 W2 土层A与B 时段末平均蓄水量,到达地表的降雨蒸发 E1,P,地面,潜水面,Rs,土层A,土层B,F,E1,地表处水量平衡方程,W1,研究时段内, 积水用于蒸发与下渗 地表处 : W = 0,地表处水量平衡 方程:,下渗水分 F 的再分配,下渗水分 F 进入包气带后, 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。,E2,Rsb,地面,潜水面,Rg,土层A,土层B,F,W1,W2,包气带内下渗水分的分配及水量平衡,包气带蓄水量变化
9、量,包气带水量平衡方程,土壤水蒸发 E2,生成 Rsb 与Rg 径流,W = W2 - W1,地表处水量平衡,包气带蓄水量的变化,下渗水量的转换,包气带水量平衡方程,总蒸发量,上两式相加,包气带的水量变化与降雨量的关系,考察时段内,P 0 ,,考察时段内,P =0 ,,现代阶段1970年以后,霍顿阶段 1930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,饱和地面径流,壤中径流,地下径流,地面径流,地下径流,50年代,60年代,8.3 产流机制,在降雨过程中,有截留损失和填洼损失。 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, 霍顿观测到 超
10、渗地表径流 在降水强度大于土壤下渗能力时产生, 地下径流 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 在干旱半干旱气候地区植被稀少, 土壤包气带薄、硬质表层荒地、冻土等地带发生。,霍顿的产流观点总结成下面两段话,径流的成分有两种,地面径流与地下径流, Rs 对洪水涨落起主要作用, Rg 长期维持河流枯水流量, i f ,全流域产生地面径流,降水过程中,形成什么类型的径流成分 取决于i(降水强度) 与 f (土壤下渗能力) , F (下渗水量)与 D (土壤缺水量 ) 之间的关系,包气带土壤缺水量 D,是 土壤初始含水量W1 距离 土壤含水量达到田间含水
11、量W田 的 差值 D = W田 - W1,霍顿观点 径流成分取决于i 与 f ,F 与 D 之间关系,i D Rg 0,i f Rs 0 ; F D Rg = 0,i f Rs 0 ; F D Rg 0,i f Rs= 0 ; F D Rg = 0,无径流产生,河流处于原先退水状态,河流出现尖瘦、涨落段大致对称的洪水过程线,河流出现矮胖、涨落段大致对称的洪水过程线,河流出现涨洪快速,落洪比较缓, 涨水段与落水段明显不对称的洪水过程线,霍顿产流机制局限性的四个表现,if 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,湿润季节,微小的降雨都有明显的流量过程变化,全
12、流域产流的情况非常罕见,1935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:,i f,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?,现象一 : i f ,也观测到地面径流产生,观测到: 地面径流产生, 在出口断面出现洪水过程。 有时又观测到: 没有地面径流产生, 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,现象二 :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 第二个:壤中径流与回归流形成,典型的降雨径流过程线 只有一个洪峰, 一个涨水段 一个退水段,说明洪水过程线中的现象 有不同成分的径流类型 不
13、同成分径流的产流速度不同 形成场所不同,现象三 :湿润季节内微小的降雨都有明显的流量过程,湿润季节的多雨背景下, 土壤包气带缺水量极少, 土壤剖面整个层次基本饱和, 下渗速度接近稳定渗透速率。,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, 在水势梯度的作用下汇聚到河网内。,一般在 坡度大、 包气带土壤薄、 容易达到饱和的的地段容易出现。,下面讲解四种径流成分的产流机制,超渗地表径流 壤中径流(派生出回归流) 饱和地表径流 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,壤中径流或回归流,超渗地面径流,地下径流,总净雨量,截留,包气带,饱和带,隔水层,承压含水层,Rg,Rs
14、b 或Rret,Rs或Rsat,越流,蒸发,地面饱和径流,降水,讲解过程中的符号意义,i 降水强度 f 下渗强度 F 下渗水量 D 包气带缺水量 Rs 地表径流 Rg 地下径流 Rgb 壤中径流 Rsat 饱和地面径流,图示超渗地面径流产流1,i f , rs = i - f 0,i = 1.5cm/hr,f = 2.0cm/hr,i= 1.5cm/hr,f = 0.5cm/hr,r s= 1.0cm/hr,超渗地面径流理论,降水初期 if 截留填洼,随降水持续 i f 地表积水 开始产流,随降水再持续 if 地表积水增多 产流量增加,图示超渗地面径流分时段产流2,各分时段多余的降水量用来产流
15、,t3,t2,t1,t4, 降雨强度小于下渗,没有积水, 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1建立地面水量平衡方程,自降雨开始至降雨结束时刻的时段内, 地面的水量平衡可用下面的方程表述: Rs= P E F In U 其中,Rs 是地面径流产流量,P,E , F分别是降雨开时刻 到时刻t的累计降雨量、蒸发量、下渗量, In 与 U是植物截留量和填洼量(知识点1)。,超渗地面径流产流机制2简化水量平衡方程,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, 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 在地面
16、径流的形成过程中不起支配作用, 可以忽略; 则上面的水量方程可简化为Rs= P F。(知识点2)。,超渗地面径流产流机制3 方程讨论,若用强度表述上面的水量平衡方程, 则地面径流的产流强度 rs 可用 rs = i f 表示; 其中,i 是降雨强度, f 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, 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, 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(知识点3)。,壤中径流产流机制土壤条件,自然界中的包气带中,上层的土壤上覆的压力小, 分布有大量植物根系、 富含有机质, 上层土壤颗
17、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 使得土壤结构疏松,孔隙率大。 而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, 容易在两层的界面上形成壤中径流。,为何自然多出现土壤上层比下层透水性强的现象?,A层:质地较粗,易透水层,B层:质地较细,弱透水层,C层,fB,fA,壤中径流产生过程图示,临时饱和带,壤中流的产生,细B,i fA,相对不透水界面,非均质性土壤或层次性土壤, 有透水性上下不同的界面; 上层A获得下渗水量强度fA 要大于下层B获得下渗水量的强度fB ; 可以在A-B土层界面上产生临时饱和带; 具有产生内部侧向流动的倾斜
18、坡度。,i,粗A,fB,fA,降水下渗过程中, 上层土壤A层含水量的增加 快于 下层土壤B层含水量的增加, 上层A层土壤先达到田间含水量,直至饱和后, 上层A土壤获得的下渗水量 会以稳定下渗率fC,A 给 B层土壤供水;,壤中径流的产流过程分析1,壤中径流的产流过程分析2,后续的降水 只要满足 i fB , 就会在A-B两层间的界面上产生积水, 积水量为 i fB ,这部分积水 在重力作用下沿坡的倾向流动,形成壤中径流。,壤中流在土壤内汇聚的过程中, 会在己饱和的局地坡面上渗出地面, 以地面径流的形式成为坡面漫流, 注入河槽,这种水流称为回归流。 它是壤中流所派生的一种径流成分,,回归流壤中流
19、的派生径流成分,回归流,壤中流从土壤层与坡面相交处露头,回归地表,土壤回归流发生条件,一般只在极小的山坡流域, 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, 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 4总结,综上, 壤中径流的形成条件可概述为三点, 一是土壤剖面中存在相对不透水层, 上层的透水能力大于下层; 二是上层向下层的供水强度大于下层的下渗强度; 三是在界面上产生积水,形成临时饱和带, 界面还具备一定的坡度。,B层:质地较细,弱透水层,C层,饱和地面径流图示,临时饱和带,饱和带厚度增加,抬升到地面,fA,A层:质地较粗,易透水层,fB,产流量分析:,上
20、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,下渗水量增加速度没有上层快,上部充水达到田间含水量, 下渗水来不及下渗在层内形成壤中流,下层土壤仍未达到田间含水量,壤中径流,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,下层土壤仍未达到田间含水量,饱和地面径流,饱和地面径流流发生地段: 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, 如沟边、河谷地带与坡脚部位。,土壤中形成壤中径流 rsb 后, 后续降雨满足 , 即在满足B层土壤下渗及产生壤中径流的同时, 还剩余一部分水量 使得A层土壤含水量 从下向上 由田间持水量逐渐增加到完全饱和,
21、 直到积水厚度抬升到地表, 在地表形成饱和地面径流rsat,饱和地面径流产流过程分析在壤中流形成后,取决于 土层内部上下非均值土壤分层之间的下渗能力差异、 以及 上层土壤达到全层饱和时所需的水量D、 降水强度及持续时间。,概述饱和地面径流的产生的条件,细B,rsb,相对不透水界面,i,fB,rsat,粗A,非均质性土壤或层次性土壤,存在透水性能突变界面 下层土层B供水强度fA要大于它本身的下渗强度fB , A土壤达到完全饱和后,层内积水抬升到地面以上, 降水仍继续,饱和地面径流产生,fA,简述饱和地面径流形成过程,在具备壤中流产生条件的界面上,即fAfB 当雨强小于上层下渗率fA而大于下层下渗
22、率fB时, 界面上可形成临时饱和带,产生壤中流。,此后, 随降雨继续, 界面处积水不断增加,积水面将达到地面, 这时界面以上的土层含水量达到饱和, 以后的降雨在地表蓄积流动,形成径流, 把它称为饱和地面径流,,地下水径流蓄满产流的理论基础,土壤含水量达到田间含水量以后, 这时继续下渗的水分, 就开始产生大量自由重力水 将补给潜水,形成地下径流。 这是蓄满产流的理论基础。,地下径流产流过程,1、在地下水埋藏浅,包气带厚度小,透水性强地带。,2、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, 下渗水通过土壤毛管与潜水带建立水力联系。,3、若后续下渗的水分,使含水量达
23、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, 补给潜水,形成地下径流。,论述地下径流的形成机制 1 土壤,土壤包气带厚度不大, 土壤透水性强,在连续降水过程中, 下渗锋面达到毛管水带上缘, 使得下渗水与地下水建立联系 (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 可满足土壤包气带含水量超过田间持水量, 则后续的下渗水分 以自由重力水的形式补给地下水, 产生地下径流 rg (知识点2),论述地下径流的形成机制3平衡方程,均质土壤的地下径流产流强度, 可用方程 rg = f 来表述, 即此时的下渗率等于地下径流的产流率; 对非均质土壤来说, 由于土壤内部产生侧向的
24、壤中流rsb , 则地下径流产流强度可用 方程rg = f rsb 来表述。 (知识点3),产流机制的论述从三个知识点入手,土壤条件或土壤水力特性 供水条件与动力条件 建立平衡方程与讨论方程要素,下面总结:不同径流成分类型界面产流的一般规律,不同径流成分类型界面产流的一般规律,水分来源 :供水强度大于下渗强度, 可在产流场所产生临时饱和带。 产流场所 :界面(地表或层次性土壤分层间的分界面) 动力 条件:界面具有一定坡度, 使得水分有侧向流动、归槽的动力,到此, 产流机制结束,学习 产流机制理论体系的发展历程 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,产流类型:,产流模式:,不同
25、径流成分的九种共生、伴生组合 或说是产流机制的共生、伴生组合,九种产流类型 概化分为 蓄满产流模式与超渗产流模式,8.4 单点产流类型与单点产流模式,单点产流类型(径流成分的可能组合情况),同一地点 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共生或伴生条件, 会同时或先后出现不同形成机制的几种径流成分, 这些径流成分的可能组合情况(共有九种组合), 称为单点产流类型。 该点的总产流量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),1 (超渗) Rs,2 (超渗 + 壤中) Rs Rsb,3 (壤中 + 饱和地面) Rsb Rsat,4 (超渗 + 地下) Rs
26、Rg,5 (壤中 + 地下) Rsb Rg,6 (壤中) Rsb,7 (超渗 + 壤中 + 地下) Rs Rsb Rg,8 (饱和地面 + 壤中 + 地下) Rsat Rsb Rg,9 (地下) Rg,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 只能组合出9 种情况。,Rs 、Rsb 、Rsat 、Rg 的组合总数,只组合其中一种径流成分,可得 3 种径流成分组合 Rs型 Rsb型 Rg型,为何没有饱和地面径流Rsat 型 ? 依据据饱和地面径流形成机制, 判定饱和地面径流形成一定伴生壤中径流生成。 所以,Rsat不会以一种独立的径流类型出现, 但可与Rsb一起与其它径流类型伴生
27、。,组合有三种类型,组合有四种类型,只组合其中的两种径流成分,可得到: Rs Rsb 型 RsRg 型 RsbRsat 型 Rsb Rg 型,为何没有 Rsat Rs 型 与 Rsat+ Rg 型 ? 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, 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。,组合有两种类型,只组合其中三种径流成分,可得到: Rs Rsb Rg 型 Rsat Rsb Rg型 Rs与Rsat 二者形成机制不相容, 不会共存, 所以只有上面两种形式的总径流构成组合, 也没有四种径流成分共存的径流类型。,这样, 四种径流成分的可
28、能组合数只能是 9,如何计算一次降水事件形成的流域总径流量,径流量是各种径流成分水量的总和。 同一地点各径流成分形成快慢不一样,汇流不一样? 不同地点的径流成分形成快慢、汇流也不一样? 如何计算各径流成分的呢? 只能概化计算: 将九种产流类型进行概化分类, 分为两种产流模式。,次降水 径流关系,指一次连续降水过程(或一场降水事件) 所引起的径流过程中, 降水与径流之间的相关关系。,R = f( P, x , y , z, ),产流模式,从次降水 径流的关系出发(离不开这个前提), 为便于简化计算 一次降雨事件形成的流域总产流量, 在判断总产流量与雨强相关程度大小的基础上, 对流域各产流点在一次
29、降雨过程中 主导流域总产流量的产流类型进行概化分类, 将产流模式分为 蓄满产流模式与超渗产流模式。,单点产流模式的概化归类,超渗产流模式,总产流量受到降雨强度影响 R = f(P, i , W0 , E),蓄满产流模式,总产流量不受降雨强度影响 R = f(P, W0 , E),两种单点产流模式的概化, 为水文计算与水文过程模拟提供了实用、简便的思路, 应用中的新安江模型与陕北模型, 都是在这些产流模式的理论基础上建立的。,概化归类的意义:,超渗产流、蓄满产流 只和一次降水产生的径流有关,超渗产流和蓄满产流 是针对一次降雨形成的总径流而言。 即需要考察 次降水 径流关系。 离开这个前提, 单点产流模式的归类分法 没有实际意义。,需要注意的是: 应用蓄满产流理论计算产流量, 只能计算出一次降雨过程中的总径流量, 而不能把其它径流成分分割出来, 不能精确给出产流量在时间上的分配过程。,复习要点,名词解释: 包气带、产流机制、单点产流类型、 产流模式、 包气带缺水量、田间持水量 方程:包气带水量平衡方程、四种机制涉及的方程 简述径流形成过程(产流过程、汇流过程) 简述霍顿产流观点的四点核心内容、两句话 简述为何土壤水分达到田间持水量是 形成地下径流的 先决条件 论述四种径流成分的产流机制 (可图示、公式符号说明) 四种径流成分的共生组合为何只有9种产流类型?,
链接地址:https://www.31doc.com/p-2095609.html